汽轮机设备及运行第五章

1、汽轮机设备及运行第五章第1页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五第五章 汽轮机的凝汽设备第一节 凝汽设备的任务及组成第二节 表面式凝汽器的结构及分类第三节 凝汽器的热力特性第四节 抽气器第五节 凝汽器的运行与监督第六节 凝汽器的清洗第2页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五第一节 凝汽设备的任务及组成 5.1 凝汽设备的任务及组成 凝汽设备是凝汽式汽轮机装置的重要组成部分之一，它的工作情况直接影响到整个装置的热经济性和运行可靠性。 凝汽设备在汽轮机装置的热力循环中起着冷源作用。降低汽轮机排汽的压力和温度，就可以减小冷源损失，提高循环热效率。 一、凝汽设备的任

2、务热力循环热效率曲线第3页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五 5.1 凝汽设备的任务及组成 在凝汽器中，不断循环的冷却水创造凝汽器中的低温环境，使排汽释放汽化潜热而发生凝结。凝汽器中蒸汽凝结的空间是汽液两相共存的，汽侧压力等于蒸汽凝结温度所对应的饱和压力。蒸汽凝结温度由冷却条件决定。只要冷却水温不高，蒸汽凝结温度也不高，一般为30左右，所对应的饱和压力约为4-5kPa,该压力大大低于大气压力，从而在凝汽器中形成高度真空。 凝汽设备的最主要的作用有两方面：一是在汽轮机排汽口建立并维持一定的真空；二是保证蒸汽凝结并回收凝结水作为锅炉给水。 此外，凝汽设备还是凝结水和补给水去除氧

3、器之前的先期除氧设备；接受机组启停和运行中的疏水和甩负荷过程中旁路排汽，以回收热量和减少循环工质损失。第4页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五 5.1 凝汽设备的任务及组成二、凝汽设备的组成 以水为冷却介质的凝汽设备，一般由凝汽器、凝结水泵、抽气器、循环水泵以及它们之间的连接管道和附件组成。最简单的凝汽设备示意图如图示。最简单的凝汽设备示意图1. 凝汽器：凝结乏汽，建立真空，收集凝结水并进行除氧。2. 循环水泵：提供连续足量的循环冷却水，带走蒸汽的热量。3. 凝结水泵：向锅炉输送洁净的给水。4. 抽气器：排出不凝结气体，维持凝汽器真空。第5页，共60页，2022年，5月20

4、日，0点54分，星期五三、凝汽设备的要求 凝汽设备满足的要求： 1.具有较高的传热系数； 2.有良好的严密性； 3.尽可能的降低凝结水的过冷度。 4.凝汽器的汽阻、水阻要小。 5.力求抽气功耗最小； 6.凝结水的溶氧量要小； 7.便于安装、检修、清洗维护。 5.1 凝汽设备的任务及组成第6页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五第二节 表面式凝汽器的结构和类型 5.2 表面式凝汽器的结构和类型 凝汽器可分为表面式和混合式两大类。根据冷却介质不同，表面式凝汽器又分为空气冷却式和水冷却式两种。其中，水冷却式凝汽器应用得较广泛，因此，水冷却表面式凝汽器常简称为表面式凝汽器。空冷式凝汽

5、器只在缺水地区使用。 空气冷却凝汽器是以空气作为冷却介质，把蒸汽凝结成水。发电厂采用翅片管式的空冷散热器，直接或间接用环境空气来冷凝汽轮机排汽的冷却系统，称为空冷系统。采用空冷系统的汽轮发电机组简称为空冷机组。与同容量湿冷机组相比，空冷机组冷却系统本身可节水97%以上，全厂性节水约65%。所以，空冷机组是“富煤缺水”地区或干旱地区建设火力发电厂的最佳选择。 第7页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五 5.2 表面式凝汽器的结构和类型第8页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五 5.2 表面式凝汽器的结构和类型第9页，共60页，2022年，5月20日，0点54分

6、，星期五 5.2 表面式凝汽器的结构和类型第10页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五 5.2 表面式凝汽器的结构和类型第11页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五 5.2 表面式凝汽器的结构和类型第12页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五 5.2 表面式凝汽器的结构和类型第13页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五汽轮机排汽管道 5.2 表面式凝汽器的结构和类型第14页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五排汽管道的布置 5.2 表面式凝汽器的结构和类型第15页，共60页，2022年，5月20日，0点5

7、4分，星期五 水冷表面式凝汽器的结构简图如图。 5.2 表面式凝汽器的结构和类型第16页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五一、表面式凝汽器的分类 汽流向心式汽流方向冷却水流程单流程水室形式单一制对分制 汽流向侧式双流程多流程汽侧压力单压多压 汽流向上式 汽流向下式 5.2 表面式凝汽器的结构和类型第17页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五管束隔板冷却管束抽气口挡板空气冷却区热井水室隔板人孔 5.2 表面式凝汽器的结构和类型二、凝汽器的构造第18页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五 5.2 表面式凝汽器的结构和类型 1.凝汽器的外壳 材

8、料：生铁铸造或钢板焊接 外形：圆形（中小机组）或方箱形（大机组）第19页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五 5.2 表面式凝汽器的结构和类型第20页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五 5.2 表面式凝汽器的结构和类型第21页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五 2.水室和端盖 材料：生铁或钢板 5.2 表面式凝汽器的结构和类型第22页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五 3.管板和隔板 材料：黄铜和不锈钢 5.2 表面式凝汽器的结构和类型第23页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五 5.2 表面式凝汽

9、器的结构和类型第24页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五 5.2 表面式凝汽器的结构和类型第25页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五 4.凝汽器管 材料：铜管、不锈钢管或钛管 5.2 表面式凝汽器的结构和类型第26页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五 5.2 表面式凝汽器的结构和类型凝汽器管的排列方式斜放正方形排列方式三角形排列方式辐向排列方式第27页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五 5.2 表面式凝汽器的结构和类型“卵状”管束布置形式管束布置形式第28页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五 5

10、.2 表面式凝汽器的结构和类型“教堂窗式”管束布置形式管束布置形式第29页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五 5.2 表面式凝汽器的结构和类型“带状”管束布置形式管束布置形式第30页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五 5.2 表面式凝汽器的结构和类型“将军帽”状管束布置形式管束布置形式第31页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五 5.凝汽器与汽轮机排汽口的连接 5.2 表面式凝汽器的结构和类型第32页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五第三节 凝汽器的热力特性 5.3 凝汽器的热力特性 由表面式凝汽器的工作原理可知，在

11、理想情况下，凝汽器的压力应等于冷却水温所对应的饱和蒸汽压力。实际情况下，凝汽器的压力总是高于这一理想压力。一、凝汽器内压力 的确定凝汽器汽侧空间多组分介质共存蒸汽不凝结气体原蒸汽中夹带（很少），真空系统不严密漏入系统的空气道尔顿定律：汽侧空间的总压力是组成气体分压力之和第33页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五利用混合气体关系式求得假定：凝结99%，干度x=0.01凝结99.9%，干度x=0.001凝结99.99%，干度x=0.0001 5.3 凝汽器的热力特性第34页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五pspspaps 空冷区主凝结区主凝结区，总压pc蒸

12、汽压力ps，ps决定于汽、水共存的热平衡温度，即对应压力下水蒸汽的饱和温度。凝汽器内的温度决定于蒸汽凝结和冷却水加热的换热过程。空冷区，空气所含比重逐渐变大， ps才明显小于pc，ts下降，汽气混合物才被冷却。pc 5.3 凝汽器的热力特性 通常，凝汽器的压力是指凝汽器喉部的压力（主凝结区），所以，凝汽器的压力可以通过计算凝汽器中蒸汽的凝结温度来确定凝汽器的压力。第35页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五主凝结区空冷区t水2 蒸汽1tstw1tw2tst冷却水温升冷却水的进、出口温差。传热端差 凝汽器进口压力下的蒸汽饱和温度与冷却水出口温度的差。主凝结区的凝结温度：主凝结区

13、： 5.3 凝汽器的热力特性凝汽器中蒸汽与冷却水温度沿冷却面积的分布示意图第36页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五影响凝汽器内压力的三个因素：冷却水进口温度 季节与气候（主要因素）夏季冬季夏季真空冬季真空南方真空北方真空同样条件供水方式由热平衡方程求得：2. 冷却水温升冷却水的温升可根据凝汽器的换热方程求得。蒸汽的放热量等于冷却水的吸收量。热平衡方程为： 5.3 凝汽器的热力特性冷水塔和喷水池的冷却效果开式闭式水源-江、河、湖、海第37页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五直流（开式）供水(4.2.3)循环倍率m：冷却水量与被凝结蒸汽量之比。m 真空初投

14、资循环水泵电耗循环水泵容量 循环水管路阻力 末级叶片长度m=50120单流程（水阻小）m取较大值双流程（水阻大）循环（闭式）供水m取较小值开启台数是汽化潜热，考虑湿度后，在21402220KJ/Kg左右，取平均值，则 5.3 凝汽器的热力特性第38页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五 一般汽轮机运行时，排汽量由外界负荷决定，不可调节，所以控制冷却水温升的主要手段就是改变冷却水量。冷却水量主要由循环水泵的容量和运行台数决定。冷却水量增加，t减小，排汽压力降低,则汽轮机发出功率增加。但无论从设计角度还是运行角度来说，都不是真空越高越好。对于一台结构已定的汽轮机，蒸汽在末级存在极

15、限膨胀压力。若排汽压力低于该值，则蒸汽的部分膨胀只能发生在动叶之后，产生膨胀不足损失，汽轮机功率不再增加，反而还因凝结水温降低、最末级回热抽汽量增加而使机组功率减小。凝汽器的极限真空就是指使汽轮机作功达到最大值的排汽压力所对应的真空。而且，要达到凝汽器的极限真空，需要大幅度增加循环水量，导致循环水泵功耗增加，在经济上不合算。 5.3 凝汽器的热力特性第39页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五 运行中，机组要尽量保持在凝汽器的最佳真空下工作。最佳真空就是指提高真空后所增加的汽轮机功率与为提高真空使循环水泵多消耗的厂用电之差达到最大时的真空值。 实际上，运行循环水泵可能有几台，

16、循环水量也不能连续调节，所以应通过试验确定不同负荷及不同进口水温下的最佳真空。 5.3 凝汽器的热力特性第40页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五3.凝汽器传热端差传热方程 凝汽器的传热过程是管外凝结放热、管壁导热、管内污垢导热和冷却水的对流传热。采用集总参数模型对数平均温差tw1 蒸汽1水2主凝结区空冷区ttstw2 空冷区面积较小，假设ts沿整个换热面不变： 5.3 凝汽器的热力特性第41页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五 5.3 凝汽器的热力特性影响 的主要因素设计时运行时传热面积Ac， 投资 ，需技术经济比较决定， 不宜过小，310冷却面积Ac

17、杂物堵塞，人为堵塞(铜管泄漏后)Ac由此求得第42页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五 5.3 凝汽器的热力特性（2）影响汽侧放热系数的因素：管表面附近不凝结气体聚积形成气膜阻碍蒸汽的凝结放热，进一步加大热阻。（凝汽器严密性变差， 抽气器工作性能恶化使汽膜增厚）水膜厚度气膜厚度凝结水膜厚度受凝结量和管束排列影响。物理垢(如矿物垢，污垢)生物垢导热热阻增大总体传热系数减小端差增大胶球清洗酸洗添加抗生物药剂（3）影响管壁导热系数的因素：管壁厚度材料导热系数尽量采用导热性能优良的铜管内结垢对耐腐蚀有较高要求时可选用钛管或不锈钢管第43页，共60页，2022年，5月20日，0点54

18、分，星期五 5.3 凝汽器的热力特性流速（主要因素）流速对流传热循环水泵功耗铜管冲刷严重（4）影响水侧热阻的因素：流速水阻最佳水速：1.52.0m /s凝汽器的热力特性：凝汽器压力 随 、 和 变化而变化的规律。也称为凝汽器的变工况特性，相应的曲线称为凝汽器的热力特性曲线。二、凝汽器的热力特性凝汽器的变工况：凝汽器偏离设计参数的运行工况。第44页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五 5.3 凝汽器的热力特性第45页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五第四节 抽 气 器抽气器的作用抽取凝汽器汽侧空间的不凝结气体，以保持汽侧良好的传热状态和凝汽器真空。机组启动时

19、，在汽轮机内部建立真空，加快汽缸及转子加热。抽气器的类型射流式抽气器容积泵射汽抽气器射水抽气器母管制小型机组大型机组水环式真空泵机械式真空泵逐步取代射水抽气器 5.4 抽气器第46页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五一、 射汽抽气器工作蒸汽压缩后的汽气混合物汽气混合物超音速汽流高度真空抽吸动量交换 夹带混合室与凝汽器抽气口相连工作喷嘴外壳扩压管射汽抽气器汽源节流降压的主蒸汽或除氧器汽平衡管工作蒸汽 5.4 抽气器第47页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五单级，混合物排入大气不回收工质射汽抽气器启动抽气器主抽气器多级（2-3级），降低单级扩压比，提高效率，

20、回收工质 5.4 抽气器第48页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五二、 射水抽气器混合室扩压管工作水室喷嘴射水泵高压工作水（循环水）与凝汽器抽气口相连逆止阀喉部优点无需汽源工作可靠无需启动抽气器压力水在喷嘴中降压增速，形成高速射流，产生高度真空，抽吸凝汽器气汽混合物，在混合室中携带不凝结气体运动。水射流达到一定行程后发生破碎，与不凝结气体产生碰撞进行强烈的动量交换，对混合气体进行压缩升压，然后利用水柱自重对其进一步压缩。不回收工质缺点噪音大效率低 5.4 抽气器 5.4 抽气器 5.4 抽气器第49页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五 5.4 抽气器第5

21、0页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五空腔46的容积 排气过程。空腔13的容积 吸气过程；三、水环式真空泵外壳偏心叶轮 工作水同心水环123654假如叶轮不偏装水环吸气口排气口 5.4 抽气器工作条件叶轮偏心必须安装泵壳内有足量的工作水第51页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五 5.4 抽气器第52页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五 5.4 抽气器第53页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五第五节 凝汽器的运行与监督 凝汽设备运行的好坏对整个机组运行的经济性和安全性有很大影响。凝汽设备的运行主要是保证凝汽器维持最有

22、利真空、减小凝结水的过冷度和凝结水品质合格。凝汽设备运行时，主要对以下参数进行监视：(1)凝汽器的真空；(2)凝汽器进口蒸汽温度；(3)凝汽器出口凝结水温度；(4)冷却水进出口温度；(5)循环水泵的耗功；(6)冷却水在凝汽器进、出口的压力；(7)凝结水在热井中的水位和水质。 5.5 凝汽器的运行与监督第54页，共60页，2022年，5月20日，0点54分，星期五 一、凝汽器真空下降的原因1.真空急剧下降的原因(1)循环水中断；(2)凝汽器水位过高，淹没铜管和抽气口；(3)抽气设备故障；(4)轴封供汽中断；(5)真空系统大量漏气；2.真空缓慢下降的原因(1)真空系统不严密导致漏气；(2)凝汽器水位高；(3)循环水量不足；(4)抽气器效率下降；(5)凝汽器铜管结垢、脏污或堵塞； 5.5