汽轮机原理凝器设备教学课件PPT.ppt

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1、汽轮机的凝汽设备,第四章,第一节 凝汽设备的工作原理、任务和类型,凝汽设备是凝汽式汽轮机装置的重要组成部分之一，它的工作情况直接影响到整个装置的热经济性和运行可靠性。,一、凝汽设备的工作原理与任务,凝汽设备在汽轮机装置的热力循环中起着冷源作用。降低汽轮机排汽的压力和温度，就可以减小冷源损失，提高循环热效率。,1.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600

2、0小时计，每年多耗煤：6000301043.3/106=5940t标煤（450元/吨，267万元）,第一节 凝汽设备的工作原理、任务和类型,2、凝汽设备的组成,以水为冷却介质的凝汽设备，一般由凝汽器、凝结水泵、抽气器、循环水泵以及它们之间的连接管道和附件组成。最简单的凝汽设备示意图如图示。,1.凝汽器：凝结乏汽，建立真空，收集凝结水并进行除氧。2.循环水泵：提供连续足量的循环冷却水，带走蒸汽的热量。3.凝结水泵：向锅炉输送洁净的给水。4.抽气器：排出不凝结气体，维持凝汽器真空。,第一节 凝汽设备的工作原理、任务和类型,在凝汽器中，不断循环的冷却水创造凝汽器中的低温环境，使排汽释放汽化潜热而发生

3、凝结。凝汽器中蒸汽凝结的空间是汽液两相共存的，汽侧压力等于蒸汽凝结温度所对应的饱和压力。蒸汽凝结温度由冷却条件决定。只要冷却水温不高，蒸汽凝结温度也不高，一般为30左右，所对应的饱和压力约为4-5kPa，该压力大大低于大气压力，从而在凝汽器中形成高度真空。,3.凝汽设备的工作原理,4.凝汽设备的工作任务,凝汽设备的最主要的任务有三方面：一是在汽轮机排汽口建立并维持一定的真空；二是保证蒸汽凝结并回收凝结水作为锅炉给水；三是作为给水先期除氧设备，回收杂用水的工质和能量。,第一节 凝汽设备的工作原理、任务和类型,二、凝汽器的类型,凝汽器,表面式,混合式,空气冷却式,水冷却式,（空冷）,（湿冷）,第一

4、节 凝汽设备的工作原理、任务和类型,1、空冷系统的分类及特点,空气冷却凝汽器（简称空冷器）是以空气作为冷却介质，把蒸汽凝结成水。采用翅片管式空冷散热器，直接或间接用环境空气来冷凝汽轮机排汽的冷却系统，称为空冷系统。采用空冷系统的汽轮发电机组简称为空冷机组。优点：节水（65%）；缺点：煤耗高。,空冷系统,混合式间接空冷系统（海勒式）,表面式间接空冷系统（哈蒙式）,直接接空冷系统,第一节 凝汽设备的工作原理、任务和类型,（1）直接空冷系统,优点：不需要冷却水等中间介质；系统设备少，结构简单，系统投资较少。缺点：粗大的排汽管道密封困难，维持真空困难，启动时抽真空时间较长；采用强制通风，耗电量大，噪音

5、大。,第一节 凝汽设备的工作原理、任务和类型,直接空冷发电厂外景图,空冷支柱(空心),蒸汽分配管,空冷管束,第一列空冷管排,空冷岛平台,第一节 凝汽设备的工作原理、任务和类型,直接空冷单元示意图,直接空冷系统冷却三角架示意图,运行中的直接空冷系统,直接空冷系统冷却风机,（2）海勒式间接空冷系统,优点：以微正压的低压水系统运行，较易掌握，而且年平均背压较低，机组煤耗较低。缺点：系统结构复杂，设备多，投资大；系统容易发生冰冻；化学水耗水大。,第一节 凝汽设备的工作原理、任务和类型,海勒式间接空冷机组,（3）哈蒙式间接空冷系统,优点：节约厂用电、设备少、冷却水系统与汽水系统分开，两者水质均可保证、冷

6、却水系统防冻性能好。缺点：空冷塔占地大，基建投资多；系统中要进行两次表面式换热，使全厂热效率有所降低。,第一节 凝汽设备的工作原理、任务和类型,哈蒙式间接空冷系统,南非Kendal电站,汽轮机凝汽系统,2、水冷表面式凝汽器,（1）表面式凝汽器的结构,第一节 凝汽设备的工作原理、任务和类型,汽阻,凝汽器入口压力pc与空气抽出口压力pc之差，汽阻越大，pc越高，汽阻越小越好。,水阻,凝汽器给冷却水的阻力 由冷却水管内沿程阻力、水室中的沿程阻力、冷却水由循环水管进出水室与水室进出管子的局部阻力组成，水阻越大，循环水泵的功耗越大，水阻越小越好。,相关概念,主凝结区,空气冷却区,排汽首先流过主凝结区，主

7、要换热面,占总换热面积的5%-10%，冷却抽气口抽出的汽气混合物，减小容积流量，减轻抽气器负荷，减少工质损失,第一节 凝汽设备的工作原理、任务和类型,6-热井,多区域汽流向侧流动,第一节 凝汽设备的工作原理、任务和类型,凝汽设备的结构模型,600MW凝汽器三维结构图,600MW凝汽器三维结构图,600MW凝汽器三维结构图,凝汽器冷却管束隔板,凝汽器冷却管束隔板,凝汽器冷却管的安装,（2）表面式凝汽器的类型,汽流向心式,汽流方向,汽流向侧式,汽流向上式,汽流向下式,汽流向侧式,汽流向心式,冷却水流程,单流程,双流程,多流程,单流程,双流程,第一节 凝汽设备的工作原理、任务和类型,水室形式,单一制

8、,对分制,汽侧压力,单压,多压,单一制,对分制,单压,多压,第一节 凝汽设备的工作原理、任务和类型,是 折合到标准温度0下的数值。,测量凝汽器真空的最简单的办法是用水银真空计。如图：,三、凝汽器真空的测量,凝汽器真空：,当地大气压与凝汽器内绝对压力的差值。,第一节 凝汽设备的工作原理、任务和类型,由表面式凝汽器的工作原理可知，在理想情况下，凝汽器的压力应等于冷却水温所对应的饱和蒸汽压力。实际情况下，凝汽器的压力总是高于这一理想压力。,一、凝汽器内压力 的确定,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,道尔顿定律：汽侧空间的总压力是组成气

9、体分压力之和,第二节 凝汽设备的真空与传热,利用混合气体关系式,求得,假定：,凝结99%，干度x=0.01,凝结99.9%，干度x=0.001,凝结99.99%，干度x=0.0001,第二节 凝汽设备的真空与传热,主凝结区，总压pc蒸汽压力ps，ps决定于汽、水共存的热平衡温度，即对应压力下水、蒸汽的饱和温度。凝汽器内的温度决定于蒸汽凝结和冷却水加热的换热过程。,空冷区，空气所含比重逐渐变大，ps才明显小于pc，ts下降，汽气混合物才被冷却。,第二节 凝汽设备的真空与传热,水,冷却水温升,冷却水的进、出口温差。,传热端差,凝汽器进口压力下的蒸汽饱和温度与冷却水出口温度的差。,主凝结区的凝结温度

10、：,主凝结区：,第二节 凝汽设备的真空与传热,影响凝汽器内压力的三个因素：,冷却水进口温度,季节与气候（主要因素）,同样条件,冷水塔和喷水池的冷却效果,由热平衡方程求得：,2.冷却水温升,热量输运方程,蒸汽的放热被冷却水吸收。热量平衡为,第二节 凝汽设备的真空与传热,直流（开式）供水,(4.2.3),循环倍率m：,冷却水量与被凝结蒸汽量之比。,m,真空,初投资,循环水泵电耗,循环水泵容量 循环水管路阻力 末级叶片长度,m=50120,单流程（水阻小）,m取较大值,双流程（水阻大）,循环（闭式）供水,m取较小值,开启台数,是汽化潜热，考虑湿度后，在21402220KJ/Kg左右，取平均值，则,第

11、二节 凝汽设备的真空与传热,3.凝汽器传热端差,传热方程 凝汽器的传热过程是管外凝结放热、管壁导热、管内污垢导热和冷却水的对流传热。采用集总参数模型,对数平均温差,空冷区面积较小，假设ts沿整个换热面不变：,第二节 凝汽设备的真空与传热,传热面积Ac，投资，需技术经济比较决定。不宜过小，310,由此求得,的影响因素,设计时：,运行时：,K是影响 的主要因素，K，,真空,影响K的因素必影响,第二节 凝汽设备的真空与传热,一般汽轮机运行时，排汽量由外界负荷决定，不可调节，所以控制冷却水温升的主要手段就是改变冷却水量。冷却水量主要由循环水泵的容量和运行台数决定。冷却水量增加，t减小，排汽压力降低,则

12、汽轮机发出功率增加。但无论从设计角度还是运行角度来说，都不是真空越高越好。对于一台结构已定的汽轮机，蒸汽在末级存在极限膨胀压力。若排汽压力低于该值，则蒸汽的部分膨胀只能发生在动叶之后，产生膨胀不足损失，汽轮机功率不再增加，反而还因凝结水温降低、最末级回热抽汽量增加而使机组功率减小。凝汽器的极限真空就是指使汽轮机作功达到最大值的排汽压力所对应的真空。而且，此时需要大大增加循环水量，循环水泵功耗增加，经济上不合算。,二、凝汽器的极限真空与最佳真空,第二节 凝汽设备的真空与传热,运行中，机组要尽量保持在凝汽器的最佳真空下工作。最佳真空就是指提高真空后所增加的汽轮机功率与为提高真空使循环水泵多消耗的厂

13、用电之差达到最大时的真空值。实际上，运行循环水泵可能有几台，循环水量也不能连续调节，所以应通过试验确定不同负荷及不同进口水温下的最佳真空。,第二节 凝汽设备的真空与传热,三、空气对凝汽器工作的影响,凝汽器的空气来源：,危害：,管表面附近聚积形成气膜阻碍了蒸汽的凝结放热,凝结水过冷度增大,过冷现象:凝水温度低于凝汽器入口蒸汽温度的现象。,所低的度数称为过冷度,过冷度 1，煤耗 0.1%,过冷危害,低加吸热量,凝水含氧量,低加管道和设备腐蚀,引起过冷的正常原因（表面式凝汽器工作机理决定）：,第二节 凝汽设备的真空与传热,A.管子外表面蒸汽分压力低于管束间平均分压，使蒸汽凝结ts0温度低于管束间混合

14、汽流温度。,C.汽阻使管束内层压力降低，也使凝结温度ts降低,B.管子外表面的水膜直接受管内冷却水冷却，水膜的导热温差使水膜的平均温度(tsi+ts0)/2低于水膜外表面的蒸汽凝结温度ts0。,第二节 凝汽设备的真空与传热,产生过冷水的不正常原因:,冷却水管束排列不合理；,漏入空气过多或抽气器工作不正常，使空气分压增大；,凝结水位过高，淹没冷却水管，使凝结水被进一步冷却。,排列不合理，上层凝水滴落在下层管束上产生冲击，水滴飞溅破坏流场分布，增大汽阻，过冷度增大,第二节 凝汽设备的真空与传热,管束布置留有相当大的蒸汽通道，使一部分蒸汽能直通凝汽器底部。在凝结水落入热井之前，与蒸汽进行充分接触，这

15、种效应称为蒸汽回热作用。,采用回热式凝汽器可减小过冷度,减小过冷度方法：,第二节 凝汽设备的真空与传热,过冷度是否变化作为初步分析真空下降原因判据,真空下降伴随过冷度增大,真空下降，但无过冷度增大,第二节 凝汽设备的真空与传热,四、凝汽器的传热,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。,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。,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：,第二节 凝汽设备的真空与传热,1.影响管外凝结放热的因素,（1）水膜厚度,（2）汽侧空气含量,实验表明：纯净蒸汽

16、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,在空冷区，由于空气含量较大，放热系数只有20006500kJ/m2.h.K,凝汽器内存在空气，对凝汽器的传热影响很大。,汽侧热阻包括管壁外凝结水膜热阻和蒸汽向水膜外侧的放热热阻。因此影响管外凝结放热的因素主要有：,影响凝结水膜热阻；水膜厚度受凝结量和管束排列影响，水膜内外可能有1.36.7的温差。,第二节 凝汽设备的真空与传热,2.影响管壁热阻的因素,管壁厚度,材料导热系数,尽量采用导热性能优良的铜,对耐腐蚀有较高要求时可选用钛管或不锈钢管,管内结垢,第二节 凝汽设备的真

17、空与传热,1-二次滤网；2-反冲洗蝶阀；3-注球管；4-凝汽器；5-胶球；6-收球网；7-胶球泵；8-加球室,凝汽器的胶球清洗系统,流速（主要因素）,对流传热,循环水泵功耗铜管冲刷严重,3.影响水侧热阻的因素,最佳水速：1.52.0m/s,实际传热系数的计算,经验公式或经验图表,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,第二节 凝汽设备的真空与传热,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,清洁程

18、度修正系数,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,第二节 凝汽设备的真空与传热,第三节 凝汽器的管束布置和真空除氧,一、凝汽器的管束布置,冷却水管的基本排列方法,三角形排列法,正方形排列法,辐向排列法,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,带型和卵形管束布置的凝汽器,教堂窗式管束布置的凝汽器,将军帽式管束布置的凝汽器,凝汽器管束布置的要求,减小汽阻,减小过冷度,均匀热负荷（总体传热系数较高）,凝汽器评价指标,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,第三节 凝汽器的管束布置和真空除氧,二、真空除氧,

19、凝结水含氧量大,铜管腐蚀、凝结水系统管道阀门腐蚀,第三节 凝汽器的管束布置和真空除氧,加设鼓泡除氧装置，在启动、低负荷其他非正常工况投入。,加热蒸汽鼓泡通入热井，混合加热凝结水至饱和温度，放出不凝结汽体。,一般真空除氧装置,蒸汽量少,不能到达热井回热凝结水,pc,漏入空气量,过冷度,第三节 凝汽器的管束布置和真空除氧,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,射流式抽气器,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

20、气混合物,汽气混合物,高度真空抽吸动量交换 夹带,混合室,与凝汽器抽气口相连,工作喷嘴,外壳,扩压管,射汽抽气器汽源,节流降压的主蒸汽,或除氧器汽平衡管工作蒸汽,第四节 抽气器,射汽抽气器,启动抽气器,主抽气器,第四节 抽气器,二、射水抽气器,工作水室,逆止阀,优点,无需汽源,工作可靠,无需启动抽气器,压力水在喷嘴中降压增速，形成高速射流，产生高度真空，抽吸凝汽器气汽混合物，在混合室中携带不凝结气体运动。水射流达到一定行程后发生破碎，与不凝结气体产生碰撞进行强烈的动量交换，对混合气体进行压缩升压，然后利用水柱自重对其进一步压缩。,不回收工质,缺点,噪音大,效率低,第四节 抽气器,第四节 抽气器

21、,假如叶轮不偏装,空腔46的容积 排气过程。,空腔13的容积 吸气过程；,三、水环式真空泵,外壳,偏心叶轮,工作水,同心水环,水环,工作条件,叶轮偏心必须安装,泵壳内有足量的工作水,第四节 抽气器,第四节 抽气器,第五节 凝汽器的变工况,凝汽器压力随蒸汽负荷、冷却水量、冷却水进口温度 等变化的规律称为凝汽器的变工况。,一、主要因素改变对凝汽器压力的影响,主凝结区：,不变,1 变工况下的变化规律,改变,变工况下 的变化规律,(4.5.2),不变,已运行凝汽器,Ac不变,若K也不变,比蒸汽负荷,理论结果,第五节 凝汽器的变工况,实验结果,较大，负荷较高时,较小，负荷较低时,基本不变,越小，转折越早

22、,第五节 凝汽器的变工况,变工况下 的确定,凝汽器的特性曲线如图所示，它是根据不同的Dc、tw1和Dw，由t和t随Dc的变化规律，求得相应的t和，最终求得凝汽器压力pc及绘制而成。,一定,由不同的,曲线图,改变,曲线图,新的,第五节 凝汽器的变工况,第五节 凝汽器的变工况,第六节 多压式凝汽器,有两个以上排汽口的大容量机组的凝汽器可以制成多压凝汽器。下图为双压凝汽器的示意图。冷却水由左侧进入，右侧排出。凝汽器汽侧用密封的分隔板隔成互不相通的两部分，进水侧的冷却水温较低，汽侧压力 也低；出水侧冷却水温较高，汽侧压力 也较高，这就构成了双压凝汽器。依此类推，可以制成三压式、四压式，在美国最多有六压

23、式。,一、多压凝汽器,右图为单压和双压凝汽器蒸汽和冷却水温沿流程的分布。虚线为单压凝汽器；实线为双压凝汽器。,第六节 多压式凝汽器,1、在一定条件下，多压凝汽器的平均折合压力比单压式的低，平均凝汽温度降低，亦即降低平均凝汽器真空。,分析表明采用双压或多压凝汽器具有以下优点,2、利用高压凝汽器的高温凝结水加热低压凝汽器的低温凝结水，减少低压加热器抽汽量，减小发电热耗率。,当冷却水入口温度（环境温度）越高、循环倍率越小时，采用双压凝汽器的经济性越好。当冷却水入口温度低到一定值时，采用多压凝汽器比采用单压的经济性还差。因此，对压凝汽器更适用于汽温高的地区(tw1高)、缺水地区(m小)和回流供水(m小

24、，t大)的机组。,第六节 多压式凝汽器,汽室隔板上冷却水管孔处的漏汽问题,2.凝结水的过冷问题,多压凝汽器平均凝结温度低于单压式，若高压侧凝结水自流入低压侧，混合后凝结水温度低于单压式产生过冷。解决办法将低压侧凝结水引入高压侧回热。,二、多压凝汽器带来的新问题,第六节 多压式凝汽器,本章作业,1.简述凝汽器的工作原理和任务2.什么是凝汽器的最佳真空？3.凝汽器的端差和凝结水过冷度的含义。4.机组运行中影响凝汽器真空的因素主要有哪些？对凝汽器真空如何影响？5.空气对凝汽设备及系统有什么危害？6.冷却水管在凝汽器板上的基本排列方法有几种，各是什么？7.抽气器的作用是什么？8.简述水环式真空泵的工作原理和工作条件。9.多压凝汽器工作的基本原理是什么？,