汽轮机4

4.1 凝汽系统的作用、原理与组成
冷却介质可用水或空气。目前、电力汽轮机的凝汽设备主要用表 面式。在北方严重缺水地区，采用空气冷却，但大多数采用水冷。 表面式凝汽器分为进口冲击区、主凝区和空气冷却区。冷却水分 为单流程和双流程。冷却水的流程为进口水室、冷凝管、转向水室、 出口水室。 单压凝汽器，多压凝汽器 循环水系统 循环水系统是由循环水泵、水源、管道等组成，由 循环水泵泵送冷却水，来输运蒸汽释放的汽化潜热。根据循环水源 的不同，分为开式循环和闭式循环两种。 开式循环 对以江、河、湖、海为水源的循环水系统，循环水泵 抽取冷却水，在凝汽器中吸收蒸汽释放的汽化潜热后，排放到江、 河、湖、海中。这样的系统称为开式循环。
管外凝结 影响管外凝结的主要因素是不凝结气体、管束排列和 管表面特性。 不凝结气体在管表面附近聚积，形成气膜，相当于增加了气膜导 热层，凝结放热系数减小。管外表面不凝结气体聚积，在总压一定 时，使蒸汽分压力下降，导致凝结水过冷。
4.2 凝汽器的压力及其影响因素
管束排列不合理，上层凝水滴落在下层管束上产生冲击，水滴飞 飞溅破坏流场分布，增大汽流流动阻力，致使凝结水的温度低于凝 汽器入口处压力所对应的蒸汽饱和温度，即造成凝结水过冷加剧。 管壁导热 管壁导热热阻增大，使总体传热系数减小，引起端差 增大。管材采用导热性能优良的铜，对耐腐蚀有较高要求时可选用 钛管或不锈钢管 管外结垢 管外结垢使导热热阻增大，总体传热系数减小，端差 增大。管外垢主要是物理垢(如矿物垢，污垢)和生物垢。运行中采 用胶球清洗和添加抗生物药剂。 管外对流换热 尽管影响对流换热的因素很多，但对结构确定的 传热管，主要因素是流速和冷却水温度。增大流速可以增大对流传 热，但增大流速是以增大循环水泵功耗为代价。另外，可以采用强 化传热措施，着力加强扰动，破坏或减薄附面层。
Q = Dc (hc − hc ' ) = Ac K ∆tm
4.2 凝汽器的压力及其影响因素
对数平均温差 ∆tm 由此求得 传热系数 HEI 公式
(ts − tw1 ) − (ts − tw2 ) ∆t ∆tm = = ln[(ts − tw1 ) /(ts − tw2 )] ln[(∆t + δ t ) / δ t ] K cAcD δ t = ∆t e p w − 1
4.1 凝汽系统的作用、原理与组成
闭式循环 冷却水循环使用的系统为闭式循环。在凝汽器中吸收 蒸汽释放的汽化潜热后，冷却水的温度升高，对它进行冷却后方可 循环使。冷却可用冷却塔或大型水池。 凝结水泵 凝结水泵及时抽吸凝结水输送到低压加热器，维持凝 汽器热井水位稳定。 抽气器 抽吸蒸汽凝结过程中释放出的不凝结气体和真空系统不 严密漏入系统的空气，保证良好的凝结换热条件。不凝结气体的积 聚不仅凝汽器内的总压力升高，而且在凝结换热表面阻止蒸汽与冷 却面接触，导致换热恶化，凝汽器的真空下降。 抽气器有射流式(射汽抽气器和射水抽气器)和真空泵(水环式、列 勃兰式)
Dwmin 、最小循环水进口温度 tw1min 和最大机组负荷 Dc max及对应的计算 步长 ∆Dw , ∆t1w , ∆Dc ，在确定循环水量、循环水进口温度下，求对应机 组负荷下的冷却水温升、传热系数、端差和 ts ，从而求得凝汽器真 空 pc 。
4.3 凝汽器的运行特性
在低负荷下，应由其它修正曲线加以修正。 4.3.3 运行特性分析 凝汽器的真空直接影响机组运行经济性。凝结水过冷和含氧增高 又与凝汽器的运行特性相关。 最佳真空、极限真空 最佳(或经济)真空 ( ) 循环水量增大，凝汽器真空上升，机组理想 焓降提高。循环水量增大的代价是增大循环水泵功耗。当循环水泵 的功耗增大量与机组有效出力增多量相等时，对应的真空即为最佳 (或经济)真空。 极限真空 循环水进口温度所对应的蒸汽饱和压力为极限真空。 最大有效真空 效真空。 末级动叶达到极限膨胀时所对应的真空为最大有
建立、维持真空 在汽轮机的尾部建立并维持尽可能高的真空， 增大机组的理想焓降，提高蒸汽热力循环效率。 热力除氧、改善凝水品质 借助热力物理分解方法除去凝结水的 氧气，提高凝水品质、防止加热器、锅炉设备的氧腐蚀。 4.1.2 原理 在汽、水共存的密闭容器中，其压力决定于汽、水热力平衡温度， 即该温度对应的汽、水饱和压力。当温度一定时，压力升高使饱和 温度上升，部分蒸汽释放汽化潜热凝结为水，导致压力下降。压力
4.3 凝汽器的运行特性
性影响较大。凝汽器的运行特性是研究真空与机组负荷(即排入凝汽 器的蒸汽量）、循环水水量、循环水进口温度的关系。 冷却水温升特性 水的汽化潜热，在凝汽器正常的温度范围内，约2140～2220KJ/kg, hc − hc' 520Dc 2177 这样，循环冷却水的温升
∆t =
cp Dw Dc
计算时分层循环计算即分别选定最小循环水量最小循环水进口温度和最大机组负荷及对应的计算步长在确定循环水量循环水进口温度下求对应机组负荷下的冷却水温升传热系数端差和从而求得凝汽器真1643凝汽器的运行特性在低负荷下应由其它修正曲线加以修正
第4章 汽轮机的凝汽设备
4.1 凝汽系统的作用、原理与组成 凝汽系统的作用、 4.1.1 作用 冷端放热、回收工质 成水。 在朗肯循环中，起到冷端放热、将排汽凝
即决定于循环冷却水的进口温度、循环水的温升和传热端差。 冷却水进口温度 tw1 与环境条件紧密相关，其次受冷却设备特 性影响。 进口温度越高，凝汽器的真空则越低。夏季环境温度高，
4.2 凝汽器的压力及其影响因素
冷却水温度高，真空则低。不良的冷却塔，冷却水得不到充分冷却， 必然使凝汽器真空下降。 循环水温升∆ t 循环水的温升决定于循环倍率，循环倍率越大， 温升则越小，凝汽器的真空就越高。即在循环水量一定时，机组负 荷越大，循环水温升就越高，凝汽器真空则越低。反之，机组负荷 一定时，循环水量越多，温升越小，凝汽器真空就越高。 传热端差δ t 传热端差与传热系数有关，而传热系数是管外凝 结放热、管壁及污垢导热和冷却水对流传热有关。
4.1 凝汽系统的作用、原理与组成
下降又使部分水吸收汽化潜热蒸发，导致压力回升。使这一封闭系 统处于动态平衡状态。因此，要降低容器内的压力，只需降低容器 内的温度。 对于汽轮机尾部的凝汽器这样的开口系统，如果进入其内的蒸汽 量与排出的凝结水量保持平衡，使汽、水空间的分界面维持稳定， 那么，可将它当作准封闭系统。在这个准封闭空间内，压力同样决 定于汽、水热力平衡温度。 4.1.3 系统组成 汽轮机的凝汽系统是由凝汽器、循环水泵、凝结水泵、抽气器等 组成。 凝汽器 凝汽器是一种换热器，将蒸汽冷却成水。有表面式和混 合式两种。表面式冷却介质与蒸汽由换热面隔开，混合式与冷却介 质与蒸汽混合。
4.3 凝汽器的运行特性
4.3.1 凝汽器的运行性能指标 真空 凝汽器传热管区域上部的绝对压力 冷却水温升 进、出凝汽器的循环冷却水的温度变化 端差 凝汽器传热管区域上部压力所对应的蒸汽饱和温度与冷却 水出口温度的差。 过冷度 凝汽器传热持之以恒区域上部压力所对应的蒸汽饱和温 度与热井中凝结水温度的差。 凝结水含氧量 凝结水中含氧量。 汽阻 凝汽器喉部与抽气口间的压差 水阻 循环冷却水在凝汽器内循环水通道所受的阻力。 4.3.2 凝汽器的运行特性 建立和维持真空是凝汽器的重要任务。真空高低对机组运行经济
4.2 凝汽器的压力及其影响因素
4.2.1 凝汽器内压力的组成 蒸汽凝结过程中释放出不凝结气体(如化学药剂分解产生或原蒸汽 中夹带)，真空系统不严密漏入系统的空气，即凝汽器汽侧空间是多 组分介质共存。这里，将它们分为蒸汽和不凝结气体两大组分。由 道尔顿定律知，汽侧空间的总压力 pc 是组成气体分压力之和。
4.3 凝汽器的运行特性
Dcop
4.3 凝汽器的运行特性
汽阻 由于抽汽设备容量的限制，在凝汽器真空系统漏入空气量 增多时，汽阻就会增大，从而使凝汽器的真空下降。汽阻的增大， 抽气能力下降，引起凝结水过冷度增大、凝水的含氧量提高。因此， 在漏入空气量增多时，应相应地增大抽气设备的出力，保持凝汽器 的正常真空，并使凝水的过冷度及含氧量控制在合理的范围内。 水阻 水阻是要水泵循环水泵的压头。增大水阻，循环水泵的功 耗就要加大，厂用电增多。在水泵压头一定时，水阻增大将使凝汽 器冷却管中的水速减小，导致传热系数减小、冷却水的温升提高， 凝汽器的真空下降。水阻增大的原因主要是冷却水通道及冷却管壁 的结垢。同样地，在循环水泵性能退化时，同样功耗下压头减小， 也使凝汽器真空下降。 凝结水过冷 危害：增大低加吸热量和凝水含氧量。诱因主要是： 冷却管外水膜 水膜的导热温差，使贴近管壁的凝水温度低于对
≈
4.187Dw / Dc
=
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Dw
在循环水量一定时，冷却水的温升与机组负荷成线性正比关系。 传热端差特性 端差是与冷却水温升、传热系数、传热面积、循环水量等多因素 有关。 Ac K
c δ t = ∆t e
p Dw

− 1
4.3 凝汽器的运行特性
在循环水量、传热面积和传热系数一定时，端差与温升成线性正 比关系，亦即与负荷成线性正比关系。在机组负荷下降时，端差随 之线性下降。但当负荷下降到一定程度后，蒸汽在凝汽器周界附近 冷却，主凝区缩小、空气冷却区减小，减缓端差下降。此外，真空 提高后，空气漏入量增多，传热系数减小，也使端差下降趋势减缓。 因此，在机组负荷降到某值后，端差不再下降而趋于定值。 凝汽器运行特性曲线的计算 凝汽器的运行特性是真空是循环水量、循环水进口温度、机组负 荷三变量的函数。计算时分层循环计算，即分别选定最小循环水量、
pc = ps + pa
利用混合气体的温度、容积相等及气体状态方程，求得 pc ps = 1 Da 1 + 0.622 x Ds 由于不凝结气体总量相对蒸汽量很小，因此，可以认为总压与蒸 汽压力相等。 4.2.2 传热过程与凝汽器压力的确定
4.2 凝汽器的压力及其影响因素
凝汽器中的压力主要决定于蒸汽分压力，而蒸汽分压力又决定于 汽、水共存的热平衡温度，即对应温度下水、蒸汽的饱和温度。凝 汽器内的温度决定于蒸汽凝结和冷却水加热的换热过程。 冷却水温升 ∆t 冷却水的进、出口温差 传热端差 δ t 凝汽器进口压力下的蒸汽 饱和温度与冷却水出口温 度的差。由传热过程得
hc − hc ' ∆t = c p Dw Dc
循环倍率m 冷却循环水的流量与蒸汽量的比。 循环倍率越大，则温升越小，凝汽器的真空及热力循环效率就越 高。但循环倍率增大是以增多循环水泵功耗为代价，有个最佳值。 开式循环，一般为120左右；闭式循环，一般为60左右。 传热方程 凝汽器的传热过程是管外凝结放热、管壁导热、管内 污垢导热和冷却水的对流传热。采用集总参数模型
K = K 1φW φ mφ c
：未修正传热系数，与流速的平方根及管径有关。 K1
φ：冷却水温度修正系数。 w φ：冷却管材料修正系数。 m ：清洁系数。 φc
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
4.2 凝汽器的压力及其影响因素
ts = tw1 + ∆t + δ t
过冷度 进口处压力下的 饱和温度与热井中凝水温
4.2 凝汽器的压力及其影响因素
度的差。 热量输运方程 蒸汽的放热被冷却水吸收传输出来。热量平衡为
Q = 1000 Dc (hc − hc ' ) = 1000 Dw (hw 2 − hw1 ) = 1000 Dw c p (tw 2 − tw1 )
径、冷却管材料特性和传热面的清洁程度。 别尔曼(前苏)公式
φw ：流速与管径修正系数 φt ：冷却水进口温度修正系数 φ z ：冷却水流程修正系数 φd ：负荷修正系数
4.2.3 影响凝汽器真空的因素 由前已知，凝汽器的压力 pc
φ
K = 14650φφwφtφ zφd
：清洁系数
≈ f (ts ) = f (tw1 + ∆t + δ t )
4.3 凝汽器的运行特性
应压力下的饱和温度，即产生过冷。 汽阻过大 冷却管布置不合理，造成凝水飞溅、不凝结气体流道 复杂而汽阻增大，使主凝区后部的压力低于凝汽器喉部处压力，造 成凝结水过冷。 漏入空气量增多 漏入空气量增多时，一方面加大冷却管外表面 的空气分压力，蒸汽分压力下降，凝结水温度降低；另一方面汽阻 增大、空气冷却区扩大，引起凝结水过冷。 热井水位过高淹没部分冷却管 热井水位过高，凝结水淹没部分 冷却管，凝结水直接被循环冷却水冷却。 减小凝结水过冷的措施： 减小水膜厚度，尽可能实现珠状凝结，如管外采用特殊膜处理。 合理布置管束和蒸汽、不凝结气体流道，减小汽阻。