汽轮机原理第四章

汽轮机的凝汽设备第四章第一节凝汽设备的工作原理、任务和类型

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。一、凝汽设备的工作原理与任务

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。

1.汽轮机排汽压力变化对机组热经济性的影响以东方汽轮机厂N300-16.67/537/537机组为例如机组设计排汽压力为5kPa，若排汽压力升高1kPa，则机组热耗将增加1%。如设计煤耗为330g/kw.h，排汽压力升高1kPa,使煤耗增加3.3g/kw.h，按年平均运行小时按6000小时计，每年多耗煤：6000×30×104×3.3/106=5940t标煤（450元/吨，267万元）

第一节凝汽设备的工作原理、任务和类型2、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。凝汽器凝结水泵循环水泵汽轮机抽气器冷却塔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。第一节凝汽设备的工作原理、任务和类型在凝汽器中，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。3.凝汽设备的工作原理4.凝汽设备的工作任务

凝汽设备的最主要的任务有两方面：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；三是作为给水先期除氧设备，回收杂用水的工质和能量。第一节凝汽设备的工作原理、任务和类型二、凝汽器的类型凝汽器表面式混合式空气冷却式水冷却式（空冷）（湿冷）第一节凝汽设备的工作原理、任务和类型1、空冷系统的分类及特点

空气冷却凝汽器（简称空冷器）是以空气作为冷却介质，把蒸汽凝结成水。采用翅片管式空冷散热器，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。优点：节水（65%）；缺点：煤耗高。空冷系统混合式间接空冷系统（海勒式）表面式间接空冷系统（哈蒙式）直接接空冷系统第一节凝汽设备的工作原理、任务和类型（1）直接空冷系统优点：不需要冷却水等中间介质；系统设备少，结构简单，系统投资较少。

缺点：粗大的排汽管道密封困难，维持真空困难，启动时抽真空时间较长；采用强制通风，耗电量大，噪音大。第一节凝汽设备的工作原理、任务和类型

直接空冷发电厂外景图空冷支柱(空心)蒸汽分配管空冷管束第一列空冷管排空冷岛平台第一节凝汽设备的工作原理、任务和类型直接空冷单元示意图直接空冷系统冷却三角架示意图运行中的直接空冷系统直接空冷系统冷却风机（2）海勒式间接空冷系统优点：以微正压的低压水系统运行，较易掌握，而且年平均背压较低，机组煤耗较低。

缺点：系统结构复杂，设备多，投资大；系统容易发生冰冻；化学水耗水大。第一节凝汽设备的工作原理、任务和类型海勒式间接空冷机组（3）哈蒙式间接空冷系统优点：节约厂用电、设备少、冷却水系统与汽水系统分开，两者水质均可保证、冷却水系统防冻性能好。

缺点：空冷塔占地大，基建投资多；系统中要进行两次表面式换热，使全厂热效率有所降低。第一节凝汽设备的工作原理、任务和类型哈蒙式间接空冷系统南非Kendal电站汽轮机凝汽系统2、水冷表面式凝汽器（1）表面式凝汽器的结构第一节凝汽设备的工作原理、任务和类型汽阻凝汽器入口压力pc与空气抽出口压力pc’’之差，汽阻越大，pc越高，汽阻越小越好。水阻凝汽器给冷却水的阻力由冷却水管内沿程阻力、水室中的沿程阻力、冷却水由循环水管进出水室与水室进出管子的局部阻力组成，水阻越大，循环水泵的功耗越大，水阻越小越好。相关概念主凝结区空气冷却区排汽首先流过主凝结区，主要换热面占总换热面积的5%-10%，冷却抽气口抽出的汽气混合物，减小容积流量，减轻抽气器负荷，减少工质损失第一节凝汽设备的工作原理、任务和类型1-管束隔板2-冷却管束3-抽气口4-挡板5-空气冷却区6-热井8-水室隔板7-人孔多区域汽流向侧流动第一节凝汽设备的工作原理、任务和类型凝汽设备的结构模型600MW凝汽器三维结构图600MW凝汽器三维结构图600MW凝汽器三维结构图凝汽器冷却管束隔板凝汽器冷却管束隔板凝汽器冷却管的安装（2）表面式凝汽器的类型

汽流向心式汽流方向

汽流向侧式

汽流向上式

汽流向下式汽流向侧式汽流向心式冷却水流程单流程双流程多流程单流程双流程第一节凝汽设备的工作原理、任务和类型水室形式单一制对分制汽侧压力单压多压单一制对分制单压多压第一节凝汽设备的工作原理、任务和类型

是折合到标准温度0℃下的数值。测量凝汽器真空的最简单的办法是用水银真空计。如图：三、凝汽器真空的测量凝汽器真空：当地大气压与凝汽器内绝对压力的差值。第一节凝汽设备的工作原理、任务和类型

由表面式凝汽器的工作原理可知，在理想情况下，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二节凝汽设备的真空与传热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第二节凝汽设备的真空与传热pspspaps空冷区主凝结区主凝结区，总压pc≈蒸汽压力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第二节凝汽设备的真空与传热主凝结区空冷区t水2

蒸汽1tstw1tw2ts’’△t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：第二节凝汽设备的真空与传热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<南方北方>南方真空北方真空<同样条件冷水塔和喷水池的冷却效果由热平衡方程求得：2.冷却水温升热量输运方程蒸汽的放热被冷却水吸收。热量平衡为第二节凝汽设备的真空与传热直流（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=50~120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2140～2220KJ/Kg左右，取平均值，则

第二节凝汽设备的真空与传热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：第二节凝汽设备的真空与传热

传热面积Ac，投资，需技术经济比较决定。不宜过小，3~10℃由此求得的影响因素设计时：运行时：K是影响的主要因素，K，真空影响K的因素必影响第二节凝汽设备的真空与传热

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，Δt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，此时需要大大增加循环水量，循环水泵功耗增加，经济上不合算。二、凝汽器的极限真空与最佳真空第二节凝汽设备的真空与传热

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，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。第二节凝汽设备的真空与传热三、空气对凝汽器工作的影响凝汽器的空气来源：A.由新蒸汽带入汽轮机B.由设备不严密处漏入危害：管表面附近聚积形成气膜阻碍了蒸汽的凝结放热凝结水过冷度增大过冷现象:凝水温度低于凝汽器入口蒸汽温度的现象。所低的度数称为过冷度过冷度1℃，煤耗0.1%过冷危害低加吸热量凝水含氧量低加管道和设备腐蚀引起过冷的正常原因（表面式凝汽器工作机理决定）：第二节凝汽设备的真空与传热A.管子外表面蒸汽分压力低于管束间平均分压，使蒸汽凝结ts0温度低于管束间混合汽流温度。C.汽阻使管束内层压力降低，也使凝结温度ts降低B.管子外表面的水膜直接受管内冷却水冷却，水膜的导热温差使水膜的平均温度(tsi+ts0)/2低于水膜外表面的蒸汽凝结温度ts0。过冷度固有2.8℃压力及温度至流动的中心距离pspcpapstsotstsi热流及蒸汽流动方向第二节凝汽设备的真空与传热产生过冷水的不正常原因:⑴冷却水管束排列不合理；⑵漏入空气过多或抽气器工作不正常，使空气分压增大；⑶凝结水位过高，淹没冷却水管，使凝结水被进一步冷却。排列不合理，上层凝水滴落在下层管束上产生冲击，水滴飞溅破坏流场分布，增大汽阻，过冷度增大总压pc一定，越靠近冷却水管，pa，蒸汽分压力ps

，凝结水过冷度增大第二节凝汽设备的真空与传热

管束布置留有相当大的蒸汽通道，使一部分蒸汽能直通凝汽器底部。在凝结水落入热井之前，与蒸汽进行充分接触，这种效应称为蒸汽回热作用。采用回热式凝汽器可减小过冷度减小过冷度方法：第二节凝汽设备的真空与传热过冷度是否变化作为初步分析真空下降原因判据汽侧原因抽气器失常或漏入空气增多冷却水管束排列不合理凝结水位过高，淹没冷却水管真空下降伴随过冷度增大真空下降，但无过冷度增大水侧原因循环水量减小冷却管结垢凝汽器水阻大第二节凝汽设备的真空与传热四、凝汽器的传热凝汽器的传热过程：蒸汽在管外凝结放热，热量传给冷却管外壁面→管壁导热，热量从管外壁传导到管内壁→管内壁传给冷却水。传热过程的热阻取决于三个环节：管外凝结放热、管壁导热、管内壁对流。将冷却水管的圆筒形管壁传热近似看成平壁传热，则传热系数为：第二节凝汽设备的真空与传热1.影响管外凝结放热的因素（1）水膜厚度（2）汽侧空气含量热流及蒸汽流动方向富空气区凝结水膜实验表明：纯净蒸汽的凝结放热系数很高，可达63000kJ/m2.h.K，如凝汽器中有少量空气，其凝结放热系数只有28000kJ/m2.h.K,在空冷区，由于空气含量较大，放热系数只有2000～6500kJ/m2.h.K凝汽器内存在空气，对凝汽器的传热影响很大。

汽侧热阻包括管壁外凝结水膜热阻和蒸汽向水膜外侧的放热热阻。因此影响管外凝结放热的因素主要有：影响凝结水膜热阻；水膜厚度受凝结量和管束排列影响，水膜内外可能有1.3～6.7℃的温差。第二节凝汽设备的真空与传热2.影响管壁热阻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对耐腐蚀有较高要求时可选用钛管或不锈钢管管内结垢物理垢(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第二节凝汽设备的真空与传热1-二次滤网；2-反冲洗蝶阀；3-注球管；4-凝汽器；5-胶球；6-收球网；7-胶球泵；8-加球室凝汽器的胶球清洗系统流速（主要因素）流速对流传热循环水泵功耗铜管冲刷严重3.影响水侧热阻的因素流速水阻最佳水速：1.5～2.0m/s

实际传热系数的计算经验公式或经验图表HEI公式未修正传热系数，与流速的平方根及管径有关冷却水温度修正系数冷却管材料修正系数清洁系数第二节凝汽设备的真空与传热在HEI表面式凝汽器标准中，分别给出了这些修正系数的图、表。此式表明，影响凝汽器的传热特性的主要因素是流速、冷却管的直径、冷却管材料特性和传热面的清洁程度。别尔曼(前苏)公式清洁程度修正系数流速与管径修正系数冷却水进口温度修正系数冷却水流程修正系数负荷修正系数第二节凝汽设备的真空与传热第三节凝汽器的管束布置和真空除氧一、凝汽器的管束布置冷却水管的基本排列方法三角形排列法正方形排列法辐向排列法密集程度最大，汽阻最大密集程度小，汽阻小密集程度小，汽阻小带型和卵形管束布置的凝汽器教堂窗式管束布置的凝汽器将军帽式管束布置的凝汽器凝汽器管束布置的要求减小汽阻减小过冷度均匀热负荷（总体传热系数较高）凝汽器评价指标①真空②凝结水过冷度③凝结水含氧量④水阻⑤空冷区排出的汽气混合物的过冷度第三节凝汽器的管束布置和真空除氧二、真空除氧凝结水含氧量大铜管腐蚀、凝结水系统管道阀门腐蚀凝汽器都设有真空除氧装置第三节凝汽器的管束布置和真空除氧加设鼓泡除氧装置，在启动、低负荷其他非正常工况投入。加热蒸汽鼓泡通入热井，混合加热凝结水至饱和温度，放出不凝结汽体。一般真空除氧装置蒸汽量少不能到达热井回热凝结水60％额定负荷以上除氧效果较好低负荷和机组启动时除氧效果较差pc漏入空气量过冷度第三节凝汽器的管束布置和真空除氧抽气器的作用（2）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。（1）机组启动时，在汽轮机内部建立真空；抽气器的类型射流式抽气器水环式真空泵射汽抽气器射水抽气器用于小型机组用于大型机组第四节抽气器一、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第四节抽气器单级，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，回收工质第四节抽气器二、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第四节抽气器第四节抽气器假如叶轮不偏装空腔4～6的容积排气过程。空腔1～3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水环工作条件叶轮偏心必须安装泵壳内有足量的工作水第四节抽气器第四节抽气器第五节凝汽器的变工况凝汽器压力随蒸汽负荷、冷却水量、冷却水进口温度等变化的规律称为凝汽器的变工况。一、主要因素改变对凝汽器压力的影响主凝结区：不变1变工况下的变化规律改变变工况下的变化规律(4.5.2)不变已运行凝汽器Ac不变若K也不变比蒸汽负荷理论结果第五节凝汽器的变工况实验结果较大，负荷较高时较小，负荷较低时基本不变较小，曲线在上部越小，转折越早第五节凝汽器的变工况变工况下的确定

凝汽器的特性曲线如图所示，它是根据不同的Dc、tw1和Dw，由Δt和δt随Dc的变化规律，求得相应的Δt和

，最终求得凝汽器压力pc及绘制而成。一定由不同的曲线图改变曲线图新的第五节凝汽器的变工况第五节凝汽器的变工况第六节