1、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 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,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

2、工作原理、任務和類型,汽輪機排汽壓力變化對機組熱經濟性的影響,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：6000301043.3/106=5940t標煤（450元/噸，267萬元）,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,

3、（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。,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,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

4、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,6-熱井,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：,當地大氣壓與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,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。,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,第

5、二節(jié) 凝汽器的真空與傳熱,道爾頓定律：,凝汽器內壓力很低（一般在0.00490.018MPa范圍） ，視為理想氣體，取一控制體，有,汽側空間的總壓力=各組分分壓力之和,pc-凝汽器總壓力；ps-蒸汽分壓力；pa-空氣分壓力,，,蒸汽：,空氣：,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,第二節(jié) 凝汽器的真空與傳熱,有,蒸汽分壓力,上式表示了控制體內蒸汽分壓力與控制體內總壓力之間的關系，也就是凝汽器內各點蒸汽分壓力與總壓力之間的關系。,對于嚴密性合格的機組，

6、Da/ Dc 0.0001，這里我們取Da/ Dc 0.0001 。,第二節(jié) 凝汽器的真空與傳熱,現在我們來討論蒸汽分壓力與控制體內總壓力之間的關系。,分別取 X=0.01，X =0.001，和X=0.0001（即排入凝汽器內的蒸汽分別有99%，99.9%和99.99%凝結）情況，帶入上式，得,蒸汽凝結99%，干度x=0.01,蒸汽凝結99.9%，干度x=0.001,蒸汽凝結99.99%，干度x=0.0001,ps=0. 9938pc,ps=0. 9414pc,ps=0. 6265pc,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

7、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0.00020.0003MPa）。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,凝汽器內蒸汽凝結溫度及冷卻水溫度變化曲線,主凝區(qū),空冷區(qū),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

8、熱，溫度升高，tw1tw2 。,蒸汽在凝汽內凝結，主凝區(qū)凝結水溫度基本不變,由于，tsps，pspc,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。空冷機組的熱風

9、再循環(huán)。,第二節(jié) 凝汽器的真空與傳熱,式中，Xc，hc，hc，Dw ，Cp分別為汽輪機排汽濕度、排汽焓、凝結水焓，冷卻水流量和冷卻水定壓比熱。,2.2 與冷卻水溫升t有關的因素,冷卻水溫升可由下式得到：,一般汽輪機排汽為濕蒸汽(濕度大約為610%), 每1kg排汽在凝汽器內放出的汽化潛熱約為 xc(hc-hc) =21402220kJ/kg ，取平均值2217kJ/kg，取Cp=4.187kJ/kgk,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t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

10、。,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 =50120。,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。,作為企業(yè)，都追求利潤的最大化，即希望得到最大的產出投入比。,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)

11、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,式中，K為凝汽器的傳熱系數；Ac為凝汽器的傳熱面

12、積；tm 為凝汽器的對數平均傳熱溫差。,2.3 與凝汽器端差t有關的因素,可以寫出凝汽器的傳熱方程,冷卻水與蒸汽之間的對數平均傳熱溫差為,帶入上式，有,第二節(jié) 凝汽器的真空與傳熱,由上式可知，在機組負荷，冷卻水量一定的情況下，影響t的因素有兩個：,（1）冷卻面積Ac：Ac越小，t 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K：傳熱系數越小，端差越大，真空越低。,機組實際運行中，影響傳熱系數的因素,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。,換熱系數為,傳熱過

13、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。,實驗表明：純凈蒸汽的凝結放熱系數很高，可達63000kJ/m2.h.K，如凝汽器中有少量空氣，其凝結放熱系數只有28000kJ/m2.h.K, 在空冷去，由于空氣含量較大，放熱系數只有20006500kJ/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

14、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/s,上節(jié)主要內容回顧,1. 凝汽器汽側空間的壓力由下式確定,2.影響 凝汽器壓力（真空）的因素分別通過冷卻水入口溫度tw1、冷卻水溫升t和凝汽器換熱端差t表現出來。,3. 通過tw1表現的因素有：環(huán)境溫度、冷卻塔冷卻效果、熱水回流情況和熱風在循環(huán)情況（空冷機組）。,4. 通過t表現的因素有：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t表現的因素有：冷卻面積Ac和換熱系數k。影響換熱系數的因素主要是：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

15、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,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?；蚵┤肟諝庠龆?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,實際傳熱系數的計算 HEI 公式 ：未修正傳熱系數，與流速的平方根及管徑有關。 ：冷卻水溫度修正系數。 ：冷卻管材料修正系數。 ：清潔

16、系數。 在HEI表面式凝汽器標準中，分別給出了這些修正系數的圖、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 ：流速與管徑修正系數 ：冷卻水進口溫度修正系數 ：冷卻水流程修正系數 ：負荷修正系數,第二節(jié) 凝汽器的真空與傳熱,1. 凝汽器的最佳真空、極限真空是如何定義的？ 2. 機組運行中主要有哪些因素影響凝汽器的真空？對凝汽器真空如何影響？ 3. 凝汽器內漏入空氣對凝汽設備及系統(tǒng)有什么危害？,第二節(jié) 凝汽器的真空與傳熱,作業(yè)與思考,第三節(jié) 凝汽器的管束布置和真空除氧,凝汽器 評價指標,真空,凝結水過冷度,

17、凝結水含氧量,水阻,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

18、熱凝結水至飽和溫度，除氧效果好,1.冷卻水管在凝汽器板上的基本排列方法有幾種，各是什么？ 2.凝汽器為什么都要設置真空除氧裝置？,第三節(jié) 凝汽器的管束布置和真空除氧,思考題,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,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

19、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地音速，即達到臨界工況，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

20、，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,工作水壓pw某一壓力后,擴壓管出口排水阻塞,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,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,三、 水環(huán)式真空泵,第四節(jié) 抽氣器,第四節(jié) 抽氣器,第四節(jié) 抽氣器,1.抽氣器的作用是什么？ 2.影響射水抽氣器的主要因素有那些？,第四節(jié) 抽氣器,作業(yè)與思考,第五節(jié) 凝汽器的變工況,凝汽器特性曲線（p230圖4.5.2）,第五節(jié) 凝汽器的變工況,凝汽器端差與dc，tw1關系曲線,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容量機組的凝汽器可以制成多壓凝汽器。下圖為雙壓凝汽器的示意圖。冷卻水由