汽轮机原理第四章

基本概念 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 pc的确定
凝汽器空间：汽侧空间+水侧空间 凝汽器压力：汽侧空间压力 凝汽器 汽侧空 间多组 分介质 共存 蒸汽
上节主要内容回顾
1. 凝汽器汽侧空间的压力 由下式确定
pc t s t w 2 t t w1 t t
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 空冷区 主凝区 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）。
PsVs m s RsTs
PaVa ma Ra Ta
Vs Va
，
Ta Ts
第二节 凝汽器的真空与传热
ms+ma
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。
控制体 控制体
第二节 凝汽器的真空与传热 t s t w 2 t t w1 t t
主凝区
空冷区
凝汽器内蒸汽凝结温度及冷却水温度变化曲线
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
t s t w 2 t t w1 t t
上节主要内容回顾
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。 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
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。
△Pel
第二节 凝汽器的真空与传热
因此，m值的大小由凝汽器的最佳真空确定。 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）。
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：6000×30×104×3.3/106=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 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；
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。 凝汽器内存在空气，对凝汽器的传热影响很大。
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
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。

Rsa Rc
换热系数为
Rw
1 1 1 K 1 1 R Rsa Rc Rw
sa
w

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。
源自文库二节 凝汽器的真空与传热
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：
X c Dc (hc hc ) Dw tC p 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。
'
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 xc(hc-hc’) =2140～2220kJ/kg ，取平均值2217kJ/kg，取 Cp=4.187kJ/kg· k
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。
对于严密性合格的机组， Da/ Dc≤ 0.0001，这里我们取 Da/ Dc≤ 0.0001 。 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
第二节 凝汽器的真空与传热
有
2177 520 520 t 4.187Dw / Dc Dw / Dc m
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。 （2）冷却水量。冷却水量越小，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 =50～120。
第二节 凝汽器的真空与传热
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
Q KAc t m Dw tC p
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。
冷却水与蒸汽之间的对数平均传热温差为
t m
t s t w1 t s t w 2 t lnt t w1 / t s t w 2 lnt t / t
带入上式，有
第二节 凝汽器的真空与传热
t
e t
AC k C p Dw
1
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Ac：Ac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
凝结水膜
富空气区
热流及蒸汽 流动方向
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
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
第二节 凝汽器的真空与传热 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。 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。
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
第二节 凝汽器的真空与传热 道尔顿定律： 汽侧空间的总压力=各组分分压力之和
pc ps pa
pc-凝汽器总压力；ps-蒸汽分压力；pa-空气分压力 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 蒸汽： 空气：
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
1.凝汽设备的工作原理 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。
（2） 保持凝结水的洁净。
3. 凝汽设备的组成 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。
第一节 凝汽设备的工作原理、任务和类型
二、凝汽器的类型
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。表面式凝汽器既用于水冷机组，也用于 空冷机组。
控
制
体
第二节 凝汽器的真空与传热
有
0.287kJ/kg.k
Pa Da Ra Da 0.622 Ps XDc Rs XDC
0.462kJ/kg.k
蒸汽分压力
Ps
1 Da 1 0.622 XDc
Pc
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。
空冷机组冷却水系统示意图p211
第一节 凝汽设备的工作原理、任务和类型
表面式凝汽器 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
1- 管束隔板 2-冷却管束 8-水室隔板
7-人孔 3-抽气口 4-挡板
5-空气冷却区 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
汽轮机 抽气器
凝汽器
循环水泵 凝结水泵
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
pc 101KPa
pc 5.0KPa
t 37.12% t 45.55%
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%。
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 pc 的因素
pc t s t w 2 t t w1 t t
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。 2.1 与冷却水进口温度tw1有关的因素 冷却水进口温度越低，凝汽器真空越高。 影响冷却水进口温度的因素： （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
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 △Pp 的电功率△Pel，与增 加循环水量循环水泵 所多消耗的电功率 △Pnet △Pp 之间的差值 △Pnet为最大。 该循环水量所对 (pc)lim 应的真空称为凝汽器 的最佳真空，(pc)opt
两种冷却方式比较
水冷： 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）
空冷： 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）
汽轮机
抽气器 凝汽器 冷却塔
循环水泵 凝结水泵
水冷机组冷却水系统示意图