《汽轮机原理》第04章

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1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。22，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。(2）将蒸汽凝结成水，并将凝结水回收到锅炉作为给水。3，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。3第二节凝汽系统一、水冷凝汽系统分开式和闭式两种。主要设备有凝汽器、凝结水泵、抽气器、循环水泵等。

水冷传热系数大。（1）汽轮机；（2）发电机；（3）凝汽器：使排汽在凝汽器中不断地凝结成水，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。4（一），间接空气冷却系统：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，喷射送入混合式凝汽器与蒸汽混合，使之凝结，分流3%作为锅炉给水。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。二、空冷凝汽系统

5（二）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。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。

6第三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是使排汽在冷却水中直接冷却而凝结成水。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。这种凝汽器结构简单，冷却效果好，制造成本低。但凝结水与冷却水混合，不能作为锅炉给水。多用于间接空冷凝汽系统。7二、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。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。891，表面式凝汽器的结构

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2和3，外壳内的两端又装有管板4，管板4上装有很多冷却管。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15，通过冷却管流到另一端水室16，转向后，又经冷却管进入水室17，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7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8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9（面积占5~10%）。105，减少汽侧阻力

为了使汽气混合物向抽气口流动，则抽气口的压力应比凝汽器的压力更低一些。压力差就是凝汽器的汽阻。汽阻大，会使凝汽器入口压力升高、凝结水的过冷度和含氧量增大。因此，应设法减小汽阻。抽气口的位置不同，凝汽器中汽流流动方向就不一样，凝汽器的结构型式也不相同。常见的有如图所示的四种，即汽流向下式、汽流向上式、汽流向心式、汽流向侧式四种。这些多用于中小型汽轮机组。

11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母管，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。123.运行对凝汽设备的要求：（1）凝汽器冷却管应具有较好的传热系数，保证良好的传热效果。自然冷却水泥沙、污染，要清洗；（2）凝结水温度不应过多低于排汽压力对应的饱和温度，以免增加过冷度。这和供水方式、季节、地理位置有关；（3）蒸汽在凝汽器内的阻力要小，以降低排汽口压力和减少凝结水过冷度。13三、凝汽器内蒸汽的凝结过程

1、凝结特点

假设只有水蒸汽存在，并且凝汽器内各处的压力都相等，则蒸汽应在与压力相对应的饱和温度下凝结。实际上并非如此，因为：1，排汽从凝汽器进口向空气抽出口流动，由于阻力存在，则凝汽器内各处压力都不相同；2，整个系统不可能完全密封，有空气漏入。则凝汽器内各处空气分压也不相同，凝结时的饱和温度也不相同。这样，由于阻力和空气的存在，蒸汽分压降低，使凝结水温度低于凝汽器进口处的蒸汽温度，造成凝结水过冷。142、进入凝汽器的空气量和空气分压空气量：（1）空气来源：新蒸汽带入；汽轮机装置密封不严；负荷降低时真空前移，扩大漏汽范围；（2）设计漏汽量估计（经验公式）：要准确确定空气漏入量是有困难的，通常用下面的经验公式进估计：(5----10)其中，------漏入空气量(kg/h)；------凝汽器的设计进汽量(t/h)；----严密系数，一般取=5。上式也可以用于检查凝汽设备的严密程度。这时，为抽汽口测得的被抽出的空气量。为评定的严密等级系数：=1为优，=2为良好，=3为中等。15蒸汽与空气分压：

由于空气漏入凝汽器的汽侧，故凝汽器的压力pc应是混合气体的总压。

根据ts求得的对应饱和压力pc只是蒸汽空气混合物中蒸汽的分压力ps。

根据理想气体状态方程式，在凝汽器中，按蒸汽、空气体积和温度相等可得到：16

带入总压方程可得：

其中，x为蒸汽干度。实际上，在凝汽器中的大部分区域，蒸汽占绝大多数，空气含量很小。在正常情况下，，这样，

当有99%蒸汽凝结，即x=0.01，这样，由上式可得=0.9938。即蒸汽分压接近于总压力。绝大部分蒸汽在压力的饱和温度下凝结。空气对蒸汽凝结的影响，只是在沿流程的末尾区段（空气冷却区）才明显。

173、空气漏入对凝汽器工作的影响

（1）空气的漏入会使传热效果变差，传热端差增大。结果会使排汽压力升高，降低了机组的经济性；（2）空气的漏入，增加了凝结水中空气的溶解度，对汽轮机装置和管道系统金属产生腐蚀，影响机组的安全性；（3）空气的漏入，会使空气分压增大，使凝结水的过冷度增加，影响了机组的经济性。18汽阻使凝汽器蒸汽入口压力升高，经济性降低；使凝结水的过冷度和含氧量增大。凝结水过冷：凝结水的理想温度应该是凝汽器工作压力下的饱和温度，当凝结水的温度低于凝汽器压力下的饱和温度时，即为凝结水过冷，所低的度数称为过冷度。后果：热经济性下降，含氧量增加。原因：冷却管外表水膜（外侧饱和温度，内侧管内冷却水温度），水滴温度为内侧，即冷却水温度；汽阻所致；空气漏入，导致空气分压提高，蒸汽分压降低，而凝结水是在对应蒸汽分压的饱和温度下冷凝。19四、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：=++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。

2021221.冷却水进口温度

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。

越低，越低，则越低。232、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，

上二式中，------进入凝汽器的凝汽量（t/h)；------进入凝汽器的冷却水量（ｔ/h)；---------排汽焓值和凝结水焓值（kJ/kg)；-----冷却水进出口焓值(kJ/kg)。

24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。故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=50~60范围之内。——每1kg蒸汽在凝结时所放出的潜热，约2140---2200kJ/kg，变化很小，若取2180kJ/kg，则：

25凝汽器的最有利真空和极限真空：（1）凝汽器的最有利真空：凝汽器的进汽量是由外界负荷决定的，而冷却水温升是有依靠调节冷却水量来控制的。冷却水量增加，可降低冷却水温升，降低汽轮机排汽压力，增大理想焓降，提高经济性。但是水泵功率要增大。这里有一个最佳冷却水量，即冷却水量增大，使汽轮机功率增加所得到收益大于水泵功率增大，净收益最大。这时候的真空称为凝汽器的最有利真空。（2）凝汽器的极限真空：若真空进一步增高，使末级叶片的斜切部分达到膨胀极限时的真空称为凝汽器的极限真空。这时候余速损失增加。3、凝汽器传热端差

传热端差与冷却面积、传热量及传热系数有关系。设计时，一般取=3~10。对于单流程凝汽器，取=(7~9)，对于多流程凝汽器，取=(4.5~6.5)。

26注：主要取决于k(kJ/m2.h.k),Δt的影响与Dw有关274.凝汽器的变工况一、基本概念凝汽器的工作条件受负荷Dc、季节tw1和循环水泵运行Dw的影响，从而影响凝汽器的工作压力pc。变工况特性曲线:pc=f(Dc、Dw、tw1)二、工况变化对冷却水温升和传热端差的影响分析：直接影响pc的原因是ts，而ts又与△t、tw1及δt有关，转而研究Dc、Dw、tw1对△t、δt的影响。不同的Dw下，△t有不同的变化斜率，冷却水温升与负荷成正比：传热端差δt与负荷Dc成正比（假定传热系数K、冷却水量Dw不变）：

传热系数K变化的情况：分析：同一负荷Dc下，tw1越低，冷凝越好，真空度越高，漏入的空气量增加，传热恶化，K降低，δt升高，因此，tw1较低的曲线在上方。当Dc下降较大（低负荷）时，空气漏入量增加，K也降低，δt值降低将不再随的减小而减小，而是维持不变。2829三、凝汽器特性曲线（图4－6）的计算与绘制根据不同的Dc、tw1和Dw值，由△t和δt随Dc的变化规律，求得相应的△t和δt，最终求得凝汽器压力pc绘制而成；在一定的冷却水量Dw和冷却水进口温度tw1下，凝汽器中的压力pc随汽轮机负荷减小而降低；当负荷Dc和冷却水量Dw不变时，凝汽器的压力pc随冷却水进口温度tw1降低而降低（冬天比夏天低）。3031三、总体传热系数的确定常用经验公式进行计算32五、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5---16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。

3334假设：双压与单压蒸汽放热量、冷却水量、水速、进出口水温相同。且，

Dc1=Dc2=Dc/2,Q1=Q2=Q/2,Ac1=Ac2=Ac/2,K1=K2=K.分别写出单压和双压传热方程：Q=KAc△tQ1=Q/2=K1Ac1△t1=KAc△t/2Q2=Q/2=K2Ac2△t2=KAc△t/2因冷却水吸热量各为一半，则其温升为：

△t1=△t2=△t/2=由图可见，双压冷却水温比单压低。35确定双压凝汽器的折合压力(pc)r由图可知：折合压力应由ts1和ts2的平均值ts,m所对应的饱和压力ps,m36分析：上式中δt、δt1和δt2与传热系数有关。而传热系数又与进水温度有关，所以在一定的Δt下，当tw1超过一某一分界温度时，Δts为正值，即多压凝汽器的折合压力ps,m低于单压凝汽器的压力pc，循环热效率得以改善。根据计算，tw1越大，Δts越大。而的tw1分界温度随凝汽器的工作参数不同而具有不同的数值；

Δt对Δts的影响。Δt近似等于525/m，所以m越小，Δts也将越大。在其他条件相同的情况下，多压凝汽器的汽室数目越多，折合压力也越低。多压凝汽器热效率曲线。高温tw1、缺水m、汽室数与热效率收益Δη/η的关系。37图5-采用多压凝汽器的热效率曲线1、4—六压；2、5—三压；3—双压383940第四节抽气设备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，以维持凝汽器内的高度真空。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。

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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。如图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