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'第四章-汽轮机的凝汽设备 凝汽器是一个热交换器，研究它的特性主要是以传热学知识为基础；抽气器是有喷嘴和扩压管配合而工作的，研究它的特性以喷嘴和扩压管的变工况为基础。汽轮机的实际排汽压力是在负荷变动后由凝汽器形成和抽气器维持的，因此凝汽器的压力在冷却水进口温度和冷却水量一定的条件下与凝汽器负荷建立了一定的关系。 第一节凝汽设备的组成及作用第二节凝汽器内压力的确定及其影响因素第三节凝汽器的变工况第四节多压凝汽器第五节抽汽设备 提高汽轮机装置的经济性的两个途径一是提高汽轮机的内效率,就是努力减小各项损失，改善汽轮机通流部分的设计等。二是提高装置的循环热效率。提高热效率有两个方向一是提高平均加热温度，可采用回热循环，也可提高初参数以及采用再热循环等，另一方面则是降低平均放热温度，这是凝汽器的主要任务。 一、凝汽器设备原则性系统（一）汽轮机的原则性热力系统就是把主要热力设备和辅助设备按工质热力循环的顺序连接起来的简化系统。此系统只表示设备在正常工作时的相互关系，对同类型、同参数的设备只表示出一台，不包括备用设备及阀门等配件。 图4-1(a)国产N100-8.826／535型汽轮机原则性热力系统1-凝结水;2-轴封加热器;3-低压加热器;4-疏水泵;5-除氧器;6-给水泵;7-高压加热器;8-排污扩容器;9-排污水冷却器;10-地沟 典型机组的原则性热力系统举例国产N100-8.826／535型汽轮机系高压双缸双排汽口凝汽式机组。其进汽参数为8.826MPa(90kgf／cm2)，535℃，排汽压力为0.0049MPa(0.05kgf／cm2)，配用HG400／100型高压锅炉。其原则性热力系统如图4-1(a)所示。该机组共有七段非调整抽汽。该机组的第一、二段抽汽供两台高压加热器用汽，第三段抽汽作为除氧器5的加热汽源，第四、五、六、七各段抽汽分别供给四台低压加热器。低负荷运行时，第三段抽汽压力过低，不能保证除氧器需要，这时自动切换阀打开，由第二段抽汽供除氧器用汽，系统的经济性下降。 汽轮机的主凝结水由凝结水泵升压送入轴封汽加热器2加热。轴封汽加热器利用汽轮机轴端轴封漏出的蒸汽来加热主凝结水，其作用是回收轴封汽，提高系统的经济性。由轴封汽加热器出来的主凝结水依次流经四台低压加热器后进入除氧器，除氧后的给水经给水泵升压，再经两台高压加热器将给水温度提高到222℃后送入锅炉(图4-1(a))。 高压加热器的疏水逐级自流进入除氧器，低压加热器的疏水也采用逐级自流的方式，流经2号低压加热器后用疏水泵送入该加热器出口的主凝结水管中，这样可以避免压力较高的疏水进入1号低压加热器中汽化而排挤第七段抽汽，使系统的经济性下降。该机组的第七段抽汽量较大，因此1号加热器的疏水量较大，为了回收这部分疏水的热量，也用疏水泵将这部分疏水送到1号加热器出口的主凝结水管中。轴封汽加热器的疏水量很少，通过U型管送入凝汽器中(图4-1(a))。 该系统锅炉的连续排污量不多，所以采用一级排污扩容系统，扩容器闪蒸出来的二次蒸汽送入除氧器，扩容器排出的浓缩污水在排污水冷却器9中加热化学补充水后排入地沟或污水处理系统(图4-1(a))。 （二）凝汽器设备原则性系统1.组成凝汽设备通常由表面式凝汽器、抽气设备、凝结水泵的连接管道组成，如图4-1(b)所示。图4-1（b）凝汽设备系统的组成1-抽气设备；2-汽轮机；3-发电机；4-循环水泵；5-凝汽器；6-凝结水泵 2.工作原理如图4-1(b)排汽进入凝汽器5，由循环水泵4提供的循环水作为冷却工质，将排汽凝结为水。由于蒸汽凝结成水时，体积骤然缩小(例如在0.0049MPa的压力下，干蒸汽比水的体积约大28000倍)，这就在凝汽器内形成高度真空。为保持所形成的真空，则需用抽气设备将漏入凝汽器内的空气不断抽出，以免不凝结的空气在凝汽器内逐渐积累，使凝汽器内压力升高。而由凝汽器产生的凝结水，则通过凝结水泵6进入锅炉的给水系统。 冷却工质分类凝汽器大都采用水作为冷却工质。按供水方循环水泵，以及这些部件之间式的不同，有一次冷却供水和二次冷却供水。供水来自江、河、湖、海等天然水源，排水仍排回其中的，称为一次冷却供水，或开式供水。供水来自冷却水塔或冷却水池等人工水源，排水仍回到冷却水塔(水池)循环使用的，称为二次冷却供水，或闭式供水。在特别缺水的地区，则可采用空气作为冷却工质。 二、表面式凝汽器1.结构表面式凝汽器在火电站和核电站中得到广泛应用，图4-2为表面式凝汽器的结构示意图。图4-2表面式凝汽器结构简图1-蒸汽入口；2-冷却水管；3-管板；4-冷却水进水管；5-冷却水回流水室；6-冷却水出水管；7-凝结水集水箱；8-空气冷却区；9-空气冷却区挡板；10-主凝结区；11-空气抽出口 2.工作原理冷却水由进水管4进入凝汽器，先进入下部冷却水管内，通过回流水室5进入上部冷却水管内，再由出水管6排出。冷却水管2安装在管板3上，蒸汽进入凝汽器后，在冷却水管外汽测空间冷凝，凝结水汇集在下部热井7中，由凝结水泵抽走。同一股冷却水在凝汽器内转向前后两次流经冷却水管，这称为双流程凝汽器，同一股冷却水不在凝汽器内转向的，称为单流程凝汽器。其传热面分为主凝汽区10和空气冷却区8两部分，其间用挡板隔开，空气冷却区占5%~10%，设空冷区的目的是冷却空气，使其容积流量减小，减轻抽汽器的负荷，利于提高抽气效果。 三、凝汽器的作用1.在汽轮机的排汽口建立和保持规定的真空。汽轮机排汽压力最佳值取决于两个方面：其一汽轮机因真空提高而增加的功率应等于（或小于）凝汽设备所增大的能量消耗。其二排汽压力降低时，排汽部分的尺寸显著增大，末级叶片高度也相应增大，使机组结构复杂，若尺寸不变，势必增加末级排汽余速损失，使降低排汽压力所得到的效益被抵消。因此汽轮机的设计排汽压力一般在0.0029~0.0069MPa的范围内。2.将排汽凝结而成的凝结水作为锅炉给水，循环使用。 第二节凝汽器内压力的确定及其影响因素一、压力的确定凝汽器的冷却面积是有限的，蒸汽凝结时放出的汽化潜热通过管壁传给冷却水，必然会存在一定的温差。 同时，冷却水量也是有限的，冷却水吸热后温度将会有所提高，蒸汽凝结温度要比冷却水进口温度高。凝汽器中的压力就需要根据凝汽器中蒸汽和冷却水的温度大小及其分布情况决定。当凝汽器中蒸汽和冷却水的流动近似于逆流情况时，其温度沿冷却表面的分布如图4-4所示。 图4-4蒸汽和水的温度沿冷却表面的分布Ac-凝汽器总传热面积；Aa-空气冷却区面积 如图4-4中,曲线1表示凝汽器内蒸汽凝结温度ts的变化，ts在主凝结区内沿着冷却面积基本不变，在空气冷却区，由于蒸汽已大量凝结，蒸汽中的空气相对含量增加，使蒸汽分压力ps明显低于凝汽器压力pc，这时ps相对应的饱和蒸汽温度将明显下降。图4-4中，曲线2表示冷却水从进口到出口沿着冷却面积的变化，冷却水在吸热过程中，从进口温度tw1上升到出口温度tw2，其温升Δt=tw2-tw1。冷却水的进水侧温度上升要比出水侧温度上升快，蒸汽凝结温度ts与冷却水出口温度tw2之差称为凝汽器的传热端差，用δt表示，即δt＝ts-tw2。 在一定的冷却面积下，在主凝结区蒸汽的凝结温度为ts＝tw1+Δt+δt在主凝结区，凝汽器压力pc与蒸汽压力ps相差甚微，可用pc代替ps，由上式算出ts后就可求出相对应的饱和蒸汽压力ps，即确定了凝汽器内的压力pc。 二、影响压力的因素1.冷却水进口温度tw1冬季tw1低,蒸汽凝结温度也低,响应地凝汽器压力也低,即凝汽器真空度高；夏季则与之相反。在冷却水闭式供水系统中，tw1还决定于冷水塔或冷却水池地冷却效果。2.冷却水温升Δt根据凝汽器内传热的热平衡方程，蒸汽凝结放热等于冷却水吸热，即 3.凝汽器的传热端差 三、K的确定 第三节凝汽器的变工况一、基本概念凝汽器的变工况：凝汽器不在设计条件下工作，称为凝汽器的变工况。决定凝汽器压力pc的几个主要因素：如被凝结的蒸汽量Dc，冷却水量Dw，以及冷却水进水温度tw1等，在汽轮机组的运行过程中是变化的。 凝汽器的变工况特性及其曲线pc和Dc、Dwt、tw1之间的变化规律，这个关系就是凝汽器的变工况特性，pc＝f(Dc、Dwt、tw1)的关系曲线称为凝汽器的变工况特性曲线。通过试验或计算获得的凝汽器变工况特性曲线对于预先估计凝汽器在变工况下的工作情况有重要的价值。 二、工况变化对冷却水温升和传热端差的影响 端差δt与凝结的蒸汽量Dc、冷却水进水温度tw1的关系曲线：如图4-5，在同一个Dc下，tw1较低时蒸汽冷凝变好，凝汽器内空气分压提高，传热恶化，K值降低，δt上升，因此，tw1较低时辐射线在上方。图4-5端差与凝结的蒸汽量、冷却水进水温度的关系曲线 三、特性曲线的计算与绘制（此部分内容自学为主）图4-6为某汽轮机的特性曲线，它根据不同的凝结蒸汽量Dc、冷却水进水温度tw1和冷却水量Dw，由Δt和δt随Dc的变化规律，求得相应的Δt和δt，最终求得凝汽器压力pc在绘制而成。表4-1为计算示例。图4-6N-3500-1型汽轮机特性曲线 四、凝汽器的运行1.汽阻和水阻（1）汽阻。如图4-2所示，空气抽出口处的压力pc"最低，而凝汽器蒸汽入口处的压力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，用Δpc表示，即Δpc=pc-pc"。 汽阻越大，凝汽器蒸汽入口处的压力越高，汽轮机运行经济性降低。同时，由于汽阻的存在将使凝结水的过冷度和含氧量增大，因此应力求减小凝汽器的汽阻值。凝汽器的汽阻一般不应超过660Pa，现代凝汽器汽阻可小到260～400Pa，甚至到130Pa左右。 （2）水阻。冷却水在凝汽器内的循环通道中所受到的阻力称为水阻.主要包括流动阻力，局部阻力，以及冷却水在水室中和进出水室时的阻力三部分。水阻的大小对循环水泵的选择、管道布置均有影响，水阻越大，循环水泵的耗功也越大。一般大多数双流程凝汽器的水阻在50kPa以下，单流程凝汽器的水阻一般不超过40kPa。 2．凝结水过冷当凝结水的温度低于凝汽器压力下的饱和温时，即为凝结水过冷，其差值称为过冷度。凝结水过冷的影响：1）表明蒸汽冷凝过程中，传给冷却水的热量增大，冷却水带走了额外的热量，降低了汽轮机组的热经济性；2）凝结水的含氧量也与凝结水的过冷度有关。 凝结水过冷主要原因：(1)从传热的角度分析，在蒸汽凝结的过程中，在冷却水管的外表面形成水膜，水膜外表面的温度=所处压力下的饱和温度，而水膜内表面的温度=水管内冷却水的温度，水滴温度是水膜内外表面温度的平均温度，低于所处压力下的饱和温度。 (2)设计中冷却水管的排列不当，例如管束上排冷却水管产生的凝结水下滴时再与下排冷却水管接触，凝结水再次被冷却，将使过冷增大。(3)凝汽器的汽阻过大，使得凝汽器内管束中、下部形成的凝结水温度较低，而产生过冷。 (4)当凝汽器漏入空气增多，或抽气设备工作不正常，凝汽器内积存有空气。(5)运行中凝汽器热井中凝结水水位过高，淹没了凝汽器下部的冷却水管，使凝结水再次被冷却，过冷度必然增大。 措施凝汽器内应设有蒸汽通道，使刚进入凝汽器的蒸汽可直接到达凝汽器的底部，以加热凝结水，称为回热式凝汽器。当回热效果好时，凝结水的过冷度可小于1℃。当回热通道布置不当或管束布置过密，将产生凝结水的过冷。 3.凝结水质的监视凝结水水质不良主要是由于冷却水漏出管外而引起，因此应经常对凝结水水质进行监视。冷却水泄漏的原因是冷却水管被腐蚀，或是冷却水管与管板的接口不严密。 4.凝汽器的胶球清洗装置冷却水管污染污染包括汽侧污染和水侧污染。汽侧污染主要是亚硫酸盐和石碳酸盐附着在冷却水管外表面所致，一般可用80-90℃的热水冲洗掉。水侧污染指冷却水所带入的泥沙、污秽的物质和加热过程中分解出的盐分等均会不同程度地沉积在冷却水管的内表面上。其中的有机物质附着在管子内表面形成微生物附面层。 水管污染的危害1）将导致凝汽器真空降低，影响汽轮机的出力和运行经济性。2）加速冷却水管的腐蚀，甚至造成穿孔，使冷却水漏入凝结水中，恶化凝结水水质，影响机组安全运行。因此在火电厂中广泛采用凝汽胶球自动清洗装置。 胶球清洗装置工作过程如图4-8,7输出的压力水将胶球带出，经3注入冷却水进水管，再进入冷却水管。胶球柔软且富有弹性，其直径比冷却水管内径大1～2mm，在水管中被压缩，与水管内壁形成接触面，对水管内壁的挤压和摩擦将壁面的污垢随胶球一起带出管外，当胶球离开水管后，突然恢复原状，使污垢脱落，并随冷却水排出，胶球被回收，经加压后，重新循环使用。 图4-8胶球自动清洗系统1-二次滤网；2-反冲洗蝶阀；3-注球管；4-凝汽器；5-胶球；6-收球网；7-胶球泵；8-加球室 第四节多压凝汽器目的：理解双压凝汽器的优点及获得多压凝汽器的平均真空比单压凝汽器高的必要条件。重点：双压凝汽器较单压凝汽器能提高机组热效率的论证。 一、概述1.概念将从汽轮机两个以上排汽口出来的蒸汽输送到不同真空度的各个蒸汽室中，使冷却水在其中直线排列地流动而使蒸汽冷凝的凝汽器。 2.双压式凝汽器图4-9，将单压凝汽器用中间隔板分为两个汽室，冷却水流程不作任何变化，则两个汽室的凝汽压力不相同，pc1