凝汽器热力计算

可近似地认为
hc 4.1868tc
可Байду номын сангаас似地认为
(hs hc ) 520 4.1868
式中 Q —凝汽器热负荷，kW；
(2-9)
Dzp —凝汽器蒸汽负荷，即汽轮机排汽进入凝汽器的蒸汽 量，kg/s；
Dw —进入凝汽器的冷却水量，kg/s； hs —汽轮机排汽的焓值，kJ/kg； hc —凝结水的焓，kJ/kg； tc —凝结水的饱和温度； K—总传热系数， kW / m2 ℃；
图 表面式凝汽器结构
1-排汽进口；2—凝汽器外壳；3—管板；4—冷却水管； 5、6—水室的端盖；7—水室隔板；8、9、10—水室；
11—冷却水进口；12—冷却水出口；13—热水井 汽轮机排汽在凝汽器内的凝结过程基本上是等压过程，其绝对压 力取决于蒸汽凝结时的饱和温度，此温度决定于冷却水温度（大致为 0~30℃）以及冷却水与蒸汽之间的传热温差（一般约为 10~20℃）。 考虑到大气压力下蒸汽的饱和温度为 100℃，因此凝汽器是在远低于
100%
凝汽器压力的高低是受许多因素影响的，其中主要因素是汽轮机
排入凝汽器的蒸汽量、冷却水的进口温度、冷却水量。 排汽压力越低，机组效率越高，因此只有使进入汽轮机的蒸汽膨
胀到尽可能低的压力，才能增大机组的理想焓降，提高其热经济性。 图为一次中间再热亚临界机组热效率与排汽压力的关系。该汽轮机新 蒸汽压力 p0 16.67MPa ，新蒸汽和再热蒸汽温度 t0 t1 537℃，再 热压力 pr 3.665MPa ，机组容量 300MW，可以看出，若没有凝气设 备，汽轮机的最低排汽压力是大气压，循环热效率 ηt 只有%，而当 排汽压力为 5kPa 时， 45.55% ，两者之间的相对值 t /t 达 18.5% ，因此，降低排汽压力对提高经济性的影响是十分显著的。
缓冲运行中机组流量的急剧变化、增加系统调节稳定性。 图为简单的凝汽设备原则性系统。冷却水泵抽来的具有一定压力 的冷却水（地下水、地表水或海水），流过凝汽器的冷却水管。汽轮 机的排汽进入凝汽器后，蒸汽凝结成水释放出的热量被由冷却水泵不 断送来的冷却水带走，排汽凝结成水并流入凝汽器底部的热水井，然 后由凝结水泵送往加热器和除氧器，送往锅炉循环使用。抽气器不断 地将凝汽器内的空气抽出以保持高度真空
40000
37000
67700
汽轮机排气量 t/h
257
Dzp
冷却管根数 根
10336
21792
19732
5610*8
冷却管材
— HA177-2
主凝区
钛管（海 主凝区为加
Hsn70-1 空
水）
砷锡黄铜
气区 B30
管，空气区
B30
冷却管规格 mm ∮26×1
∮25×1
∮25×
∮25×1
冷却水阻
kPa
干质量
表面式凝汽器结构见图。凝汽器外壳通常呈椭圆形或矩形，两端 连接着形成水室的盖端 5 和 6，盖端与外壳之间装有管板，管板上装 有很多冷却水管，使两端水室相通。冷却水从进口进入水室 8，经冷 却水管进入另一端水室 9，转向从出口流出。汽轮机排汽从排汽进口 进入凝汽器冷却水管外侧空间，通常称为汽侧，并在冷却水管外表面 凝结成水，凝结水汇集到热水井后由凝结水泵抽出。冷却水在凝汽器 中要经过一次往返后才排出，这种凝汽器称为双流程凝汽器：若不经 过往返而从另一端直接排出则称为单流程凝汽器。在缺水地区还可以 采用三流程或四流程等多流程凝汽器。
阻的大小对冷却水泵选择和管道布置都有影响，应通过技术经济 比较来确定。 （5）抽气设备功耗要小。与空气一起被抽出的未凝结蒸汽量应尽 可能地小，以降低抽气器功耗。通常要求被抽出的蒸汽空气混合 物中，蒸汽含量不超过 2/3。 （6）凝结水的含氧量要小。凝结水含氧量过大将会引起管道腐 蚀并恶化传热。一般要求高压机组凝结水含氧量小于 L。 现代大型凝汽器，除了合理布置管束和流道以尽量减少汽阻，从 而减少凝结水含氧量外，还设有专门的除氧装置，以保证凝结水 含氧量在规定值以下。 （7）凝汽器的总体结构和布置方式应便于清洗冷却水管、便于 运输和安装等。例如国产首台 600MW 机组凝汽器装配好后，无 水时的重量达 1343t，高约 15m，这种庞然大物必须便于运输安 装。国产首台 600MW 机组凝汽器冷却管长达，管子总 根数则多达 30300 根，这样多而细长的管子清洗工作只有由自动 清洗系统承担。
tm —对数平均温差，℃； A—冷却却面积，m2；
t —冷却水出口温度，℃； 2
t —冷却水进口温度，℃； 1
c p —冷却水比定压热容， kW / m2 ℃，可根据冷却水平均
温度 2t1+10 查得，在低温范围内一般淡水计算取 2
cp 4.1868KJ / kg ℃；
Dzp (hs hc ) —蒸汽凝结成水时释放出的热量，kJ/s； K tm A —通过冷却管的传热量，kJ/s； Dw (t2 t1)cp —冷却水带走的热量，kJ/s。
的蒸汽绝对压力（静压），用 pk' 表示，或称排汽压力，又称汽轮机 背压。大型凝汽器的压力通常采用真空计测量，目前有的机组已采用
绝对压力表测量，测点布置在离管束第一排冷却管约 300mm 处，如图
所示。通常情况下，我们常把凝汽器压力看成排汽压力凝汽器计算压
力为
pk pam pv
式中 pv—真空计所示的凝汽器真空值，Pa；
大气压力下及较高真空条件下工作的。既然凝汽器要在真空条件下工
作，所以必须利用抽气器在凝汽器开始工作时将其壳侧空气抽出以建
立真空，并且将凝汽器工作过程中从真空系统不严密处漏入的空气以
及夹带在汽轮机排汽中的空气不断的抽出，以维持真空。
凝汽器中真空的形成主要原因是由于汽轮机的排汽被冷却成凝结
水，其比体积急剧缩小。例如在绝对压力为 4kPa 时蒸汽的体积比水
t
327
322
820
* 90（）表示新蒸汽压力为 90at 或，1at=。
凝汽器压力
凝汽器压力是凝汽器壳侧蒸汽凝结温度对应的饱和压力，但是实
际上凝汽器壳侧各处压力并不相等。所谓凝汽器压力是指蒸汽进入凝
汽器靠近第一排冷却管管束约 300mm 处的绝对压力（静压），用 pa
表示，也叫凝汽器计算压力。凝汽器进口压力是指凝汽器入口截面上
（4）凝汽器汽阻、水阻要小。蒸汽空气混合物在凝汽器内由排 汽口流向抽气口时，因流动阻力使其绝对压力降低，常把这一压 力降称为汽阻。汽阻的存在会使凝汽器喉部压力升高，凝结水过 冷度及含氧量都增加，引起机组的热经济性降低和管子的腐蚀。 对大型机组汽阻一般为 2.710-4 MPa 。水阻是冷却水在凝汽器冷 却管中的流动阻力和进出管子及进出水室时的局部阻力之和。水
表 我国设计制造的主要类型凝汽器的主要特性
项目
单 N-6815-1 N-15300-1 N-16800-1 N-36000-1
位
配置对象
— N100-90*
N300
N300
N600
压力 Pk
kPa
冷却面积 A
m2
6815
15527
16800
18000*2
冷却水温 t1 ℃
20
20
20
20
冷却水流量 t/h 15420
pam—气压计所示水银柱高度，Pa；
pk—凝汽器计算压力，Pa。
图 凝汽器压力的测量
凝汽器真空等于当地大气压力减去凝汽器排汽压力值。真空每降 低 1kPa，或者近似地说真空度每下降一个百分点，热耗约增加%。真 空度是指凝汽器的真空值与当地大气压力比值的百分数，即：
凝汽器真空度=
凝汽器的真空值（kPa） 当地大气压力 (kPa)
图 一次中间再热亚临界机组的热效率与排汽压力的关系
汽轮机的排汽压力也不是越低越好，它有一个最佳值，这个最佳 值受两方面因素的影响。一方面，降低排汽压力需要增大凝汽器的冷 却面积，增加冷却水量，进而增大厂用电率和运行费用。因此，机组 排汽压力降低时，虽然使汽轮机的理想焓降增大，机组功率相应增 大，但凝汽器设备所消耗的功率也同时增大，这就会出现在某个排汽 压力下，汽轮机因真空的提高而增加的功率等于或小于凝汽器设备所 增大的能量消耗，因此，继续降低排汽压力就会得不偿失。另一方 面，排汽压力降低时，其体积急剧增大，汽轮机排汽部分的尺寸将显 著增大，未级叶片高度也相应增大，使机组结构复杂。若使未级尺寸 不变，则势必增大末级排汽余速损失，这样降低排汽压力所得到的效
图 凝汽设备的原则性系统 1—汽轮机；2—发电机；3—凝汽器；4—抽汽器；5—凝结水泵；6—冷却水泵
优良的凝气设备应满足以下要求： （1）凝汽器具有良好的传热性能。主要通过管束的合理排列、 布置、选取合适的管材来达到良好的传热效果，使汽轮机在给定 的工作条件下具有尽可能低的运行背压。 （2）凝汽器本体和真空系统要有高度的严密性。凝汽器的汽侧 压力既低于壳外的大气压力，也低于管内的水侧压力。所以如果 水侧严密性不好，冷却水就会渗漏到汽侧，恶化凝结水水质；如 果汽侧严密性不好，空气将漏入汽侧，恶化传热效果。 （3）凝结水过冷度要小。具有过冷度的凝结水将使汽轮机消耗 更多的回热抽汽，以使它加热到预定的锅炉给水温度，增大了热 耗率。同时，过冷也会使凝结水的含氧量增大，从而加剧了对管 道的腐蚀。因此现代汽轮机要求凝结水过冷度不超过 2℃。
在表面式凝汽器中，冷却工质与蒸汽冷却表面隔开互不接触。根 据所用的冷却工质不同，又分为空气式冷却式和水冷却式两种。水冷 却式凝汽器是最常用的一种，由于用水做冷却工质时，凝汽器的传热 系数高，又能在保持洁净的和含氧量极小的凝结水的条件下，获得和
保持高度真空，因为现代电站汽轮机中主要采用水冷却式凝汽器，只 有在严重缺水地区的电站，才使用空气冷却式凝汽器。
凝汽器的结构和作用
凝汽器是一种固定板管壳式换热器，凝汽器管侧（或称冷却水 侧）包括冷却管、管板、水室等，凝汽器壳侧（或称汽侧）属于真空 容器。凝汽器可分为混合式与表面式两大类。在混合式凝汽器中，蒸 汽与冷却水直接混合，这种凝汽器结构简单，成本低，但其最大的缺 点是不能回收凝结水，所以现代汽轮机都不采用混合式凝汽器，全部 采用表面式凝汽器。
1 凝汽设备的作用和特性
凝汽设备的作用
凝汽设备主要由凝汽器（又称凝结器、冷凝器等）、冷却水泵 （或称循环水泵）、凝结水泵及抽气器等组成，其中凝汽器是最主要 的组成部分。在现代大型电站凝汽式汽轮机组的热力循环中，凝汽设 备起着冷源的作用，其主要任务是将汽轮机排汽凝结成水，并在汽轮 机排汽口建立与维持一定的真空度。凝气设备的任务是：
（1）凝汽器通过冷却水与乏汽的热交换，把汽轮机的排汽凝结 成水。
（2）凝结水由凝结水泵送至除氧器，经过回热加热作为锅炉给 水继续重复使用。
（3）不断的将排汽凝结时放出的热量带走。 （4）不断地将聚集在凝汽器内的空气抽出，在汽轮机排汽口建
立与维持高度的真空度。 （5）凝汽设备还有一定的真空除氧作用。 （6）汇集和贮存凝结水、热力系统中的各种疏水、排汽，能够
从式（2-2）可以看出
t
t2
t1
Dzp (hs hc ) Dwcp
520
Dzp Dw
(2-2)
所以当 Dzp 降低或 Dw 增加时， t 减小，蒸汽温度 ts 减小，即凝汽 器压力 pk 降低了，真空提高，反之亦然。
令
m Dw
Dzp
则
t 520 Dzp 520
(2-3)
Dw m
式中 m —凝结 1kg 排汽所需要的冷却水量，称为冷却倍率。 当冷却水量 Dw 在运行中保持不变时，则冷却水温升 t 与凝汽器 蒸汽负荷成正比关系。 m 越大， t 越小，凝汽器就可以达到较低的 压力。但是 m 值增大，消耗的冷却水量和冷却水泵的电耗也将增 大。现代凝汽器的 m 值通常在 50～100 范围内。一般在冷却水源充 足、单流程、直流供水时，选取较大值；水源不充足、多流程、循环 供水时，选取较小值。冷却水的温升一般在 5～12℃之间。在运行 中，降低 t ，或降低排汽压力，主要依靠增加冷却水量 Dw 来实现 的。
益也就被抵消了。因此近代汽轮机的设计排汽压力一般在～的范围 内，而不采用更低的数值。
2 凝汽器的工程热力计算
热平衡方程
根据传热学理论，假定不考虑凝汽器与外界大气之间的换热，则
排汽凝结时放出的热量等于冷却水带走的热量，其热平衡方程式为
Q Dzp (hs hc ) K tm A Dw (t2 t1)cp
的体积大 3 万多倍。当排汽凝结成水后，体积就大为缩小，使凝汽器
内形成高度真空。凝汽器内真空的形成和维持必须具备三个条件：凝
汽器铜管必须通过一定的冷却水量；凝结水泵必须不断地把凝结水抽
走，避免水位升高，影响蒸汽的凝结；抽气器必须把漏入的空气和排
汽中的其他气体抽走。
我国设计制造的主要类型凝汽器的主要特性见表