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1、第四章 汽轮机的凝汽系统及设备,4-1 凝汽系统的工作原理,一、工作过程,二、系统组成,由凝汽器、抽气设备、循环水泵、凝结水泵以及相连的管道、阀门等组成。,三、凝汽系统的任务,1，在汽轮机末级排汽口建立并维持规定的真空；2，供应洁净的凝结水作为锅炉给水；3，真空除氧：利用热力除氧原理除去凝结水中的溶解气体（主要为氧气），从而提高凝结水品质，防止热力系统低压回路管道、阀门等腐蚀；4，热力系统蓄水：汇集和储存凝结水、热力系统中的各种疏水、排汽和化学补充水，起到热力系统的稳定调节作用。,四、凝汽器内高度真空的形成,蒸汽遇冷凝结，体积骤然减小。0.0049MPa的压力下，水的体积约为干蒸汽的1/280
2、00倍，这样就在凝汽器容积内形成高度真空。其压力为凝汽器内温度对应的蒸汽饱和压力，温度越低，真空越高。抽气设备把漏入凝汽器内的不凝气体抽出，以维持真空。,凝汽器的最有利真空和极限真空：（1）凝汽器的最佳真空：提高真空所增加的汽轮机功率与循环水泵所多消耗的厂用电之差达到最大时的真空。（2）凝汽器的极限真空：若真空进一步增高，末级叶片的斜切部分达到膨胀极限时的真空称为凝汽器的极限真空。这时候余速损失增加。,五、真空除氧,使水在真空下低温沸腾，脱除水中含有的氧气、氮气、二氧 化碳等气体。,真空除氧,亨利定律：当水和气体之间处于平衡状态时，水中溶解的该气体的量与水面上该气体的分压力成正比。道尔顿定律：
3、混合气体的总压力等于各种成分气体的分压力之和。水面上的气体混合物的全压力就等于水蒸汽的分压力和水中溶解的各种气体的水面分压力之和。真空除氧原理：根据亨利定律知，水中溶解气体仅与水面上该气体分压呈正比，将水加热到饱和状态，则水面气体混合中水蒸汽分压最大，而其他气体分压最小，从而使得饱和水中气体含量最小。真空除氧一般在3060下进行，实现水面低温除氧。,真空除氧,1) 除氧给水必须加热到一定压力下的饱和温度，2) 除氧给水应有足够的与加热蒸汽接触的表面积，以保证良好的加热效果。3 ) 要迅速排出从给水中分离出的气体，以降低除氧器内气体的分压力。,氧气在水中的溶解量与温度和压力的关系,水中残余氧量与
4、加热温度不足的关系,一、水冷凝汽系统,4-2 凝汽系统,直流供水方式（也称开式循环水系统）：以江、河、湖、海的天然水源作为冷却水源。凝汽系统的取水口布置在江河的上游，排水口则选在下游。循环供水方式（也称闭式循环水系统）：需要专用的冷却塔，冷却水吸收凝汽器中排汽的热量后，送入冷却塔中进行冷却，冷却后的冷却水重新进入凝汽器中工作，如此往复循环。,二、空冷凝汽系统,（一）直接空冷凝系统,（二）间接空冷凝汽系统,利用空气来带走汽轮机排汽热量的凝汽系统。,（一）直接空冷凝汽系统,（二）混合式间接空冷系统,1.系统组成,凝汽器出来的凝结水与冷却水的混合水流，一小部分（约3）作为锅炉的给水，其余大部分经循环
5、水泵打入空气冷却器，构成一个封闭型间接空冷凝汽系统。水轮机用于调节混合凝汽器喷水压力，同时回收部分能量，比如同轴驱动水泵。,（三）带表面式凝汽器的间接空冷系统,1.系统组成,湿冷塔,干冷塔,不锈钢管,碱性除盐水,循环水,开式,闭式,铜管,13，膨胀水箱，起到保持循环水系统水压稳定的作用，以维持水的正常循环。稳压补水系统在高位水箱低水位时，补水泵开启向系统补水，高水位时补水泵停运。,一、混合式凝汽器,4-3 凝汽器,汽轮机排汽与冷却水直接混合接触而使蒸汽凝结。冷却水经淋水盘分散成水滴或用喷嘴雾化成水珠与蒸汽直接接触而使其凝结成水。凝结水与冷却水混合在一起用水泵抽走。不凝结的空气用抽气设备除去。优
6、点是结构简单、制造成本低廉、冷却效果好。缺点是凝结水与不清洁的冷却水混合后，不能作为锅炉给水。间接空冷凝汽系统中，采用闭式混合式凝汽器，克服上述混合式凝汽器的缺点,二、表面式凝汽器,二、表面式凝汽器,汽侧：由冷却水管外表面、管板汽侧、外壳内侧、热井等组成。水侧：由冷却水管内表面、管板水侧、水室、进出水口等组成。,冷却水流程：冷却水在凝汽器中依次流过冷却水管的次数。图45中所示的凝汽器为双流程的凝汽器。凝汽器的传热面分为主凝结区和空气冷却区两部分，用挡板13隔开，空气冷却区的面积约占总传热面积的510%。漏入凝汽器内的不凝结空气，经过空气冷却区进一步冷却后，由抽气设备从抽气口15抽出。空气冷却区
7、：凝结尚未凝结的蒸汽，减少蒸汽工质的损失；冷却空气，使其体积流量减小，减轻抽气设备的负荷，提高抽气效果。,国产引进型300MW机组凝汽器,锡黄铜合金,铝管,单壳体、对分、双流程、表面式,对于设有主蒸汽旁路的系统，旁路蒸汽由主蒸汽经旁路减温减压器，再经二级减温器，最后至凝汽器。,喉部,足够的强度来承载大气压力为了减少汽轮机房的建筑面积，减少大管径低压管道，使系统紧凑，最低压力的低压加热器布置在喉部各种蒸汽和水的汇集点：疏水，旁路，小机排汽等,冷却水管,确保管子和隔板紧密接触，改善管子的震动特性减小热应力，适应壳体和管子的胀差,管材,铜管：传热系数高钢管：抗高速湿蒸汽引起的腐蚀湍流漏汽以及管子进口
8、段的腐蚀抗空冷区的氨腐蚀导热系数低，胀管困难，薄壁管钛管：适用于任何水质和抗腐蚀,组装中的凝汽器外壳,凝汽器隔板在安装中，可见挡汽板，形成空冷区,组装中的隔板,水室装配，下部为冷却水进口，上部为出口,喉部,安装在喉部的低加,三、凝汽器内蒸汽凝结过程,凝结过程是一种汽态向液态转变的复杂物理现象。低于其饱和温度时，产生液态核化，形成均匀悬浮细微水滴，并逐渐成长。悬浮水滴遇到冷却壁面，会产生珠状凝结和膜状凝结两种凝结过程。珠状凝结：冷却水管的所有表面没有完全被凝结液膜所覆盖，在管壁的某些部分，蒸汽能直接与管壁表面接触，所以，珠状凝结过程的传热系数较大，传热效果较好。（很难发生，需对传热表面进行特殊的
9、处理）膜状凝结：冷却水管表面完全被凝结液覆盖，形成一层液膜，蒸汽与管壁热交换时需要通过这层液膜才能进行，所以其传热系数要比珠状凝结过程的传热系数低。在凝汽器内的凝结过程以膜状凝结为主。影响凝汽器内蒸汽凝结过程的因素：（1）凝汽器内冷却水管的布置排列方式。（2）凝汽器内蒸汽的流动速度。（3）凝汽器内的空气含量。,（1）凝汽器内冷却水管的布置排列方式。,排列方式，影响凝汽器内蒸汽的流动情况。上面各排管子的凝结液会降落到下面的管子上，使得下面管子的液膜更容易增厚。,汽阻：抽气口和凝汽器喉部之间的压差；过冷度：是指在一定压力下冷凝水的温度低于相应压力下饱和温度的差值。,（2）凝汽器内蒸汽的流动速度。
10、流速大，冷却管壁液膜减薄； 局部紊流，使蒸汽的凝结传热系数增大。（3）凝汽器内的空气含量。 随蒸汽的凝结，空气分压增加，形成空气 膜，增加了传热热阻，降低了传热系数。,评定凝汽器优劣有五个指标,真空；凝结水过冷度；凝结水含氧量，水阻；空冷区排出的汽气混合物的过冷度。,1) 为了减小汽阻，应把最初几排管子排得较稀，或开进汽侧通汽道，或用多区域向心式布置等方法增大进汽周界，使第一排管束处的汽流速度不大于50ms。,2)随着蒸汽的凝结，管束内层的热负荷必然减小，进汽侧应有蒸汽通道深入管束内层，以便提高内层管束的热负荷。,3)为了减小汽阻，蒸汽空气混合物向抽气口运动的途径应短而直，可在管束进汽侧和出汽
11、侧都开相应的汽流通道，且要求沿汽流流动方向的管子排数不宜过多。,4)应力求避免刚进入管束的蒸汽与来自管束其他部分含空气较多的蒸汽混合而降低传热系数；应防止蒸汽不经过主管束直接进入空气冷却区而增大空冷区负荷；应防止蒸汽空气混合物不经过空冷区而直接到达抽气口，增大抽气器负荷。为此可设挡汽板或靠管束布置来达到要求。,5)管束之间或两侧应有适当的蒸汽通道，以便刚进入凝汽器的蒸汽到达底部加热凝结水减小过冷度。,6)应有空气冷却区冷却蒸汽空气混合物，以增大排出的蒸汽空气混合物的过冷度减少工质损失，降低抽气器负荷。,7)为了避免从上部管束流下来的凝结水落在下部管束外侧，在管束之间可设置凝结水挡板，挡板的位置
12、与方向应符合汽流流动规律，以减少汽阻。,一般以整台凝汽器为研究对象，在蒸汽凝结理论的指导下，通过试验得出总体平均传热系数k的经验公式。,均考虑到冷却水管壁的清洁程度、冷却水流速、冷却水进口水温、蒸汽负荷率、管径及管材等的影响。,（2）全苏热工研究院总体传热系数k的计算公式, 冷却表面清洁程度修正系数,w冷却水流速和管径修正系数，,t冷却水进口水温修正系数,z冷却水流程修正系数,d蒸汽负荷率修正系数。,四、凝汽器内压力的确定,为提高传热温差，蒸汽与冷却水通常采用近似逆流传热形式。,凝汽器内蒸汽凝结温度ts主凝结区内，沿着冷却表面积基本不变；空气冷却区，由于蒸汽已经大量凝结，空气的相对含量增加，使
13、蒸汽分压ps明显低于凝汽器压力pc，ps相对应的饱和温度ts明显下降。,分析影响凝汽器内压力Pc的三方面因素。,冷却水进口温度tw1取决于供水方式和当地环境温度。,冷却水温升t与冷却倍率成反比,m表示凝结单位蒸汽汽量所需要的冷却水量。m值大小要通过经济技术对比后确定。,每1kg蒸汽在凝结时所放出的潜热，约2200kJ/kg，变化很小，,2.传热端差,2.传热端差,五、多压凝汽器,图5-6为双压凝汽器的示意图。进水侧的冷却水温度较低，其对应汽侧压力也较低；出水侧的冷却水温度较高，因此，其对应汽侧压力也较高。同理，也有三压、四压凝汽器。采用多压凝汽器可以提高机组的经济性。,现代大功率汽轮机都采用多
14、缸多排汽口。 为了提高大功率汽轮机的 经济性，常采用多压凝汽器。 多压凝汽器就是将凝汽器的汽侧分隔成与汽轮机排汽口个数相同的两个或更多的互不相通的部分。,单压凝汽器的蒸汽凝结温度与双压凝汽器的平均凝结温度之差：,单压凝汽器的蒸汽凝结温度与双压凝汽器的平均凝结温度之差：,冷却水倍率m越小，效益越大。汽室越多，效益越大。在缺少冷却水和气温较高地区采用多压凝汽器更有利。,在其他条件相同情况下，冷却水进口温度tw1 越高，采用多压凝汽器获得的效益就越大。,4-4 抽气设备,抽除凝汽器内不能凝结的气体，以保持凝汽器的真空和传热良好。,射汽式抽气器、射水式抽气器、水环式真空泵,抽气器的作用：,一、射汽式抽
15、气器,(一)启动抽气器,要求功率大、启动快、结构简单，通常是单级的。,工作喷嘴采用缩放喷嘴。蒸汽在工作喷嘴中膨胀加速，以很高的流速（通常达到1000m/s以上）射入混合室B，使混合室内形成高度真空。,混合室与凝汽器抽气口相连，由凝汽器来的气、汽混合物在混合室中混合后，被高速工作蒸汽带动一起进入扩压管C。在扩压管中，混合物的动能逐渐转变为压力能，最后混合气体扩压至略高于大气压力情况下排入大气。,工作蒸汽的热量和凝结水都不能回收，经济性差。,一、射汽式抽气器,(二)主抽气器,(1)分级压缩，一般分为两级，以降低压缩耗功；(2)在扩压管的出口处设置冷却器，利用主凝结水来冷却扩压管出口汽流，回收工质和
16、热量，并降低下一级抽气器负担，有利于提高真空。,抽气器的冷却器通常是表面式换热器。其冷却介质是来自凝结水泵出口的主凝结水，这样可以回收一部分抽气器工作蒸汽的热量，以提高整个系统的热经济性。,一、射汽式抽气器,(三)射汽式抽气器工作特性,较平坦部分称为工作段，在工作段区间，即使被抽的空气量增大，抽气口的压力升高不多，可以维持凝汽器正常运行。较陡部分称为过负荷段，在过负荷段区间，随着被抽出空气量的增大，抽气口压力迅速上升，这将破坏凝汽器真空。 所以为了保证抽气器始终能在工作段区间运行，在设计选型时宁可把抽气器的设计抽气量选得大一些，一般比正常运行时的漏气量大34倍。,二、射水式抽气器,高参数大、中型机组中采用射水式抽气器的原因主要有以下二点：(1)当汽轮机组采用高参数时，若仍采用射汽式抽气器，则工作蒸汽需节流使用，导致节流损失增加，从热效率考虑是不经济的；(2)大容量机组往往设计成单元制形式，启动时，此时本机组无合适汽源供射汽式抽气器使用，但凝汽器真空系统必须先期投运，这样就产生矛盾。,三、水环式真空泵,图418水环式真空泵工作原理示意图,
