汽輪機的凝汽設備培訓教材

汽輪機的凝汽設備第一節(jié)凝汽設備的工作原理、任務和類型第二節(jié)凝汽器的真空與傳熱第三節(jié)凝汽器的管束布置與真空除氧第四節(jié)抽氣器第五節(jié)凝汽器的變工況第六節(jié)多壓式凝汽器第四章汽輪機的凝汽設備第一節(jié)凝汽設備的工作原理、任務和類型一、凝汽設備的工作原理與任務凝汽器凝結水泵循環(huán)水泵汽輪機抽氣器

汽輪機排汽進入凝汽器，被由循環(huán)水泵供給的冷卻水冷卻凝結為水，凝結水不斷被凝結水泵抽走。由于凝汽器內壓力很低，會有空氣從凝汽器及與其相聯(lián)接的管道、閥門等部件的不嚴密處漏入凝汽器，由于空氣不能凝結，同時會阻礙排汽和冷卻水之間的換熱，需不斷的用抽氣器將漏入凝汽器的空氣抽走。1.凝汽設備的工作原理第一節(jié)凝汽設備的工作原理、任務和類型汽輪機排汽壓力變化對機組熱經(jīng)濟性的影響以東方汽輪機廠N300-16.67/537/537機組為例:如機組設計排汽壓力為5kPa，若排汽壓力升高1kPa,則機組熱耗將增加1%。如設計煤耗為330g/kW.h，排汽壓力升高1kPa,使煤耗增加3.3g/kW.h，按年平均運行小時按6000小時計，每年多耗煤：6000×30×104×3.3/106=5940t標煤（450元/噸，267萬元）。就常規(guī)150MW機組來說其供電標煤耗大致為380g/kW.h，每年多耗煤2700t標煤（450元/噸，121萬元）。第一節(jié)凝汽設備的工作原理、任務和類型一、凝汽設備的工作原理與任務汽輪機的凝汽設備，由凝汽器、抽氣器、循環(huán)水泵和凝結水泵以及他們之間的連接管道、閥門和附件等組成。2.凝汽設備的任務（1）在汽輪機排口建立并維持規(guī)定的真空；（2）保持凝結水的潔凈。（除氧等作用）3.凝汽設備的組成第一節(jié)凝汽設備的工作原理、任務和類型按冷卻介質與凝結水是否接觸，凝汽器分為表面式和混合式。按冷卻介質分為：水冷和空冷。表面式凝汽器既用于水冷機組，也用于空冷機組。二、凝汽器的類型空冷：水冷：真空較低，投資大，耗水量小，冷卻系統(tǒng)本身節(jié)水97％以上，全廠性節(jié)水約65％。用于富煤缺水地區(qū)（如山西、內蒙）可以保持較高的真空（即排汽壓力較低），一次投資較小，耗水量大。（應用廣泛）兩種冷卻方式比較凝汽器凝結水泵循環(huán)水泵汽輪機抽氣器冷卻塔水冷機組冷卻水系統(tǒng)示意圖空冷機組冷卻水系統(tǒng)示意圖p211表面式凝汽器第一節(jié)凝汽設備的工作原理、任務和類型單流程雙流程第一節(jié)凝汽設備的工作原理、任務和類型汽流向側流動汽流向心流動1-管束隔板2-冷卻管束3-抽氣口4-擋板5-空氣冷卻區(qū)6-熱井8-水室隔板7-人孔多區(qū)域汽流向側流動基本概念第一節(jié)凝汽設備的工作原理、任務和類型凝汽器真空：當?shù)卮髿鈮号c凝汽器內絕對壓力的差值。凝汽器汽阻：凝汽器蒸汽入口壓力pc與抽汽口處壓力pc’’差值，△pc=pc-pc’’（大的缺點）凝汽器水阻：凝汽器冷卻水入口壓力與冷卻水出口壓力差值。（大的缺點）第二節(jié)凝汽器的真空與傳熱一、表面式凝汽器內壓力的確定凝汽器汽側空間多組分介質共存蒸汽不凝結氣體：原蒸汽中夾帶（很少）+真空系統(tǒng)不嚴密漏入系統(tǒng)的空氣凝汽器空間：汽側空間+水側空間凝汽器壓力：汽側空間壓力

控制體內的水蒸汽質量為ms=XDc，空氣質量為ma=Da

。其中，Dc

、Da

分別為進入凝汽器的水蒸氣和空氣質量流率，X為控制體內蒸汽干度。第二節(jié)凝汽器的真空與傳熱控制體控制體控制體ms+ma

可見，進入凝汽器的蒸汽在99%、甚至99.9%已凝結的情況下，蒸汽的分壓力仍近似為凝汽器的壓力。因此在整個凝汽器空間內，絕大部分區(qū)域（主凝區(qū)）的蒸汽分壓力近似等于凝汽器的壓力，只有在絕大部分蒸汽已經(jīng)凝結的空冷區(qū)，蒸汽分壓力才明顯小于凝汽器壓力，而且越靠近抽氣口蒸汽的分壓力越小，空氣的分壓力越大。第二節(jié)凝汽器的真空與傳熱

假設凝汽器內各處壓力近似不變（實際上，凝汽器進口與抽氣口之間存在一壓差，即汽阻，其值很小，大型機組一般為0.0002～0.0003MPa）。因此，凝汽器內蒸汽分壓力（凝結溫度）在凝汽器的主冷區(qū)也近似不變，只有在空冷區(qū)才明顯逐漸降低。第二節(jié)凝汽器的真空與傳熱冷卻水在凝汽器內，吸收蒸汽凝結放熱，溫度升高，tw1→tw2

。蒸汽在凝汽內凝結，主凝區(qū)凝結水溫度基本不變

由于，ts→ps，ps≈pc所以，凝汽器壓力決定于冷卻水入口溫度、冷卻水溫升和凝汽器端差。第二節(jié)凝汽器的真空與傳熱二、影響凝汽器壓力的因素2.1與冷卻水進口溫度tw1有關的因素影響凝汽器內壓力的因素來自三個方面：冷卻水進口溫度、冷卻水溫升和凝汽器端差。影響冷卻水進口溫度的因素：

冷卻水進口溫度越低，凝汽器真空越高。（1）環(huán)境因素：環(huán)境溫度高，tw1高。夏季比冬季真空低。（2）冷卻塔的冷卻效果：如果冷卻塔達不到設計的冷卻效果，將造成tw1比設計值高。凝汽器真空降低。對直流供水，熱水回流?？绽錂C組的熱風再循環(huán)。(填料0第二節(jié)凝汽器的真空與傳熱（2）冷卻水量。冷卻水量越小，冷卻水溫升越高，機組真空越低。有可以看出，影響Δt的因素有：（1）汽輪機排汽量，即汽輪機負荷。負荷越高，冷卻水溫升越高，機組真空越低。m=Dw/Dc為凝汽器的冷卻倍率或循環(huán)倍率，設計時一般取m=50～120。第二節(jié)凝汽器的真空與傳熱機組負荷由外界需求決定，在機組負荷一定的情況下，可以通過增大循環(huán)水量（增大冷卻倍率），減小循環(huán)水溫升來提高凝汽器真空。增大循環(huán)水量，凝汽器會提高真空，增大蒸汽在汽輪機內的焓降，增加機組的發(fā)電功率；但同時增大循環(huán)水量，會增加循環(huán)水泵的耗功，減小機組的輸出功率。如果增大循環(huán)水量，凝汽器真空提高，使機組多發(fā)的電，比循環(huán)水泵多耗的電多，則增大循環(huán)水量是有益的；否則是不利的。（過冷度問題）作為企業(yè)，都追求利潤的最大化，即希望得到最大的產(chǎn)出投入比。△Pel△Pp△Pnet第二節(jié)凝汽器的真空與傳熱

對于一臺機組而言，最佳的循環(huán)水量，應是增大循環(huán)水量時，使機組真空提高多發(fā)的電功率△Pel，與增加循環(huán)水量循環(huán)水泵所多消耗的電功率△Pp

之間的差值△Pnet為最大。該循環(huán)水量所對應的真空稱為凝汽器的最佳真空，(pc)opt(pc)lim因此，m值的大小由凝汽器的最佳真空確定。第二節(jié)凝汽器的真空與傳熱

凝汽器的最佳真空是這樣定義的：如依靠增加循環(huán)水量來提高真空，因真空提高機組所多發(fā)的電功率，與增加循環(huán)水量所多消耗的電功率之間的差值為最大時的真空，即為凝汽器的最佳真空。m的取值：直流供水取較大值（90-100)，循環(huán)供水取較小值（70左右）。第二節(jié)凝汽器的真空與傳熱由上式可知，(冷卻水溫升)在機組負荷，冷卻水量一定的情況下，影響δt的因素有兩個：（1）冷卻面積Ac：Ac越小，δt越大，真空越低。使冷卻面積減小的原因有：冷卻水管堵塞、水位過高。（2）傳熱系數(shù)K：傳熱系數(shù)越小，端差越大，真空越低。機組實際運行中，影響傳熱系數(shù)的因素第二節(jié)凝汽器的真空與傳熱凝汽器的傳熱過程：蒸汽在管外凝結放熱，熱量傳給冷卻管外壁面→管壁導熱，熱量從管外壁傳導到管內壁→管內壁傳給冷卻水。換熱系數(shù)為傳熱過程的熱阻取決于三個環(huán)節(jié)：管外凝結放熱、管壁導熱、管內壁對流。第二節(jié)凝汽器的真空與傳熱a)影響管外凝結放熱的因素（1）水膜厚度；（2）汽側空氣含量。熱流及蒸汽流動方向富空氣區(qū)凝結水膜實驗表明：純凈蒸汽的凝結放熱系數(shù)很高，可達63000kJ/m2.h.K，如凝汽器中有少量空氣，其凝結放熱系數(shù)只有28000kJ/m2.h.K,在空冷去，由于空氣含量較大，放熱系數(shù)只有2000～6500kJ/m2.h.K凝汽器內存在空氣，對凝汽器的傳熱影響很大。第二節(jié)凝汽器的真空與傳熱b)影響管壁導熱的因素管壁厚度和材質，管內結垢情況。管壁厚度1-2mm，材質：銅或不銹鋼、鈦。1mm水垢的熱阻，相當于5mm厚的銅的熱阻。防止結垢的措施：膠球清洗。c)影響管內對流換熱的因素冷卻水流速（循環(huán)泵耗功）：1.5-2m/s4.通過△t表現(xiàn)的因素有：汽輪機排汽量Dc和冷卻水量Dw。凝汽器最佳真空。上節(jié)主要內容回顧5.通過δt表現(xiàn)的因素有：冷卻面積Ac和換熱系數(shù)k。影響換熱系數(shù)的因素主要是：結垢情況和凝汽器內空氣含量。凝汽器內空氣含量增加，不但會降低凝汽器真空，還會增加凝結水的過冷度。第二節(jié)凝汽器的真空與傳熱壓力及溫度pspcpapstsotstsi熱流及蒸汽流動方向三、影響凝結水過冷度的因素1.空氣量較多2.管束布置不合理3.凝結水位過高采用回熱式凝汽器減小凝結水過冷度的措施過冷度是否變化作為初步分析真空下降原因汽側原因2.抽氣器失常或漏入空氣增多1.冷卻水管束排列不合理3.凝結水位過高，淹沒冷卻水管真空下降伴隨過冷度增大真空下降，但無過冷度增大水側原因1.循環(huán)水量減小2.冷卻管結垢3.凝汽器水阻大第二節(jié)凝汽器的真空與傳熱

實際傳熱系數(shù)的計算HEI公式：未修正傳熱系數(shù)，與流速的平方根及管徑有關。：冷卻水溫度修正系數(shù)。：冷卻管材料修正系數(shù)。：清潔系數(shù)。在HEI表面式凝汽器標準中，分別給出了這些修正系數(shù)的圖、表。此式表明，影響凝汽器的傳熱特性的主要因素是流速、冷卻管的直徑、冷卻管材料特性和傳熱面的清潔程度。別爾曼(前蘇)公式

：清潔系數(shù)：流速與管徑修正系數(shù)：冷卻水進口溫度修正系數(shù)：冷卻水流程修正系數(shù)：負荷修正系數(shù)第二節(jié)凝汽器的真空與傳熱第三節(jié)凝汽器的管束布置和真空除氧凝汽器評價指標①真空②凝結水過冷度③凝結水含氧量④水阻⑤空冷區(qū)排出的汽氣混合物的過冷度此處過冷度大，汽阻越大一、凝汽器的管束布置第三節(jié)凝汽器的管束布置和真空除氧冷卻水管在凝汽器板上的基本排列方法三角形排列法：正方形排列法：輻向排列法：凝汽器管束布置的要求汽阻小過冷度小均勻熱負荷（即總體傳熱系數(shù)較高）密集程度最大，汽阻最大密集程度小，汽阻小密集程度小，汽阻小第三節(jié)凝汽器的管束布置和真空除氧二、真空除氧凝結水含氧量大，增大銅管腐蝕、凝結水系統(tǒng)管道閥門腐蝕，凝汽器都設有真空除氧裝置60％額定負荷以上，除氧效果好；低負荷和機組啟動時，蒸汽量少，蒸汽不能沖向熱井，除氧效果較差加熱蒸汽通入熱井，混合加熱凝結水至飽和溫度，除氧效果好第四節(jié)抽氣器抽氣器的作用2.抽取凝汽器汽側空間的不凝結氣體，以保持汽側良好的傳熱狀態(tài)和凝汽器真空。1.機組啟動時，在汽輪機內部建立真空；抽氣器的類型1.射流式抽氣器2.水環(huán)式真空泵射汽抽氣器射水抽氣器用于小型機組用于大型機組第四節(jié)抽氣器一、射汽抽氣器工作蒸汽壓縮后的汽氣混合物汽氣混合物超音速汽流抽吸動量交換夾帶高度真空混合室與凝汽器抽氣口相連工作噴嘴外殼擴壓管第四節(jié)抽氣器射汽抽氣器汽源主蒸汽減溫減壓除氧器汽平衡管工作蒸汽單級，混合物排入大氣不回收工質射汽抽氣器工作方式啟動抽氣器主抽氣器多級（2-3級），降低單級擴壓比，提高效率第四節(jié)抽氣器二、射水抽氣器與凝汽器抽氣口相連工作水室混合室擴壓管噴嘴射水泵高壓工作水（循環(huán)水）喉部

高壓水在噴嘴中降壓增速，形成高速射流，卷吸混合室的氣體并帶出混合室，混合室內形成高度真空。射流與空氣混合物流出混合室，進入擴壓管流出。抽氣器垂直布置，可以利用水柱自重流動，減小水泵耗功。第四節(jié)抽氣器長喉部射水抽氣器

提高射水抽氣器經(jīng)濟性的關鍵在于高速流體降速、升壓前流速能夠等于或大于當?shù)匾羲伲催_到臨界工況，因為在臨界工況下沒有倒流損失，突然壓縮損失小，擴壓充分，排出速度低，余速動能損失小。獲得臨界工況的前提是，氣液兩相混合均勻。流體在喉部進口處混合的是極不均勻的，長喉部提供了均勻混合的條件。第四節(jié)抽氣器影響射水抽氣器工作性能的主要因素工作水壓pw和工作水溫tw工作水壓pw對射水抽氣器的影響抽吸空氣量一定，工作水壓pw噴嘴出口流速抽氣口壓力工作水壓pw>某一壓力后擴壓管出口排水阻塞抽氣口壓力不考慮工作水的排出時，是這樣的工作水溫tw對射水抽氣器的影響其他條件一定，工作水溫tw抽氣口壓力工作水汽化量水溫升高熱量來源工作水與管壁及水分子間的摩擦碰撞抽出氣汽混合物中蒸汽凝結放出汽化潛熱定期或連續(xù)補低溫水，溢出高溫水加裝抽空氣冷卻裝置補水溢水工作水池降低水溫措施第四節(jié)抽氣器空腔1～3的容積，吸氣過程；空腔4～6的容積，排氣過程。三、水環(huán)式真空泵外殼偏心葉輪工作水同心水環(huán)123654葉輪不偏裝同心水環(huán)第四節(jié)抽氣器吸氣口排氣口第四節(jié)抽氣器第四節(jié)抽氣器第六節(jié)多壓式凝汽器構成了雙壓凝汽器。依此類推，可以制成三壓式、四壓式等。

有兩個以上排汽口的大