第四章汽轮机的凝汽设备

第一节凝汽设备的工作原理、任务和类型第二节凝汽器的真空与传热第三节凝汽器的管束布置与真空除氧第四节抽气器第五节凝汽器的变工况第六节多压式凝汽器第四章汽轮机的凝汽设备第一节凝汽设备的工作原理、任务和类型一、凝汽设备的工作原理与任务凝汽器凝结水泵循环水泵汽轮机抽气器汽轮机排汽进入凝汽器，被由循环水泵供给的冷却水冷却凝结为水，凝结水不断被凝结水泵抽走。由于凝汽器内压力很低，会有空气从凝汽器及与其相联接的管道、阀门等部件的不严密处漏入凝汽器，由于空气不能凝结，同时会阻碍排汽和冷却水之间的换热，需不断的用抽气器将漏入凝汽器的空气抽走。1.凝汽设备的工作原理第一节凝汽设备的工作原理、任务和类型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）。就常规150MW机组来说其供电标煤耗大致为380g/kW.h，每年多耗煤2700t标煤（450元/吨，121万元）。第一节凝汽设备的工作原理、任务和类型一、凝汽设备的工作原理与任务汽轮机的凝汽设备，由凝汽器、抽气器、循环水泵和凝结水泵以及他们之间的连接管道、阀门和附件等组成。2.凝汽设备的任务（1）在汽轮机排口建立并维持规定的真空；（2）保持凝结水的洁净。（除氧等作用）3.凝汽设备的组成第一节凝汽设备的工作原理、任务和类型按冷却介质与凝结水是否接触，凝汽器分为表面式和混合式。按冷却介质分为：水冷和空冷。表面式凝汽器既用于水冷机组，也用于空冷机组。二、凝汽器的类型空冷：水冷：真空较低，投资大，耗水量小，冷却系统本身节水97％以上，全厂性节水约65％。用于富煤缺水地区（如山西、内蒙）可以保持较高的真空（即排汽压力较低），一次投资较小，耗水量大。（应用广泛）两种冷却方式比较凝汽器凝结水泵循环水泵汽轮机抽气器冷却塔水冷机组冷却水系统示意图空冷机组冷却水系统示意图p211表面式凝汽器第一节凝汽设备的工作原理、任务和类型单流程双流程第一节凝汽设备的工作原理、任务和类型汽流向侧流动汽流向心流动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基本概念第一节凝汽设备的工作原理、任务和类型凝汽器真空：当地大气压与凝汽器内绝对压力的差值。凝汽器汽阻：凝汽器蒸汽入口压力pc与抽汽口处压力pc’’差值，△pc=pc-pc’’（大的缺点）凝汽器水阻：凝汽器冷却水入口压力与冷却水出口压力差值。（大的缺点）第二节凝汽器的真空与传热一、表面式凝汽器内压力的确定cp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凝汽器空间：汽侧空间+水侧空间凝汽器压力：汽侧空间压力控制体内的水蒸汽质量为ms=XDc，空气质量为ma=Da。其中，Dc、Da分别为进入凝汽器的水蒸气和空气质量流率，X为控制体内蒸汽干度。第二节凝汽器的真空与传热控制体控制体控制体ms+ma可见，进入凝汽器的蒸汽在99%、甚至99.9%已凝结的情况下，蒸汽的分压力仍近似为凝汽器的压力。因此在整个凝汽器空间内，绝大部分区域（主凝区）的蒸汽分压力近似等于凝汽器的压力，只有在绝大部分蒸汽已经凝结的空冷区，蒸汽分压力才明显小于凝汽器压力，而且越靠近抽气口蒸汽的分压力越小，空气的分压力越大。第二节凝汽器的真空与传热假设凝汽器内各处压力近似不变（实际上，凝汽器进口与抽气口之间存在一压差，即汽阻，其值很小，大型机组一般为0.0002～0.0003MPa）。因此，凝汽器内蒸汽分压力（凝结温度）在凝汽器的主冷区也近似不变，只有在空冷区才明显逐渐降低。第二节凝汽器的真空与传热冷却水在凝汽器内，吸收蒸汽凝结放热，温度升高，tw1→tw2。蒸汽在凝汽内凝结，主凝区凝结水温度基本不变由于，ts→ps，ps≈pcttttttwws12所以，凝汽器压力决定于冷却水入口温度、冷却水温升和凝汽器端差。第二节凝汽器的真空与传热二、影响凝汽器压力的因素cp2.1与冷却水进口温度tw1有关的因素影响凝汽器内压力的因素来自三个方面：冷却水进口温度、冷却水温升和凝汽器端差。影响冷却水进口温度的因素：冷却水进口温度越低，凝汽器真空越高。（1）环境因素：环境温度高，tw1高。夏季比冬季真空低。（2）冷却塔的冷却效果：如果冷却塔达不到设计的冷却效果，将造成tw1比设计值高。凝汽器真空降低。对直流供水，热水回流。空冷机组的热风再循环。(填料0ttttttpwwsc12第二节凝汽器的真空与传热（2）冷却水量。冷却水量越小，冷却水温升越高，机组真空越低。有可以看出，影响Δt的因素有：（1）汽轮机排汽量，即汽轮机负荷。负荷越高，冷却水温升越高，机组真空越低。mDDDDtcwcw520/520/187.42177m=Dw/Dc为凝汽器的冷却倍率或循环倍率，设计时一般取m=50～120。第二节凝汽器的真空与传热机组负荷由外界需求决定，在机组负荷一定的情况下，可以通过增大循环水量（增大冷却倍率），减小循环水温升来提高凝汽器真空。增大循环水量，凝汽器会提高真空，增大蒸汽在汽轮机内的焓降，增加机组的发电功率；但同时增大循环水量，会增加循环水泵的耗功，减小机组的输出功率。如果增大循环水量，凝汽器真空提高，使机组多发的电，比循环水泵多耗的电多，则增大循环水量是有益的；否则是不利的。（过冷度问题）作为企业，都追求利润的最大化，即希望得到最大的产出投入比。△Pel△Pp△Pnet第二节凝汽器的真空与传热对于一台机组而言，最佳的循环水量，应是增大循环水量时，使机组真空提高多发的电功率△Pel，与增加循环水量循环水泵所多消耗的电功率△Pp之间的差值△Pnet为最大。该循环水量所对应的真空称为凝汽器的最佳真空，(pc)opt(pc)lim因此，m值的大小由凝汽器的最佳真空确定。第二节凝汽器的真空与传热凝汽器的最佳真空是这样定义的：如依靠增加循环水量来提高真空，因真空提高机组所多发的电功率，与增加循环水量所多消耗的电功率之间的差值为最大时的真空，即为凝汽器的最佳真空。m的取值：直流供水取较大值（90-100)，循环供水取较小值（70左右）。第二节凝汽器的真空与传热1wpCDCkAett由上式可知，(冷却水温升)在机组负荷，冷却水量一定的情况下，影响δt的因素有两个：（1）冷却面积Ac：Ac越小，δt越大，真空越低。使冷却面积减小的原因有：冷却水管堵塞、水位过高。（2）传热系数K：传热系数越小，端差越大，真空越低。机组实际运行中，影响传热系数的因素第二节凝汽器的真空与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。11111sacwsawKRRRRsaRcRwR换热系数为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。第二节凝汽器的真空与传热a)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,在空冷去，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。第二节凝汽器的真空与传热b)影响管壁导热的因素管壁厚度和材质，管内结垢情况。管壁厚度1-2mm，材质：铜或不锈钢、钛。1mm水垢的热阻，相当于5mm厚的铜的热阻。防止结垢的措施：胶球清洗。c)影响管内对流换热的因素冷却水流速（循环泵耗功）：1.5-2m/s4.通过△t表现的因素有：汽轮机排汽量Dc和冷却水量Dw。凝汽器最佳真空。上节主要内容回顾5.通过δt表现的因素有：冷却面积Ac和换热系数k。影响换热系数的因素主要是：结垢情况和凝汽器内空气含量。凝汽器内空气含量增加，不但会降低凝汽器真空，还会增加凝结水的过冷度。第二节凝汽器的真空与传热压力及温度pspcpapstsotstsi热流及蒸汽流动方向三、影响凝结水过冷度的因素1.空气量较多2.管束布置不合理3.凝结水位过高采用回热式凝汽器减小凝结水过冷度的措施过冷度是否变化作为初步分析真空下降原因汽侧原因2.抽气器失常或漏入空气增多1.冷却水管束排列不合理3.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1.循环水量减小2.冷却管结垢3.凝汽器水阻大第二节凝汽器的真空与传热实际传热系数的计算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。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1WmcKKwm1Kc14650wtzdKtwzd第二节凝汽器的真空与传热第三节凝汽器的管束布置和真空除氧凝汽器评价指标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此处过冷度大，汽阻越大一、凝汽器的管束布置第三节凝汽器的管束布置和真空除氧冷却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：辐向排列法：凝汽器管束布置的要求汽阻小过冷度小均匀热负荷（即总体传热系数较高）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，增大铜管腐蚀、凝结水系统管道阀门腐蚀，凝汽器都设有真空除氧装置60％额定负荷以上，除氧效果好；低负荷和机组启动时，蒸汽量少，蒸汽不能冲向热井，除氧效果较差加热蒸汽通入热井，混合加热凝结水至饱和温度，除氧效果好第四节抽气器抽气器的作用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1.射流式抽气器2.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抽吸动量交换夹带高度真空混合室与凝汽器抽气口相连工作喷嘴外壳扩压管第四节抽气器射汽抽气器汽源主蒸汽减温减压除氧器汽平衡管工作蒸汽单级，混合物排入大气不回收工质射汽抽气器工作方式启动抽气器主抽气器多级（2-3级），降低单级扩压比，提高效率第四节抽气器二、射水抽气器与凝汽器抽气口相连工作水室混合室扩压管喷嘴射水泵高压工作水（循环水）喉部高压水在喷嘴中降压增速，形成高速射流，卷吸混合室的气体并带出混合室，混合室内形成高度真空。射流与空气混合物流出混合室，进入扩压管流出。抽气器垂直布置，可以利用水柱自重流动，减小水泵耗功。第四节抽气器长喉部射水抽气器提高射水抽气器经济性的关键在于高速流体降速、升压前流速能够等于或大于当地音速，即达到临界工况，因为在临界工况下没有倒流损失，突然压缩损失小，扩压充分，排出速度低，余速动能损失小。获得临界工况的前提是，气液两相混合均匀。流体在喉部进口处混合的是极不均匀的，长喉部提供了均匀混合的条件。第四节抽气器影响射水抽气器工作性能的主要因素工作水压pw和工作水温tw工作水压pw对射水抽气器的影响抽吸空气量一定，工作水压pw喷嘴出口流速抽气口压力工作水压pw某一压力后扩压管出口排水阻塞抽气口压力不考虑工作水的排出时，是这样的工作水温tw对射水抽气器的影响其他条件一定，工作水温tw抽气口压力工作水汽化量水温升高热量来源工作水与管壁及水分子间的摩擦碰撞抽出气汽混合物中蒸汽凝结