双背压凝汽器

双背压凝汽器简介
凝汽器是凝汽式汽轮机的一个十分重要的设备，其工作性能直接影响着整个汽轮机组的经济性和安全性，当机组容量达到600MW甚至更大等级时，由于材料、叶片制造工艺、机组空间布置等方面的限制，采用多压凝汽嚣成了现代大型电站凝汽器研制发展的一个必然的重要方向，采用多背压可以降低热耗、减小凝汽器表面积，减少冷却水量、改进设备布置和运行。

黄岛电厂两台670MW机组就是采用双背压凝汽器，本文以此为例简单介绍双背压凝汽器的优越性、典型结构及运行中的特殊故障。

黄岛电厂670MW机组凝汽器的主要参数：
型式：双背压、双壳体、单流程、表面式
冷却面积：38000m2
凝汽器平均背压：4.4/5．4kpa
冷却水流量：68300t／h
冷却面积： 36600 m2
循环水允许温升：≤10.28
冷却水设计温度/最高水温：20/33℃
循环倍率（实际工况凝汽量）55
冷却管规格：φ25×O．5mm(主凝结区) φ25×0．7mm(空冷区及顶部迎汽区)
一、多背压凝汽器的优越性
所谓多背压凝汽器就是由一个串联的冷却水冷却来自汽轮机低压缸两个或以上排出口的
蒸汽，使得蒸汽在分隔开的多个不同绝对压力的凝汽器汽室中凝结成水。

多压凝汽器与单压凝汽器相比具有以下优越性：
(1)多压凝汽器从根本上改善了蒸汽负荷的不均匀性，从而提高了凝汽器的传热性能。

(2)多压凝汽器在传热过程中，冷却水温度除了在进口处和出口处与单压凝汽器相等外，当中过程均比单压凝汽器低，因此多压凝汽器的传热性能优于单压凝汽器。

(3)把低压侧温度较低的凝结水设法送往高压侧回热，利用高压汽室中的蒸汽将它加热到比单背压凝汽器凝结水温度更高的温度，则送往锅炉的凝结水温度将高于平均温度，从而可使整个系统循环热效率进一步提高。

(4)多背压凝汽器的平均背压低于相同条件下单背压凝汽器的背压，这样就增大了汽轮机
在低压缸处的焓降，提高了整个机组的经济性。

一般来说采用双背压凝汽器，机组热效率可提高0．15％～0．25％。

如图1：
单压凝汽器和双压凝汽器的平均排汽温度之差为：
当循环水进口温度超过某一分界温度时，排汽温度差为正值，且循环水进口温度越高，排汽温度差越大。

此外。

排汽温度差还与循环水温升有关，而循环水温升等于525/m，m越小，排汽温度差越大。

另据研究表明：多压凝汽器的数目越多，冷却倍率越小，采用多压凝汽器的效益越大。

所以在缺少冷却水和气温较高的地区采用多压凝汽器是比较有利的，一般可提高装置效率0.15-0.25%
图1
(5)在保持汽轮机功率(或热耗)不变的情况下，多压凝器亦可根据设计需要同时减少冷却面积和冷却水流量，以提高经济效益。

(6)多压凝汽器可以改善凝汽器布置。

多压凝汽器允许采用较长的冷却管，由长冷却管构成的凝汽器比短冷却管构成的凝汽器横截面小，壳体重量轻，并且土建工作量小，甚至容许使
用单壳体而不必采用双壳体，因此可以减少凝汽器建设的初始投资。

由于压力等级越多机组制造与安装难度越大，因此目前世界上大容量机组以采用双背压设计为主，我国从九十年代末开始，双背压凝汽器得到迅速发展，双背压是指汽轮机有两个不同的排汽压力，这样的汽轮机，被称为双背压汽轮机，相对应的，这样的凝汽器被称为双背压凝汽器。

二、双压凝汽器的工作原理
右图为最简单的凝汽设备原则性系统图。

汽轮机的排
汽进入凝汽器后，其热量被循环水不断地带走，因而排汽
不断地凝结成水并流入凝汽器底部，进入新的水循环。

由
于蒸汽凝结成水时，体积会骤然缩小（在0.005MPa压力
下，体积约缩小28000倍），所以凝汽器内就会形成高度
的真空。

真空泵不断地将漏入凝汽器的空气抽出，确保真
空不会因漏气而降低。

黄岛厂670MW机组为三缸四排汽汽轮机，凝汽器为双壳体、双背压（对每壳体而言为单背压）、单流程（对每壳体而言为单流程）、回热式。

低压缸排汽分别进入A、B凝汽器，循环水串行通过A、B凝汽器，从低背压凝汽器A进入，出水进入高背压凝汽器B，排出后进入虹吸井。

由于循环水进水温度的不同，所以形成了高、低汽室。

也就是说高低背压凝汽器只是壳体是整体的，其水侧是双进双出的，正常运行中可半边解列进行清洗。

凝汽器循环水布置如下图：
循环水联络管
A凝汽器B凝汽器
凝结水联通管
循环水进水循环水排水
双背压凝汽器就是两组独立的凝汽器，其性能曲线与单压凝汽器相同。

（如下图）由图可见，在一定冷却水量和进水温度下，凝汽器的真空值随机组负荷的增加而减少；当汽轮机的负
荷与冷却水量不变时，凝汽器的真空值随进水温度的增加而降低。

三、双背压双壳体凝汽器凝结水的输送和回热、抽汽系统的典型设计。

(1)不凝结气体的排出及空冷区抽汽管道的布置
凝汽器的一个主要任务是在汽轮机排汽口建立和维持一定的真空度，需要在汽轮机组起动时建立真空及抽除在运行中从真空系统不严密处漏入的空气和非凝结气体以维持真空度．抽汽系统的好坏真接影响到凝汽器性能。

在凝汽器中布置了抽汽管道将空冷区的不凝结气体引出，然后接到真空泵。

对于双壳体凝汽器。

由于每个壳体有两个独立的管束，相应地就有两个独立的空冷区，这样一共有四个空冷区。

双背压双壳体凝汽器空冷区抽汽管道的结构布置常用有两种方法：串联和并联。

前者应用在双背压凝汽器中往往引起两个汽室的工作相互干扰，造成抽汽量不均、不足甚至抽不出，影响传热性能，在以前的机组中已经发生过类似情况；而后者虽然解决了串联抽汽带来的弊端，但分别布置抽汽系统，使系统复杂化，投资较大。

在黄岛电厂凝汽器设计时进行了优化，取两者所长，在凝汽器壳体内采用了并联抽汽方式，即各空冷区抽气管道并联引出壳体后并入一根母管，共用三台水环式真空泵，两运一备，简化了系统，减少了一台真空泵的投资，又兼顾了安全性。

(2)凝结水的内部输送和再热
双背压凝汽器设计中的一个重要问题，是如何将低背压凝汽器中凝结水送往高背压凝汽器中去回热，也就是说再热除氧系统如何设计，一个好的再热系统能够使凝汽器在设计工况运行
下可以达到80％甚至更好的再热率。

再热除氧系统的设计有两种方法。

一种是辅助泵输送法，即采用大流量低扬程凝结水泵，把凝结水从低背压凝汽器打到高背压凝汽器中去回热；另一种是重力输送法，即在凝汽器热井位置，采用几何位差的方法，根据连通管原理，凝结水依靠重力自流到高背压凝汽器中回热。

由于第一种方法需增设辅助泵，系统复杂化，布置比较困难，而且具有耗功，增加维修费用的缺点，所以通常用第二种方法，但该方法需要增加热井高度。

黄岛电厂的双背压凝汽器采用的是后一种方法。

这种再热除氧系统由四个部分组成：假底板、连通管系、再热喷嘴、壳体连通管。

在低背压凝汽器A的热井内安置了假底板，将低背压凝汽器A的热井分隔为上下两层，上层为低背压凝汽器A的凝结水储存盘，下层通过壳体连通管与高背压凝汽器B的汽侧相连。

低背压凝汽器A假底板上的凝结水，绝大部分经2根连通管（连通管入口设有滤网）引向高背压凝汽器B管束下方的8根支管，支管上布满小孔，水从小孔喷出，与高背压凝汽器B管束淋下的温度高的凝结水混合在一起，下落的过程中，这些凝结水又同时被低压缸B的排汽加热到相应的饱和温度，并使凝结水得到除氧，还有极少部分会从假底板与连通管之间的缝隙直接流到底部（结构上四角留有孔洞，相当于呼吸孔）。

另外为了使左右热井的凝结水最终合流流出时不致产生死区，把总凝水出口管布置在高背压侧壳体的外侧下部，这样不仅使左右壳体的凝结水混合均匀，而且使热井的每一部分都得到充分利用，减小了热井的空间。

四、双背压凝汽器的工作过程及故障。

凝汽器铜管布置如下图所示：
蒸汽在凝汽器中的流动是有序的，如上图，内部管束布置成楔形，汽轮机低压缸排出的蒸汽进入凝汽器后，一部分蒸汽在经管束向下方流动，凝结的水滴落到空冷区的挡板上后进入管束迎流区，一部分蒸汽沿两侧直接从管束底部向上通过管束迎流区凝结同时加热从上方流下的凝结水，一方面除氧，另一方面减少凝结水过冷度。

真空泵的抽吸作用使空冷区形成较低的压力，引导蒸汽向该区域流动，最后管束中所有不凝结气体流经该区域后，不断被抽走。

实际生产过程中出现因补水或开凝泵再循环（特别是高负荷时）造成过低背压凝汽器真空迅速下降，而高背压真空不变的现象，在停机清理了内部的滤网后，问题解决。

分析认为（如下图）：当运行中由于某种原因造成大量固体杂质进入低背压凝汽器假底板上部空间，部分堵塞再热连通管入口的滤网，使连通管通通流量下降，低背压凝汽器内的凝结水不能快速的全部输送到高背压侧，造成假底板上水位升高（这也会提高连通管入口的压头，增加了连通管的流量，水位升高的一定位置会达到一个平衡状态），当水位接近或淹没管束迎流区的管束时，就堵塞了蒸汽从下向上流动的通路，使上方管束流下来的凝结水得不到加热，同时被管束迎流区内的循环水冷却，由此会造成凝结水过冷度加大，假底板上方的凝结水温低。

严重时，当假底板上方的水位浸没至空冷区，甚至达到抽气管口附近时，真空就会缓慢下降，而真空泵分离器水位会缓慢上升，很像凝汽器满水的象征，而从水位计无法观察到（水位计装于底部热井）。

滤网堵塞后假底板上方水位会随负荷升高而上升，当达到一个临界位置时，如果大量向凝汽器内补水或开启凝泵再循环，造成这个水位迅速升高并漫过管束迎流区、空冷区管束甚至封住真空管口，减少了凝汽器的冷却面积，而低压缸排汽并没减少，而且所有蒸汽都进入上部主凝结区，就会造成低背压凝汽器过负荷；同时因破坏了空冷区的低压，再加上大量补水或再循环的水流进入，会破坏蒸汽在凝汽器中的有序流动，会造成蒸汽流动紊乱，不能迅速的全部进入管束区冷却，这样就造成了低背压凝汽器真空迅速下降。

但是，因为抽真空管道是并联布置的，此时还没有大量的水进入抽汽母管，高背压凝汽器的真空却不会下降。

因此凝汽器运行中必须保证水质。

另可考虑从结构上消除在凝汽器内部发生故障的几率，使杂质能到达凝泵入口滤网处并被过滤出来。

图2
1——假底板2——连通管系3———喷头4———壳体连通管5——凝结水出口6——管束区。