第四章 汽轮机的凝气设备讲义

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蒸汽入口
主凝结区 空气冷却区
热井
9
10
11
12
13
空气冷却系统:全厂节水65%,适用于缺水地区
• 直接冷却空气凝汽器
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: 凝汽器体积庞大,需放置于户 外 排汽管道粗大且较长,流阻较 大 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,煤耗高
h
c
hc' 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
3.凝汽器传热端差 t 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
凝结水位过高,淹没冷却水管 循环水量减小 水侧 冷却管结垢 原因 凝汽器水阻大
真空下降,但无 过冷度增大
2.4 凝汽器的传热
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 Rw
将冷却水管的圆筒形管壁传热近 似看成平壁传热,则传热系数为:
传热效果较好。(很难发生,需对传热表面进行特殊的处理) 膜状凝结:冷却水管表面完全被凝结液覆盖,形成一层液膜,蒸汽与管壁热 交换时需要通过这层液膜才能进行,所以其传热系数要比珠状凝结过程的传 热系数低。在凝汽器内的凝结过程以膜状凝结为主。 影响凝汽器内蒸汽凝结过程的因素: (1)凝汽器内冷却水管的布置排列方式。 (2)凝汽器内蒸汽的流动速度。 (3)凝汽器内的空气含量。
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。
2.1.2 影响凝汽器压力 Pc的因素
1 t 2 蒸汽
t
ts’’

△t
冷却水温升 t 冷却水的进、出口温差。
ts
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。
tw1 空冷区 主凝结区
Hale Waihona Puke Baidu
2.3 空气对凝汽器工作的影响
1.凝汽器的空气来源:
A.由新蒸汽带入汽轮机 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
凝结过程是一种汽态向液态转变的复杂物理现象。 当温度低于其饱和温度时,产生液态核化,形成均匀悬浮细微水滴,并逐渐 成长。 悬浮水滴遇到冷却壁面,会产生珠状凝结和膜状凝结两种凝结过程。 珠状凝结:冷却水管的所有表面没有完全被凝结液膜所覆盖,在管壁的某些
部分,蒸汽能直接与管壁表面接触,所以,珠状凝结过程的传热系数较大,
第四章 汽轮机的凝气设备
华北电力大学,能源动力与机械工程学院
巨星
scottju@hotmail.com
一、凝汽设备的工作原理、任务和类型
1.1 凝汽设备的工作原理与任务
1.1.1凝气设备的作用
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。
ps pc 1 Da 1 0.622 x Ds
1 Da 0.622 pc x Ds pa 1 Da 1 0.622 x Ds
ps vs RsTs , pa va RaTa
0.287kJ/kg.k
0.462kJ/kg.k
对于严密性合格的机组, Da/ Dc≤ 0.0001,这里我们取Da/ Dc=0.0001 可得蒸汽分压力和总压力的关系
引起过冷的正常原因(表面式凝汽器工作机理决定):
气膜的形成
pa 压 力 及 温 度 tsi tso ps
pc ps ts
a (%)
热流及蒸汽流 动方向
至流动的中心距离
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
↓排汽压力(排汽温度)
循环热效率↑
无凝气设备
pc’=101kPa
例: 东方汽轮机厂N300-16.67/537/537机组
N300-16.67/537/537 45.55%
37.12%
37.12%
pc’=5.0kPa
45.55%
1.1.2 凝气设备的工作原理、任务
1.凝汽器:使排汽在凝汽器 凝结成水,建立高度真空; 将凝结时放出的热量排出、 将生成的凝结水汇集送走 2.循环水泵:为凝汽器提供 冷却水 3.凝结水泵:将蒸汽凝结时 生成 的洁净的凝结水从凝汽 器底部抽出作为锅炉给水 4.抽气器:抽出漏入凝汽器 内的空气,维持凝汽器内的 高度真空
及 温 度
ts t p tsiso s
C.汽阻使管束 内层压力降低 ,也使凝结温 度ts降低
热流及蒸汽流 动方向
至流动的中心距离
产生过冷水的不正常原因: ⑴ 冷却水管束排列不合理; 排列不合理,上层凝水滴落在下层管束上产生冲 击,水滴飞溅破坏流场分布,增大汽阻,过冷度增大 ⑵ 漏入空气过多或抽气器工作不正常,使空气分压增 大; 总压pc一定,越靠近冷却水管,pa ,蒸汽分压力ps , 凝结水过冷度增大 ⑶ 凝结水位过高,淹没冷却水管,使凝结水被进一步 冷却。
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 △Pnet 所多消耗的电功率 △Pp 之间的差值 △Pnet为最大。 (pc)lim 该循环水量所对 应的真空称为凝汽器 的最佳真空,(pc)opt
△Pel
凝汽器内蒸汽凝结过程
4
1.1.2 凝气设备的工作原理、任务
排汽在密封容器中、在温度较低 的条件下受到冷却而凝结成水, 体积突然缩小(如在0.0049Mpa 下,蒸汽比水的容积大28000倍) 而形成真空。 同时再用抽气器或者真空泵将漏 入空气不断地抽出,保持真空。 给水不洁将使锅炉结垢和腐蚀, 新蒸汽夹带盐分,此盐分在汽轮 机流通部分积盐垢,影响电厂安 全经济运行
由此求得
Ac K 4187 Dw t t e 1
t 设计时: 传热面积Ac ,
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
2.2 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。 虽然提高真空可使汽轮机的理想比焓降增大,功率增大, 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。
任务
一、建立并维持高度真空 二、生成洁净的凝结水,为锅 炉提供给水
三、对凝结水进行除氧,减少 对设备的氧化腐蚀
5
1.2 凝汽器的类型
水冷 按 冷 却 介 质 空冷 混合式 接触 表面式 单压 压力 多压
单流程 流 双流程 程 多流程
气 流 方 向
气流向上式 气流向下式 气流向侧式 气流向心式
表面式凝汽器冷却水与蒸汽由冷却表面隔开。由于水的传 热系数比空气大,能保证凝汽器内维持高度真空和获得洁 净的凝结水。国内外火电站,核电站主要采用这种凝汽器。
' c
' c ' c
hc'
tw2
循环倍率m:m D w D c 冷却水量与被凝结蒸汽量之比。
循环水泵容量
初投资 m
循环水管路阻力 末级叶片长度
t 真空
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
K 1 1 1 1 1 R Rsa Rc Rw
• 混合式间接冷却空气凝汽器
混合式(喷射式)凝汽 器、凝结水泵、循环水 泵、空气冷却塔、空气 冷却器 混合式换热的蒸汽冷凝 与表面式换热气水冷却 两次不同换热方式
二、凝汽器的真空与传热
2.1 凝汽器内压力pc的确定
2.1.1 凝汽器中蒸汽和空气的分压力 蒸汽 凝汽器汽侧 空间多组分 介质共存 不凝结气体 原蒸汽中夹带(很少),真空
t m
1 t 2 ts’’
△t
蒸汽
t
空冷区面积较小,假设 ts沿整个换热面不变:
大端差-小端差 t m 大端差 ln( ) 小端差
水 tw2 ts
tw1 主凝结区
(ts tw1 ) (ts tw2 ) t 空冷区 ln[(ts tw1 ) /(ts tw2 )] ln[(t t ) / t ]
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
pc ps ps pa p s
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。
主凝结区的凝结温度: t s t w 2 t t w1 t t
pc ps f (ts ) 主凝结区: 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。
影响凝汽器内压力的三个因素:
季节与气候(主要因素)
夏季t w1 >冬季t w1 夏季真空 <冬季真空 南方t w1 >北方t w1 同样条件 南方真空 <北方真空
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单流程
双流程
a——气流向下式 b——气流向上式 c——气流向心式 d——气流向侧式
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• 表面式双流程气流向侧凝汽器
主凝结区 挡板
空气冷却区
汽阻:在空气抽出口处的压力pc″最低,冷凝器入口处压力pc最高。这两个压力 之差就是蒸汽空气混合物的流动阻力,称为凝汽器的汽阻,即Δ pc= pc- pc″ 汽阻大,会使凝汽器入口压力pc升高、经济性降低。现代凝汽器汽 阻可以小到260~400Pa,甚至达130Pa左右。 水阻:凝汽器冷却水入口压力与冷却水出口压力差值 水阻越大,循环水泵的耗功越大。双流程凝汽器的水阻较大,约为 49~78kPa。单流程凝汽器的水阻一般不超过40kPa。
系统不严密漏入系统的空气
道尔顿分压定律:
理想气体总压力等于各组分的分压力之和
pc ps pa
凝汽器内压力很低,视为理想气体
利用混 合气体 关系式 求得
qvs Dc xvs , qva Da va Pa Da Ra 0.622 Da Ps XDc Rs XDC qvs qva , Ts Ta
减小过冷度方法: 管束布置留有相当大的蒸汽通道,使一部分蒸汽能 直通凝汽器底部。在凝结水落入热井之前,与蒸汽进行 充分接触,这种效应称为蒸汽回热作用。
采用回热式凝汽器可减小 过冷度
过冷度是否变化作为初步分析真空下降原因判据 真空下降伴 随过冷度增 大 汽侧 原因 冷却水管束排列不合理
抽气器失常或漏入空气增多
1.冷却水进口温度 t w1
2. 冷却水温升 t 蒸汽的放热被冷却水吸收。热量平衡为
Q 1000Dc (hc hc ' ) 1000Dw (hw2 hw1 )
1000Dwcp (tw2 tw1 )
冷水塔和喷水池的冷却效果
Dc , hc
Dw , tw1
由热平衡方程求得:
hc h hc h hc h t c p Dw Dc 4.187 Dw Dc 4.187 m
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