汽轮机原理第四章.ppt

第四章汽轮机的凝汽设备,主讲：张利平,第四章汽轮机的凝汽设备,第一节凝汽设备的工作原理、任务和类型第二节凝汽器的真空与传热第三节凝汽器的管束布置与真空除氧第四节抽气器第五节凝汽器的变工况第六节多压式凝汽器,第一节凝汽设备的工作原理、任务和类型,一、凝汽设备的工作原理与任务凝汽设备在汽轮机装置的热力循环中起着冷源的作用，降低汽轮机排汽压力和排汽温度可以提高循环热效率。以水为冷却介质的凝汽设备，由凝汽器、抽汽器、循环水泵和凝结水泵以及它们之间的连接管道、阀门和附件等组成，最简单的凝汽设备示意图如下图所示。汽轮机的排汽进入凝汽器1，循环水泵2不断的把冷却水打入凝汽器，吸收蒸汽凝结放出的能量，蒸汽被冷却并凝结为水。凝结水由凝结水泵3抽走。凝汽器内压力很低，比较容易漏入空气，空气将阻碍传热因此用抽汽器4不断的将空气抽走。,凝汽设备简图,返回,1、是在汽轮机的排汽管内建立并维持高度真空；2、是供应洁净的凝结水作为锅炉给水。给水不洁净将使锅炉结垢和腐蚀，使新汽夹带盐分，此盐分在汽轮机通流部分积盐垢，影响电厂的安全经济运行。凝汽器内为什么会形成真空？这是因为凝汽器内的蒸汽凝结空间是汽水两相共存的，其压力是蒸汽凝结温度下的饱和压力。只要冷却水温不高，在正常情况下蒸汽凝结温度也就不高，如30左右的蒸汽凝结温度所对应得饱和压力约只有4-5kPa，大大低于大气压力，就形成了高度真空。,凝汽设备的任务,二、凝汽器的类型,现在电站使用的凝汽器主要是以水为冷却介质和表面式凝汽器。在缺水地区和列车电站上，可用空气凝汽器。1空气凝汽器汽轮机排汽进入热交换器冷却凝结，热交换器一般用具有鳍状散热片的管束组成，蒸汽进入管束内侧，空气在管外流过，为了加强冷却，可用风扇机力通风，由于空气传热系数极低，所以冷却表面积很大，整个凝汽器的体积庞大，无法放在汽轮机下部，常不得不远离汽轮机放在户外，因此汽轮机粗大的排汽管道很长，金属耗量和流动阻力都很大。,2表面式凝汽器表面式凝汽器在火电站和核电站中应用广泛。凝汽器的传热面分为主凝结区和空气冷却区两部分，这两部分之间用挡板隔开。空气冷却区的面积约占凝汽器总面积的5%10%。蒸汽刚进入凝汽器时，所含空气量不到万分之一，凝汽器总压力可以用蒸汽分压力代替。蒸汽在主凝结区大量凝结，但空气不能凝结，到达空气冷却区入口时，蒸汽流量以大为减小，而空气流量未变。剩下的蒸汽和空气混合物进入空冷区，蒸汽继续凝结，到空气抽出口处，蒸汽和空气的质量流量已是同一数量级，这时蒸汽分压力才明显减小，所对应的饱和温度也才降低，空气和很少量的蒸汽才会得到冷却。空气被冷却后，容积流量减小，抽汽器负荷减小，抽气效果才好。,水阻,凝汽器给冷却水的阻力称为水阻。它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）等三部分组成。水阻越大，循环水泵的耗功越大，故应减少之。双流程凝汽器的水阻较大约4978kPa，单流程水阻较小。,第二节凝汽器的真空与传热,一、凝汽器内压力Pc的确定此次图4.2.1中曲线一表示凝汽器内蒸汽凝结温度t的变化,t在主凝结区基本不变，在空冷区下降较多。曲线二表示冷却水由进口处的温度t逐渐吸热上升到出口处的温度t，冷却水温升t=tt。冷却水的进水侧温度较低，与蒸汽的传热温差较大，单位面积的热负荷较大，故此处冷却水温上升较快。t与t之差成为凝汽器端差，以t表示，t=tt。主凝结区的蒸汽凝结温度为t=t+t+t（4.2.1）在主凝结区，总压力p与蒸汽分压力p相差甚微，p可以用p代替。由上式算出t后就可求出t所对应的饱和压力p。上式是确定凝汽器内压力p的理论基础。,返回,影响凝汽器内压力的三个方面因素,1冷却水进口温度tt主要决定于电站所在地的气候和季节。冬季t较低，t也低，真空高；夏季t高，t也高，真空低。用冷水塔或喷水池时，t还决定于冷却塔或喷水池的冷却效果。2。冷却水温tt由凝汽器热平衡方程是求得：Q=1000D（hh）=1000D（hh）=4187Dt式中Q凝汽器的传热量，；D，D进入凝汽器的蒸汽量与冷却水量，h，h凝汽器中的蒸汽比焓和凝结水比焓，h，h冷却水流出和进入凝汽器的比焓。有上式得t=,式中，m=，称为冷却器的冷却倍率或循环倍率，它表明冷却水量是被凝结蒸汽量的多少倍。m越大，t越小，真空越高。但m越大时循环水泵及电动机容量越大，循环水管越粗，末级叶片因排汽比容增大而增大，电站投资增加，故设计时恰当的m值应在汽轮机组的“冷端最佳参数选择”任务中决定。一般m在50120之间，厂址和江河水面高差小时，取较大m值，这是循环水泵耗功增加不少，而提高真空较多。t=可见t主要决定于循环倍率m，或者说当D一定时，主要决定于冷却水量D。D减少，t增大，真空降低。D主要决定于循环水泵容量和启动台数。然而冷却水量D也可能由于其他的原因而减少，例如，凝汽器被管板杂草、木块、小鱼等堵塞；冷却水管内侧结垢，流动阻力增大；循环水泵局部故障；循环水吸水井水位太低，吸不上时，都可能使冷却水量减少，引起真空降低。,3凝汽器传热端差t计算t的公式可由传热方程等公式推导求得：Q=KAtK凝汽器的总体传热系数，t蒸汽和冷却水之间的对数平均传热温差。最终求得：t=可见，传热端差t与A、K、Q、D有关。设计时，Q一定，D主要根据m决定，K只能按经验数值取定，因此只有增大A，才能减小t。增大A需要增大投资，故也要在汽轮机“冷端最佳参数选择”任务中决定。K越大，t越小，t越小，真空越高。凡影响K的因素，都将影响t，从而也将影响t与p。,凝汽器的空气来源,凝汽器的空气来源有二：一是由新蒸汽带入汽轮机的，由于锅炉给水经过除氧，这项来源极少；二是出于真空状态下的低压各级与相应的回热系统、排汽缸、凝汽设备等的不严密处漏入的，这是空气的主要来源。凝结水温低于凝汽器入口蒸汽温度这一现象称为过冷现象，所低的度数称为过冷度。,导致凝汽器运行中凝结水过冷的正常原因,管子外表蒸汽分压低于管束之间平均蒸汽分压，使蒸汽凝结温度t低于管束之间混合气流温度。管子外表面的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，因而使水膜平均温度（t+t）/2低于水膜外表面的蒸汽凝结温度t。仅这两项就使凝结水的固有过冷度达到2.8左右。汽阻使管束内层压力降低，也使凝结温度t降低。,产生过冷度的不正常原因有：,1）冷却水管束排列不合理；2）漏入空气多或抽气器工作不正常，使空气分压增大；3）凝结水水位过高，淹没冷却水管，使凝结水被进一步冷却。当漏入空气增多或抽气器失常时，非但真空降低还将使过冷度增大；若只是冷却水减少，则只使真空降低，不会使过冷度增大。可用这两条来判断真空下降的原因。若是真空下降，又伴随过冷度增大，可从空气量增多方面查找原因；若真空下降并未伴随过冷度增大，可在冷却水量减少方面查找原因。,凝汽器的传热,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K=R凝汽器总热阻；R蒸汽空气混合物向冷却水管外壁放热的热阻，R=1/a；a蒸汽空气混合物向冷却水管外壁放热的放热系数；R管壁本身热阻，R=，是管壁厚度，是管壁导热系数；R管内壁到冷却水放热热阻；a水侧放热系数。,第三节凝汽器的管束布置和真空除氧,1、冷却水管在凝汽器管板上的基本排列方法有三种：三角形排列法；正方形排列法；辐向排列法。2、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的要求出发的。评定凝汽器优劣有五个指标：真空凝结水过冷度凝结水含氧量水阻空冷区排出的汽气混合物的过冷度,返回,管束布置一般遵循下面七条原则：,1、蒸汽刚进入第一排管束时流量最大，通汽面积突变，总汽阻力颇大一部分在第一排。为了减小汽阻，应把最初几排管子排的较稀，或开进汽侧通气道，或用多区域向心式布置等方法增大进汽周界，使第一排管束出的气流速度不大于50m/s。2、随着蒸汽的凝结，管束内层的热负荷必然减小，进汽侧应有蒸汽通道深入管束内层，以便提高管束内层的热负荷。3、为了减小汽阻，蒸汽空气混合物向抽气口运动的途径应短而直，可在管束进汽侧和出汽侧都开相应的气流通道，且要求沿气流流动方向的管子排数不宜过多。4、应力求避免刚进入管束的蒸汽与来自管束其他部分含空气较多的蒸汽混合而降低传热系数；应防止蒸汽不经过主管束直接进入空气冷却区二增大空冷区负荷；应防止蒸汽空气混合物不经过空冷区而直接到达抽气口，增大抽气负荷。为此可设挡汽板或靠管束布置来达到要求。,5、管束之间或两侧应由适当的蒸汽通道，以便刚进入凝汽器的蒸汽到达底部加热凝结水，减小过冷度。6、应有空气冷却蒸汽空气混合物，以增大排出的蒸汽空气混合物的过冷度，减少工质损失，降低抽气负荷。7、为了避免从上部管束流下来的凝结水落在下部管束外侧别冷却，在管束之间可设置凝结水挡板，挡板的位置和方向应符合汽流流动规律，以减少汽阻。,二、真空除氧,凝结水含氧量大是导致铜管腐蚀、凝结水系统管道阀门腐蚀严重以致降低设备寿命的重要原因，故凝汽器多设有真空除氧装置。凝结水含氧量少是评价凝汽器的五个重要指标之一。国外为了降低电站投资，克服布置困难，趋于不设除氧器，只靠真空除氧。,第四节抽气器,概述抽气器的作用是抽出凝汽器内不能凝结的气体，以保持凝汽器的真空和传热良好。抽气器的实质上起压气机的作用，它将蒸汽空气混合物从很低的压力压缩到略高于大气压，以排入大气。抽气器的增压比一般为1540。国内电站中的小型机组上一般采用射汽抽气器；大型单元再热机组上一般用射水抽气器；近几年来开始应用水环式真空泵。,返回,一射汽抽气器,射汽抽气器由工作喷嘴、外壳和扩压管组成。工作蒸汽进入喷嘴，喷嘴中的高速气流在混合室中与周围气体分子产生动量交换，夹带气体分子前进，使周围形成真空。外壳的入口与凝汽器抽气口相连，蒸汽空气混和物不断的被吸入混合室进入扩压管。在这里气流动能转化为压力能，速度降低，压力升高。蒸汽空气混合物最终排入大气。,二.射水抽气器,射水抽气器结构简单，工作可靠，启动运行方面。通常需专设工作水泵，工作水量较大。被抽出的混合气体中蒸汽含量较大，不能回收，工质损失较多，但不像射汽抽气器需要考虑工作蒸汽来源。适用于滑参数启动和滑压运行的单元制再热机组。工作水温t升高的原因有二：一是射水泵的耗功由于工作水与管壁及水分子之间的摩擦和碰撞而绝大部分转变成热能，加热工作水；二是从凝汽器抽出来的汽气混合物中的蒸汽在工作水流表面凝结时所放出的大量汽化潜热以及空气所含的很少量热量。随着工作水温t的不断升高，射水抽气器抽气压力p升高，将使凝汽器真空降低。所以射水抽气器运行时必须监视工作水温的变化，定期的或连续的溢出高温工作水，补充低温工作水，防止工作水温过高。,第五节凝汽器的变工况,一、主要因素改变对凝汽器压力的影响D、D、t是决定凝汽器压力的主要因素，这些因素改变时，和将改变，从而使t和凝汽器压力改变。1变工况下的变化规律变工况下的变化规律可用下式表示：由于（）变化很小，可近似看作常数，故当D不变时，a是常数。也就是说，D不变时，正比与D。D改变后，a也变了，在新的D下，算出新的a，确定和D的新的比例关系。,返回,2、变工况下的变化规律当D不变时，a为常数，凝汽器已制造好，A不变。若K也不变，则与D成正比，也就是与d成正比，试验证明，当凝汽器负荷下降不大时，漏入空气量不变，确实与D成正比，当蒸汽负荷下降较多时，汽轮机处于真空下的级数增多，凝汽器真空提高，漏入的空气量增大，K减小，增大，D减小使减小。两