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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,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：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,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。,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,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,6-热井,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,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。,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,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,第二节 凝汽器的真空与传热,道尔顿定律：,凝汽器内压力很低（一般在0.00490.018MPa范围） ，视为理想气体，取一控制体，有,汽侧空间的总压力=各组分分压力之和,pc-凝汽器总压力；ps-蒸汽分压力；pa-空气分压力,，,蒸汽：,空气：,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,第二节 凝汽器的真空与传热,有,蒸汽分压力,上式表示了控制体内蒸汽分压力与控制体内总压力之间的关系，也就是凝汽器内各点蒸汽分压力与总压力之间的关系。,对于严密性合格的机组， Da/ Dc 0.0001，这里我们取Da/ Dc 0.0001 。,第二节 凝汽器的真空与传热,现在我们来讨论蒸汽分压力与控制体内总压力之间的关系。,分别取 X=0.01，X =0.001，和X=0.0001（即排入凝汽器内的蒸汽分别有99%，99.9%和99.99%凝结）情况，带入上式，得,蒸汽凝结99%，干度x=0.01,蒸汽凝结99.9%，干度x=0.001,蒸汽凝结99.99%，干度x=0.0001,ps=0. 9938pc,ps=0. 9414pc,ps=0. 6265pc,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0.00020.0003MPa）。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,凝汽器内蒸汽凝结温度及冷却水温度变化曲线,主凝区,空冷区,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，tw1tw2 。,蒸汽在凝汽内凝结，主凝区凝结水温度基本不变,由于，tsps，pspc,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,2.1 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。,第二节 凝汽器的真空与传热,式中，Xc，hc，hc，Dw ，Cp分别为汽轮机排汽湿度、排汽焓、凝结水焓，冷却水流量和冷却水定压比热。,2.2 与冷却水温升t有关的因素,冷却水温升可由下式得到：,一般汽轮机排汽为湿蒸汽(湿度大约为610%), 每1kg排汽在凝汽器内放出的汽化潜热约为 xc(hc-hc) =21402220kJ/kg ，取平均值2217kJ/kg，取Cp=4.187kJ/kgk,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t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。,m=Dw/Dc为凝汽器的冷却倍率或循环倍率，设计时一般取m =50120。,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。,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。,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,式中，K为凝汽器的传热系数；Ac为凝汽器的传热面积；tm 为凝汽器的对数平均传热温差。,2.3 与凝汽器端差t有关的因素,可以写出凝汽器的传热方程,冷却水与蒸汽之间的对数平均传热温差为,带入上式，有,第二节 凝汽器的真空与传热,由上式可知，在机组负荷，冷却水量一定的情况下，影响t的因素有两个：,（1）冷却面积Ac：Ac越小，t 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。,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。,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20006500kJ/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/s,上节主要内容回顾,1. 凝汽器汽侧空间的压力由下式确定,2.影响 凝汽器压力（真空）的因素分别通过冷却水入口温度tw1、冷却水温升t和凝汽器换热端差t表现出来。,3. 通过tw1表现的因素有：环境温度、冷却塔冷却效果、热水回流情况和热风在循环情况（空冷机组）。,4. 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t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,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,第二节 凝汽器的真空与传热,1. 凝汽器的最佳真空、极限真空是如何定义的？ 2. 机组运行中主要有哪些因素影响凝汽器的真空？对凝汽器真空如何影响？ 3. 凝汽器内漏入空气对凝汽设备及系统有什么危害？,第二节 凝汽器的真空与传热,作业与思考,第三节 凝汽器的管束布置和真空除氧,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,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,1.冷却水管在凝汽器板上的基本排列方法有几种，各是什么？ 2.凝汽器为什么都要设置真空除氧装置？,第三节 凝汽器的管束布置和真空除氧,思考题,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,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,工作水压pw某一压力后,扩压管出口排水阻塞,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,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放出汽化潜热,定期或连续补低温水，溢出高温水,加装抽空气冷却装置,补水,溢水,工作水池,降低水温措施,第四节 抽气器,三、 水环式真空泵,第四节 抽气器,第四节 抽气器,第四节 抽气器,1.抽气器的作用是什么？ 2.影响射水抽气器的主要因素有那些？,第四节 抽气器,作业与思考,第五节 凝汽器的变工况,凝汽器特性曲线（p230图4.5.2）,第五节 凝汽器的变工况,凝汽器端差与dc，tw1关系曲线,第六节 多压式凝汽器,构成了双压凝汽器。依此类推，可以制成三压式、四压式等。,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