汽轮机原理第四章

（2）海勒式间接空冷系统
缺点：系统结构 复杂，设备多， 投资大；系统容 易发生冰冻；化 学水耗水大。
海勒式间接空冷机组
第一节
凝汽设备的工作原理、任务和类型
（3）哈蒙式间接空冷系统
优点：节约厂用 电、设备少、冷 却水系统与汽水 系统分开，两者 水质均可保证、 冷却水系统防冻 性能好。
缺点：空冷塔占 地大，基建投资 多；系统中要进 行两次表面式换 热，使全厂热效 率有所降低。
多区域汽向侧流动
凝汽设备的结构模型
600MW凝汽器三维结构图
600MW凝汽器三维结构图
600MW凝汽器三维结构图
凝汽器冷却管束隔板
凝汽器冷却管束隔板
凝汽器冷却管的安装
第一节
凝汽设备的工作原理、任务和类型
（2）表面式凝汽器的类型
汽流向下式 汽流方向 单流程 冷却水流程 双流程
汽流向上式
1000Dwcp (tw2 tw1 )
第二节
凝汽设备的真空与传热
循环水泵容量
循环倍率m：m Dw Dc 冷却水量与被凝结蒸汽量之比。 初投资 m
t 真空
循环水管路阻力
末级叶片长度
m=50~120
循环水泵电耗 双流程（水阻大）
开启台数
单流程（水阻小） m取较 m取较 (4.2.3) 大值 小值 直流（开式）供水 循环（闭式）供水
第二节
凝汽设备的真空与传热 A.由新蒸汽带入汽轮机
三、空气对凝汽器工作的影响
1.凝汽器的空气来源：
B.由设备不严密处漏入 管表面附近聚积形成气膜阻碍了蒸汽的凝结放热 2.危害： 凝结水过冷度增大
过冷现象:凝水温度低于凝汽器入口蒸汽温度的现象。 所低的度数称为过冷度
过冷 危害 低加吸热量 凝水含氧量 过冷度 1℃，煤耗 0.1% 低加管道和设备腐蚀
凝结99%，干度x=0.01 凝结99.9%，干度x=0.001 凝结99.99%，干度x=0.0001
ps 0.9938 pc ps 0.9414 pc ps 0.6165 pc
第二节
凝汽设备的真空与传热 主凝结区，总压pc≈蒸汽压力 ps，ps决定于汽、水共存的热 平衡温度，即对应压力下水、 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。
qvs Dc xvs , qva Da va qvs qva , Ts Ta Ra Rs 0.287 / 0.462 0.622
pc 1 Da 1 0.622 x Ds
1 Da pc x Ds pa 1 Da 1 0.622 x Ds 0.622
求得
ps
Da 1 假定： Ds 10000
第一节
凝汽设备的工作原理、任务和类型
2、凝汽设备的组成 以水为冷却介质的凝汽设备，一般由凝汽器、凝结 水泵、抽气器、循环水泵以及它们之间的连接管道和附 件组成。最简单的凝汽设备示意图如图示。
汽轮机 抽气器 凝汽器 冷却塔
1. 凝汽器：凝结乏汽，
建立真空，收集凝结水并 进行除氧。 2. 循环水泵：提供连续 足量的循环冷却水，带走 蒸汽的热量。 3. 凝结水泵：向锅炉输 送洁净的给水。 4. 抽气器：排出不凝结 气体，维持凝汽器真空。
凝汽器给冷却水的阻力 由冷却水管内沿程阻力 水阻 、水室中的沿程阻力、冷却水由循环水管进出 水室与水室进出管子的局部阻力组成，水阻越 大，循环水泵的功耗越大，水阻越小越好。
第一节
凝汽设备的工作原理、任务和类型
1- 管束隔板
8-水室隔板 2-冷却管束
7-人孔
3-抽气口 4-挡板 5-空气冷却区
6-热井
第二节 由此求得
凝汽设备的真空与传热
Ac 4187K Dw t t e 1
设计时： 传热面积Ac ， t
投资 ，需技术经济比较决定。
t 的影响因素
t 不宜过小，3~10℃
运行时： K是影响 t 的主要因素，K ， t 真空 影响K的因素必影响 t
第二节
凝汽设备的真空与传热 运行中，机组要尽量保持 在凝汽器的最佳真空下工作。 最佳真空就是指提高真空后所 增加的汽轮机功率与为提高真 空使循环水泵多消耗的厂用电 之差达到最大时的真空值。 实际上，运行循环水泵可 能有几台，循环水量也不能连 续调节，所以应通过试验确定 不同负荷及不同进口水温下的 最佳真空。
第二节
凝汽设备的真空与传热
二、凝汽器的极限真空与最佳真空
一般汽轮机运行时，排汽量由外界负荷决定，不可 调节，所以控制冷却水温升的主要手段就是改变冷却水 量。冷却水量主要由循环水泵的容量和运行台数决定。 冷却水量增加，Δt减小，排汽压力降低,则汽轮机发出 功率增加。但无论从设计角度还是运行角度来说，都不 是真空越高越好。对于一台结构已定的汽轮机，蒸汽在 末级存在极限膨胀压力。若排汽压力低于该值，则蒸汽 的部分膨胀只能发生在动叶之后，产生膨胀不足损失， 汽轮机功率不再增加，反而还因凝结水温降低、最末级 回热抽汽量增加而使机组功率减小。凝汽器的极限真空 就是指使汽轮机作功达到最大值的排汽压力所对应的真 空。而且，此时需要大大增加循环水量，循环水泵功耗 增加，经济上不合算。
汽流向心式 汽流向侧式
多流程
汽流向侧式
汽流向心式
单流程
双流程
第一节 水室形式
凝汽设备的工作原理、任务和类型 单一制 对分制
汽侧压力
单压
多压
单一制
单压
对分制
多压
第一节
凝汽设备的工作原理、任务和类型
三、 凝汽器真空的测量
凝汽器真空：当地大气压与凝汽器内绝对压力的差值。 测量凝汽器真空的最简单 的办法是用水银真空计。如图：
第一节
凝汽设备的工作原理、任务和类型
蒸汽分配管 空冷管束
第一列空冷管排
空冷岛平台
空冷支柱(空心)
直接空冷单元示意图
直接空冷系统冷却三角架示意图
运行中的直接空冷系统
直接空冷系统冷却风机
第一节
凝汽设备的工作原理、任务和类型 优点：以微正压 的低压水系统运 行，较易掌握， 而且年平均背压 较低，机组煤耗 较低。
第一节
凝汽设备的工作原理、任务和类型
二、凝汽器的类型
空气冷却式 表面式 （空冷） 凝汽器 水冷却式 混合式 （湿冷）
第一节
凝汽设备的工作原理、任务和类型
1、空冷系统的分类及特点 空气冷却凝汽器（简称空冷器）是以空气作为冷却 介质，把蒸汽凝结成水。采用翅片管式空冷散热器，直 接或间接用环境空气来冷凝汽轮机排汽的冷却系统，称 为空冷系统。采用空冷系统的汽轮发电机组简称为空冷 机组。优点：节水（65%）；缺点：煤耗高。 混合式间接空冷系统（海勒式）
第一节
凝汽设备的工作原理、任务和类型
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%。
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=594 0t标煤（450元/吨，267万元）
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
3.凝汽设备的工作原理 在凝汽器中，不断循环的冷却水创造凝汽器中的低 温环境，使排汽释放汽化潜热而发生凝结。凝汽器中蒸 汽凝结的空间是汽液两相共存的，汽侧压力等于蒸汽凝 结温度所对应的饱和压力。蒸汽凝结温度由冷却条件决 定。只要冷却水温不高，蒸汽凝结温度也不高，一般为 30℃左右，所对应的饱和压力约为4-5kPa，该压力大大 低于大气压力，从而在凝汽器中形成高度真空。 4.凝汽设备的工作任务 凝汽设备的最主要的任务有两方面：一是在汽轮机 排汽口建立并维持一定的真空；二是保证蒸汽凝结并回 收凝结水作为锅炉给水；三是作为给水先期除氧设备， 回收杂用水的工质和能量 。
引起过冷的正常原因（表面式凝汽器工作机理决定）：
第二节
凝汽设备的真空与传热
A.管子外表面蒸汽分压力低于管束间平均分压， 使蒸汽凝结ts0温度低于管束间混合汽流温度。 固有 过冷度 B.管子外表面的水膜直接受管内冷却水冷却， 2.8℃ 水膜的导热温差使水膜的平均温度(tsi+ts0)/2 pa 低于水膜外表面 pc 压 的蒸汽凝结温度ts0。 ps 力
第一节
凝汽设备的工作原理、任务和类型
凝汽设备是凝汽式汽轮机装置的重要组成部分之一， 它的工作情况直接影响到整个装置的热经济性和运行可 靠性。
一、凝汽设备的工作原理与任务
凝汽设备在汽轮机装置的热力循环中起着冷源作用。 降低汽轮机排汽的压力和温度，就可以减小冷源损失， 提高循环热效率。
1. 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
tw1
2. 冷却水温升 t 热量输运方程
冷水塔和喷水池的冷却效果
Dc , hc
Dw , tw1
蒸汽的放热被冷却水吸收。热量平衡为
Q 1000Dc (hc hc ' ) 1000Dw (hw2 hw1 )
hc'
tw 2
hc hc' hc hc' hc hc' 由热平衡方程求得：t c D D 4.187 Dw Dc 4.187m p w c
t m
1 t 2 蒸汽
t
空冷区面积较小，假设 ts沿整个换热面不变：
tm 大端差-小端差 大端差 ln( ) 小端差
水 tw2 tw1 ts
(ts tw1 ) (ts tw2 ) t 空冷区 主凝结区 ln[(ts tw1 ) /(ts tw2 )] ln[(t t ) / t ]
哈蒙式间接空冷系统
• 南非Kendal电站
汽轮机凝汽系统
2、水冷表面式凝汽器
第一节
凝汽设备的工作原理、任务和类型
（1）表面式凝汽器的结构
第一节 相关概念 主凝结区
凝汽设备的工作原理、任务和类型
排汽首先流过主凝结区，主要换热面
占总换热面积的5%-10%，冷却抽气口抽 空气冷却区 出的汽气混合物，减小容积流量，减轻 抽气器负荷，减少工质损失 汽阻 凝汽器入口压力pc与空气抽出口压力pc’’之差， 汽阻越大，pc越高，汽阻越小越好。
一、凝汽器内压力 pc 的确定
凝汽器汽侧 蒸汽 空间多组分 介质共存 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
道尔顿定律：汽侧空间的总压力是组成气体分压力之和
pc ps pa
第二节
凝汽设备的真空与传热
ps vs RsTs , pa va RaTa
利用混合 气体关系式
空冷系统
表面式间接空冷系统（哈蒙式）
直接接空冷系统
第一节
凝汽设备的工作原理、任务和类型
（1） 直接空冷系统
优点：不需要冷却 水等中间介质；系 统设备少，结构简 单，系统投资较少。
缺点：粗大的排汽 管道密封困难，维 持真空困难，启动 时抽真空时间较长； 采用强制通风，耗 电量大，噪音大。
直接空冷发电厂外景图
pc B H 133.3 Pa
pc B0 H0 133.3 Pa
B0与H 0 是 B与H 折合到标准温度0℃下的数值。
第二节
凝汽设备的真空与传热
由表面式凝汽器的工作原理可知，在理想情况下， 凝汽器的压力应等于冷却水温所对应的饱和蒸汽压力。 实际情况下，凝汽器的压力总是高于这一理想压力。
h h
c ' c
是汽化潜热，考虑湿度后，在2140～2220KJ/Kg 左右，取平均值，则 2177 520
t 4.187m m
第二节 3.凝汽器传热端差 t
凝汽设备的真空与传热
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 Q Dc (hc hc ' ) Ac K tm 对数平均温差
tw1 空冷区 主凝结区
主凝结区的凝结温度：
ts tw1 t t
主凝结区：
pc ps f (ts )
第二节 凝汽设备的真空与传热 影响凝汽器内压力的三个因素： 季节与气候（主要因素） 1.冷却水进口温度
夏季tw1 >冬季tw1 夏季真空 <冬季真空 南方tw1 >北方tw1 同样条件 南方真空 <北方真空
pc ps ps pa ps
主凝结区
空冷区
空冷区，空气所含比重逐渐变大， ps才明显小于pc，ts 下降，汽气混合物才被冷却。
第二节
t 1 蒸汽
凝汽设备的真空与传热
t
冷却水温升 t 冷却水的进、出口温差。
ts
2 ts’’
△t
水 tw2
传热端差 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。