1、1,汽轮机原理 Principle of Steam Turbine,2014.10,陈艳容,2,第四章 汽轮机的凝汽系统及设备,第一节 凝汽系统的工作原理 第二节 凝气系统 第三节 凝汽器 第四节 抽气器,3,现代火电厂绝大部分是用凝汽式汽轮机发电。因此，都具备凝汽系统及设备。凝汽设备工作好坏，对火电厂的经济性影响很大。一. 凝汽设备的工作原理1. 为什要采用凝气系统？ 根据汽轮发电机组的热效率进行分析 其 中 ， -整机理想焓降； -蒸汽初焓； ( - ) -为每kg蒸汽在锅炉中的吸热量。 排汽焓； 给水焓。,第一节 凝汽系统的工作原理,4,一次中间再热机组蒸汽动力循环,给水,过热蒸汽,排
2、汽,凝结水,第一节 凝汽系统的工作原理,高压缸排汽,再热蒸汽,饱和蒸汽,再热器,5,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。,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）。,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，体积突然缩小而形成真空。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。,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。,第一节 凝汽设备的工作原理和任务,6,6
3、,第一节 凝汽设备的工作原理和任务,汽轮机排汽压力变化对机组热经济性的影响,以东方汽轮机厂N300-16.67/537/537机组为例Pc = 101kPa t = 37.12%Pc = 5.0kPa t = 45.55%如机组设计排汽压力为5kPa，若由于运行不善排汽压力升高1kPa，则机组热耗将增加1%。,如设计煤耗为330g/kWh，排汽压力升高1kPa, 使煤耗增加3.3g/kWh，按年平均运行小时按6000小时计，每年多耗煤：6000301043.3/106=5940t标煤（450元/吨，267万元）,7,2. 凝气主要任务： (1）在汽轮机的末级排汽口建立并维持高度真空，即降低排汽
4、焓值，提高理想焓降，使蒸汽中较多的热能转变为机械能。提高循环热效率！ (2）将蒸汽凝结成水，并将凝结水回收到锅炉作为给水。 (3）起到真空除氧的作用，利用热力除氧原理除去凝结水中的溶解气体，从而提高凝结水的品质，防止热力系统低压回路管道、阀门等腐蚀。,第一节 凝汽系统的工作原理,一. 凝汽设备的工作原理,热水井真空除氧装置：大功率汽轮机凝汽器的热水井中均设有除氧装置。蒸汽直接与凝结水接触，将凝结水加热到与该处压力相对应的饱和温度，凝结水中溶解的气体大为减少。,8,8,3. 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
5、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 pc = 0.002940.00686MPa(0.030.07ata)，通常取0.005MPa,第一节 凝汽设备的工作原理和任务,9,二. 凝汽系统及主要设备：1. 凝汽设备原则性系统图其主要设备有凝汽器、凝结水泵、抽气器、循环水泵等。 （1）汽轮机； （2）发电机； （3）凝汽器：使排汽在凝汽器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
6、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。,第一节 凝汽设备的工作原理,END 11,10,凝汽器,凝结水泵,循环水泵,汽轮机,抽汽器,冷却塔,发电机,凝汽设备的工作过程,11,水冷凝气系统以水为冷却介质，按供水方式的不同，分为： （1）开式系统开式系统采用的是直流供水方式。供水来自江、河、湖、海等天然水源，排水仍排回其中。（2）闭式系统闭式系统采用的是循环供水方式。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
7、池）循环使用。,一. 水冷凝汽系统,第二节 凝汽系统,凝气系统按冷却介质的不同分为 水冷凝汽系统 和空冷凝气系统。,直流供水系统比较简单，投资少，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。,12,空冷凝气系统以空气为冷却介质，分为：直接空冷凝汽系统和间接空冷凝汽系统 （1）直接空冷凝汽系统汽轮机的排汽送到空冷凝汽器的翅片管束中直接凝结成水。冷空气通过风机的输送，在翅片管束外侧流动，利用强制通风将管内流动的汽轮机排汽冷却，凝结。凝结水由凝结水泵送至回热系统,作为锅炉给水重复使用。,缺点：由于空气传热系数小、则要求冷却面积
8、大。因此，空气直接冷却式凝汽器体积庞大，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，容易泄露。采用强制通风，增加厂用电及环境噪声。,二. 空冷凝汽系统,第二节 凝汽系统,翅片管束,风机,优点：不需要冷却水，适合于严重缺水区域使用；传热温差大，可获得较低的排汽压力,13,（2）间接空气冷却系统,二. 空气冷却式凝汽系统,优点: 凝汽器体积小，设备投资省。,主要设备：混合式凝汽器、凝结水泵、循环水泵、空气冷却器等。汽轮机来的排汽进入混合式凝汽器后，与从空气冷却器来的冷却水混合凝结为凝结水，凝汽器出来的混合水流，一小部分（约3%）作为锅炉的给水，其余大部份经循环水泵打入空气冷却
9、器，构成一个封闭型间接空冷凝汽系统。,第二节 凝汽系统,缺点: 系统复杂、设备多，布置也比较困难。,冷却水,3%,排汽和冷却水混合凝结为凝结水,混合式凝汽器,14,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是使排汽与冷却水直接混合接触而使蒸汽凝结。 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。,特点: 这种凝汽器结构简单，冷却效果好，制造成本低。,缺点: 凝结水与不清洁的冷却水混合后，不能作为锅炉给水。因此： 现代汽轮机组很少直接采
10、用混合式凝汽器。,15,二. 表面式凝汽器 在表面式凝汽器内，冷却工质与蒸汽由冷却表面隔开。表面式凝汽器能保持凝结水的洁净，因此现代汽轮机组普遍采用表面式凝汽器。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。 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水冷却凝汽器。,第三节 凝汽器,管束内是冷却水,管束外是排汽,16,1. 表面式凝汽器的结构 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（
11、汽侧 ） 和冷却水空间（ 水 侧 ） 。,第三节 凝汽器,二. 表面式凝汽器,17,2. 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 。,第三节 凝汽器,二. 表面式凝汽器,进口,出口,冷却水,18,3. 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。,第三节 凝汽器,二. 表面式凝汽器,19,4. 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
12、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。,第三节 凝汽器,二. 表面式凝汽器,20,第三节 凝汽器,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=11220，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 。,21,二. 表面式凝汽器,第二节 凝汽器,几个基本概念,凝汽器真空：当地大气压与凝汽器内绝对压力的差值。,凝汽器汽阻：蒸汽在凝汽器汽侧流动时的阻力称为汽阻。凝汽器蒸
13、汽入口压力pc与抽汽口处压力pc差值，pc= pc- pc,凝汽器水阻：凝汽器冷却水入口压力与冷却水出口压力差值。,22,23,24,（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。 3、蒸汽在凝器内的凝结过程可分为珠状凝结和膜状凝结两种。,第三节 凝汽器,三、凝汽内蒸汽的凝结过程,25,（二）影响凝汽器内蒸汽凝结过程的因素 1. 凝
14、汽器内冷却水管的布置排列方式；常见的三种排列方式如下。,第三节 凝汽器,三、凝汽内蒸汽的凝结过程,三角形排列 换热效果好，布置紧凑但汽阻大,正方形排列 布置稀疏，汽阻小但换热效果差,辐向排列 介于两者之间,由于汽阻的存在，使凝汽器喉部的蒸汽压力高于空气抽出口的压力。汽阻大时，会导致凝汽器喉部真空降低。此外，汽阻的存在还会引起凝结水的过冷却和抽气器功耗的增大。,26,（二）影响凝汽器内蒸汽凝结过程的因素 1、凝汽器内冷却水管的布置排列方式； 2、凝汽器内蒸汽的流动速度；当蒸汽流动速度增高时，蒸汽的凝结传热系数增大。 3、凝汽器内的空气含量。,第三节 凝汽器,三、凝汽内蒸汽的凝结过程,27,（三）
15、 进入凝汽器的空气量和空气分压 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； （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 = 5。 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。K1为评定的严密等级系数：K1=1为优，K1=2为良好，K1=3为中等。,第三节 凝汽器,28,2. 蒸汽与空气分压由于空
16、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 ，其中，x为蒸汽干度。实际上，在凝汽器中的大部分区域，蒸汽占绝大多数，空气含量很小。在正常情况下， ， 这 样 ， 凝汽器内不凝结的气体份额很小，当有99%蒸汽凝结，即x=0.01，这样，由上式可得ps=0.99382pc。 蒸汽分压占主导地位，凝汽器的压力决定于蒸汽温度。 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。,第三节 凝汽器,29,（四） 空气漏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
17、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。,第三节 凝汽器,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。,凝结水的过冷度: 排气压力下的饱和水温度与凝结水实际温度的差值。,30,（五） 总体传热系数的确定,第三节 凝汽器,31,（五） 总体传热系数的确定,第三节 凝汽器,全苏热工研究院公式,32,四. 凝汽器内压力的确定,第二节 凝汽器,凝汽器汽侧空间多组分介质共存,蒸汽,不凝结气体：,原蒸汽中夹带
18、（很少）+真空系统不严密漏入系统的空气,凝汽器空间：汽侧空间+水侧空间,凝汽器压力：汽侧空间压力,33,四. 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。凝汽器内压力pc 可根据相应的饱和温度求得，而排汽温度可表示为：ts = tw1+ t + t tw1-冷却水的进口温度；t-冷却水的温升；t-传热端差。 t-凝汽器压力对应的饱和温度与冷却水出口水温的差值。只要求得了温度ts之值，就可以从水蒸汽表中查得相对应的压力pc。,第三节
19、 凝汽器,34,四. 凝汽器内压力的确定,第三节 凝汽器,凝汽器内蒸汽凝结温度ts的变化, ts在主凝结区沿AC基本不变，只有在空冷区，由于蒸汽分压ps明显低于凝汽器压力pc, ts明显下降。,凝汽器中蒸汽和冷却水的温度沿冷却表面积AC的变化,冷却水沿着冷却表面积从进口温度tw1逐渐吸热到出口温度tw2的变化过程,35,四. 凝汽器内压力的确定 凝汽器内压力pc 可根据相应的饱和温度求得，而排汽温度可表示为：ts = tw1+ t + t tw1-冷却水的进口温度；t-冷却水的温升；t-传热端差。 只要求得了温度ts之值，就可以从水蒸汽表中查得相对应的压力pc。,第三节 凝汽器,影响凝汽器压力
20、pc的主要因素：1.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。,36,2. 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 ， 上 二 式 中 ， - 进入凝汽器的凝汽量（kg/h)； - 进入凝汽器的冷却水量（kg/h)；-排汽焓值和凝结水焓值（kJ/kg)；,第三节 凝汽器,37,（2）冷却倍率 m= / 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，冷却水泵功率大。故m值大小要通过经济技术
21、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。 每1kg蒸汽在凝结时所放出的潜热，约2180kJ/kg，变化很小,则有：,第三节 凝汽器,38,3、传热端差,第三节 凝汽器,传热端差随着冷却水量Dw的减少有所减少，但冷却水温升和传热端差之和（t + t ）是增大的。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 =3 10 。 对 于 单 流 程 凝 汽 器 ， 取 =( 7 9 ) ，对 于 多 流 程 凝 汽 器 ， 取 = ( 4.5 6.5 ) 。,39,4、凝汽器的极限
22、真空和最佳真空,提高真空后所增加的汽轮机功率PT与为提高真空使循环水泵PP多消耗的厂用电之差达到最大时的真空值称为最佳真空 凝汽器的极限真空就是指使汽轮机做功达到最大值的排汽压力所对应的真空。,第三节 凝汽器,40,5、评定凝汽器优劣有五个指标,第三节 凝汽器,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。,凝汽器中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）三部分组成。水阻越大，循环水泵的耗功越大。单 流程凝汽器的水阻较小，双流程凝汽器的水阻较大，约为49 - 78kPa
23、。,41,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。在大型汽轮机组具有两个及以上低压排汽口时，对应着低压排汽口，将凝汽器汽侧按冷却水流向分成几个独立的汽室，冷却水依次流过各汽室，每个汽室相当于一个独立的凝汽器，称为多压凝汽器。,第三节 凝汽器,五、多压凝汽器,42,1多压凝汽器平均压力的计算 对多压凝汽器，设Ac1=Ac2=Ac/2,Q1=Q2=Q/2,则,第三节 凝汽器,43,1多压凝汽器平均压力的计算 对多压凝汽器，设Ac1=Ac2=Ac/2,Q1=Q2=Q/2,则,第三节 凝汽器,44,第三节 凝汽器,1多压凝汽器平均压力的计算 对多压凝汽器，设
24、Ac1=Ac2=Ac/2,Q1=Q2=Q/2,则,45,图4-13 采用多压凝汽器的热效率曲线 1、4六压；2、5三压；3双压,第三节 凝汽器,由图可见，在其他条件相同的情况下，冷却倍率m越小，汽室越多，采用多压凝汽器的效益越大。,46,第三节 凝汽器,2)气温高的地区（高）、缺水地区（m小）的机组更适宜采用多压凝汽器。,2多压凝汽器的特点 1）在一定条件下，多压凝汽器的平均折合压力低于单压凝汽器的压力，提高机组的热经济性,47,第四节 抽气器,1. 抽气器的作用 一是汽轮机组正常运行时，抽除凝汽器内不能凝结的气体，维持凝汽器真空，改善传热效果，提高机组的热经济性。二 是当机组启动时，抽除凝汽
25、器、汽轮机和管路中的空气，在凝汽器内建立真空，加快机组的启动速度。 2. 抽气器的型式 抽气器的型式有机械式和喷射式两种。常见机械式抽气器为水环式真空泵。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，后者用水作工质 。射汽抽气器根据用途不同又可分为启动抽气器和主抽气器。,48,一. 射汽抽气器1.启动抽气器的结构和工作原理启动抽气器的作用是在汽轮机启动时，快速抽除汽轮机、凝气器系统和管路中的空气，建立真空，以缩短机组启动时间。图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。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
26、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，直到压力稍高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。,第四节 抽气器,49,2. 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。图为两级射汽抽气器工作原理图。凝汽器内的汽气混合物
27、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。,第四节 抽气器,50,二. 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，如图所示。它主要由工作水进口1、喷嘴2、混合室3、扩压管4和逆止阀5等部件所组成。压力水由射水泵供给，经喷嘴形成高速射流射出，在混合室内形成高度真空，从而将凝汽器中的汽气混合物抽出 。
28、汽气混合物与高速水流混合后，最后扩压至略高于大气压力的时候排出。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。,第四节 抽气器,51,射水抽汽器,与凝汽器 抽气口相连,工作水室,混合室,扩压管,喷嘴,射水泵,高压工作水（循环水）,喉部,高压水在喷嘴中降压增速，形成高速射流，卷吸混合室的气体并带出混合室，混合室内形成高度真空。射流与空气混合物流出混合室，进入扩压管流出。抽气器垂直布置，可以利用水柱自重流动，减小水泵耗
29、功。,抽汽器的作用及工作原理,52,三. 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。,第四节 抽气器,53,第四章 汽轮机的凝汽系统及设备,教学目标及基本要求:,1）掌握凝汽设备的组成及工作原理；2）掌握凝汽器分析计算的基本方程；3）掌握几种抽汽设备的工作原理.,
