《汽轮机原理》第04章01.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,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。,第一节 凝汽系统的工作原理,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,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。,第四章,汽轮机的凝汽系统及设备,1,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,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。,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。,2,2.,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。从热力学第二定律，完成动力循环需要一个冷源（循环冷却水），通过降低排汽压力、温度，以提高循环热效率。,（,2,）将蒸汽凝结成水，并将,凝结水,回收到锅炉作为,给水,。,（,3,）起热力除氧作用，除去凝结水中的气体，保证凝结水的品质。,（,4,）蓄水作用。（热井）,为了保证凝汽器正常工作，,必须维持,3,个平衡：,（,1,）热量平衡,：排汽放出的热量等于冷却水（循环水泵）带走的热量；,（,2,）质量平衡：,汽轮机排汽量等于凝结水量（凝结水泵）。,（,3,）空气平衡：,凝汽器和汽轮机低压部分漏气应等于抽气设备的抽气量。,3,3.,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,=0.002940.00686Mpa(0.030.07ata),，,通常取,0.005Mpa,。,4,第二节 凝汽系统,一、水冷凝汽系统,（图,4-1,）,。,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,41,5,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。水源为江河湖海的天然水。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,。,循环供水方式,：需专门的冷却塔，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。,而,北方,的电厂，由于水源不足，多采用,循环供水方式。,6,二、,空气冷却系统,（,1,）,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,4-2,。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,。,7,（,2,）间接空气冷却系统：,空气冷却式凝汽系统如图,4-3,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。,8,第二节 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,(,图,44),是使排汽在冷却水,中直接冷却而凝结成水。在混合式凝汽器内，从,汽轮机中排出的,乏汽直接与冷却水混合,而得到凝,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。,这种凝汽器结构简单，冷却效果好，制造成本低。,9,二、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。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。,用水作为冷却工质的凝汽器简称为,表面式凝汽器,。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这种凝汽器。,10,1.,表面式凝汽器的结构,如 图,4-5,所 示，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,5,和,6,，外壳内的两端又装有,管板,3,，管板,3,上装有很多,冷却管,4,。凝汽器内部空间被冷却管分隔成两部分：,蒸汽空间,（汽侧）和,冷却水空间,（水侧）。,2.,表面式凝汽器的流程,冷却水从进口,11,进入水室,8,，通过冷却管流到另一端水室,9,，转向后，又经冷却管进入水室,10,，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。,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,16,中，由凝结水泵抽走并送到低压加热器。,4.,漏入空气的抽出,漏入凝汽器的空气，通过抽气口,15,由抽气器抽出。为了减少抽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,14,。,11,由于汽轮机单机功率的增大，凝汽器的冷却面积也在增加，冷却管数目增多。大机组用,多区域汽流向心式的凝汽器,。这种凝汽器的管束分成若干区域，平行布置在箱体内。每个管束区都有自己的空气冷却区，蒸汽从四周进入各区域。各个空气冷却器的汽气混合物被引入到联通目管，由抽气器抽出。,这种凝汽器的蒸汽通流面积大，汽阻小，凝结水能够得到充分回热,。,国产,200 MW,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,300 MW,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。,12,13,14,三、,凝汽器内蒸汽的凝结过程,蒸汽在凝汽器内的凝结过程是由汽态向液态转变过程。当蒸汽被冷却到低压对应的饱和温度时，遇到冷却面，会产生珠状凝结和膜状凝结过程。其中，珠状凝结过程很难发生，主要是膜状凝结过程。,在膜状凝结过程中，冷却水管表面完全被凝结液覆盖，形成液膜，蒸汽与管壁热交换要通过液膜进行。,蒸汽在凝汽器内的凝结过程是一个复杂的热交换过程，其,影响因素,很多：,（,1,）凝汽器内冷却水管布置排列方式,。有三角形排列、正方形排列、幅向排列（图,4-6,）。排列方式不同，传热系数就不同。,（,2,）凝汽器内蒸汽的流动速度。,蒸汽的流动速度增加，凝结管壁上的液膜变薄，并出现局部紊流，使蒸汽凝结传热系数增大。,（,3,）凝汽器内空气含量。,随着蒸汽由进口导空气区流动，空气份额逐步增加。在凝结管壁上的液膜上形成一层空气膜，热阻增加，使蒸汽凝结传热系数下降。,15,考虑以上因素，在蒸汽凝结理论指导下，通过试验得到总的平均传热系数,k,的经验公式。各国各制造厂家的计算公式都考虑了冷却水管壁的清洁度、冷却水流速、冷却水进口温度、蒸汽负荷率、管径及管材等。,美国传热学会公式,美国传热学会颁布的,表面式凝汽器标准,中规定凝汽器总体传热系数,k,为：,图,4-6,16,（,4-1,）,（,4-2,）,式中参数见,P90,说明。,前苏热工研究院公式,前苏热工研究院提出凝汽器总体传热系数,k,公式,(4-3),式中有关符号见,P91,。,17,四、,凝汽器内压力的确定,凝汽器内的热平衡，排汽放出热量等于冷却水温度升高带走的热量。也就是通过冷却水管表面传热量，即,（,4-7,）,式中：,进入凝汽器的凝汽量，,t/h,；,为排汽焓值，,KJ/kg,；,为凝结水焓值，,KJ/kg,；,冷却水量，,t/h,：,为水的定压比热，在常温 ；,冷却水进口温度，；,冷却水出口温度，；,冷却水管外表总面积，；,为从蒸汽到冷却水总传热系 ；,为从蒸汽到冷却水平均传热温差，,。,18,图,4-9,为凝汽器中蒸汽和冷却水的温度沿冷却表面积的变化情况。,曲线,1,表示凝汽器中蒸汽凝结温度 的变化，可以看出：在主凝结区，沿冷却表面积基本不变，到了空气区，空气含量大量增加，这时的蒸汽分 压明显低于凝汽器内压力 ，相对应的饱和温度 明显下降。,曲线,2,表示冷却水沿冷却表面积从进口温度 逐步到出口温度 的变化情况，其温升 。蒸汽凝结温度 与冷却水出口温度 之传热端差,，。,图,4-9,19,（一）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 可根据相应的饱和温度求得，而排汽温度可表示为,：,（,4-8,）,其 中，,-,冷却水的进口温度；,-,冷却水的温升，；,-,传热端差，。,只要求得了温度 之 值，就可以,从水蒸汽表,中查得相对应的压力 ，也就确定了凝汽器内的压力 。,20,影响凝汽器内的压力 的主要因素有：,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,。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。,21,2,.,冷却水的温升,冷却水的温升,可根据凝汽器的,热平衡方程式,求出：,从 而,，,(4-9 ),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),；,-,冷却水进、出口焓值,(kJ/kg),。,22,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。,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=6070,范围之内。,每,1kg,蒸汽在凝结时所放出的,潜热,，约,2200kJ/kg,，,变化很小，这样，式（,4-9,）为：,（,4-10,）,23,3.,传热端差,传热端差和冷却面积、传热量及传热系数有关系。蒸汽与冷却水平均传热端差可表示为：,（,4-11,）,将（,4-11,）代人（,4-7,）得：,（,4-12,）,分析上式可知：对于某凝汽器，冷却水管冷却面积确定，在排汽量和总体传热系数,k,不变的前提下，传热端差随冷却水量的减少而减少。,当凝汽器运行时间较长，冷却水较赃，冷却表面结垢，或真空系统不严密、抽气设备工作不正常时，这些都会影响传热效果，使总体传热系数,k,降低，引起传热端差升高，导致凝汽器压力升高，真空度降低。,24,五、,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,4-10,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,4-10,25,图,4-11,为双压凝汽器（实线）和单压凝汽器（虚线）的传热过程。在热负荷,Q,、冷却面积、冷却水量及冷却水进、出口温度相同条件下，经过一系列推导可得出：双压凝汽器,2,个汽室的蒸汽温度分别为 ，其平均值为 。而单压凝汽器汽室的蒸汽温度为 。显然，。所对应的压力 低于 对应的压力 ，即 。可使热效率提高。,图,4-11,26,27,第四节 抽气器,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。,28,一、射汽抽气器,（一）启动抽气器,：,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,4-14,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。,29,（二）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。,两级射汽抽气器工作原理图,(,图,4-15),。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。,30,二、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,4-17,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。,射水抽气器特点：,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,200 MW,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。,31,三、水 环 式 真 空 泵,结构：,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。,32,工作原理：,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均由小到大，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。,33,