汽轮机的凝汽系统及设备课件

第四章汽轮机凝汽系统及设备一、凝汽设备工作原理1、工作原理：依据汽轮发电机组热效率进行分析第一节凝汽设备工作原理和任务其中，为整机理想焓降；为蒸汽初焓；为每kg蒸汽在锅炉中吸热量。为给水焓。为排汽焓；分析上式：要提升效率，则提升理想焓降，即提升新蒸汽初焓，降低排汽焓（压力）。本章只是讨论降低排汽焓值问题。汽轮机的凝汽系统及设备课件第1页要降低排汽焓值，就得降低排汽压力。普通来说，排汽压力每降低2kpa，循环热效率就能够提升约3.5%。所以，降低排汽压力对提升火电厂循环热效率是一个非常有效方法。降低排汽压力最有效方法是：使排汽在密封容器中、在温度较低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停地抽出，保持真空。在凝结中生成凝结水，经聚集以后，又重新送入锅炉作为给水，重复循环使用。这就是凝汽设备工作原理。汽轮机的凝汽系统及设备课件第2页2、主要任务：（1）建立并维持高度真空，即降低排汽焓值，提升理想焓降，使蒸汽中较多热能转变为机械能。（2）将蒸汽凝结成水，并将凝结水回收到锅炉作为给水。（3）利用热力除氧原理真空除氧，提升凝结水品质。（4）起到热力系统蓄水作用，是热力系统稳定调整缓冲器。为了完成上述任务，必须采取凝汽系统，确保以下几个平衡：热量平衡－>循环水泵；质量平衡－>凝结水泵；空气平衡－>抽气设备；汽轮机的凝汽系统及设备课件第3页3、排汽压力最正确值：降低排汽焓值，提升理想焓降，能够提升效率。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，凝汽器冷却面积增大，冷却水量增大，厂用电增大。所以，对排汽压力和其它几个方面要作技术经济对比而定。普通，最正确排汽压力为，通常取0.05atm。汽轮机的凝汽系统及设备课件第4页水冷凝器系统开式循环水系统：借助天然水源。闭式循环水系统：用冷却塔冷却循环水。第二节、凝汽系统1、最简单凝汽设备标准性系统图（图4-1）。（1）汽轮机；（2）发电机；（3）凝汽器：使排汽在凝汽器3中不停地凝结成水，建立高度真空；将凝结时放出热量排出、将生成凝结水聚集送走；（4）循环水泵：为凝汽器提供冷却水；（5）凝结水泵：不停地把蒸汽凝结时生成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：抽出漏入凝汽器内空气，以维持高度真空。汽轮机的凝汽系统及设备课件第5页空冷凝器系统直接空冷系统间接空冷系统带表面式凝汽器间接空冷系统（哈蒙系统）

带喷射式凝汽器间接空冷系统（海勒系统）

汽轮机的凝汽系统及设备课件第6页（1）直接空气冷却系统：用空气作为冷却工质凝汽器称为空气直接冷却式凝汽系统，如图。汽轮机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汽化潜热。因为空气传热系数小、则要求冷却面积大。所以，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下部，而是要远离汽轮机安装在厂房外面或厂房顶部。所以，其汽轮机排汽管道很长。这种空气直接冷却式凝汽系统，在世界各国已经有较多采取，占空冷凝器系统发电机组60％以上，当前最大机组已超出600MW。采取冷却单元有多排管、双排管、单排管。当前主要生产企业有德国GEA、美国SPX、国内哈空调、江苏双良等。汽轮机的凝汽系统及设备课件第7页汽轮机的凝汽系统及设备课件第8页汽轮机的凝汽系统及设备课件第9页汽轮机的凝汽系统及设备课件第10页汽轮机的凝汽系统及设备课件第11页汽轮机的凝汽系统及设备课件第12页（2）间接空气冷却系统：空气冷却式凝汽系统如图所表示。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，将冷风经过空气冷却器吸入塔内，形成自然对流。因为流过空气冷却器空气自然对流，将循环水中热量带走。循环水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排汽。这种空气冷却式凝汽系统，设备、建筑费用高，但能够节约大量水。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。汽轮机的凝汽系统及设备课件第13页Hamon间接空冷系统汽轮机的凝汽系统及设备课件第14页Heller系统汽轮机的凝汽系统及设备课件第15页空气冷却式凝汽系统直接空气冷却系统汽轮机的凝汽系统及设备课件第16页2、运行对凝汽设备要求：（1）凝汽器冷却管应含有很好传热系数，确保良好传热效果，取得较高真空度，同时尽可能降低换热面积。（2）凝结水温度不应低于排汽压力对应饱和温度，以免增加过冷度。这和供水方式、季节、地理位置相关；（3）蒸汽在凝汽器内流动阻力要小，以降低排汽口压力和降低凝结水过冷度。汽轮机的凝汽系统及设备课件第17页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(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。不凝结空气，用抽气器或者真空泵不停地抽出。这种凝汽器结构简单，冷却效果好，制造成本低。汽轮机的凝汽系统及设备课件第18页二、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。依据冷却工质不一样，表面式凝汽器又分为空气冷却和水冷却两种。用水作为冷却工质凝汽器简称为表面凝汽器。因为水传热系数比空气大，能确保凝汽器内维持高度真空和取得洁净凝结水。所以，国内外火电厂主要采取这种凝汽器。

汽轮机的凝汽系统及设备课件第19页1、表面式凝汽器结构

如图4-5所表示，凝汽器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端盖2和3，外壳内两端又装有管板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、表面式凝汽器流程

冷却水从进口11进入水室15，经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，最终由出水口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

汽轮机排汽进入凝汽器，在汽侧与冷却管接触而凝结成水。凝结水聚集到热井7中，由凝结水泵抽走并送到低压加热器。4、漏入空气抽出漏入凝汽器空气，经过抽气口8由抽气器抽出。为了降低抽气器负荷和回收热量，使混有蒸汽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。汽轮机的凝汽系统及设备课件第20页5、降低汽侧阻力为了使汽气混合物向抽气口流动，则抽气口压力应比凝汽器压力更低一些。压力差就是凝汽器汽阻。汽阻大，会使凝汽器入口压力升高、凝结水过冷度和含氧量增大。所以，应设法减小汽阻。抽气口位置不一样，凝汽器中汽流流动方向就不一样，凝汽器结构型式也不相同。常见有如图3-85所表示四种，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。

汽轮机的凝汽系统及设备课件第21页因为汽轮机单机功率增大，凝汽器冷却面积也在增加，冷却管数目增多。大机组用多区域汽流向心式凝汽器。这种凝汽器管束分成若干区域，平行布置在箱体内。每个管束区都有自己空气冷却区，蒸汽从四面进入各区域。各个空气冷却器汽气混合物被引入到联通目管，由抽气器抽出。这种凝汽器蒸汽通流面积大，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。汽轮机的凝汽系统及设备课件第22页三、凝汽器内蒸汽凝结过程蒸汽在凝汽器内凝结过程包含珠状凝结和膜状凝结两种凝结过程。影响蒸汽凝结过程主要原因有：凝汽器内冷却水管布置排列方式；凝汽器内蒸汽流动速度；凝汽器内空气含量；汽轮机的凝汽系统及设备课件第23页四、凝汽器内压力确定当蒸汽处于饱和状态时，其压力与温度是一一对应。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。排汽温度高低取决于冷却水进口温度、冷却水温升和传热端差。凝汽器内压力可依据对应饱和温度求得，而排汽温度可表示为：其中，－冷却水进口温度；－冷却水温升；－传热端差。（4-8）只要求得了温度之值，就能够从水蒸汽表中查得相对应压力。汽轮机的凝汽系统及设备课件第24页（一）冷却水进口温度

冷却水进口温度取决于电厂所在地理位置、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。1.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、冷油器和相关冷却器之后，排入河流下游。2.采取循环供水方式时，冷却水则沿着联结凝汽器等相关装置回路循环流动，取自水源水只作为损失补充水，故采取循环供水方式能够节约大量水。直流供水系统比较简单，投资少，运行费用低。我国南方电厂，普通都建在沿江、沿河、沿海岸或者沿大水库。而北方电厂，因为水源不足，多采取循环供水方式。汽轮机的凝汽系统及设备课件第25页（二）冷却水温升

1、冷却水温升可依据凝汽器热平衡方程式求出：从而，以上二式中，-进入凝汽器凝汽量(kg/h)；(5-2)(5-3)-冷却水进出口焓值(kJ/kg)。-排汽焓值和凝结水焓值(kJ/kg)；-进入凝汽器冷却水量(kg/h)；2、冷却倍率

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冷却水量。m值越大，则冷却水温升越小，凝汽器内压力越低，会使整机理想焓降增加，从而能够提升电厂热效率。汽轮机的凝汽系统及设备课件第26页不过，m大则冷却水量大，冷却水泵功率大。故m值大小要经过经济技术对比后确定。普通，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。3、凝汽器最有利真空和极限真空：（1）凝汽器最有利真空：凝汽器进汽量是由外界负荷决定，而冷却水温升是有依靠调整冷却水量来控制。

－每1kg蒸汽在凝结时所放出潜热，约2200kJ/kg,改变很小，这么，式（5-3）为：汽轮机的凝汽系统及设备课件第27页冷却水量增加，可降低冷却水温升，降低汽轮机排汽压力，增大理想焓降，提升经济性。不过水泵功率要增大。这里有一个最正确冷却水量，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。这时候真空称为凝汽器最有利真空。（2）凝汽器极限真空：若真空深入增高，使末级叶片斜切部分到达膨胀极限时真空称为凝汽器极限真空。这时候余速损失增加。（三）传热端差

传热端差和冷却面积、传热量及传热系数相关系。设计时，普通取。对于单流程凝汽器，取，对于多流程凝汽器，取。

汽轮机的凝汽系统及设备课件第28页作业与思索题1，画出最简单凝汽系统图，其主要设备及其作用。2，间接空冷系统图，其主要设备及其作用。3，凝汽器内压力怎样确定？4，什么是凝汽器最有利真空和极限真空？汽轮机的凝汽系统及设备课件第29页第四节蒸汽在凝汽器内蒸汽凝结过程一、凝结特点：假设只有水蒸汽存在，而且凝汽器内各处压力都相等，则蒸汽应在与压力相对应饱和温度下凝结。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，因为阻力存在，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，凝结时饱和温度也不相同。这么，因为阻力和空气存在，蒸汽分压降低，使凝结水温度低于凝汽器进口处蒸汽温度，造成凝结水过冷。汽轮机的凝汽系统及设备课件第30页1、空气量：（1）空气起源：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；二、进入凝汽器空气量和空气分压（2）设计漏汽量预计（经验公式）：要准确确定空气漏入量是有困难，通惯用下面经验公式进估计：其中，--漏入空气量(kg/h)；--凝汽器设计进汽量(t/h)；--严密系数，普通取。(5-10)上式也能够用于检验凝汽设备严密程度。这时，为抽汽口测得被抽出空气量。为评定严密等级系数：=1为优，=2为良好，=3为中等。汽轮机的凝汽系统及设备课件第31页2、蒸汽与空气分压：因为空气漏入，凝汽器内总压力为蒸汽分压和空气分压之和：

其中，x为蒸汽干度。实际上，在正常情况下，在凝汽器中大部分区域，蒸汽占绝大多数，空气含量很小，即，故：(5-11)其中(5-15)(5-16)当有99%蒸汽凝结，即x=0.01，这么，由上式可得。即蒸汽分压靠近于总压力。绝大部分蒸汽在压力饱和温度下凝结。空气对蒸汽凝结影响，只是在沿流程末尾区段（空气冷却区）才显著。汽轮机的凝汽系统及设备课件第32页三、空气漏入对凝汽器工作影响

因为空气漏入，对凝汽器工作是有影响：1、空气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，降低了机组经济性；2、空气漏入，增加了凝结水中空气溶解度，对汽轮机装置和管道系统金属产生腐蚀，影响机组安全性；3、空气漏入，会使空气分压增大，使凝结水过冷度增加，影响了机组经济性。汽轮机的凝汽系统及设备课件第33页第五节多压凝汽器当代大功率汽轮机都采取多缸多排汽口。为了提升大功率汽轮机经济性，常采取多压凝汽器。多压凝汽器就是将凝汽器汽侧分隔成与汽轮机排汽口个数相同两个或更多互不相通部分。图5-16为双压凝汽器示意图。进水侧冷却水温度较低，其对应汽侧压力也较低；出水侧冷却水温度较高，所以，其对应汽侧压力也较高。同理，也有三压、四压凝汽器。采取多压凝汽器能够提升机组经济性。汽轮机的凝汽系统及设备课件第34页第四节抽气设备1、抽气器作用抽气器作用是将漏入凝汽器内空气不停地抽出，以维持凝汽器内高度真空。故抽气器工作好坏对凝汽器工作影响很大。任何一个抽汽器，不论其结构和工作原理怎样，都是一个压气器，它将汽气混合物从凝汽器抽气口压力压缩到高于大气压出口压力。2、抽气器型式

抽气器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。惯用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一样。前者用蒸汽作工质，后者用水作工质。汽轮机的凝汽系统及设备课件第35页开启抽气器作用是在汽轮机开启前给凝汽器建立真空，以缩短机组开启时间。图5-8为开启抽气器示意图，它主要由工作喷嘴A、混合室B和扩压管C所组成。

一、射汽抽气器1.开启抽气器结构和工作原理：汽轮机的凝汽系统及设备课件第36页工质是新蒸汽，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高速汽流射入混合室。高速汽流有很强空吸作用，从而将从抽气口来汽气混合汽流带走，并进入扩压管C。混合汽流在扩压管C中不停扩压，直到压力稍大于大气压力后排入大气。开启抽气器功率大建立真空快，但工质和工质热量不能回收，有经济损失。故它只作为开启时用。一旦汽轮机正常工作以后，主抽气器便投入工作，开启抽气器停顿工作。2.主抽气器

主抽气器作用：是在汽轮机正常工作时使用，以维持凝汽器高度真空。主抽气器普通都采取带中间冷却器多级型式。其目标在于能够得到更高真空度，同时也能够回收工质和热量，提升经济性。图5-9为两级射汽抽气器工作原理图。汽轮机的凝汽系统及设备课件第37页级