第4章凝汽设备及运行

第四章汽轮机的凝汽设备第四章汽轮机的凝汽设备主要内容•凝汽设备工作原理、任务与类型•凝汽器的真空与传热•凝汽器抽气器•凝汽器变工况•多压式凝汽器第一节凝汽设备工作原理、任务与类型凝汽器的工作原理与任务凝汽器的类型一凝汽设备的工作原理与任务•1.1凝汽设备在热力系统中的位置1凝汽设备的重要性•1.2凝汽设备对机组安全性的影响1)对于转子轴承座与低压缸联成一体的机组,可能引起排汽缸的热膨胀,使轴承座抬起,转子对中性被破坏,产生强烈振动.2)凝汽器铜管线胀系数大于钢制外壳线胀系数许多，可能引起铜管热膨胀过大,导致胀口松脱而漏水,使不洁净的循环水漏入压力很低的凝结水一侧,污染凝结水质.一凝汽设备的工作原理与任务•1.3凝汽设备对机组经济性的影响实例：东方汽轮机厂生产的300MW机组，新汽压力，新汽和再热温度，再热压力,016.67PMPa00537rttC3.665rPMPa一凝汽设备的工作原理与任务1)如果没有凝汽设备,则最低排汽压力Pc是大气压,循环热效率只有37.12%;2)如果有凝汽设备且按额定工况工作,则排汽压力Pc=5KPa,循环热效率为45.55%;3)如果有凝汽设备,但运行不善,则排汽压力Pc比额定值升高1%,机组热耗率的相对变化率将降低1%以上.一凝汽设备的工作原理与任务以水为冷却介质的凝汽设备组成包括:凝汽器1循环水泵2凝结水泵3抽气器4各部分之间的连接管道、阀门、附件等一凝汽设备的工作原理与任务2凝汽设备的组成1)凝汽器内的蒸汽凝结空间是汽水两相共存的,其压力是蒸汽凝结温度下的饱和压力;2)凝汽器内蒸汽凝结温度不高.原因在于:冷却水温度不高,导致蒸汽凝结温度也不高.通常情况下,蒸汽凝结温度约为30度,其对应的饱和压力约为4~5KPa,大大低于大气压力,形成高度真空一凝汽设备的工作原理与任务3凝汽设备高度真空形成原因凝汽设备的任务主要包括:1)在汽轮机的排汽管内建立并维持高度真空;使进入汽轮机的蒸汽能膨胀到尽可能低的压力，从而增大机组的理想比焓降，提高其热经济性。2)供应洁净的凝结水作为锅炉给水，循环使用。锅炉给水不洁净将使锅炉结垢和腐蚀，使新汽夹带盐分，汽轮机通流部分结垢将会严重，影响电厂的安全经济运行。汽轮机容量越大，给水量也越大。若全部靠软化水，则水处理设备的投资和运行费用将大大增加，而凝汽器洁净的凝结水正好可大量用作锅炉的给水。一凝汽设备的工作原理与任务4凝汽设备的任务二凝汽器的类型表面式凝汽器空气凝汽器直接冷却空气凝汽器间接冷却空气凝汽器1-蒸汽入口；2-冷却水管，3-管板；4-冷却水进水管；5-冷却水回流水室；6-冷却水出水管；7-凝结水集水箱(热井)；8-空气冷却区；9-空气冷却区档板；10-主凝结区；11-空气抽出口二凝汽器的类型二凝汽器的类型概念：双流程凝汽器：同一股冷却水在凝汽器内转向前后两次流经冷却水管单流程凝汽器：同一股冷却水不在凝汽器内转向汽阻：凝汽器入口压力最高，空气抽出口压力最低，二者压力之差是蒸汽空气混合物的流动阻力，称为汽阻。水阻：冷却水在凝汽器内的循环通道中所受到的阻力凝汽器中的水阻主要包括：1）冷却水在冷却水管内的流动阻力2）冷却水进入和离开冷却水管时产生的局部阻力3）以及冷却水在水室中和进出水室时的阻力三部分作业与思考•1.简述汽轮机凝汽设备的工作原理。•2.凝汽器的真空是如何形成的?•3.影响凝汽器真空的因素有哪些？第二节凝汽器的真空与传热•凝汽器内压力的确定•凝汽器的最佳真空•空气的危害一凝汽器内压力的确定曲线1：表示凝汽器内蒸汽凝结温度ts的变化特点：1）ts在主凝结区内沿着冷却面积基本不变；2）ts在空气冷却区，由于蒸汽已大量凝结，蒸汽中的空气相对含量增加，温度将明显下降。特点：冷却水的进水侧温度上升要比出水侧温度上升快。这是因为进水侧温度较低，与蒸汽的传热温差较大，单位传热的热负荷较大的缘故。曲线2表示冷却水从进口到出口沿着冷却面积的变化冷却水温升：Δt=tw2-tw1端差：蒸汽凝结温度ts与冷却水出口温度tw2之差2wsttt一凝汽器内压力的确定tttt1ws主凝结区蒸汽的凝结温度：影响凝汽器内压力的三方面因素：1冷却水进口温度tw1低，ts也低，相应地pc也低，即凝汽器真空度高，机组效率高；tw1高，ts也高，相应地pc也高，即凝汽器真空度低，机组效率低。凝汽器的进水温度在冷却水开式供水系统中完全取决于自然条件，随季节的变化而变化；水面温度和水底温度不一样，可以相差2～3℃；水涨潮、退潮时不能让凝汽器的进水和排水相混，以免使tw1升高。在冷却水闭式供水系统中，tw1还决定于冷水塔或冷却水池的冷却效果。一凝汽器内压力的确定2冷却水温升根据凝汽器内传热的热平衡方程，蒸汽在凝结时放出的热量应等于冷却水吸收的热量，即得到：式中，称为循环倍率或冷却倍率•m高，ts低，相应地pc也低，即凝汽器真空度高，机组效率高；•m低，ts高，相应地pc也高，即凝汽器真空度低，机组效率低。tD4187hhD1000hh1000DQw1w2wwccc)()('m1874hhDD1874hhtcccwcc.'/.'＝cwDDm/增大m，则Δt减小，凝汽器就可以达到较低的压力，但由于冷却水量的增大，循环水泵的耗功也增大，冷却水管的直径也加大，同时由于排汽比容增大，末级叶片尺寸也相应加大，电站投资增大。因此m值的确定应通过技术经济比较，现代凝汽器的m值约在50～120的范围内，一般情况下，凝汽器开式供水或采用单流程时，m可选用较大值。一凝汽器内压力的确定(hc-h'c)是1kg排汽凝结时放出的汽化潜热，对于高真空下的凝汽器来说，比焓差(hc-h'c)变动范围很小，一般在2140～2220kJ/kg左右，取其平均值，则冷却水温升Δt的大小主要决定于循环倍率m，一般为5～10℃。当蒸汽量一定时，主要决定于循环水流量。一凝汽器内压力的确定循环水量不足的原因：1）可能是因为凝汽器的管板被冷却水带进的杂草、小鱼与与小虾等杂物堵塞；2）可能是冷却水吸水井水位太低，吸不上水，“虹吸”破坏或“虹吸”管堵塞；3）也可能是循环水泵运行恶化。一凝汽器内压力的确定•3.凝汽器的传热端差•K--凝汽器的总体传热系数[kJ/(m2h℃)]；•Ac--冷却水管外表面总面积(m2)；•Δtm--蒸汽与冷却水之间的对数平均传热温差(℃)。•可得：mwccctKDhhc'At4187)(D1000Q一凝汽器内压力的确定•传热端差与冷却面积、传热量、传热系数和冷却水量有关，传热越强，端差越小。一般情况下，端差为3℃～10℃。当然，端差越小越好。•设计阶段，Q一定，DW主要由m决定，K只能按经济数值取定，此时，只有增大传热面积才能减小端差，将使凝汽器体积增大，占地面积增大，投资增大。•运行阶段，Ac已定，在一定的蒸汽负荷和冷却水量条件下，Δt的大小主要取决于K，即凝汽器冷却表面的清洁程度和凝汽器内积存的空气量。Pcpopcp)(0elP二凝汽器最佳真空凝汽器背压并不是越低越好，在设计中通过技术经济比较来确定。它由两方面确定（1）随末级蒸汽参数的降低，蒸汽比容增大，汽轮机低压汽缸和末级叶片相应增大、增长，增加了制造困难和成本。若末级叶片不变，则余速加大，损失增加。（2）背压降低，需加大凝汽器冷却面积，增加循环水量和厂用电，增加投资和运行费用。因此，应该正确选择。当凝汽器所处的真空使汽轮机做功增加量与循环泵耗功增加量之差最大时，对应的真空为最佳真空。pPnetP三空气的危害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。2进入凝汽器的空气量和空气分压1）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，扩大漏气范围；（2）设计漏气量估计（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：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。)1100(1caDkDaDcD1K1K1K1K1K1K2）蒸汽与空气分压由于空气的漏入，凝汽器内的总压力为蒸汽分压和空气分压之和：=+其中，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=0.99382。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。cpspapcacsxDDpp622.01caccaaxDDpxDDp622.01622.00001.0/caDDxppcs1000062.01cpspcpcp3空气漏入对凝汽器工作的影响由于空气的漏入，对凝汽器的工作是有影响的：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；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；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。空气对凝汽器真空的影响•横坐标：蒸汽空气混合物中空气的质量百分比.•纵坐标：蒸汽空气混合物放热系数占纯蒸汽放热系数百分比.•由图可见：•空气质量含量越大，放热系数越小；•空气含量即使只有1/1000左右，放热系数也降低约10%.•1)主凝结区:空气平均分压很小;•2)冷却水管外围空气分压明显增大,越靠近冷却水管，蒸汽分压越小，蒸汽饱和温度也越小。•空气在冷却水管外围增多，大大阻碍蒸汽放热.•实验数据:•纯净蒸汽,放热系数63000;•少量空气，28000;•空冷区,只有2000~6500.空气对凝汽器真空的影响四凝汽器的传热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：wsawcsaRRRRK11111R----凝汽器总热阻----蒸汽空气混合物向冷却水管外放热的热阻----蒸汽空气混合物向冷却水管外放热的放热系数----管壁本身热阻，是管壁厚度，是管壁导热系数----管内壁到冷却水的放热热阻----水侧放热系数式中：saRsacRwRw•1.什么是凝汽器的最佳真空？•2.空气对凝汽设备及系统有什么危害？作业与思考第三节抽气设备1、抽气设备作用（1）在机组启动初期建立凝汽器真空；（2）在机组正常运行中保持凝汽器真空，确保机组安全经济运行。2、抽真空系统分类（1）抽气器抽真空系统特点：系统简单、工作可靠。（2）真空泵抽真空系统优点：运行经济（启动抽吸能力强；运行中耗功小）；汽水损失较小；泵组运行自动化程度高；噪声小，结构紧凑。缺点：一次性投资大。3、抽气器抽真空系统射水抽气器结构及工作原理：射水抽气器——大容量机组射汽抽气器——小容量机组由射水泵来的压力水，通过喷嘴将压力能转变成动能，以一定的速度从喷嘴喷出，在混合室中形成高度真空。凝汽器中的气汽混合物被吸入混合室与工作水混合，一起进人扩压管，在扩压管中将动能转变成压力能，在略高于大气压的情况下随水流排出。在混合室与凝汽器连通的接口处装有自动止回阀，当射水泵发生故障时，防止水和空气倒流人凝汽器。射水抽气器抽真空系统射水抽气器工作特性定义：在一定工作水压力下，抽气压力pc（混合室入口压力）与抽气量Dg之间的关系。近似特性曲线实际特性曲线抽吸干空气特性曲线真空破坏阀闭式、开式过载两点结论：（1）相同抽气量和工作水压力的情况下