第4章汽輪機的凝汽設備

第4章汽輪機的凝汽設備第4章汽輪機的凝汽設備4.1凝汽系統(tǒng)的作用、原理與組成

蒸汽循環(huán)作用與功能冷端放熱、回收工質朗肯循環(huán)中，冷端放熱、凝結排汽建立、維持真空汽輪機尾部建立并維持真空，增大機組理想焓降熱力除氧、改善凝水品質熱力物理分解，除去凝水及補水中的氧氣，防止加熱器及鍋爐的氧腐蝕4.1凝汽系統(tǒng)的作用、原理與組成4.1凝汽系統(tǒng)的作用、原理與組成工作原理水汽水的蒸發(fā)或蒸汽的凝結，汽空間的水分子增多或減少，導致壓力變化。壓力越低，汽、水比容差越大，蒸發(fā)或凝結引起的壓力變化就越大。

在汽、水共存體系中，壓力決定于汽、水的熱力平衡溫度，即該溫度對應的汽、水飽和壓力。凝結蒸汽，可以降低壓力。4.1凝汽系統(tǒng)的作用、原理與組成汽輪機尾部的凝汽器，是一個開口的表面式熱交換器，將汽輪機的排汽凝結為水，并建立低于大氣壓力的真空。進入的蒸汽量與排出的凝水量保持平衡，汽、水空間的分界面穩(wěn)定，為準封閉系統(tǒng)，其壓力同樣決定于汽、水熱力平衡溫度。冷卻介質可用水或空氣ABB公司教堂窗式管束布置凝汽器4.1凝汽系統(tǒng)的作用、原理與組成水冷表面式凝汽器4.1凝汽系統(tǒng)的作用、原理與組成水冷表面式凝汽器的型式冷卻水流程單流程，雙流程單流程冷卻水在單殼體凝汽器中一次流過雙流程冷卻水在單殼體凝汽器中往返流過壓力數(shù)單壓凝汽器單殼體或多殼體凝汽器同一凝汽壓力多壓凝汽器多殼體凝汽器多個凝汽壓力空氣冷卻間接空冷通過冷卻水間接冷卻，濕式空冷直接空冷表面式空氣冷卻凝汽器4.1凝汽系統(tǒng)的作用、原理與組成HyKT_22_eng.swfLuKo_k_interakt_6.swf4.1凝汽系統(tǒng)的作用、原理與組成4.1凝汽系統(tǒng)的作用、原理與組成系統(tǒng)組成循環(huán)水系統(tǒng)水源、循環(huán)水泵、管道等，泵送冷卻水，輸運蒸汽釋放的汽化潛熱到環(huán)境開式循環(huán)江、河、湖、海為水源，冷卻水單次使用閉式循環(huán)冷卻塔為冷源，冷卻水循環(huán)多次使用凝結水泵

抽送凝結水至回熱系統(tǒng)，維持熱井水位抽氣器抽排不凝結氣體，維持汽側良好的換熱條件4.2凝汽器的壓力及其影響因素4.2.1凝汽器內壓力總壓與分壓不凝結氣體和蒸汽組成的多組分氣體，道爾頓定律：總壓力為組成氣體分壓力之和當排汽干度為和流量時，在相同介質溫度下因不凝結氣體份額很小，故蒸汽分壓力占主導地位，即凝汽器內的壓力主要決定于蒸汽的溫度!!!4.2凝汽器的壓力及其影響因素4.2.2傳熱過程與凝汽器壓力的確定傳熱過程冷卻水吸收蒸汽的汽化潛熱由溫度tw1上升到tw2排出蒸汽釋放汽化潛熱凝結為tc水排出汽側凝結末端ts’汽氣混合物被抽氣器抽出4.2凝汽器的壓力及其影響因素傳熱端差冷卻水溫升過冷度4.2凝汽器的壓力及其影響因素熱量輸運與冷卻水溫升

熱量輸運方程

循環(huán)倍率冷卻循環(huán)水的流量與蒸汽量的比增大m，減小溫升，降低凝汽器壓力，但增大泵耗。開式循環(huán)60左右，閉式循環(huán)50左右4.2凝汽器的壓力及其影響因素傳熱方程

傳熱過程管外凝結放熱、水膜導熱、管壁導熱、管內污垢導熱和冷卻水的對流傳熱傳熱方程對數(shù)平均溫差集總參數(shù)模型對數(shù)平均溫差4.2凝汽器的壓力及其影響因素傳熱系數(shù)HEI公式

：未修正傳熱系數(shù)，與流速的平方根及管徑有關

：冷卻水溫度修正系數(shù)

：冷卻管材料修正系數(shù)

：清潔系數(shù)HEI表面式凝汽器標準中，給出了這些修正系數(shù)的圖、表HEI未修正的傳熱系數(shù)HEI管材修正系數(shù)HEI管材修正系數(shù)HEI水溫修正系數(shù)4.2凝汽器的壓力及其影響因素別爾曼(前蘇聯(lián))公式

：冷卻管材料修正系數(shù)

：負荷修正系數(shù)

：冷卻水溫修正系數(shù)

：流速與管徑修正系數(shù)

：清潔系數(shù)4.3.1凝汽器的設計設計條件

凝結蒸汽量Dc，冷卻水進口溫度tw1，要求的凝汽器壓力pc，凝汽器水阻Δp設計過程①選冷卻水量Dw

用循環(huán)倍率計算Dw

，開式60～65，閉式50～55②計算Δt、δt和Δtm

熱平衡計算Δt、tw2

，pc

ts計算δt，

4.3凝汽器的設計與分析③選管材按冷卻水質選管材(銅、不銹鋼和鈦管)及壁厚δ④選冷卻水流速v

水速低，傳熱系數(shù)小且易結垢；水速高，傳熱系數(shù)大但流阻高、易磨損。銅管2m/s，不銹鋼和鈦管2.2～2.5m/s⑤選外徑do

內徑di=do-2δ，計算管數(shù)n=Dw/(vdi2π/4)⑥計算傳熱系數(shù)K，并由傳熱方程求得傳熱面積Ac⑦計算管長l

l=Ac/(nπdo)，確定冷卻水流程數(shù)⑧計算水阻Δp4.3凝汽器的設計與分析4.3凝汽器的設計與分析⑨判斷若水阻大于要求值，增大管徑；小于要求值，則減少管徑。重復至⑤。若水阻達到要求值，則結束。

管徑的選擇特征參數(shù)管內表面積與冷卻水流通截面積比4l/di傳熱特性減小管徑，冷卻水的對流傳熱面積增大，增強傳熱阻力特性減小管徑，冷卻水與管壁的接觸面積增大，增強流動阻力優(yōu)化選擇循環(huán)水泵功耗與傳熱性能改進綜合優(yōu)選4.3凝汽器的設計與分析4.3.2凝汽器的運行分析冷卻水進口溫度決定于環(huán)境條件和冷卻設備特性水源江、河、湖、海，深海水冷卻塔空氣干度、風，冷卻負荷冷卻水量冷卻水量大，溫升小，凝汽器壓力低，但循環(huán)水泵功耗大傳熱性能汽側管束排列，不凝結氣體，傳熱表面，結垢管壁冷卻管材料，銅管、不銹鋼、鈦管凝汽器熱阻分布Noncondensiablegasfilm4.3凝汽器的設計與分析SENIOR公司凝汽器的管束布置輻射式管束布置凝汽器示意圖4.3凝汽器的設計與分析管束布置流程短、抽氣通道順暢邊界長、汽阻小無不凝結氣體滯留區(qū)疏水流暢，回流加熱，減小過冷4.3凝汽器的設計與分析1970年代外圍帶狀式1980年代卵形式1990年代模塊式4.3凝汽器的設計與分析水側結垢鹽類、污泥和腐蝕物等物理垢，藻類、貝殼等生物垢。防垢，清洗對流傳熱冷卻水流速、水溫。強化傳熱4.4凝汽器的運行特性4.4凝汽器的運行特性4.4.1凝汽器的運行性能指標壓力凝汽器傳熱管上部的絕對壓力冷卻水溫升凝汽器循環(huán)冷卻水進、出口溫差端差凝汽器壓力對應的蒸汽飽和溫度與冷卻水出口溫度的差過冷度凝汽器壓力對應的蒸汽飽和溫度與熱井中凝結水的溫差凝結水含氧量凝結水中含氧量4.4凝汽器的運行特性汽阻凝汽器喉部與抽氣口間的壓差水阻循環(huán)冷卻水在凝汽器內循環(huán)水通道所受的阻力4.4.2凝汽器的運行特性運行特性凝汽器壓力與機組負荷、冷卻水量、冷卻水進口溫度的對應關系4.4凝汽器的運行特性4.4.3運行特性分析最佳真空、極限真空最佳(或經(jīng)濟)真空當循環(huán)水泵的功耗增大量與機組有效出力增多量相等時，對應的真空即為最佳(或經(jīng)濟)真空極限真空循環(huán)水進口溫度所對應的蒸汽飽和壓力為極限真空最大有效真空末級動葉達到極限膨脹時所對應的真空為最大有效真空Dcop4.4凝汽器的運行特性汽阻決定于流動阻力。負荷越高，汽阻越大，引起凝結水過冷度增大、含氧量升高。水阻決定于流速和水溫。與流速平方成正比；水溫低，粘度大；結垢也會使水阻增大。凝結水過冷

增大低加吸熱量和凝水含氧量冷卻管外水膜導熱溫差，使貼近管壁的凝水產生過冷汽阻過大凝結壓力低于喉部壓力產生過冷漏氣增多蒸汽穿透氣膜，蒸汽分壓力下降；空冷區(qū)擴大，凝結水滴落在冷管上產生過冷4.4凝汽器的運行特性熱井水位過高淹沒部分冷卻管凝結水直接被循環(huán)冷卻水冷卻。減小凝結水過冷的措施減薄水膜盡可能實現(xiàn)珠狀凝結，如管外采用特殊膜處理優(yōu)化管束布置簡化蒸汽與不凝結氣體流道，減小汽阻，組織蒸汽對凝結水加熱查漏、堵漏減少空氣漏入量，避免空冷擴展加強運行監(jiān)測避免熱井高水位運行4.5抽氣設備作用抽取凝汽器汽側空間的不凝結氣體，保持汽側良好傳熱。機組啟動時，汽輪機內建立真空抽氣設備種類主抽氣器、啟動抽氣器和水室抽氣器型式射流式和機械式。射流式有射汽抽氣器和射水抽氣器；機械真空泵有水環(huán)式和水葉片式。射流式抽氣器射汽抽氣器以高壓蒸汽為動力。在噴嘴中降壓增速達超音速，在混合室中抽吸來自凝汽器的汽、氣混合物，并發(fā)生動量交換，然后在擴壓管中降速增壓排出原理以壓力水為動力。噴嘴中降壓增速，形成水射流，混合室中牽連氣體運動。水射流一定行程后發(fā)生破碎，與不凝結氣體產生強烈碰撞壓縮升壓，然后利用水柱對其進一步壓縮。為提高射水抽氣器的效率，要求噴嘴距離水面高度應大于水射流破碎長度。4.5抽氣設備射水抽氣器4.5抽氣設備原理置于水室中的偏心葉輪，旋轉時產生與水室同心的水環(huán)，利用葉片與水環(huán)間空間容積隨轉子旋轉一周由小變大和由大變小的變化，完成吸氣、壓縮。水環(huán)真空泵的效