汽輪機(jī)的凝汽系統(tǒng)和設(shè)備

第四章汽輪機(jī)凝汽系統(tǒng)及設(shè)備一、凝汽設(shè)備工作原理1、工作原理：依據(jù)汽輪發(fā)電機(jī)組熱效率進(jìn)行分析第一節(jié)凝汽設(shè)備工作原理和任務(wù)其中，為整機(jī)理想焓降；為蒸汽初焓；為每kg蒸汽在鍋爐中吸熱量。為給水焓。為排汽焓；分析上式：要提升效率，則提升理想焓降，即提升新蒸汽初焓，降低排汽焓（壓力）。本章只是討論降低排汽焓值問(wèn)題。第1頁(yè)要降低排汽焓值，就得降低排汽壓力。普通來(lái)說(shuō)，排汽壓力每降低2kpa，循環(huán)熱效率就能夠提升約3.5%。所以，降低排汽壓力對(duì)提升火電廠循環(huán)熱效率是一個(gè)非常有效方法。降低排汽壓力最有效方法是：使排汽在密封容器中、在溫度較低條件下受到冷卻而凝結(jié)成水，體積突然縮?。ㄈ缭?.0049Mpa下，蒸汽比水容積大28000倍）而形成真空。同時(shí)再用抽氣器或者真空泵將漏入空氣不停地抽出，保持真空。在凝結(jié)中生成凝結(jié)水，經(jīng)聚集以后，又重新送入鍋爐作為給水，重復(fù)循環(huán)使用。這就是凝汽設(shè)備工作原理。第2頁(yè)2、主要任務(wù)：（1）建立并維持高度真空，即降低排汽焓值，提升理想焓降，使蒸汽中較多熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。（2）將蒸汽凝結(jié)成水，并將凝結(jié)水回收到鍋爐作為給水。（3）利用熱力除氧原理真空除氧，提升凝結(jié)水品質(zhì)。（4）起到熱力系統(tǒng)蓄水作用，是熱力系統(tǒng)穩(wěn)定調(diào)整緩沖器。為了完成上述任務(wù)，必須采取凝汽系統(tǒng)，確保以下幾個(gè)平衡：熱量平衡－>循環(huán)水泵；質(zhì)量平衡－>凝結(jié)水泵；空氣平衡－>抽氣設(shè)備；第3頁(yè)3、排汽壓力最正確值：降低排汽焓值，提升理想焓降，能夠提升效率。但不是排汽壓力越低越好。這是因?yàn)椋?1）當(dāng)降低排汽壓力，則比容v增加，汽輪機(jī)排汽部分尺寸增大，成本上升。而且制造困難，材料也受到限制。(2）當(dāng)降低排汽壓力，則比容v增加，凝汽器冷卻面積增大，冷卻水量增大，廠用電增大。所以，對(duì)排汽壓力和其它幾個(gè)方面要作技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比而定。普通，最正確排汽壓力為，通常取0.05atm。第4頁(yè)水冷凝器系統(tǒng)開(kāi)式循環(huán)水系統(tǒng)：借助天然水源。閉式循環(huán)水系統(tǒng)：用冷卻塔冷卻循環(huán)水。第二節(jié)、凝汽系統(tǒng)1、最簡(jiǎn)單凝汽設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)性系統(tǒng)圖（圖4-1）。（1）汽輪機(jī)；（2）發(fā)電機(jī)；（3）凝汽器：使排汽在凝汽器3中不停地凝結(jié)成水，建立高度真空；將凝結(jié)時(shí)放出熱量排出、將生成凝結(jié)水聚集送走；（4）循環(huán)水泵：為凝汽器提供冷卻水；（5）凝結(jié)水泵：不停地把蒸汽凝結(jié)時(shí)生成凝結(jié)水從凝汽器底部熱井中抽出，并送往給給水回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)；（6）抽氣器：抽出漏入凝汽器內(nèi)空氣，以維持高度真空。第5頁(yè)空冷凝器系統(tǒng)直接空冷系統(tǒng)間接空冷系統(tǒng)帶表面式凝汽器間接空冷系統(tǒng)（哈蒙系統(tǒng)）

帶噴射式凝汽器間接空冷系統(tǒng)（海勒系統(tǒng)）

第6頁(yè)（1）直接空氣冷卻系統(tǒng)：用空氣作為冷卻工質(zhì)凝汽器稱(chēng)為空氣直接冷卻式凝汽系統(tǒng)，如圖。汽輪機(jī)排汽送到熱交換器管束內(nèi)直接凝結(jié)成水。熱交換器管束外側(cè)則利用強(qiáng)制通風(fēng)帶走蒸汽凝結(jié)時(shí)放出汽化潛熱。因?yàn)榭諝鈧鳠嵯禂?shù)小、則要求冷卻面積大。所以，這種空氣直接冷卻式凝汽器體積龐大，無(wú)法和普通凝汽器一樣安裝在汽輪機(jī)下部，而是要遠(yuǎn)離汽輪機(jī)安裝在廠房外面或廠房頂部。所以，其汽輪機(jī)排汽管道很長(zhǎng)。這種空氣直接冷卻式凝汽系統(tǒng)，在世界各國(guó)已經(jīng)有較多采取，占空冷凝器系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組60％以上，當(dāng)前最大機(jī)組已超出600MW。采取冷卻單元有多排管、雙排管、單排管。當(dāng)前主要生產(chǎn)企業(yè)有德國(guó)GEA、美國(guó)SPX、國(guó)內(nèi)哈空調(diào)、江蘇雙良等。第7頁(yè)第8頁(yè)第9頁(yè)第10頁(yè)第11頁(yè)第12頁(yè)（2）間接空氣冷卻系統(tǒng)：空氣冷卻式凝汽系統(tǒng)如圖所表示。其主要設(shè)備有：混合式凝汽器、凝結(jié)水泵、循環(huán)水泵、空氣冷卻塔、空氣冷卻器等。其中，空氣冷卻塔是一個(gè)巨大建筑物，呈雙曲旋轉(zhuǎn)形，空氣冷卻器布置在空氣冷卻塔下部周?chē)鷫w上。利用高低壓力差，將冷風(fēng)經(jīng)過(guò)空氣冷卻器吸入塔內(nèi)，形成自然對(duì)流。因?yàn)榱鬟^(guò)空氣冷卻器空氣自然對(duì)流，將循環(huán)水中熱量帶走。循環(huán)水溫度在空氣冷卻器中得到降低之后，送入混合式凝汽器中去凝結(jié)汽輪機(jī)排汽。這種空氣冷卻式凝汽系統(tǒng)，設(shè)備、建筑費(fèi)用高，但能夠節(jié)約大量水。我國(guó)山西大同第二發(fā)電廠有兩臺(tái)200MW汽輪發(fā)電機(jī)組用了此系統(tǒng)。第13頁(yè)Hamon間接空冷系統(tǒng)第14頁(yè)Heller系統(tǒng)第15頁(yè)空氣冷卻式凝汽系統(tǒng)直接空氣冷卻系統(tǒng)第16頁(yè)2、運(yùn)行對(duì)凝汽設(shè)備要求：（1）凝汽器冷卻管應(yīng)含有很好傳熱系數(shù)，確保良好傳熱效果，取得較高真空度，同時(shí)盡可能降低換熱面積。（2）凝結(jié)水溫度不應(yīng)低于排汽壓力對(duì)應(yīng)飽和溫度，以免增加過(guò)冷度。這和供水方式、季節(jié)、地理位置相關(guān)；（3）蒸汽在凝汽器內(nèi)流動(dòng)阻力要小，以降低排汽口壓力和降低凝結(jié)水過(guò)冷度。第17頁(yè)第三節(jié)凝汽器凝汽器有混合式和表面式凝汽器兩大類(lèi)。一、混合式凝汽器混合式凝汽器(圖4-4)是使排汽在冷卻水中直接冷卻而凝結(jié)成水。在混合式凝汽器內(nèi)，從汽輪機(jī)中排出乏汽直接與冷卻水混合而得到凝結(jié)。冷卻水從安裝在混合式凝汽器上部周?chē)鷩娮靽姵觯牌缮喜窟M(jìn)汽口進(jìn)入，與冷卻水混合而得到凝結(jié)，凝結(jié)水與冷卻水一起用水泵抽走。不凝結(jié)空氣，用抽氣器或者真空泵不停地抽出。這種凝汽器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，冷卻效果好，制造成本低。第18頁(yè)二、表面式凝汽器

在表面式凝汽器內(nèi)，冷卻工質(zhì)與蒸汽由冷卻表面隔開(kāi)。依據(jù)冷卻工質(zhì)不一樣，表面式凝汽器又分為空氣冷卻和水冷卻兩種。用水作為冷卻工質(zhì)凝汽器簡(jiǎn)稱(chēng)為表面凝汽器。因?yàn)樗畟鳠嵯禂?shù)比空氣大，能確保凝汽器內(nèi)維持高度真空和取得潔凈凝結(jié)水。所以，國(guó)內(nèi)外火電廠主要采取這種凝汽器。

第19頁(yè)1、表面式凝汽器結(jié)構(gòu)

如圖4-5所表示，凝汽器外殼通常鋼板做成圓柱形、橢圓形或者方箱形。外殼兩端連接著形成水室端蓋2和3，外殼內(nèi)兩端又裝有管板4，管板4上裝有很多冷卻管。凝汽器內(nèi)部空間被冷卻管分隔成兩部分：蒸汽空間（汽側(cè)）和冷卻水空間（水側(cè)）。2、表面式凝汽器流程

冷卻水從進(jìn)口11進(jìn)入水室15，經(jīng)過(guò)冷卻管流到另一端水室16，轉(zhuǎn)向后，又經(jīng)冷卻管進(jìn)入水室17，最終由出水口12排出。這種稱(chēng)為雙流程凝汽器。還有單流程、三流程、四流程。3、凝結(jié)水

汽輪機(jī)排汽進(jìn)入凝汽器，在汽側(cè)與冷卻管接觸而凝結(jié)成水。凝結(jié)水聚集到熱井7中，由凝結(jié)水泵抽走并送到低壓加熱器。4、漏入空氣抽出漏入凝汽器空氣，經(jīng)過(guò)抽氣口8由抽氣器抽出。為了降低抽氣器負(fù)荷和回收熱量，使混有蒸汽空氣在經(jīng)過(guò)一次冷卻，使蒸汽凝結(jié)。在凝汽器內(nèi)專(zhuān)門(mén)設(shè)置有空氣冷卻區(qū)9。第20頁(yè)5、降低汽側(cè)阻力為了使汽氣混合物向抽氣口流動(dòng)，則抽氣口壓力應(yīng)比凝汽器壓力更低一些。壓力差就是凝汽器汽阻。汽阻大，會(huì)使凝汽器入口壓力升高、凝結(jié)水過(guò)冷度和含氧量增大。所以，應(yīng)設(shè)法減小汽阻。抽氣口位置不一樣，凝汽器中汽流流動(dòng)方向就不一樣，凝汽器結(jié)構(gòu)型式也不相同。常見(jiàn)有如圖3-85所表示四種，即汽流向下式、汽流向上式、汽流向心式、汽流向側(cè)式四種。這些多用于中小型汽輪機(jī)組。

第21頁(yè)因?yàn)槠啓C(jī)單機(jī)功率增大，凝汽器冷卻面積也在增加，冷卻管數(shù)目增多。大機(jī)組用多區(qū)域汽流向心式凝汽器。這種凝汽器管束分成若干區(qū)域，平行布置在箱體內(nèi)。每個(gè)管束區(qū)都有自己空氣冷卻區(qū)，蒸汽從四面進(jìn)入各區(qū)域。各個(gè)空氣冷卻器汽氣混合物被引入到聯(lián)通目管，由抽氣器抽出。這種凝汽器蒸汽通流面積大，汽阻小，凝結(jié)水能夠得到充分回?zé)帷?guó)產(chǎn)200MW汽輪機(jī)配用三殼體表面式N--11220--1型凝汽器。冷卻面積為3*3740=11220，冷卻管數(shù)為3*5667=17001根。國(guó)產(chǎn)300MW汽輪機(jī)凝汽器為N-17650型單殼體、對(duì)分、雙流程表面式凝汽器。冷卻面積為17650，冷卻管數(shù)為9758*2根。第22頁(yè)三、凝汽器內(nèi)蒸汽凝結(jié)過(guò)程蒸汽在凝汽器內(nèi)凝結(jié)過(guò)程包含珠狀凝結(jié)和膜狀凝結(jié)兩種凝結(jié)過(guò)程。影響蒸汽凝結(jié)過(guò)程主要原因有：凝汽器內(nèi)冷卻水管布置排列方式；凝汽器內(nèi)蒸汽流動(dòng)速度；凝汽器內(nèi)空氣含量；第23頁(yè)四、凝汽器內(nèi)壓力確定當(dāng)蒸汽處于飽和狀態(tài)時(shí)，其壓力與溫度是一一對(duì)應(yīng)。所以，凝汽器內(nèi)壓力取決于蒸汽凝結(jié)溫度。為了求得凝汽器內(nèi)壓力，就得先求出排汽溫度。排汽溫度高低取決于冷卻水進(jìn)口溫度、冷卻水溫升和傳熱端差。凝汽器內(nèi)壓力可依據(jù)對(duì)應(yīng)飽和溫度求得，而排汽溫度可表示為：其中，－冷卻水進(jìn)口溫度；－冷卻水溫升；－傳熱端差。（4-8）只要求得了溫度之值，就能夠從水蒸汽表中查得相對(duì)應(yīng)壓力。第24頁(yè)（一）冷卻水進(jìn)口溫度

冷卻水進(jìn)口溫度取決于電廠所在地理位置、季節(jié)和供水方式。電廠供水方式有直流供水方式和循環(huán)供水方式兩種。1.在直流供水系統(tǒng)中，電廠從河流上游取水，冷卻水流經(jīng)汽輪機(jī)凝汽器、冷油器和相關(guān)冷卻器之后，排入河流下游。2.采取循環(huán)供水方式時(shí)，冷卻水則沿著聯(lián)結(jié)凝汽器等相關(guān)裝置回路循環(huán)流動(dòng)，取自水源水只作為損失補(bǔ)充水，故采取循環(huán)供水方式能夠節(jié)約大量水。直流供水系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，投資少，運(yùn)行費(fèi)用低。我國(guó)南方電廠，普通都建在沿江、沿河、沿海岸或者沿大水庫(kù)。而北方電廠，因?yàn)樗床蛔?，多采取循環(huán)供水方式。第25頁(yè)（二）冷卻水溫升

1、冷卻水溫升可依據(jù)凝汽器熱平衡方程式求出：從而，以上二式中，-進(jìn)入凝汽器凝汽量(kg/h)；(5-2)(5-3)-冷卻水進(jìn)出口焓值(kJ/kg)。-排汽焓值和凝結(jié)水焓值(kJ/kg)；-進(jìn)入凝汽器冷卻水量(kg/h)；2、冷卻倍率

稱(chēng)為冷卻倍率（或循環(huán)倍率），它表示凝結(jié)單位蒸汽汽量所需要冷卻水量。m值越大，則冷卻水溫升越小，凝汽器內(nèi)壓力越低，會(huì)使整機(jī)理想焓降增加，從而能夠提升電廠熱效率。第26頁(yè)不過(guò)，m大則冷卻水量大，冷卻水泵功率大。故m值大小要經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)技術(shù)對(duì)比后確定。普通，對(duì)于單流程凝汽器，m=80~120范圍之內(nèi)；對(duì)于雙流程凝汽器，m=60~70范圍之內(nèi)。3、凝汽器最有利真空和極限真空：（1）凝汽器最有利真空：凝汽器進(jìn)汽量是由外界負(fù)荷決定，而冷卻水溫升是有依靠調(diào)整冷卻水量來(lái)控制。

－每1kg蒸汽在凝結(jié)時(shí)所放出潛熱，約2200kJ/kg,改變很小，這么，式（5-3）為：第27頁(yè)冷卻水量增加，可降低冷卻水溫升，降低汽輪機(jī)排汽壓力，增大理想焓降，提升經(jīng)濟(jì)性。不過(guò)水泵功率要增大。這里有一個(gè)最正確冷卻水量，即冷卻水量增大，使汽輪機(jī)功率增加所得到收益大于水泵功率增大，凈收益最大。這時(shí)候真空稱(chēng)為凝汽器最有利真空。（2）凝汽器極限真空：若真空深入增高，使末級(jí)葉片斜切部分到達(dá)膨脹極限時(shí)真空稱(chēng)為凝汽器極限真空。這時(shí)候余速損失增加。（三）傳熱端差

傳熱端差和冷卻面積、傳熱量及傳熱系數(shù)相關(guān)系。設(shè)計(jì)時(shí)，普通取。對(duì)于單流程凝汽器，取，對(duì)于多流程凝汽器，取。

第28頁(yè)作業(yè)與思索題1，畫(huà)出最簡(jiǎn)單凝汽系統(tǒng)圖，其主要設(shè)備及其作用。2，間接空冷系統(tǒng)圖，其主要設(shè)備及其作用。3，凝汽器內(nèi)壓力怎樣確定？4，什么是凝汽器最有利真空和極限真空？第29頁(yè)第四節(jié)蒸汽在凝汽器內(nèi)蒸汽凝結(jié)過(guò)程一、凝結(jié)特點(diǎn)：假設(shè)只有水蒸汽存在，而且凝汽器內(nèi)各處壓力都相等，則蒸汽應(yīng)在與壓力相對(duì)應(yīng)飽和溫度下凝結(jié)。實(shí)際上并非如此，因?yàn)椋?、排汽從凝汽器進(jìn)口向空氣抽出口流動(dòng)，因?yàn)樽枇Υ嬖?，則凝汽器內(nèi)各處壓力都不相同；2、整個(gè)系統(tǒng)不可能完全密封，有空氣漏入。則凝汽器內(nèi)各處空氣分壓也不相同，凝結(jié)時(shí)飽和溫度也不相同。這么，因?yàn)樽枇涂諝獯嬖?，蒸汽分壓降低，使凝結(jié)水溫度低于凝汽器進(jìn)口處蒸汽溫度，造成凝結(jié)水過(guò)冷。第30頁(yè)1、空氣量：（1）空氣起源：新蒸汽帶入；汽輪機(jī)裝置密封不嚴(yán)；負(fù)荷降低時(shí)真空前移，擴(kuò)大漏汽范圍；二、進(jìn)入凝汽器空氣量和空氣分壓（2）設(shè)計(jì)漏汽量預(yù)計(jì)（經(jīng)驗(yàn)公式）：要準(zhǔn)確確定空氣漏入量是有困難，通慣用下面經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)估計(jì)：其中，--漏入空氣量(kg/h)；--凝汽器設(shè)計(jì)進(jìn)汽量(t/h)；--嚴(yán)密系數(shù)，普通取。(5-10)上式也能夠用于檢驗(yàn)?zāi)O(shè)備嚴(yán)密程度。這時(shí)，為抽汽口測(cè)得被抽出空氣量。為評(píng)定嚴(yán)密等級(jí)系數(shù)：=1為優(yōu)，=2為良好，=3為中等。第31頁(yè)2、蒸汽與空氣分壓：因?yàn)榭諝饴┤?，凝汽器?nèi)總壓力為蒸汽分壓和空氣分壓之和：

其中，x為蒸汽干度。實(shí)際上，在正常情況下，在凝汽器中大部分區(qū)域，蒸汽占絕大多數(shù)，空氣含量很小，即，故：(5-11)其中(5-15)(5-16)當(dāng)有99%蒸汽凝結(jié)，即x=0.01，這么，由上式可得。即蒸汽分壓靠近于總壓力。絕大部分蒸汽在壓力飽和溫度下凝結(jié)?？諝鈱?duì)蒸汽凝結(jié)影響，只是在沿流程末尾區(qū)段（空氣冷卻區(qū)）才顯著。第32頁(yè)三、空氣漏入對(duì)凝汽器工作影響

因?yàn)榭諝饴┤耄瑢?duì)凝汽器工作是有影響：1、空氣漏入會(huì)使傳熱效果變差，傳熱端差增大。結(jié)果會(huì)使排汽壓力升高，降低了機(jī)組經(jīng)濟(jì)性；2、空氣漏入，增加了凝結(jié)水中空氣溶解度，對(duì)汽輪機(jī)裝置和管道系統(tǒng)金屬產(chǎn)生腐蝕，影響機(jī)組安全性；3、空氣漏入，會(huì)使空氣分壓增大，使凝結(jié)水過(guò)冷度增加，影響了機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。第33頁(yè)第五節(jié)多壓凝汽器當(dāng)代大功率汽輪機(jī)都采取多缸多排汽口。為了提升大功率汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性，常采取多壓凝汽器。多壓凝汽器就是將凝汽器汽側(cè)分隔成與汽輪機(jī)排汽口個(gè)數(shù)相同兩個(gè)或更多互不相通部分。圖5-16為雙壓凝汽器示意圖。進(jìn)水側(cè)冷卻水溫度較低，其對(duì)應(yīng)汽側(cè)壓力也較低；出水側(cè)冷卻水溫度較高，所以，其對(duì)應(yīng)汽側(cè)壓力也較高。同理，也有三壓、四壓凝汽器。采取多壓凝汽器能夠提升機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。第34頁(yè)第四節(jié)抽氣設(shè)備1、抽氣器作用抽氣器作用是將漏入凝汽器內(nèi)空氣不停地抽出，以維持凝汽器內(nèi)高度真空。故抽氣器工作好壞對(duì)凝汽器工作影響很大。任何一個(gè)抽汽器，不論其結(jié)構(gòu)和工作原理怎樣，都是一個(gè)壓氣器，它將汽氣混合物從凝汽器抽氣口壓力壓縮到高于大氣壓出口壓力。2、抽氣器型式

抽氣器型式有機(jī)械式和噴射式兩種。噴射式抽氣器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、制造成本低、維護(hù)方便、建立真空快。慣用噴射式抽氣器有射汽抽氣器和射水抽氣器兩種，工作原理相同工質(zhì)不一樣。前者用蒸汽作工質(zhì)，后者用水作工質(zhì)。第35頁(yè)開(kāi)啟抽氣器作用是在汽輪機(jī)開(kāi)啟前給凝汽器建立真空，以縮短機(jī)組開(kāi)啟時(shí)間。圖5-8為開(kāi)啟抽氣器示意圖，它主要由工作噴嘴A、混合室B和擴(kuò)壓管C所組成。

一、射汽抽氣器1.開(kāi)啟抽氣器結(jié)構(gòu)和工作原理：第36頁(yè)工質(zhì)是新蒸汽，新蒸汽進(jìn)入工作噴嘴A，在噴嘴A膨脹加速造成一個(gè)遠(yuǎn)高于音速高速汽流射入混合室。高速汽流有很強(qiáng)空吸作用，從而將從抽氣口來(lái)汽氣混合汽流帶走，并進(jìn)入擴(kuò)壓管C?；旌掀髟跀U(kuò)壓管C中不停擴(kuò)壓，直到壓力稍大于大氣壓力后排入大氣。開(kāi)啟抽氣器功率大建立真空快，但工質(zhì)和工質(zhì)熱量不能回收，有經(jīng)濟(jì)損失。故它只作為開(kāi)啟時(shí)用。一旦汽輪機(jī)正常工作以后，主抽氣器便投入工作，開(kāi)啟抽氣器停頓工作。2.主抽氣器

主抽氣器作用：是在汽輪機(jī)正常工作時(shí)使用，以維持凝汽器高度真空。主抽氣器普通都采取帶中間冷卻器多級(jí)型式。其目標(biāo)在于能夠得到更高真空度，同時(shí)也能夠回收工質(zhì)和熱量，提升經(jīng)濟(jì)性。圖5-9為兩級(jí)射汽抽氣器工作原理圖。第37頁(yè)級(jí)抽走。在第二級(jí)抽氣器中，汽氣