汽轮机装置与运行第四章

11

现代火电厂都用凝汽式汽轮机发电。因此，都具备凝汽设备。凝汽设备工作好坏，对火电厂的经济性影响很大。第一节凝汽系统的工作原理一、凝汽设备的工作原理1.工作原理：根据汽轮发电机组的热效率进行分析

其中，----整机理想焓降；-----蒸汽初焓；

(-)----为每kg蒸汽在锅炉中的吸热量。

——排汽焓；——给水焓。第四章汽轮机的凝汽系统及设备22

分析上式：要提高效率，则提高理想焓降，即提高新蒸汽的初焓，降低排汽焓（压力）。本章只是讨论降低排汽焓值的问题。要降低排汽焓值，就得降低排汽压力。一般来说，排汽压力每降低2kpa，循环热效率就可以提高约3.5%。所以，降低排汽压力对提高火电厂循环热效率是一个非常有效的措施。而降低排汽压力的最有效的办法是：使排汽在密封容器中、在温度较低的条件下受到冷却而凝结成水，体积突然缩小（如在0.0049Mpa下，蒸汽比水的容积大28000倍）而形成真空。同时再用抽气器或者真空泵将漏入空气不断地抽出，保持真空。在凝结中生成的凝结水，经汇集以后，又重新送入锅炉作为给水，反复循环使用。这就是凝汽设备的工作原理。332.主要任务：（1）建立并维持高度真空，即降低排汽焓值，提高理想焓降，使蒸汽中较多的热能转变为机械能。从热力学第二定律，完成动力循环需要一个冷源（循环冷却水），通过降低排汽压力、温度，以提高循环热效率。（2）将蒸汽凝结成水，并将凝结水回收到锅炉作为给水。（3）起热力除氧作用，除去凝结水中的气体，保证凝结水的品质。（4）蓄水作用。（热井）为了保证凝汽器正常工作，必须维持3个平衡：（1）热量平衡：排汽放出的热量等于冷却水（循环水泵）带走的热量；（2）质量平衡：汽轮机排汽量等于凝结水量（凝结水泵）。（3）空气平衡：凝汽器和汽轮机低压部分漏气应等于抽气设备的抽气量。443.排汽压力的最佳值：降低排汽焓值，提高理想焓降，可以提高效率。但不是排汽压力越低越好。这是因为：（1）当降低排汽压力，则比容v增加，汽轮机排汽部分的尺寸增大，成本上升。而且制造困难，材料也受到限制。（2）当降低排汽压力，则比容v增加，凝汽器的冷却面积增大，冷却水量增大，厂用电增大。因此，对排汽压力和其他几个方面要作技术经济对比而定。一般，最佳排汽压力为=0.00294~0.00686Mpa(0.03~0.07ata)，通常取0.005Mpa。55第二节凝汽系统一、水冷凝汽系统（图4-1）。其主要设备有凝汽器、凝结水泵、抽气器、循环水泵等。（1）汽轮机；（2）发电机；（3）凝汽器：使排汽在凝汽器3中不断地凝结成水，建立高度真空；将凝结时放出的热量排出、将生成的凝结水汇集送走；（4）循环水泵：为凝汽器提供冷却水；（5）凝结水泵：不断地把蒸汽凝结时生成的凝结水从凝汽器底部热井中抽出，并送往给给水回热加热系统；（6）抽气器：抽出漏入凝汽器内的空气，以维持高度真空。图4—166供水方式有直流供水方式和循环供水方式两种。在直流供水系统中，电厂从河流上游取水，冷却水流经汽轮机凝汽器、冷油器和有关冷却器之后，排入河流下游。水源为江河湖海的天然水。直流供水系统比较简单，投资少，运行费用低。我国南方的电厂，一般都建在沿江、沿河、沿海岸或者沿大的水库。

循环供水方式：需专门的冷却塔，冷却水则沿着联结凝汽器等有关装置的回路循环流动，取自水源的水只作为损失的补充水，故采用循环供水方式可以节约大量的水。而北方的电厂，由于水源不足，多采用循环供水方式。

788二、空气冷却系统（1）直接空气冷却系统：

用空气作为冷却工质的凝汽器用于空气直接冷却式凝汽系统，如图4-2。汽轮机的排汽送到热交换器管束内直接凝结成水。热交换器管束外侧则利用强制通风带走蒸汽凝结时放出的汽化潜热。由于空气传热系数小、则要求冷却面积大。因此，这种空气直接冷却式凝汽器体积庞大，无法和普通凝汽器一样安装在汽轮机的下部，而是要远离汽轮机安装在厂房外面或厂房顶部。因此，其汽轮机的排汽管道很长。这种空气直接冷却式凝汽系统，在世界上已有（德国）电厂采用，但我国目前还没有电厂采用。91010（2）间接空气冷却系统：空气冷却式凝汽系统如图4-3所示。其主要设备有：混合式凝汽器、凝结水泵、循环水泵、空气冷却塔、空气冷却器等。其中，空气冷却塔是一个巨大的建筑物，呈双曲旋转形，空气冷却器布置在空气冷却塔下部周围墙体上。利用高低压力差，将冷风通过空气冷却器吸入塔内，形成自然对流。由于流过空气冷却器的空气的自然对流，将循环水中的热量带走。循环水的温度在空气冷却器中得到降低之后，送入混合式凝汽器中去凝结汽轮机的排汽。这种空气冷却式凝汽系统，设备、建筑费用高，但可以节约大量的水。我国山西大同第二发电厂有两台200MW汽轮发电机组用了此系统。1111第二节凝汽器

凝汽器有混合式和表面式凝汽器两大类。一、混合式凝汽器混合式凝汽器(图4—4)是使排汽在冷却水中直接冷却而凝结成水。在混合式凝汽器内，从汽轮机中排出的乏汽直接与冷却水混合而得到凝结。冷却水从安装在混合式凝汽器上部周围的喷嘴喷出，排汽由上部进汽口进入，与冷却水混合而得到凝结，凝结水与冷却水一起用水泵抽走。不凝结的空气，用抽气器或者真空泵不断地抽出。这种凝汽器结构简单，冷却效果好，制造成本低。1212二、表面式凝汽器

在表面式凝汽器内，冷却工质与蒸汽由冷却表面隔开。根据冷却工质不同，表面式凝汽器又分为空气冷却和水冷却两种。用水作为冷却工质的凝汽器简称为表面式凝汽器。由于水的传热系数比空气大，能保证凝汽器内维持高度真空和获得洁净的凝结水。因此，国内外火电厂主要采用这种凝汽器。13131.表面式凝汽器的结构如图4--5所示，凝汽器的外壳通常钢板做成圆柱形、椭圆形或者方箱形。外壳两端连接着形成水室的端盖5和6，外壳内的两端又装有管板3，管板3上装有很多冷却管4。凝汽器内部空间被冷却管分隔成两部分：蒸汽空间（汽侧）和冷却水空间（水侧）。

2.表面式凝汽器的流程冷却水从进口11进入水室8，通过冷却管流到另一端水室9，转向后，又经冷却管进入水室10，最后由出水口12排出。这种称为双流程凝汽器。还有单流程、三流程、四流程。3.凝结水汽轮机的排汽进入凝汽器，在汽侧与冷却管接触而凝结成水。凝结水汇集到热井16中，由凝结水泵抽走并送到低压加热器。4.漏入空气的抽出漏入凝汽器的空气，通过抽气口15由抽气器抽出。为了减少抽气器的负荷和回收热量，使混有蒸汽的空气在经过一次冷却，使蒸汽凝结。在凝汽器内专门设置有空气冷却区14。1414

由于汽轮机单机功率的增大，凝汽器的冷却面积也在增加，冷却管数目增多。大机组用多区域汽流向心式的凝汽器。这种凝汽器的管束分成若干区域，平行布置在箱体内。每个管束区都有自己的空气冷却区，蒸汽从四周进入各区域。各个空气冷却器的汽气混合物被引入到联通目管，由抽气器抽出。这种凝汽器的蒸汽通流面积大，汽阻小，凝结水能够得到充分回热。国产200MW

汽轮机配用三壳体表面式N--11220--1型凝汽器。冷却面积为3*3740=11220，冷却管数为3*5667=17001根。国产300MW

汽轮机的凝汽器为N--17650型单壳体、对分、双流程表面式凝汽器。冷却面积为17650，冷却管数为9758*2根。1515三、凝汽器内蒸汽的凝结过程

蒸汽在凝汽器内的凝结过程是由汽态向液态转变过程。当蒸汽被冷却到低压对应的饱和温度时，遇到冷却面，会产生珠状凝结和膜状凝结过程。其中，珠状凝结过程很难发生，主要是膜状凝结过程。在膜状凝结过程中，冷却水管表面完全被凝结液覆盖，形成液膜，蒸汽与管壁热交换要通过液膜进行。蒸汽在凝汽器内的凝结过程是一个复杂的热交换过程，其影响因素很多：（1）凝汽器内冷却水管布置排列方式。有三角形排列、正方形排列、幅向排列（图4-6）。排列方式不同，传热系数就不同。（2）凝汽器内蒸汽的流动速度。蒸汽的流动速度增加，凝结管壁上的液膜变薄，并出现局部紊流，使蒸汽凝结传热系数增大。（3）凝汽器内空气含量。随着蒸汽由进口导空气区流动，空气份额逐步增加。在凝结管壁上的液膜上形成一层空气膜，热阻增加，使蒸汽凝结传热系数下降。1616

考虑以上因素，在蒸汽凝结理论指导下，通过试验得到总的平均传热系数k的经验公式。各国各制造厂家的计算公式都考虑了冷却水管壁的清洁度、冷却水流速、冷却水进口温度、蒸汽负荷率、管径及管材等。美国传热学会公式美国传热学会颁布的《表面式凝汽器标准》中规定凝汽器总体传热系数k为：图4-61717（4-1）（4-2）式中参数见P90说明。前苏热工研究院公式前苏热工研究院提出凝汽器总体传热系数k公式(4-3)式中有关符号见P91。

随着单机功率的增大，凝汽器尺寸和冷却水管数量大大增加。为了加大管束四周的进汽周界，缩短汽流路程，减小汽阻，采用多区域汽流向心式凝汽器。由两个到十几个，平行布置于矩形外壳内，每个区域的中部都有空气冷却区和抽气管。凝汽器蒸汽凝结区的布置方式和循环冷却水的流程布置方式；对凝汽器的结构、性能有很大的影响。目前大功牢汽轮机组的凝汽器管束采用被称为“教堂窗式”的布置方式。使用经验证明，这种布置方式的换热效果良好，汽流在管束中的稳定性也较好。1919四、凝汽器内压力的确定凝汽器内的热平衡，排汽放出热量等于冷却水温度升高带走的热量。也就是通过冷却水管表面传热量，即（4-7）式中：——进入凝汽器的凝汽量，t/h；

——为排汽焓值，KJ/kg；

——为凝结水焓值，KJ/kg；

——冷却水量，t/h：

——为水的定压比热，在常温；

——冷却水进口温度，；

——冷却水出口温度，；

——冷却水管外表总面积，；

——为从蒸汽到冷却水总传热系；

——为从蒸汽到冷却水平均传热温差，。2020图4-9为凝汽器中蒸汽和冷却水的温度沿冷却表面积的变化情况。①曲线1表示凝汽器中蒸汽凝结温度的变化，可以看出：在主凝结区，沿冷却表面积基本不变，到了空气区，空气含量大量增加，这时的蒸汽分压明显低于凝汽器内压力，相对应的饱和温度明显下降。②曲线2表示冷却水沿冷却表面积从进口温度逐步到出口温度的变化情况，其温升。蒸汽凝结温度与冷却水出口温度之传热端差，。图4-92121（一）凝汽器内压力的确定

当蒸汽处于饱和状态时，其压力与温度是一一对应的。所以，凝汽器内压力取决于蒸汽凝结温度。为了求得凝汽器内压力，就得先求出排汽温度。排汽温度的高低取决于冷却水的进口温度、冷却水的温升和传热端差。凝汽器内的压力可根据相应的饱和温度求得，而排汽温度可表示为：（4-8）其中，-----冷却水的进口温度；

-----冷却水的温升，；

-----传热端差，。只要求得了温度之值，就可以从水蒸汽表中查得相对应的压力，也就确定了凝汽器内的压力。2222

影响凝汽器内的压力的主要因素有：1.冷却水的进口温度

冷却水的进口温度取决于电厂所在的地理位置、季节和供水方式。电厂供水方式有直流供水方式和循环供水方式两种。在直流供水系统中，电厂从河流上游取水，冷却水流经汽轮机凝汽器、冷油器和有关冷却器之后，排入河流下游。采用循环供水方式时，冷却水则沿着联结凝汽器等有关装置的回路循环流动，取自水源的水只作为损失的补充水，故采用循环供水方式可以节约大量的水。直流供水系统比较简单，投资少，运行费用低。我国南方的电厂，一般都建在沿江、沿河、沿海岸或者沿大的水库。而北方的电厂，由于水源不足，多采用循环供水方式。23232.冷却水的温升

冷却水的温升可根据凝汽器的热平衡方程式求出：

从而，

(4-9)上二式中，------进入凝汽器的凝汽量（kg/h)；

------进入凝汽器的冷却水量（kg/h)；

-----排汽焓值和凝结水焓值（kJ/kg)；

-----冷却水进、出口焓值(kJ/kg)。2424

冷却倍率m

称为冷却倍率（或循环倍率），它表示凝结单位蒸汽汽量所需要的冷却水量。m值越大，则冷却水的温升越小，凝汽器内压力越低，会使整机理想焓降增加，从而可以提高电厂热效率。但是，m大则冷却水量大，冷却水泵功率大。m值大小要通过经济技术对比后确定。一般，对于单流程凝汽器，m=80~120范围之内；对于双流程凝汽器m=60~70范围之内。

——每1kg蒸汽在凝结时所放出的潜热，约2200kJ/kg，变化很小，这样，式（4--9）为：

（4-10）25253.传热端差

传热端差和冷却面积、传热量及传热系数有关系。蒸汽与冷却水平均传热端差可表示为：

（4-11）将（4-11）代人（4-7）得：（4-12）分析上式可知：对于某凝汽器，冷却水管冷却面积确定，在排汽量和总体传热系数k不变的前提下，传热端差随冷却水量的减少而减少。当凝汽器运行时间较长，冷却水较赃，冷却表面结垢，或真空系统不严密、抽气设备工作不正常时，这些都会影响传热效果，使总体传热系数k降低，引起传热端差升高，导致凝汽器压力升高，真空度降低。2626五、多压凝汽器

现代大功率汽轮机都采用多缸多排汽口。为了提高大功率汽轮机的经济性，常采用多压凝汽器。多压凝汽器就是将凝汽器的汽侧分隔成与汽轮机排汽口个数相同的两个或更多的互不相通的部分。图4--10为双压凝汽器的示意图。进水侧的冷却水温度较低，其对应汽侧压力也较低；出水侧的冷却水温度较高，因此，其对应汽侧压力也较高。同理，也有三压、四压凝汽器。采用多压凝汽器可以提高机组的经济性。

图4---102727

图4-11为双压凝汽器（实线）和单压凝汽器（虚线）的传热过程。在热负荷Q、冷却面积、冷却水量及冷却水进、出口温度相同条件下，经过一系列推导可得出：双压凝汽器2个汽室的蒸汽温度分别为，其平均值为。而单压凝汽器汽室的蒸汽温度为。显然，。所对应的压力低于对应的压力，即。可使热效率提高。图4-1128282929第四节抽气器1.抽气器的作用抽气器的作用是将漏入凝汽器内空气不断地抽出，以维持凝汽器的高度真空。故抽气器工作的好坏对凝汽器工作的影响很大。任何一种抽汽器，不论其结构和工作原理如何，都是一种压气器，它将汽气混合物从凝汽器抽气口的压力压缩到高于大气压的出口压力。2.抽气器的型式抽气器的型式有机械式和喷射式两种。喷射式抽气器结构简单、工作可靠、制造成本低、维护方便、建立真空快。常用的喷射式抽气器有射汽抽气器和射水抽气器两种，工作原理相同工质不同。前者用蒸汽作工质，后者用水作工质。3030

一、射汽抽气器（一）启动抽气器：启动抽气器的作用是在汽轮机启动前给凝汽器建立真空，以缩短机组启动时间。图4-14为启动抽气器示意图，它主要由工作喷嘴A、混合室B和扩压管C所组成。工质是新蒸汽，新蒸汽进入工作喷嘴A，在喷嘴A膨胀加速造成一个远高于音速的高速汽流射入混合室。高速汽流有很强的空吸作用，从而将从抽气口来的汽气混合汽流带走，并进入扩压管C。混合汽流在扩压管C中不断扩压，直到压力稍大于大气压力后排入大气。启动抽气器功率大建立真空快，但工质和工质的热量不能回收，有经济损失。故它只作为启动时用。一旦汽轮机正常工作以后，主抽气器便投入工作，启动抽气器停止工作。

3131（二）主抽气器

主抽气器的作用：是在汽轮机正常工作时使用，以维持凝汽器的高度真空。主抽气器一般都采用带中间冷却器的多级型式。其目的在于可以得到更高的真空度，同时也可以回收工质和热量，提高经济性。两级射汽抽气器工作原理图(图4-15)。凝汽器内的汽气混合物由第一级抽气器抽出，并压缩到某一中间压力（低于大气压力），然后进入中间冷却器2。在中间冷却器2中，混合物中的部分蒸汽被凝结成水，而未凝结的汽气混合物又被第二级抽走。在第二级抽气器中，汽气混合物被压缩到略高于大气压力，再经第二级冷却器4进一步凝结并回收工质和热量。最后的空气和少量未凝结的蒸汽一起排入大气。

3232

二、射水抽气器

射水抽气器的工作原理：射水抽气器的工作原理同射汽抽气器相同，如图4-17所示。它主要由工作水进口1、喷嘴2、混合室5、扩压管7和逆止阀6等部件所组成。压力水由射水泵供给，经喷嘴形成高速射流射出，从而将凝汽器中的汽气混合物抽出。射水抽气器特点：不消耗新蒸汽，运行费用较射汽抽气器低。系统简单、运行可靠、维护方便。但需要另外安装射水泵。现代大型汽轮机都采用射水抽气器。国产200MW汽轮机就是采用射水抽气器作为主抽汽器。中小型汽轮机多采用射汽抽气器作为主抽汽器。

3333

三、水环式真空泵

结构：国产300MW和600MW汽轮机组的抽气装置都是采用水环式真空泵。其主要部件有叶轮和壳体。壳体内形成一个圆柱体空间，叶轮偏心地安装在壳体内。在壳体上开有吸气口和出气口，实行轴向吸气和排气。叶轮带有前弯叶片，偏心地安装在充有适量工作水（密封水）的椭圆形泵体内。

吸气口排气口3434工作原理：当叶轮旋转时，由于离心力作用，水向周围运动，形成一个运动着的圆环（密封水环）。由于偏心地安装的，水环的内表面也就与叶轮偏心，叶轮轮毂与水环间形成一个月形空间。叶轮每转一周，每两个相邻叶片与水环间所形成的空间均由小到大，又由大到小地周期性变化。当空间处于由小到大变化时，该空间产生真空，由进气口吸入气体。当空间处于由大到小变化时，该空间产生压力，吸入的气体被压缩并经排气口排出。这样，当叶轮连续运转时，就不断地重复上述过程，起到一个连续抽气的作用。空腔1～3的容积，吸气过程；空腔4～6的容积，排气过程。外壳偏心叶轮

工作水同心水环123654假如叶轮不偏装同心水环工作原理：当叶轮旋转时，由于离心力作用，水向周围运动，形成一个运动着的圆环（密封水环）。由于偏心地安装的，水环的内表面也就与叶轮偏心，叶轮轮毂与水环间形成一个月形空间。叶轮每转一周，每两个相邻叶片与水环间所形成的空间均由小到大，又由大到小地周期性变化。当空间处于由小到大变化时，该空间产生真空，由进气口吸入气体。当空间处于由大到小变化时，该空间产生压力，吸入的气体被压缩并经排气口排出。这样，当叶轮连续运转时，就不断地重复上述过程，起到一个连续抽气的作用。冷凝器的热力设计及结构设计冷凝器的热力计算任务是根据给定的工作条件，确定冷凝器的冷却面积及其他主要结构尺寸，并绘出冷凝器的变工况特性曲线。给定的设计参数：2022/12/3037冷凝器的结构设计在冷凝器结构设计时，还需验算各个主要零件的强度：冷凝器强度计算的内容包括：1）验算壳体、管板和水管的应力；2）验算管子的最大挠度（应小于2~2.5mm)；3）确定中间隔板的最大距离(一般不超过1.5m)；4）计算并调整管子的自然振动频率，以避开汽轮机的工作转速。

冷凝器的热力设计及结构设计冷凝器管子的长度L管板直径Dt冷却水在冷凝器中的流动阻力（水阻）

蒸汽在管束中的汽阻冷凝器热力计算示例冷凝器热力计算示例（续）冷凝器热力计算示例（续）冷凝器热力计算示例（续）冷凝器热力计算示例（续）第六节凝汽器的变工况凝汽器不在设计条件下工作时的工况称为凝汽器的变工况。凝汽器压力pc随Dc、tw1和Dw的改变而变化的规律称为凝汽器的变工况特性，的关系曲线称为凝汽器的特性曲线。一、影响冷却水温升t和传热端差t的因素二、凝汽器的特性曲线三、凝汽器变工况计算实例冷却水温升t与单位蒸汽负荷的关系传热端差t与负荷Dc/Fc及冷却水进口温度tw1的关系总的说来，当负荷Dc下降时，t将随之减小，而t在Dc下降不多时，也随之减小，因而使排汽温度ts随Dc下降而减小，也就是凝汽器真空是随着蒸汽负荷减小而提高的。凝汽器真空与负荷的关系：二、凝汽器的特性曲线当冷却水量和冷却水进口温度一定时，凝汽器真空随机组负荷减小而升高；

当冷却水量和机组