4第四章 凝汽设备及其系统080730.ppt

第1页共37页 授课老师 卢志民博士 凝汽设备及其系统 第2页共37页 第3页共37页 凝汽设备是凝汽式汽轮机设备的一个重要组成部分 其工作的好坏直接影响整个设备运行的热经济性和可靠性 凝汽设备一般由凝汽器 循环水泵 抽气器 或真空泵 和凝结水泵等主要部件以及它们之间的连接管道和附件组成 第一节凝汽设备的作用及工作过程1 1凝汽设备的作用最简单的凝汽设备示意图如图4 1所示 汽轮机的排汽进入凝汽器1 循环水泵2不断地把冷却水送入凝汽器 吸收蒸汽凝结放出的热量 蒸汽被冷却并凝结成水 凝结水被凝结水泵3从凝汽器底部抽出 送往锅炉作为锅炉给水 第四章凝汽设备及其系统 凝汽器 循环水泵 凝结水泵 抽气器 第4页共37页 第5页共37页 在凝汽器中 蒸汽和凝结水是两相共存的 蒸汽压力是凝结温度所对应的饱和压力 只要冷却水温不高 在正常条件下 蒸汽凝结温度也不高 一般为30多度 30 左右的蒸汽凝结温度所对应的饱和压力仅为4 5kPa 大大低于大气压力 形成高度真空 此时 处于负压的凝汽设备及管道接口并非绝对严密 外界空气会漏入 为了避免这些在常温条件下不凝结的空气在凝汽器中逐渐积累造成凝汽器中的压力升高 一般采用抽气器不断地将空气从凝汽器中抽出以维持凝汽器内真空 由此可知 凝汽设备作用有两个 在汽轮机排汽口建立并维持一定的真空 回收洁净的凝结水作为锅炉给水的一部分 在汽轮机热力循环中 当主蒸汽参数一定时 降低汽轮机排汽压力和排汽温度 可以减少冷源损失 提高循环的热效率 第6页共37页 二 极限真空和最佳真空 汽轮机的排汽压力越低 则真空越高 汽轮机的理想比焓降越大 发出的电能也越多 但是真空也不是越高越好 对于一台结构已定的汽轮机 蒸汽在末级的膨胀有一定的限度 若超过此限度继续降低排汽压力 蒸汽膨胀只能在末级动叶道以外进行 当初参数和蒸汽流量不变时 汽轮机功率不再增加 此时 使汽轮机作功达到最大值的排汽压力所对应的真空称为极限真空 虽然在极限真空下蒸汽的作功能力得到充分利用 但此时循环水量和水泵电耗维持在较高水平上 而且由于凝结水温降低 最后一级回热抽汽量增加 汽轮机功率相应减小 从经济上说这是不合算的 第7页共37页 三 背压变化对功率的影响 初压 初温不变 凝汽设备变化 背压变化 汽轮机内功率变化 变化情况与末级汽流是否达到临界有关 如图 AB为汽流未达临界的工况 随着背压 功率 B点为临界状态点 BC段为背压再 时 汽道斜切部分膨胀 汽流偏转 功率缓慢 CD段汽道斜切部分膨胀结束 随背压 功率不会 反而有所 如虚线CD 所示 C点压力为极限背压 极限真空 第8页共37页 二 极限真空和最佳真空 最佳真空即提高真空所增加的汽轮机功率与循环水泵等所消耗的厂用电之差达到最大时的真空值 这时经济上的收益最大 对于运行中的机组要保持最佳真空 以保证机组的热经济性 实际运行的循环水泵可能有几台 当采用定速泵时 循环水量不能连续调节 故应通过试验确定不同蒸汽量及不同冷却水温下的最佳运行真空 第9页共37页 右图是目前火电厂广泛使用表面式凝汽器 外壳1通常呈圆柱形或椭圆柱形 大功率汽轮机的凝汽器则为矩形 外壳两端连接着端盖2 3和管板4 端盖和管板之间形成水室 18为凝汽器的喉部 是指接受汽轮机排汽的进口部分 数目甚多的冷却水管5装在管板上 形成主凝结区 冷却水从进水口11进入凝汽器 沿箭头所示方向流经冷却水管5后从出水口12流出 汽轮机的排汽从进汽口6进入凝汽器 蒸汽和冷的管壁接触开始凝结成水 所有凝结水最后聚集在热井7中 然后由凝结水泵抽走 如图4 3所示 同一股冷却水在凝汽器内转向前后两次流经冷却水管的凝汽器 称为双程凝汽器 同一股冷却水不在凝汽器内转向的凝汽器 称为单流程凝汽器 在从凝汽器壳体右下侧有空气抽出口8 为了减轻抽气器的负荷 空气与少量蒸汽的混合物在从凝汽器抽出之前 要再进一步冷却以减少蒸汽含量 并降低蒸汽空气混合物的比体积 同时减少工质的浪费 为此 把一部分冷却管束 约为全部管数的8 10 用隔板10与其他管束隔开 形成了空气冷却区9 第10页共37页 由于不断地通过抽气口8抽出空气 所以凝汽器中正在凝结的蒸汽就和空气一起向抽气口流动 蒸汽刚进入凝汽器时 所含的空气量不到排汽量的万分之一 凝汽器总压力可以用蒸汽分压力代替 直至蒸汽空气混合物进入空气冷却区 蒸汽的分压力才明显减小 蒸汽和空气的质量流量在同一数量级上 要维持蒸汽和空气混合物以一定速度向抽气口流动 抽气口8处应保持较低的压力p c 压差 p pc p c 称为凝汽器的汽阻 汽阻越大 凝汽器内的压力pc也越高 经济性越低 故应尽量减小汽阻 大型机组的凝汽器汽阻约为0 3 0 4kPa 第11页共37页 根据空气抽出口的位置不同 现代凝汽器结构形式分为汽流向心式 见左图 与汽流向侧式 见中图 两大类 由于单机功率增大 凝汽器尺寸和冷却水管数量大大增加 为了加大管束四周的进汽周界 减短汽流途径 减小汽阻 出现了多区域向心式凝汽器 如右图所示 独立区域数由两个到十几个 平行布置于矩形外壳内 每个区域的中部都有空气冷却区 凝汽器中冷却水的阻力称为水阻 由冷却水管内的沿程阻力 冷却水由水室进出冷却水管的局部阻力与水室中的流动阻力 包括由循环水管进出水室的局部阻力 3部分组成 水阻越大 循环水泵的耗功越大 因此应尽量减少水阻 双流程凝汽器的水阻较大 约49 78kPa 第12页共37页 凝汽器内计算静压分布图 第13页共37页 第14页共37页 第二节凝汽器的压力与传热 一 凝汽器压力的定义与测量凝汽器压力通常泛指凝汽器汽侧蒸汽凝结温度对应的饱和压力 但是实际上凝汽器汽侧各处压力并不相等 JB3344 83凝汽器性能试验规程 规定 凝汽器压力是指凝汽器入口截面上的蒸汽绝对压力 静压 用p c表示 见右图 而凝汽器计算压力是指离凝汽器管束第一排冷却水管约300mm处的蒸汽绝对压力 静压 用pc表示 如右图所示 对汽轮机而言 排汽压力指 但从凝汽器的角度出发 凝汽器的压力指的却是p c 显然 p c和pc之差 p决定于凝汽器喉部的阻力和扩压情况 现代大型凝汽器喉部内装设抽汽管道 低压加热器 蒸汽导流元件等 其阻力不容忽视 第15页共37页 大型凝汽器的压力采用水银真空计测量 测点应布置在离管束第一排冷却水管约300mm处 如图4 6所示 凝汽器中的绝对压力为 4 1 式中 B是当地当时大气压的汞柱高度 H是真空计中汞柱高度 mm 凝汽器的真空度V是指大气压力B和凝汽器压力H的差值与大气压力B之比 通常用百分数表示 凝汽器真空度为 4 2 与的换算关系如下 4 3 上述计算公式中的和均为实际温度条件下的测量值 没有考虑折算到标准温度20 下的值 这在工程计算中是允许的 第16页共37页 二 凝汽器内压力的确定 图4 7中曲线上表示了与凝汽器内压力相对应的饱和蒸汽温度ts的变化 ts在主凝结区基本不变 在空冷区下降较多 曲线2表示冷却水由进口处的温度tw1逐渐吸热上升到出口处的温度tw2 冷却水温升 t tw2 tw1 ts与tw2之差称为凝汽器的传热端差 用 t表示 即 t ts tw2 主凝结区饱和蒸汽的温度为由式 4 4 求出ts后即可求出ts所对应的饱和压力ps 即为凝汽器的压力pc 并且ts与tw1 t和 t的变化有关 第17页共37页 1 冷却水进口温度tw1主要决定于发电厂处的环境 tw1低 ts也低 排汽压力p c低 反之亦然 发电厂有冷却塔或喷水池时 还取决于冷却塔或喷水池的工作特性的好坏 2 冷却水温升根据凝汽器的热平衡方程式 4 5 式中m 为凝汽器的冷却倍率 它表明冷却水量是被凝结蒸汽量的m倍 qmc qmw 进入凝汽器的蒸汽量和冷却水量 t h hc h c 凝汽器中的蒸汽比焓和凝结水比焓 kJ kg 4 187 流出和流入凝汽器冷却水的比热 kJ kg K 由于蒸汽有10 左右的湿度 故凝汽的焓降比lkg干饱和蒸汽的凝结放热量少 只有2140 2220kJ kg左右 取其平均值 有 可见 t主要取决于冷却倍率 或者说 当qmc一定时 主要取决于冷却水量qmw 而主要由循环水泵的容量和运行台数所决定 qmw减少 t增大 排气压力升高 第18页共37页 3 凝汽器传热端差 t由凝汽器的传热方程可知蒸汽凝结时传给冷却水的热量为 4 7 式中K 凝汽器的总体传热系数 kJ tm 蒸汽和冷却水之间的对数平均传热温差 由于空冷区传热面积较小 若忽略其凝结温度的降低 则对数平均温差为 4 8 将式 4 5 式 4 7 和式 4 8 联立求解得 4 9 由式 4 9 可知 传热端差 t与Ac K qmw有关 设计时 传热量 一定 qmw主要由m确定 K只能按经验数值取定 因此只有增大Ac t才能减小 增大Ac需增加投资 所以要由综合技术经济比较确定 一般 t 3 10 运行时 Ac一定 传热系数K是影响的主要因素 K越大 t越小 ts越小 排汽压力越低 凡影响K的因素 都将影响 t 因而也都会影响ts与ps 即pc 第19页共37页 由于凝汽器的蒸汽凝结量qmc 冷却水进口温度tw1及冷却水量qmw等参数在汽轮机设备运行时都会随机组负荷 季节和循环水泵运行方式等因素的变化而改变 使凝汽器的工作条件与设计条件不符 凝汽器的压力也发生变化 凝汽器不在设计条件下工作时的工况称为凝汽器的变工况 凝汽器压力pc随qmc tw1和qmw的改变而变化的规律称为凝汽器的变工况特性 qmc tw1和qmw是决定凝汽器压力的主要因素 这些因素改变时 t和 t会发生变化 导致ts和凝汽器压力pc变化 三 凝汽器的变工况 第20页共37页 凝汽器特性曲线 Pc与Dw Dc tw1的关系曲线称为凝汽器特性曲线 从中可以看出 在一定的冷却水量和冷却水进口温度下 凝汽器压力随汽轮机负荷的减小而降低 即凝汽器真空随负荷的降低而升高 当冷却水量和汽轮机负荷不变时 凝汽器真空将随冷却水进口温度的降低而升高 第21页共37页 四 凝汽器内空气的影响 凝汽器的空气主要是通过汽轮机设备中处于真空状态下的低压各级与其相应的回热系统 排汽缸 凝汽设备等的不严密处漏入的 还有新蒸汽进入汽轮机时也可能带进来的极少量的不凝结气体 设备真空严密性好时 进入凝汽器的空气量不到排汽量的万分之一 它虽然很少 但危害很大 主要危害有以下三点 1 漏入空气量增大 使空气分压力升高 从而使凝汽器真空降低 2 空气阻碍蒸汽凝结 使传热系数K减小 t增大 从而使真空下降 图4 9 a横坐标是蒸汽空气混合物中空气的质量百分比 sa s纵坐标是蒸汽空气混合物放热系数占纯净蒸汽放热系数的百分比 由图可见 a越大时 sa越小 空气含量即使只有0 1 左右 放热系数也降低10 左右 当蒸汽空气混合物一起流向冷却水管时 蒸汽在冷却水管外表面凝结为水 然后滴下来流走 空气在冷却水管外围增多 使蒸汽分子只有通过扩散才能靠近冷却水管外侧 所以空气的存在大大地阻碍了蒸汽的凝结 第22页共37页 3 凝结水过冷度增大 凝结水温度低于凝汽器入口压力对应的饱和温度的现象称为过冷现象 两者的温度差称为过冷度 导致凝汽器运行中凝结水过冷的原因有 管子外表面蒸汽分压低于管束之间平均蒸汽分压 使蒸汽凝结温度低于管束之间混合汽流的温度 蒸汽凝结在管子外表面形成水膜 包括上排管束淋下来的凝结水在内 受管内冷却水冷却 使得水膜平均温度低于水膜外表面的蒸汽凝结温度 汽阻使管束内层压力降低 也使凝结温度降低 仅前两项 就使凝结水的过冷度达2 8 左右 此外 若冷却水管束排列不合理 将使汽阻增大 漏入空气多或抽气器工作不正常 均使空气分压增大 凝结水水位过高 淹没冷却水管 使凝结水进一步冷却 这些都将使凝结水的过冷度增大 为了降低过冷度 在凝汽器内设置蒸汽通道 进入凝汽器的蒸汽可直达其底部 加热凝结水 这种凝汽器称为回热式凝汽器 回热效果好时 凝结水的过冷度可小于1 左右 性能良好的大型凝汽器 即使热井内不采用专门的加热除氧结构 自身也可做到无过冷现象 第23页共37页 第三节凝汽器的管束布置 1 三角形排列 管子密集程度最大 所需管板面积最小 通常布置在希望蒸汽空气混合物流速增大的部位 2 转移轴线排列 此时上层管子的凝结水由下层管子的一侧滴下 在下层铜管外表面上凝结水膜只有1 4铜管表面上的水膜被加厚 其余3 4的铜管表面只有极薄的水膜 对传热和凝结水过冷的影响较少 但这种排列方式 会增加冷却水管在管板上所占的面积 因而当冷却面积相同时 此种排列的凝汽器体积较大 3 辐向排列 由于蒸汽从外圆向中心流动时 随着蒸汽的凝结量增加 汽流通道也逐渐缩小 流速和热负荷都较均匀 阻力变化不大 而且由于管子沿凝汽器高度方向有所错动 下部管子受滴淋的情况得到改善 传热效果较好 第24页共37页 凝汽器管束布置是从减小汽阻 减小过冷度 均匀各部分传热面积上的热负荷 即总体传热系数较高 的要求出发的 评定凝汽器优劣有5个指标 真空度 凝结水过冷度 凝结水含氧量 水阻及空冷区排出的汽气混合物的过冷度 空冷区出口的汽气混合物温度 也就是抽气器 或真空泵 的吸入温度 应比凝汽器进口平均压力所对应的饱和温度低4 16 或为平均压力所对应的饱和温度与冷却水入口温度差的25 该差值称为汽气混合物的过冷度 这一数值是通过凝汽器空气冷却区的合理设计实现的 第25页共37页 第四节抽气设备 抽气设备是凝汽设备的重要组成部分 其任务是在汽轮机组启动时建立真空以及在运行中抽除从真空系统不严密处漏入的空气和未凝结的蒸汽 以维持凝汽器的真空度 现在大型机组多使用机械式真空泵即包括离心式真空泵和水环式真空泵等形式 第26页共37页 为了凝结汽轮机的排汽 冷却汽轮机润滑油 发电机的氢气 以及其他工业 生活等用水 发电厂需要大量的冷却水 因此发电厂就需要供水设备及输送管道 从而组成发电厂的循环水系统 第五节凝汽设备及系统的运行 第27页共37页 一 凝汽器的脏污凝汽器的脏污一般指铜管污染 它分为汽侧污染和水侧污染 汽侧污染主要由于亚硫酸盐和石碳酸盐附着所致 但这个问题较小 可用80 90 热水冲洗掉 效果良好 水侧污染 无论采用开式循环系统或闭式循环系统 一般都存在着水中杂物堵管和铜管结垢两种影响凝汽器经济运行的问题 结垢又可分为以微生物为主的软垢和以碳酸钙为主的硬垢 凝汽器铜管结垢不但使热阻增大 且使凝汽器的通流面积减少 例如某凝汽器铜管结垢0 5mm时 它的热阻是清洗铜管后的28倍 又以 24 1铜管为例 当结垢0 5mm以后 通流面积约减少9 若结垢1 5mm时 则通流面积将减少25 左右 显然 这将使凝汽器水阻迅速上升 不管结垢或堵管 其结果都会恶化凝汽器的工况 使真空下降 这不仅浪费燃料 还威胁机组的安全运行 必须设法进行处理 而利用钢丝刷等机械清洗办法 都要大量劳力 同时长时间在腥臭闷热的凝汽器水室附近工作 对操作者的健康也是有害的 而且还需机组减负荷运行或停机 造成经济损失 因此采用胶球自动清洗凝汽器装置 既适应了电业生产的需要 也提高了劳动生产率 减轻了劳动强度 它是改善劳动条件的一项技术措施 二 凝汽器的脏污与清洗 第28页共37页 二 胶球清洗原理及经济效果1 胶球清洗原理软胶球是海绵状橡胶球 它的密度与冷却水相接近 其球径比铜管内径大1 2mm 质地柔软 它随冷却水进入铜管 并在水流的作用下 变成椭球形 如下图所示 它与铜管内壁有一整圈接触面 行进中即将管壁上的污垢抹下来 带出铜管外 由于是整圈的擦抹 也把停留在管壁上的静止水膜破坏 从而提高了管子的传热效果 2 胶球清洗凝汽器的经济效果 1 不停机 不减负荷清洗 保证机组的满发 2 改善劳动条件 节省劳动力 3 降低凝汽器的端差 提高真空度 4 节约燃料 5 保护铜管 延长寿命 沉积在铜管内壁上的氯化物与微生物会促使铜合金管的腐蚀 胶球能将它们清除 客观上也起了保护作用 胶球不但能清除正在积结的硬垢 使它不能附着在铜管内壁上 而且能减薄已生成的硬垢 甚至磨破硬垢使其开裂 第29页共37页 凝汽设备运行的好坏对汽轮机组运行的安全性与经济性有很大的影响 凝汽设备的运行主要是能保证达到 最有利真空 减少凝结水过冷度和 保证凝结水品质合格 1 凝汽设备的运行和监视凝汽设备运行时应对下列参数进行监视 1 凝汽器中的真空或排汽压力 2 凝汽器进口蒸汽温度 3 凝汽器出口凝结水温度 4 凝汽器冷却水进 出口温度 5 循环水泵的耗功 6 冷却水在凝汽器前后的压力 将运行的数据和设计时的数据 如凝汽器的特性曲线 作比较分析 以判断设备工作情况是否正常 若发现异常时 应根据现象找出原因 采取措施加以解决 凝汽器中的压力在正常情况下应为排汽温度所对应的饱和压力 三 凝汽设备的运行 第30页共37页 2 凝汽器凝结水过冷的监视及其消除经济性影响 冷却水额外带走热量所产生的冷源损失 要将凝结水加热到原来的温度就要多耗燃料 一般凝结水的过冷度每增加1 就相当于发电厂的燃料消耗量约增加0 1 0 15 安全性影响 造成溶解氧增加 使给水系统管道 低压加热器等设备受到氧腐蚀 运行中过冷度增大的主要原因及采取相应措施如下 1 凝汽器水位过高 在运行中凝汽器水位过高会使凝汽器下面部分铜管淹没 这样冷却水带走了凝结水的部分热量 使凝结水产生过冷 为防止这种现象 除运行人员多加注意 保持凝汽器水位在正常范围内之外 现代电厂都利用凝结水泵的汽蚀特性 采用低水位运行方式 这样可避免水位过高的现象 2 凝汽器内积存空气 在运行中由于真空系统不严密 空气漏入凝汽器中 凝汽器的汽侧充满了蒸汽和空气的混合气体 凝汽器中漏入的空气量越多 过冷现象就愈严重 因此在运行中要保持真空系统的严密性 并要维护好抽气设备 这样既能维持凝汽器的高度真空 也防止了凝结水的过冷 第31页共37页 3 凝结水质的监视为了防止热力设备结垢和腐蚀 必须经常通过化学分析对凝结水水质进行监督 对于超高压或亚临界机组 对给水的品质要求很严格 运行中凝结水水质不良的主要原因是冷却水漏到凝汽器的汽侧 若发现水质不合格 则应查出泄漏的管子并消除泄漏 在运行中若凝结水水质不合格 但硬度又不很高 可能是由于管板胀口不严 有轻微的泄漏所致 这时若停止凝汽器运行 不易找出泄漏处 电厂的应急做法是在循环水泵吸入口水中加锯木屑 木屑进入水室里 在泄漏处受到真空的吸引将 针孔 堵塞 便可维持硬度在合格范围内 运行中如果铜管腐蚀或由于振动铜管损坏 冷却水便会大量漏入凝结水中 这时