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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6000301043.3/1065940t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，△pcpc-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0.0049～0.018MPa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msXDc，空气质量为maDa。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X0.01，X0.001，和X0.0001（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x0.01,蒸汽凝结99.9，干度x0.001,蒸汽凝结99.99，干度x0.0001,ps0.9938pc,ps0.9414pc,ps0.6265pc,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0.0002～0.0003MPa）。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，tw1→tw2。,蒸汽在凝汽内凝结，主凝区凝结水温度基本不变,由于，ts→ps，ps≈pc,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6～10,每1kg排汽在凝汽器内放出的汽化潜热约为xchc-hc’2140～2220kJ/kg，取平均值2217kJ/kg，取Cp4.187kJ/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Δt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。,mDw/Dc为凝汽器的冷却倍率或循环倍率，设计时一般取m50～120。,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，pcopt,,,pclim,,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；Δtm为凝汽器的对数平均传热温差。,2.3与凝汽器端差δt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δt的因素有两个,（1）冷却面积AcAc越小，δt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2000～6500kJ/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δt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δt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,,①真空,②凝结水过冷度,③凝结水含氧量,④水阻,⑤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。冷却水由左侧进入，右侧排出。凝汽器汽侧用密封的分割板隔成两部分，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,一、多压凝汽器,,,,第六节多压式凝汽器,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。,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。,,,,第六节多压式凝汽器,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，△t大的机组。,第六节多压式凝汽器,1.多压凝汽器工作的基本原理是什么2.多压式凝汽器有什么优缺点是否所有情况采用多压凝汽器都比采用单压的经济性好,第六节多压式凝汽器,,,（作业与思考）,,,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,,4.4抽气器,,,汽轮发电机组空气冷却凝汽器外观,,,卵形管束布置的凝汽器在组装中,,,教堂窗式管束布置的凝汽器,,,,向心式管束布置的凝汽器在组装中,向心式管束布置的凝汽器在组装中,,,组装中的凝汽器外壳,,,安装凝汽器内的挡汽板,,,,凝汽器隔板,,,凝汽器的隔板在安装中,,,组装中的凝汽器隔板,,组装中的凝汽器隔板,,,带状管束布置的凝汽器隔板及水室,,
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