汽轮机的凝汽系统及设备教材.ppt

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1、汽轮机的凝汽系统及设备,一、凝汽设备的工作原理1、工作原理：根据汽轮发电机组的热效率进行分析,第一节 凝汽设备的工作原理和任务,其中 ， 为整机理想焓降； 为蒸汽初焓；,为每kg蒸汽在锅炉中的吸热量。,为给水焓。,为排汽焓；,分析上式：要提高效率，则提高理想焓降，即提高新蒸汽的初焓，降低排汽焓（压力）。本章只是讨论降低排汽焓值的问题。,要降低排汽焓值，就得降低排汽压力。一般来说，排汽压力每降低2 kpa，循环热效率就可以提高约3.5 %。所以，降低排汽压力对提高火电厂循环热效率是一个非常有效的措施。 降低排汽压力的最有效的办法是：使排汽在密封容器中、在温度较低的条件下受到冷却而凝结成水，体积突

2、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。在凝结中生成的凝结水，经汇集以后，又重新送入锅炉作为给水，反复循环使用。这就是凝汽设备的工作原理。,2、主要任务：（1）建立并维持高度真空，即降低排汽焓值，提高理想焓降，使蒸汽中较多的热能转变为机械能。（2）将蒸汽凝结成水，并将凝结水回收到锅炉作为给水。（3）利用热力除氧原理真空除氧，提高凝结水品质。（4）起到热力系统蓄水作用，是热力系统稳定调节的缓冲器。 为了完成上述任务，必须采用凝汽系统，保证以下几个平衡：热量平衡循环水泵；质量平衡凝结水泵；空气平衡抽气设备；

3、,3、排汽压力的最佳值： 降低排汽焓值，提高理想焓降，可以提高效率。 但不是排汽压力越低越好。这是因为：(1）当降低排汽压力，则比容v 增加，汽轮机排汽部分的尺寸增大，成本上升。而且制造困难，材料也受到限制。(2）当降低排汽压力，则比容v 增加，凝汽器的冷却面积增大，冷却水量增大，厂用电增大。 因此，对排汽压力和其他几个方面要作技术经济对比而定。一般，最佳排汽压力为 ，通常取0.05atm。,水冷凝器系统,开式循环水系统：借助天然水源。,闭式循环水系统：用冷却塔冷却循环水。,第二节、凝汽系统,1、最简单的凝汽设备原则性系统图（图4-1）。（1）汽轮机；（2）发电机；（3）凝汽器：使排汽在凝汽器

4、3中不断地凝结成水，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； （4）循环水泵：为凝汽器提供冷却水；（5）凝结水泵：不断地把蒸汽凝结时生成的凝结水从凝汽器底部热井中抽出，并送往给给水回热加热系统； （6）抽气器：抽出漏入凝汽器内的空气，以维持高度真空。,空冷凝器系统,直接空冷系统,间接空冷系统,带表面式凝汽器的间接空冷系统（哈蒙系统）,带喷射式凝汽器的间接空冷系统（海勒系统）,（1）直接空气冷却系统： 用空气作为冷却工质的凝汽器称为空气直接冷却式凝汽系统，如图 。 汽轮机的排汽送到热交换器管束内直接凝结成水。热交换器管束外侧则利用强制通风带走蒸汽凝结时放出的汽化潜热。由于空

5、气传热系数小、则要求冷却面积大。因此，这种空气直接冷却式凝汽器体积庞大，无法和普通凝汽器一样安装在汽轮机的下部，而是要远离汽轮机安装在厂房外面或厂房顶部。因此，其汽轮机的排汽管道很长。这种空气直接冷却式凝汽系统，在世界各国已有较多采用，占空冷凝器系统发电机组的60以上，目前最大机组已超过600MW。 采用的冷却单元有多排管、双排管、单排管。目前主要生产公司有德国GEA、美国SPX、国内哈空调、江苏双良等。,（2）间接空气冷却系统：空气冷却式凝汽系统如图所示。其主要设备有：混合式凝汽器、凝结水泵、循环水泵、空气冷却塔、空气冷却器等。其中，空气冷却塔是一个巨大的建筑物，呈双曲旋转形，空气冷却器布置

6、在空气冷却塔下部周围墙体上。利用高低压力差，将冷风通过空气冷却器吸入塔内，形成自然对流。由于流过空气冷却器的空气的自然对流，将循环水中的热量带走。循环水的温度在空气冷却器中得到降低之后，送入混合式凝汽器中去凝结汽轮机的排汽。 这种空气冷却式凝汽系统，设备、建筑费用高，但可以节约大量的水。 我国山西大同第二发电厂有两台200MW 汽轮发电机组用了 此系统 。,Hamon间接空冷系统,Heller 系统,空气冷却式凝汽系统,直接空气冷却系统,2、运行对凝汽设备的要求：（1）凝汽器冷却管应具有较好的传热系数，保证良好的传热效果，获得较高的真空度，同时尽可能的减少换热面积。（2）凝结水温度不应低于排汽

7、压力对应的饱和温度，以免增加过冷度。这和供水方式、季节、地理位置有关；（3）蒸汽在凝汽器内的流动阻力要小，以降低排汽口压力和减少凝结水过冷度。,第三节 凝汽器,凝汽器有混合式和表面式凝汽器两大类。 一、混合式凝汽器,混合式凝汽器(图 4-4 )是使排汽在冷却水中直接冷却而凝结成水。在混合式凝汽器内，从汽轮机中排出的乏汽直接与冷却水混合而得到凝结。冷却水从安装在混合式凝汽器上部周围的喷嘴喷出，排汽由上部进汽口进入，与冷却水混合而得到凝结，凝结水与冷却水一起用水泵抽走。不凝结的空气，用抽气器或者真空泵不断地抽出。这种凝汽器结构简单，冷却效果好，制造成本低。,二、表面式凝汽器,在表面式凝汽器内，冷却

8、工质与蒸汽由冷却表面隔开。根据冷却工质不同，表面式凝汽器又分为空气冷却和水冷却两种。用水作为冷却工质的凝汽器简称为表面凝汽器。,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。因此，国内外火电厂主要采用这种凝汽器。,1、表面式凝汽器的结构 如图4-5所示，凝汽器的外壳通常钢板做成圆柱形、椭圆形或者方箱形。外壳两端连接着形成水室的端盖2和3，外壳内的两端又装有管板4，管板4上装有很多冷却管。凝汽器内部空间被冷却管分隔成两部分： 蒸汽空间（汽侧 ）和冷却水空间（ 水 侧 ）。,2、表面式凝汽器的流程 冷却水从进口11进入水室15，通过冷却管流到另一端水室16，转向后，又经

9、冷却管进入水室17，最后由出水口12排出。 这种称为双流程凝汽器。还有单流程、三流程、四流程。 3、凝结水 汽轮机的排汽进入凝汽器，在汽侧与冷却管接触而凝结成水。凝结水汇集到热井7中，由凝结水泵抽走并送到低压加热器。 4、漏入空气的抽出 漏入凝汽器的空气，通过抽气口8由抽气器抽出。为了减少抽气器的负荷和回收热量， 使混有蒸汽的空气在经过一次冷却，使蒸汽凝结。 在凝汽器内专门设置有空气冷却区9。,5、减少汽侧阻力 为了使汽气混合物向抽气口流动，则抽气口的压力应比凝汽器的压力更低一些。压力差就是凝汽器的汽阻。汽阻大，会使凝汽器入口压力升高、凝结水的过冷度和含氧量增大。因此，应设法减小汽阻。 抽气口

10、的位置不同，凝汽器中汽流流动方向就不一样，凝汽器的结构型式也不相同。常见的有如图3-85所示的四种，即汽流向下式、汽流向上式、汽流向心式、汽流向侧式四种。这些多用于中小型汽轮机组。,由于汽轮机单机功率的增大，凝汽器的冷却面积也在增加，冷却管数目增多。大机组用多区域汽流向心式的凝汽器。这种凝汽器的管束分成若干区域，平行布置在箱体内。每个管束区都有自己的空气冷却区，蒸汽从四周进入各区域。各个空气冷却器的汽气混合物被引入到联通目管，由抽气器抽出。这种凝汽器的蒸汽通流面积大，汽阻小，凝结水能够得到充分回热。 国产200MW 汽轮机配用三壳体表面式N-11220-1型凝汽器。冷却面积为3*3740=11

11、220，冷却管数为3*5667=17001根。 国产300MW汽轮机的凝汽器为N-17650型单壳体、对分、双流 程表面式凝汽器。冷却面积为17650，冷却管数为9758*2根。,三、凝汽器内蒸汽的凝结过程 蒸汽在凝汽器内的凝结过程包括珠状凝结和膜状凝结两种凝结过程。影响蒸汽凝结过程的主要因素有：凝汽器内冷却水管的布置排列方式；凝汽器内蒸汽的流动速度；凝汽器内的空气含量；,四、凝汽器内压力的确定,当蒸汽处于饱和状态时，其压力与温度是一一对应的。所以，凝汽器内压力取决于蒸汽凝结温度。为了求得凝汽器内压力，就得先求出排汽温度。排汽温度的高低取决于冷却水的进口温度、冷却水的温升和传热端差。 凝汽器内

12、的压力 可根据相应的饱和温度求得，而排汽温度可表示为：,其中 ， 冷却水的进口温度； 冷却水的温升； 传热端差。,（4-8）,只要求得了温度 之值 ， 就可以从水蒸汽表中查得相对应的压力 。,（一）冷却水的进口温度 冷却水的进口温度取决于电厂所在的地理位置、季节和供水方式。电厂供水方式有直流供水方式和循环供水方式两种。1. 在直流供水系统中，电厂从河流上游取水，冷却水流经汽轮机凝汽器、冷油器和有关冷却器之后，排入河流下游。2. 采用循环供水方式时，冷却水则沿着联结凝汽器等有关装置的回路循环流动，取自水源的水只作为损失的补充水，故采用循环供水方式可以节约大量的水。 直流供水系统比较简单，投资少，

13、运行费用低。我国南方的电厂，一般都建在沿江、沿河、沿海岸或者沿大的水库。而北方的电厂，由于水源不足，多采用循环供水方式。,（二）冷却水的温升 1、冷却水的温升可根据凝汽器的热平衡方程式求出：从而，,以上二式中， -进入凝汽器的凝汽量(kg/h)；,(5-2 ),(5-3),-冷却水进出口焓值(kJ/kg)。,-排汽焓值和凝结水焓值(kJ/kg)；,-进入凝汽器的冷却水量(kg/h)；,2、冷 却 倍 率,称为冷却倍率（或循环倍率），它表示凝结单位蒸汽汽量所需要的冷却水量。m值越大，则冷却水的温升 越小，凝汽器内压力越低，会使整机理想焓降增加，从而可以提高电厂热效率。,但是，m大则冷却水量大，冷

14、却水泵功率大。故m值大小要通过经济技术对比后确定。一般，对于单流程凝汽器，m=80120范围之内；对于双流程凝汽器，m=6070范围之内。,3、凝汽器的最有利真空和极限真空：（1）凝汽器的最有利真空：凝汽器的进汽量是由外界负荷决定的，而冷却水温升是有依靠调节冷却水量来控制的。,每1kg蒸汽在凝结时所放出的潜热，约2200kJ/kg,变化很小，这样，式（5-3）为：,冷却水量增加，可降低冷却水温升，降低汽轮机排汽压力，增大理想焓降，提高经济性。但是水泵功率要增大。这里有一个最佳冷却水量，即冷却水量增大，使汽轮机功率增加所得到收益大于水泵功率增大，净收益最大。这时候的真空称为凝汽器的最有利真空。（

15、2）凝汽器的极限真空：若真空进一步增高，使末级叶片的斜切部分达到膨胀极限时的真空称为凝汽器的极限真空。这时候余速损失增加。,（三）传热端差 传热端差和冷却面积、传热量及传热系数有关系。设计时，一般取 。对于单流程凝汽器，取 ，对于多流程凝汽器，取 。,作业与思考题1，画出最简单的凝汽系统图，其主要设备及其作用。2，间接空冷系统图，其主要设备及其作用。3，凝汽器内的压力如何确定？4，什么是凝汽器的最有利真空和极限真空？,第四节 蒸汽在凝汽器内蒸汽的凝结过程,一、凝结特点： 假设只有水蒸汽存在，并且凝汽器内各处的压力都相等，则蒸汽应在与压力相对应的饱和温度下凝结。实际上并非如此，因为：1、排汽从凝

16、汽器进口向空气抽出口流动，由于阻力存在，则凝汽器内各处压力都不相同；2、整个系统不可能完全密封，有空气漏入。则凝汽器内各处空气分压也不相同，凝结时的饱和温度也不相同。 这样，由于阻力和空气的存在，蒸汽分压降低，使凝结水温度低于凝汽器进口处的蒸汽温度，造成凝结水过冷。,1、空气量：（1）空气来源：新蒸汽带入；汽轮机装置密封不严；负荷降低时真空前移， 扩大漏汽范围；,二、进入凝汽器的空气量和空气分压,（2）设计漏汽量估计（经验公式）：要准确确定空气漏入量是有困难的，通常用下面的经验公式进 估 计 ：,其 中 ， - 漏入空气量(kg/h)； -凝汽器的设计进汽量(t/h)； -严密系数，一般取 。

17、,(5- 10),上式也可以用于检查凝汽设备的严密程度。这时， 为抽汽口测得的被抽出的空气量。 为评定的严密等级系数： =1为优， = 2为良好， =3为中等。,2、蒸汽与空气分压： 由于空气的漏入，凝汽器内的总压力 为蒸汽分压和空气分压之和：,其中，x为蒸汽干度。实际上，在正常情况下，在凝汽器中的大部分区域，蒸汽占绝大多数，空气含量很小，即 ，故：,(5-11),其中,(5-15),(5-16),当有99%蒸汽凝结，即x=0.01，这样，由上式可得 。 即蒸汽分压 接近于总压力。绝大部分蒸汽在压力的饱和温度下凝结。空气对蒸汽凝结的影响，只是在沿流程的末尾区段（空气冷却区）才明显。,三、空气漏

18、入对凝汽器工作的影响 由于空气的漏入，对凝汽器的工作是有影响的 ： 1、空气的漏入会使传热效果变差，传热端差增大。结果会使排汽压力升高，降低了机组的经济性； 2、空气的漏入，增加了凝结水中空气的溶解度，对汽轮机装置和管道系统金属产生腐蚀，影响机组的安全性； 3、空气的漏入，会使空气分压增大，使凝结水的过冷度增加，影响了机组的经济性。,第五节 多压凝汽器,现代大功率汽轮机都采用多缸多排汽口。为了提高大功率汽轮机的经济性，常采用多压凝汽器。多压凝汽器就是将凝汽器的汽侧分隔成与汽轮机排汽口个数相同的两个或更多的互不相通的部分。图5-16为双压凝汽器的示意图。,进水侧的冷却水温度较低，其对应汽侧压力也

19、较低；出水侧的冷却水温度较高，因此，其对应汽侧压力也较高。同理，也有三压、四压凝汽器。采用多压凝汽器可以提高机组的经济性。,第四节 抽气设备,1、抽气器的作用 抽气器的作用是将漏入凝汽器内空气不断地抽出，以维持凝汽器内的高度真空。故抽气器工作的好坏对凝汽器工作的影响很大。任何一种抽汽器，不论其结构和工作原理如何，都是一种压气器，它将汽气混合物从凝汽器抽气口的压力压缩到高于大气压的出口压力。,2、抽气器的型式 抽气器的型式有机械式和喷射式两种。喷射式抽气器结构简单、工作可靠、制造成本低、维护方便、建立真空快。常用的喷射式抽气器有射汽抽气器和射水抽气器两种，工作原理相同工质不同。前者用蒸汽作工质，

20、后者用水作工质。,启动抽气器的作用是在汽轮机启动前给凝汽器建立真空，以缩短机组启动时间。 图5-8为启动抽气器示意图，它主要由工作喷嘴A、混合室B和扩压管C所组成。,一、射汽抽气器1.启动抽气器的结构和工作原理：,工质是新蒸汽，新蒸汽进入工作喷嘴A，在喷嘴A膨胀加速造成一个远高于音速的高速汽流射入混合室。高速汽流有很强的空吸作用，从而将从抽气口来的汽气混合汽流带走，并进入扩压管C。混合汽流在扩压管C中不断扩压，直到压力稍大于大气压力后排入大气。 启动抽气器功率大建立真空快，但工质和工质的热量不能回收，有经济损失。故它只作为启动时用。一旦汽轮机正常工作以后，主抽气器便投入工作，启动抽气器停止工作

21、。,2. 主 抽 气 器 主抽气器的作用 ：是在汽轮机正常工作时使用，以维持凝汽器的高度真空。主抽气器一般都采用带中间冷却器的多级型式。其目的在于可以得到更高的真空度，同时也可以回收工质和热量，提高经济性。图5-9为两级射汽抽气器工作原理图。,级抽走。在第二级抽气器中，汽气混合物被压缩到略高于大气压力，再经第二级冷却器4进一步凝结并回收工质和热量。最后的空气和少 量未凝结的蒸汽一起排入大气。,（二）射水抽气器 射水抽气器的工作原理：射水抽气器的工作原理同射汽抽气器相同，如图5-12所示。它主要由工作水进口1、喷嘴2、混合室5、扩压管7和逆止阀6等部件所组成。压力水由射水泵供给，经喷嘴形成高速射

22、流射出，从而将凝汽器中的汽气混合物抽出 。,凝汽器内的汽气混合物由第一级抽气器抽出，并压缩到某一中间压力（低于大气压力），然后进入中间冷却器2。在中间冷却器2中，混合物中的部分蒸汽被凝结成水，而未凝结的汽气混合物又被第二,射水抽气器不消耗新蒸汽，运行费用较射汽抽气器低。系统简单、运行可靠、维护方便。 但需要另外安装射水泵。现代大型汽轮机都采用射水抽气器。国产200MW汽轮机就是采用射水抽气器作为主抽汽器。中小型汽轮机多采用射汽抽气器作为主抽汽器。,（ 三 ） 水 环 式 真 空 泵 国产300MW和600MW汽轮机组的抽气装置都是采用水环式真空泵。其主要部件有叶轮和壳体。壳体内形成一个圆柱体空间，叶轮偏心地安装在壳体内。在壳体上开有吸气口和出气口，实行轴向吸气和排气。叶轮带有前弯叶片，偏心地安装在充有适量工作水（密封水）的椭圆形泵体内。,当叶轮旋转时，由于离心力作用，水向周围运动， 形成一个运动着的圆环（密封水环）。由于偏心地安装的，水环的内表面也就与叶轮偏心，叶轮轮毂与水环间形成一个月形空间。叶轮每转一周，每两个相邻叶片与水环间所形成的空间由小到大，又由大到小地周期性变化。当空间处于由小到大变化时，该空间产生真空，由进气口吸入气体。当空间处于由大到小变化时，该空间产生压力，吸入的气体被压缩并经排气口排出。这样，当叶轮连续运转时，就不断地重复上述过程，起到一个连续抽气的作用。,