热力发电厂 课件 第五章 火力发电厂的冷端系统

04十一月20261第五章火力发电厂的冷端系统第一节

冷端系统的组成及其作用04十一月20262常识：提高汽轮机装置热经济性的主要途径提高汽轮机的相对内效率：减小汽轮机的各项级内损失、改善通流部分设计提高汽轮机的绝对内效率(循环热效率)：提高工质吸热平均温度、降低工质放热平均温度降低工质放热平均温度：与冷端系统有关04十一月20263

一、冷端系统的组成组成：汽轮机的低压部分、凝汽设备(水冷式凝汽器或空冷式凝汽器)、凝结水系统、抽气系统以及冷却水供应系统或空冷风机群等类型湿式冷却系统(湿冷系统)：占70%左右干式空气冷却系统(空冷系统)：用于缺水地区

二、冷端系统的作用建立并维持一定的真空：首要任务。思考1：如何建立真空？思考2：如何维持真空？凝结作用：带走排汽的汽化潜热除氧作用：火电实现初步除氧蓄水作用：汇集和储存凝结水、各种疏水、补充水等确保凝结水泵必要的吸水压头04十一月20264

三、凝汽设备的主要考核指标真空或真空度凝汽器真空：指汽轮机低压缸排汽端的真空值水冷式凝汽器：指距离汽轮机排汽口不超过610mm处(一般取300mm)测得的大气压力与该处蒸汽静压力值(即汽轮机的排汽压力)之差直接空冷凝汽器：指汽轮机出口平面或在距离出口平面±300mm范围内，且与汽流方向垂直的平面内测得的大气压力与该处蒸汽静压力值之差凝汽器真空度：指汽机低压缸排汽端真空占当地大气压的百分数凝结水过冷度：指汽轮机排汽压力对应的饱和温度与凝汽器热井中凝结水温度之差凝结水含氧量：取样点应在热井出口处凝汽器水阻：流动阻力、进出传热管束阻力、进出水室阻力空冷区排出的气-汽混合物的过冷度：气-汽混合物温度与凝汽器进口平均压力所对应饱和温度的差值04十一月20265第二节

火力发电厂的湿式冷却系统04十一月20266

一、湿式冷却系统的组成及其工作原理组成：由汽轮机低压缸排汽装置、表面式凝汽器、冷却塔、抽气设备、凝结水泵、循环水泵以及这些部件之间的连接管道等组成04十一月20267工作原理：排汽离开汽轮机1→进入表面式凝汽器2→由循环水泵4提供的循环水冷却工质→凝结→凝汽器内形成高度真空抽气设备6将漏入凝汽器内的空气不断抽出→维持真空凝结水泵5将凝汽器产生的凝结水→送入机组的凝结水系统

二、火力发电厂的供水系统04十一月20268火力发电厂用水设备及系统简介凝汽器的冷却水：最大，约占全厂供水量的95%左右冷却塔补充水工业冷却水：主要包括冷油器、发电机空冷器、转动机械轴承等冷却水锅炉（一般从凝汽器补入）补水除尘和通风用水生活和消防用水用水原则一水多用综合利用提高重复用水率，以降低全厂耗水量减少废水排放量，而且排水应符合排放标准废水予以适当处理后再重复利用04十一月20269(一)供水量的计算04十一月202610冷却倍率：单位时间内冷却1kg或1m3的蒸汽所需要的冷却水量汽轮机的排汽量冷却倍率冷却倍率m的一般数值(表5-1)常识：火电厂供水量主要取决于凝汽器的冷却水量，在冷却水最高计算温度下，冷却水量Dw应保证汽轮机排汽压力不超过满负荷运行的最高允许值冷却水量Dw的计算发电厂所在地区、季节及供水方式有关火力发电厂其它用水量的相对值(表5-2)04十一月202611常识：其它用水量有两种算法按实际情况计算按相对于冷却水量的多少进行估算，即以冷却汽轮机排汽的水量为100%计3.火力发电厂设计耗水指标GB50660-2011《大中型火力发电厂设计规范》规定为夏季纯凝工况、频率为10%的日平均气象条件、机组满负荷运行时单位装机容量的耗水量包括厂内生产、生活和未预见用水量不应包括厂外输水管道损失水量、供热机组外网损失、原水预处理系统和再生水深度处理系统的自用水量04十一月202612(二)水源及对供水系统的要求1.水源：要可靠，主要有三种江/河/湖泊水海水地下水2.对供水系统的要求保证不间断地供给足够的水量进入凝汽器的冷却水最高温度一般不应超过制造厂的规定值最大程度地清除冷却水中的杂质，以避免堵塞冷却设备为减少供水系统投资、运行和维护费用，厂区尽可能靠近水源04十一月202613(三)供水系统的选择组成：发电厂的供水系统由水源、取水设备、供水设备以及连接管道、阀门和附件组成类型：直流、循环和混合三种直流供水系统：指取水设备从水源取出水，经凝汽器等冷却设备吸热后，又直接通过管道或沟渠排至水源，也称为开式供水系统岸边水泵房直流供水系统中继水泵房直流供水系统：两个水泵房厂区水泵房直流供水系统常识：其水源是江、河、湖泊等自然水源04十一月2026142.循环供水系统概念：指冷却水经凝汽器或其它设备吸热后进入冷却设备(冷却塔、冷却池或喷水池)，将热量传给空气而本身温度降低后，再由循环水泵送回凝汽器重复使用的系统04十一月202615类型自然通风冷却塔：应用广泛烟塔合一冷却塔：新技术机械通风冷却塔：较少采用知识点存在蒸发、风吹、排污及渗漏损失补水量约为冷却水量的4-6%(1)自然通风冷却塔组成及作用：通风筒：双曲线型，作用是创造良好的空气动力条件，减少通风阻力，并将湿热空气排至大气，减少湿热空气回流人字形支柱：承担通风筒的动静载荷，冷空气由此进入塔筒配水系统：将温度较高的循环冷却水均匀分布于整个淋水填料面积上淋水填料：将循环冷却水溅散成细小的水滴或形成薄的水膜，增加水和空气的热交换程度。是水进行冷却的主要区域，60%～70%的温降发生在此区域除水器：将冷却塔排空气流中携带的水滴与空气分离、回收集水池：储存水，循环使用特点运行费用低、故障少、易于维护产生的飘滴和雾气团对周围环境的影响较小：为什么？04十一月202616水向空气散热的形式：接触散热：推动力是温度差，热交换量较大蒸发散热：推动力是分压差或含湿差，通过物质交换完成，即水分子不断扩散到空气中，占冷却塔内总热交换量的绝大部分辐射散热：辐射带走的热量很小，可以忽略不计04十一月202617影响循环水出塔水温的主要因素：气象条件(干球温度、相对湿度等)：空气相对湿度低，吸湿能力强，蒸发散热量大，冷却性能好填料性能：填料性能好，形成的水表面积大，气-水接触面积大，冷却性能好。应选择温降大、气流阻力小、价格便宜的填料环境风：试验表明，低风速区，影响很小；中风速区，有较大的不利影响；高风速区，从不利影响变为有利影响。理论尚待解决(2)烟塔合一冷却塔外置式：脱硫装置安装在冷却塔外，脱硫后的净烟气直接引入冷却塔内喷淋层的上部，如图5-4所示内置式：脱硫装置布置在冷却塔里，脱硫后的烟气直接从冷却塔顶部排放，如图5-5所示04十一月202618

三、水冷式凝汽器04十一月202619表面式凝汽器构造简图(图5-6)1.水冷凝汽器的分类按汽流方向划分汽流向下式：过冷度达10～15℃，热经济性很差，很少采用汽流向上式：过冷度很小，汽流阻力很大，很少采用汽流向心式：汽阻较小，除氧良好；管子热负荷不均，体积大汽流向侧式：过冷度很小，汽阻也不大，广泛应用04十一月202620按冷却水的流程划分单流程：冷却水在凝汽器传热管束内只流过一个单程就排出凝汽器，不再返回双流程：指冷却水在传热管束内经过一个往返再排出凝汽器多流程：04十一月202621按有无垂直隔板划分单一制：水室中无垂直隔板对分制：水室中有垂直隔板主要优点：凝汽器内脏污时，汽轮机不需要停机机组降低负荷后，可以一半清洗，另一半继续运行04十一月202622对分制凝汽器2.凝汽器压力pc的确定回顾：道尔顿定律：pc=ps+pa凝汽器主凝结区：pc≈psps决定于汽、水共存的热平衡温度凝汽器空气冷却区：ps显著低于pc，饱和温度明显下降04十一月202623结论：在凝汽器主凝结区，由于不凝结气体总量相对蒸汽量很小，因此，可以认为总压与蒸汽压力相等。凝汽器实际能达到的排汽温度：04十一月202624冷却水温升：∆t=tw2-tw1凝汽器端差：δt=ts-tw2凝汽器压力pc的近似计算式：Pa影响凝汽器内压力的三个因素冷却水进口温度tw1：与环境条件紧密相关，其次受冷却设备特性影响冷却水温升∆t：传热端差δt：04十一月2026253.凝汽器的最佳真空凝汽器真空的测量方法04十一月202626pc=133.3(B-H)Pa最佳真空：使汽轮机功率因真空提高所获得的增量与因冷却水量增加而引起的循环水泵耗功率增量之差(ΔP=ΔPt-ΔPp)为最大时的凝汽器真空，b点极限真空：c点对应的真空，达膨胀极限，余速损失增加最佳冷却水量：a点对应的冷却水量Dw,eco4.凝汽器的热力特性几个概念凝汽器热力特性：凝汽器压力pc随tw1、Dw、Dc变化而变化的规律，也称为凝汽器的变工况特性凝汽器热力特性曲线：pc与tw1、Dw、Dc之间的关系曲线凝汽器变工况：凝汽器偏离设计工况的运行工况04十一月202627凝汽器热力特性曲线2026/11/428凝汽器的设计压力pc

技术经济比较：↓pc，则ηi↑↓pc，凝汽器尺寸增加，影响汽轮机排汽口数量和尺寸，汽轮机低压缸部分复杂化最佳排汽压力蒸汽负荷率循环倍率排汽压力由4．9kPa降到2．94kPa时，蒸汽比体积增加60％凝汽器主要热力特性参数与燃料价格的关系

四、抽真空系统抽真空系统的作用：建立和维持汽轮机组的低背压和凝汽器的真空机组启动时，将一些汽水管道系统和设备中积聚的空气抽掉，以便加快启动速度机组正常运行时，将漏入凝汽器内的空气和其它不凝结气体连续不断地抽出，维持凝汽器真空和良好的传热汽轮机低压部分的轴封和低压加热器也是依靠抽气系统的正常工作才能建立相应的真空04十一月2026292.抽真空系统的类型抽真空设备：射汽抽气器射水抽气器真空泵类型射汽抽气器抽真空系统射水抽气器抽真空系统真空泵抽真空系统04十一月202630大型火电机组普遍采用(1)射汽抽气器抽真空系统工作过程：工作蒸汽在喷嘴中的膨胀加速过程工作蒸汽与汽气混合物在混合室中的混合过程汽气混合物在扩压管中的降速扩压过程04十一月202631系统流程：凝汽器内汽气混合物→第一级抽气器→中间冷却器→大部分蒸汽被凝结→第二级抽气器→冷却器→蒸汽冷凝→排入大气(2)射水抽气器抽真空系统系统流程：射水泵2→工作水升压→射水抽气器1→工作室内产生高度真空→将凝汽器5中的汽气混合物抽吸→工作室→与工作水混合扩压→排回到射水箱3→空气及不凝结气体排入大气04十一月202632工作原理：工作水进入水室1→喷嘴2→高速水流→周围形成高度真空汽气混合物被吸入吸水室3→与工作水相混合→部分蒸汽在工作水表面凝结进入喷嘴管4及喉部5进一步混合→排水管排出(3)真空泵抽真空系统工作流程：凝汽器内的汽气混合物由气体吸入口1吸入→气动蝶阀2→沿泵抽气管3→水环式真空泵5→水和气体的混合物→泵的出口管9→气水分离器8分离后的气体→气体排出口10→排入大气分离出的水与来自水位调节器11的补充水12→进入冷却器13冷却后的水分为两路：一路→泵体→作为补充水，使水环保持稳定而不超温另一路→经节流孔板4→真空泵抽气管，使即将进入真空泵的气体中所携带的蒸汽冷却凝结下来，以提高真空泵的抽吸能力冷却器的冷却水：取自闭式或开式冷却水系统分离器高水位溢水、真空泵和冷却器停用时的放水排入地沟04十一月202633水环式真空泵特点：叶轮被偏心地安装在泵体中工作之前，需要向泵内注入一定量的水作为工作介质叶轮在电机驱动下转动时，泵体内的水会在离心力的作用下形成一个近似于泵腔形状的等厚度的封闭水环04十一月202634组成：包括叶轮(叶片和轮毂构成)、泵体、吸排气盘、水在泵体内壁形成的水环、吸气口、排气口以及辅助排气阀等1000MW机组的抽真空系统示例水环真空泵工作原理：叶轮沿箭头方向旋转：水在离心力作用下形成近似于泵体同心的旋转水环，其内表面与叶轮轮毂之间形成月牙形空间，并且由水环内表面、叶片与叶轮两端的侧板(吸排气盘)构成若干个小的封闭空间04十一月202635后半转(由C点转到A点)：相应的容腔由大变小，压力升高，使原先吸入的气体受到压缩，当压力达到或略大于大气压力时，通过分配器将气体排出泵的连续运转过程：不断地进行着吸气、膨胀和压缩、排气过程，从而达到连续抽气的目的前半转(由A点转到B点)：在水活塞的作用下，两相邻叶片之间所包围的容腔逐渐增大，压力逐渐降低，通过分配器吸入气体

五、胶球自动清洗系统组成：包括胶球泵、加球室、二次滤网、反冲洗蝶阀、注球管、胶球(密度与水相近，内径比管束大1～2mm)、收球网、阀门及相应的管道工作原理：胶球送入凝汽器水室：水流压力略高于循环水压力去污：胶球行进过程中与管壁接触，抹去管壁上的污垢收球：胶球流出管口时依靠自身的弹力，恢复原状，弹掉表面污垢，并随循环水流入收球网，然后被胶球泵重新送入凝汽器胶球投放数量：清洗管子数的10%～20%，1～2min内清洗一次。硬垢的处理：胶球表面粘结30目以下碳化硅(金刚砂)→易损伤管子表面保护膜解决措施：采用高分子材料制成的胶球04十一月202636第三节

火力发电厂的空气冷却系统04十一月202637常识：空冷系统有两种直接空冷系统：应用广泛间接空冷系统混合式凝汽器间接空冷系统(海勒式间接空冷系统)表面式凝汽器间接空冷系统(哈蒙式间接空冷系统)

一、直接空冷系统主要包括汽轮机排汽管道、蒸汽分配管及空冷凝汽器(顺流和逆流散热器)、轴流冷却风机、抽真空系统、凝结水箱和凝结水泵等04十一月202638(一)

直接空冷系统的组成1.排汽管道组成：包括连接汽轮机低压缸出口到空冷凝汽器蒸汽分配管之间的管道、补偿器、相关的隔断阀、安全阀、爆破膜和疏水管道等要求：密封性好，阻力要小特点：直径较大多功能排汽装置：把湿冷机组冷凝器改造成空冷机组的排汽装置04十一月202639A区：汽轮机排汽通道B区：凝结水加热除氧区B区下部：深度除氧区工作原理水从B区上部喷淋管3向下喷淋被来自A区逆流而上的排汽加热分离出来的氧气和剩余的蒸汽流向B区顶部，由真空泵5抽走2.空冷凝汽器：多个空冷单元组成空冷单元：整体布置为人字形斜顶式，两个斜边布置散热管束，底边布置轴流风机主凝汽器：汽水顺流式，为主体，凝结75%～80%的排汽辅凝汽器：汽水逆流式，抽气区，排出系统内的空气和不凝结气体04十一月2026402026/11/4413.抽真空系统作用和原理：同湿冷系统的抽真空系统直接空冷机组：多采用水环式真空泵，三台100%容量的真空泵启动时：三台泵全部投运正常运行时：保持1～2台泵运4.凝结水收集系统系统流程：排汽经空冷凝汽器冷却成凝结水后→空冷凝汽器散热管束下方的凝结水收集管→凝结水箱→由凝结水泵送入凝结水精处理装置→机组回热系统04十一月202642(二)直接空冷系统的特点节水：70%左右机组运行背压高，且变化幅度大：运行背压7kPa～50kPa真空系统庞大厂用电耗大空冷凝汽器的性能受环境风的影响较大运行调节比较灵活空冷凝汽器冬季容易发生冻结管束积灰严重凝结水温度较高，杂质含量增加04十一月202643我国300MW及以上燃煤火电机组的综合耗水率(表5-4)序号项

目冷却方式综合耗水率(kg/kWh)机组型式机组名称实际值平均值1湿冷机组1000MW超超临界闭式循环2.111.963600MW超超临界闭式循环1.869600MW级超临界闭式循环1.856600MW级亚临界闭式循环1.9665300MW级亚临界闭式循环2.032空冷机组1000MW超临界直接空冷0.230.3075600MW级超临界直接空冷0.38600MW级亚临界直接空冷0.29300MW级亚临界直接空冷0.3304十一月202644(三)直接空冷凝汽器的热力计算常识：有两种计算方法平均温压法传热单元数法(

-NTU)：

多采用04十一月2026451.空冷凝汽器的换热过程冷源：空气，在散热器翅片管外侧流过热介质：饱和蒸汽，管内流动2.传热单元数与散热器效能的概念传热单元数NTU实质：是反映冷热流体间换热过程难易程度的参数，是一个无量纲量定义：为流体中热容量较小流体(如空气)的温度变化∆ta与传热平均温差∆tm之比，以NTU表示计算公式04十一月202646知识点：NTU是反映散热器综合技术经济性能的指标，表征散热器换热能力的大小A和K分别反映空冷凝汽器的初投资和运行费用空冷散热器效能ε定义：指空冷散热器的实际散热量Qr与最大散热量Qmax之比，也称之为空气温升率04十一月202647计算公式：空冷凝汽器换热量Q：说明：初始温差：ITD=

ts-ta1，

℃ta1为环境温度；ta2为凝汽器出口空气温度；ts为进口蒸汽温度，℃3.

-NTU法的计算步骤传热方程：04十一月202648热平衡方程：蒸汽凝结放热量：空气的吸热量Qa：空气密度：传热平均温差：(5-12)(5-13)(5-14)其中小常识：设计计算：给定Gccs、Gaca及ts、tc、ta1、ta2中的三个，最终求得KA校核计算：给定的是KA、Gccs、Gaca及ts、ta1，待求解的是tc、ta2空冷凝汽器的换热过程：属于一侧有相变的换热水当量：流量G与比热c的乘积，Gccs、Gaca04十一月202649(1)设计计算步骤根据冷热流体进出口温度，计算散热器效能ε和水当量比R04十一月202650根据ε和R，由ε-NTU曲线(图5-30和图5-31)查得NTU值计算传热总面积A：根据式(5-10)(2)校核计算步骤计算传热系数K：给定冷热流体的进口温度，假定的出口温度计算NTU和R：公式同前计算ε：按照流体的流动型式，查相应线算图，得与NTU和R对应的ε值计算换热量Q：式(5-11a)计算冷、热流体的出口温度：式(5-13)和式(5-14)04十一月2026514.变工况计算目的：探求汽轮机排汽量、环境温度和迎面风速的变化对汽轮机背压、发电标准煤耗率的影响规律，确定空冷凝汽器在变工况下的合理运行方式04十一月202652(1)空冷凝汽器的饱和温度和饱和压力小知识：冷空气在散热器翅片管外侧流过时，将管内饱和蒸汽冷凝，该过程为有相变的换热，其水当量比R=0饱和温度：饱和压力：(2)直接空冷机组排汽压力的计算排汽压损

p：包括排汽管、蒸汽分配管、顺/逆流管束的压降，kPa04十一月202653(3)直接空冷凝汽器的特性曲线根据变工况计算模型，计算出不同风机转速、环境温度和排汽量下直接空冷凝汽器的排汽压力绘制直接空冷凝汽器的特性曲线常识：风机转速越低，排汽量(或负荷)对排汽压力的影响越大

二、间接空冷系统系统组成：主要包括混合式凝汽器、带百叶窗的冷却三角散热器、干式冷却塔、循环水泵及水轮机等04十一月202654(一)海勒式间接空冷系统：混合式喷射式凝汽器2.系统工作原理排汽在喷射式凝汽器中与喷射成水膜的循环冷却水直接接触凝结凝结水与冷却水混合后，汇集于凝汽器底部热井约2%～5%的混合水用凝结水泵送至精处理装置处理后，送回汽轮机回热系统其余部分返回干式冷却塔，构成闭路循环水系统常识：喷射式凝汽器不是借助金属表面进行热交换，而是通过两种流体的混合进行热交换，换热效果好04十一月2026553.系统特点优点：以微正压的低压水系统运行，较易掌握，可与中背压汽轮机配套冷却水系统消耗动力小，厂用电耗少，占地面积中等缺点：铝制空冷散热器耐冲洗、耐抗冻性能差空冷散热器在塔外布置，易受大风影响其带负荷能力设备系统较复杂一般适用于气候温和、无大风、带基本负荷的发电厂04十一月2026564.变工况计算凝汽器热平衡方程：04十一月202657散热器热平衡方程：传热方程：常识：

tmin是(tw2-ta2)与(tw1-ta1)较小者，

tmax是(tw2-ta2)与(tw1-ta1)较大者凝汽器压力：(二)哈蒙式间接空冷系统：表面式系统组成：包括表面式凝汽器、自然通风干式冷却塔、空冷散热器、循环水泵等04十一月2026582.系统工作原理排汽在表面式凝汽器中被循环冷却水冷却而凝结凝结水汇集于凝汽器底部热井，被凝结水泵送回汽轮机回热系统循环冷却水送至自然通风干式冷却塔，在空冷散热器中与环境空