汽轮机原理 第7章

汽轮机原理

第七章汽轮机凝汽设备及系统凝汽设备的工作原理 凝汽系统及主要设备 凝汽器内压力的确定 凝汽器的变工况 凝汽器的运行 多压凝汽器 抽气设备

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现代火电厂都用凝汽式汽轮机发电。因此，都具备凝汽 设备。凝汽设备工作好坏，对火电厂的经济性影响很大。 凝汽设备的工作原理 凝汽系统及主要设备 凝汽器内压力的确定 凝汽器的变工况 凝汽器的运行 多压凝汽器 抽气设备

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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 t H t Q H t h0 h' fw

h0 hc h 0 h fw'

其中， H ------整机理想焓降； t

h0

-------蒸汽初焓；

h fw

'

(-)

h0h fw'

----为每kg蒸汽在锅炉中的吸热量。 ——排汽焓； ——给水焓。3

hc

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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2kpa,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。 而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(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。4

p0

t0

H

t

pc

H t1

p c1

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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. 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=0.00294~0.00686Mpa(0.03~0.07ata),通常取0.005Mpa。 pc5

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二 凝汽系统及主要设备：1. 最简单的凝汽设备原则性系统图(图7—1)。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。

图7—1

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2. 空气冷却式凝汽系统

① 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

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。7

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② 直接空气冷却系统：用空气作为冷却工质的凝汽器用于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，在世界上已有(德国)电厂采用，但我国目前 还没有 电厂采 用。

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3. 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。自然冷却水泥沙、污染，要清洗； ② 凝结水温度不应低于排汽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 蒸汽在凝汽器内的阻力要小，以降低排汽口压力和

减少凝结水过冷度。

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三 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。 凝汽器内的压力 p c 可根据相应的饱和温度求得，而排汽温度可表示为：

ts

= t w 1 + t + t (7-----1) w

其中， t w 1 -------冷却水的进口温度；

t w ------冷却水的温升；

t --------传热端差。只要求得了温度之值

ts

,就可以从水蒸汽表中查得相对应的压力。

pc10

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1. 冷却水的进口温度 t w 1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。 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。 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，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。

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2. 冷却水的温升 t w① 冷却水的温升可根据凝汽器的热平衡方程式求出： (7-----6) 从而，D c ( h c h c ) D w ( h w 2 h w 1 ) 4 . 186 D w t w'

(7-----7)

tw

hc hc 4 . 186 (

'

Dw

)

hc hc

'

4 . 186 m

上二式中，

Dc

Dc ------进入凝汽器的凝汽量(kg/h);

D w ------进入凝汽器的冷却水量(kg/h);

h c、 h c ---------排汽焓值和凝结水焓值(kJ/kg);h w 1、 h w 2 -----冷却水进出口焓值(kJ/kg)。

'

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② 冷却倍率m=Dw

/ Dc

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对比后确定。一般，对于单流程凝汽器，m=80~120范围之内；对于双流程 凝汽器，m=60~70范围之内。

h c h c ' ——每1kg蒸汽在凝结时所放出的潜热，约2200kJ/kg,变化很小，这样，式(7----7)为：

tw

hc h 'c 4 . 186 m

2200 4 . 186 m

520 m

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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。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。 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。

4. 传热端差 t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 t =3~10 0 C 。对于单流程凝汽器，取 t =(7~9) 0 C ,对于多流程凝 汽器，取 t =(4.5~6.5) 0 C 。14

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四 凝汽器的变工况(略)五 凝汽器的运行

凝汽器的运行好坏对汽轮机组运行的安全性和经济性是 十分重要的。 1. 凝汽器的汽阻和水阻 2. 凝结水过冷 3. 空气的影响 4. 凝结水水质的监视

5. 真空除氧6. 凝汽器的胶球清洗装置15

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六 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7---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。

图7---16双压凝汽器的示意图16

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七 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，后者用水作工质。17

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3. 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前给凝汽器建立真空，以缩短机组 启动时间。图7-----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。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。18

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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7--9为 两级射汽抽气器工作原理图。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。

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4. 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7---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，经喷嘴形成高速射流射出，从而

将凝汽器中的汽气混合物抽出。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。20

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5. 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。21

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