凝汽設備

凝汽設備的組成及任務

凝汽器的結構

凝汽器的熱力特性

抽氣器的作用及工作原理本節需要掌握以下幾個知識點

凝汽器是屬于凝汽式汽輪機的輔機范疇的，它是凝汽式機組的一個重要組成部分，因為它工作性能的好壞直接影響著整個機組的熱經濟性和安全性，所以，掌握凝汽器的工作原理及特性是十分必要的。一、凝汽設備的組成及任務

凝汽器（也稱復水器）除了進汽口之外，可以認為它是一個密閉的容器。凝汽器內布置了很多冷卻管。冷卻水（也稱循環水）源源不斷地在冷卻管內流過，這時冷卻水就構成了凝汽器的冷源。進入凝汽器的蒸汽遇冷凝結成水，放出的汽化潛熱被冷卻水帶走，使凝汽器內的蒸汽接近冷源溫度，由于蒸汽的飽和壓力與其飽和溫度是相對應的，因此凝汽器內能夠形成高度真空。例如：從飽和水蒸氣表上可查到：對應30℃的飽和蒸汽，其飽和壓力是0.004241MPa；對應35℃的飽和蒸汽，其飽和壓力是0.005622MPa。

如圖所示為凝汽設備的原則性系統圖。循環水泵4使冷卻水不斷地流經凝汽器3。進入凝汽器的蒸汽被冷源冷卻后，凝結成水。凝結水被凝結水泵5抽出，經過加熱器和除氧器等進入鍋爐循環使用。由于凝汽器在工作時內部具有高度真空，所以空氣會從不嚴密處漏入。為了防止空氣在凝汽器內積存，就要不斷地將空氣抽出，所以，還設有抽氣器6。凝汽設備的任務是：（1）在汽輪機的排汽口建立并維持規定的真空度；（2）將汽輪機的排汽凝結成潔凈的凝結水，并回收工質。二、凝汽器的結構

凝汽器按照排汽凝結方式的不同可分為混合式和表面式兩大類混合式凝汽器：有結構簡單、冷卻效果好等優點。可是它對冷卻水質要求高，否則凝結水就不能再作為鍋爐的給水。因為有這個缺點，所以現在一般不采用它。

表面式凝汽器：冷卻工質與蒸汽被冷卻表面隔開而互不接觸。根據冷卻工質的不同又分為水冷卻式和空氣冷卻式兩種，由于用水作冷卻工質時，凝汽器的傳熱系數高，所需要的冷卻面積小，因此在凝汽式電廠中，一般都采用這種型式的。只有在嚴重缺水的地區及列車電站上才采用空氣冷卻式凝汽器。如圖所示，是一種水冷卻式凝汽器。凝汽器圓形外殼2（還有的呈橢圓形或矩形）兩端連接著管板3和水室端蓋5、6，管板上裝有很多根冷卻水管4，使兩端水室相通。冷卻水從進口1l進入水室8，經冷卻水管進入另一端水室9，轉向后，經過上層冷卻水管從出口12流出。汽輪機排汽從凝汽器進口1（也稱凝汽器的喉部）進入凝汽器冷卻水管外側空間（通常稱之為汽側），并在冷卻管外表面凝結成水。凝結水匯集到熱水井16后由凝結水泵抽出。如圖所示。裝配時，先把外殼1和管板2組裝起來，它們之間是靠雙頭螺栓4的凸肩和螺母緊密連接的。待凝汽器內的所有冷卻水管都裝配上以后，再將水室3裝上，可見，管板的作用是固定冷卻水管并將凝汽器的汽側與水側分開。

冷卻水管的端部在管板上的固定方法分脹接法和墊裝法兩種。

如圖所示：墊裝法：能保證冷卻水管溫度偏高時的自由膨脹，但工藝復雜，相鄰管子之間的緊湊性差，這種方法只適用汽輪機排汽溫度變化較大的凝汽器。脹接法：不僅結構和工藝比較簡單，而且連接處的嚴密性好，是現代被廣泛采用的方法。在采用脹接法的凝汽器中，為了便于冷卻水管的自由膨脹，在冷卻水管安裝時，使其呈彎曲狀，管子的熱膨脹就靠本身的變形來補償。如圖所示，冷卻水在凝汽器中經過一次往返后才排出，這種凝汽器稱為雙流程凝汽器。若冷卻水在冷卻水管中只流過一個單程就排出，這就稱為單流程凝汽器。依此類推，還有采用三流程和四流程的凝汽器，一般在水源充足取水方便的地方，在大型機組中采用單流程型式，在中、小型機組中多采用雙流程。三、凝汽器的熱力特性

凝汽器偏離設計工況的工況，稱為凝汽器的變工況。當機組負荷變化時，凝汽量要發生相應的變化；冷卻水進口溫度會隨氣候不同而改變，冷卻水量也隨循環水泵的運行方式而變化，這些變化都使凝汽器處在變工況下工作，凝汽器內的壓力也同時發生變化。凝汽器壓力隨凝汽量、冷卻水量和冷卻水進口溫度變化而變化的規律稱為凝汽器的熱力特性，或稱為它的變工況特性。下面分析一下這四個變量之間的關系。1．循環水溫升

Δt

循環水溫升Δt主要取決于冷卻倍率。當冷卻水量Dw不變時有：Δt=520(DC/DW)=aDc

由此可見：此時Δt與Dc成正比關系。在運行中，循環水溫升是判斷循環水系統工作情況的重要指標。如果在運行中蒸汽負荷Dc沒有變化，而循環水溫升Δt卻發生變化，說明循環水系統的工作情況有變化，運行人員應作相應的檢查或調整。反之，當冷卻水量Dw及其他條件不變時，可根據Δt變化情況來判斷凝汽器負荷Dc或機組負荷的變化情況。2．傳熱端差

δt凝汽器的端差反映了凝汽器內部的傳熱好壞。若端差小則傳熱效果好同時真空也會較高。當冷卻水量和冷卻水進口溫度一定時：凝汽器真空隨機組負荷減小而升高；當冷卻水量和機組負荷一定時：凝汽器的真空將隨冷卻水進口溫度的降低而升高。因此，在其他條件相同的情況下，凝汽器的真空，冬天要比夏天高些。

最后應該明確，對每一個工況，凝汽器都有一個對應的最有利真空。以此為基準，真空再提高，將使機組的熱經濟性降低。真空過度降低，即所謂真空惡化，將引起一系列不良后果。如使機組的理想焓降相應減小，在認為此時機組的損失基本不變的前提下，機組的效率要降低；低壓缸因蒸汽溫度升高而變形，使機組內動靜之間的間隙變化，間隙消失會引起機組振動；有的機組，低壓轉子的軸承座落在低壓缸上（亦稱軸承不落地，國產50MW、100MW、200MW汽輪機就是這種結構），當低壓缸膨脹時，原來分配在軸系各軸承上的負荷要發生變化，這也能引起機組振動；機組背壓變化，軸向推力也隨著變化，變化幅度大了，也影響機組的安全運行；由于銅管和凝汽器殼體的線脹系數不一樣，真空的頻繁變化，會使銅管端部在管板中的脹緊程度遭到破壞；真空惡化時，空氣分壓力增大，使凝結水中的含氧量增加等等。因此，一旦真空惡化時，機組被迫減負荷或停機。四、抽氣器作用及工作原理抽氣器的任務：是在機組啟動時使凝汽器內建立真空；在正常運行時不斷地抽出漏入凝汽器的空氣，以保證凝汽器的正常工作。抽氣器的種類很多，由于噴射式抽氣器的結構簡單、工作可靠，維修方便，并能在短時間內（5～10min）建立起必要的真空，因此在現代電廠中應用得最廣泛。噴射式抽氣器按采用工質的不同，又分為射汽抽氣器和射水抽氣器。（一）射汽抽氣器

1、啟動抽氣器

啟動抽氣器的主要任務是：在機組啟動前使凝汽器迅速建立起必要的真空。通常的啟動抽氣器都是單級的。

如圖所示，它由工作噴嘴1、混合室2和擴壓管3三部分組成。由主蒸汽管道來的工作蒸汽節流至1.2～1.5MPa壓力后,進入工作噴嘴。該噴嘴都采用縮放噴嘴，它可使噴嘴出口汽流速度高達1000m／s以上，使混合室內形成高度真空。由凝汽器來的空氣和蒸汽混合物不斷地被吸進混合室，又陸續被高速汽流帶進擴壓管。在擴壓管中，混合氣體的動能逐漸轉變為壓力能，最后在略高于大氣壓的情況下排入大氣。由于混合物中工作蒸汽的熱量和凝結水都不能回收，所以啟動抽氣器經常運行是不經濟的。當真空達到要求以后，就將主抽氣器投入，關閉啟動抽氣器。2、主抽氣器

主抽氣器的主要任務是:在汽輪機正常運行期間把凝汽器中的空氣抽出，以維持凝汽器的正常真空。

如圖所示，是兩級主抽氣器的工作原理圖。凝汽器的蒸汽、空氣混合物由第一級抽氣器抽出并壓縮到低于大氣壓力的某一中間壓力，然后進入中間冷卻器2，使其中大部分蒸汽凝結成水，其余的蒸汽和空氣混合物又被第二級抽氣器抽走。混合物在第二級抽氣器中被壓縮到高于大氣壓，再經冷卻器4將大部分蒸汽凝結成水，最后將空氣及少量未凝結的蒸汽排入大氣。

實際上，主抽氣器還有采用三級的。采用多級后，可設立中間冷卻器，設立中間冷卻器的好處在于：因混合物在擴壓管中的流動是絕熱的壓縮過程，其間混合物的溫度要上升，使消耗的壓縮功增加。設立冷卻器能使混合物冷卻下來，所消耗的壓縮功就可減少，從而可節省抽氣器工質的能量；自擴壓管排出的蒸汽，有大部分在冷卻器中凝結成水，這就減輕了下一級抽氣器的負擔；蒸汽在冷卻器中被冷卻下來，相應的飽和壓力也降低，在擴壓管擴壓能力不變的情況下，又會使該擴壓管前的壓力進一步降低，使凝汽器的抽氣口處形成更高的真空；同時冷卻器還回收了工作蒸汽的熱量和凝結水，提高了系統的經濟性。一般都采用從凝結水泵打出的主凝結水作為抽氣冷卻器的冷卻水（如圖所示）而且主抽氣器總是安裝在壓力最低的加熱器前面（按主凝結水的流向）。因為這里主凝結水的溫度最低，被凝結的蒸汽量可以增多。在主凝結水管路上設再循環管道6，以保證在機組啟動或低負荷運行時，抽氣冷卻器有足夠的冷卻水。由于中間冷卻器內的汽側與凝汽器汽側有一定壓差，所以可用帶節流閥的管子將中間冷卻器內的凝結水疏到凝汽器內。為了防止抽氣器因故不能正常工作時，空氣大量漏進凝汽器，所以用垂直布置的U形水封管5代替上述的細長管子。

3、射汽抽氣器的特性射汽抽氣器的特性是指當工作蒸汽的壓力一定時，抽氣口壓力與抽出空氣量之間的關系。如圖所示表示出了一臺兩級抽氣器的特性曲線。較平坦的一段是工作段，較陡的一段是過負荷段，這兩段曲線的轉折處所表示的抽氣量和抽氣口壓力就是設計值。由于測繪該曲線的前提是工作蒸汽的初壓是一定的，即工作蒸汽的能量是一定的，因此只有當抽氣口的壓力較高時，才能抽出更多的空氣量。圖中較平坦的工作段就表示了在這個范圍內抽氣器的工作特性。若要使抽氣量大于設計值，擴壓管就偏離設計工況，效率就降低，抽氣口的壓力就明顯升高；抽氣口壓力升高后，又影響工作蒸汽在噴嘴中的膨脹，使工作蒸汽動能減小，擴壓管的擴壓能力又被削弱，從而使抽氣口的壓力進一步提高，所以過負荷時的特性曲線特別陡。為此選用的設計抽氣量要比正常運行時漏入的空氣量大3～4倍，以保證抽氣器在工作段內工作，使凝汽器保持高度真空。（二）射水抽氣器

射水抽氣器的工作原理和射汽抽氣器一樣，只是工質用壓力水而不用蒸汽。

如圖所示，為一國產射水抽氣器的結構圖。由射水泵來的壓力水，經噴嘴2將壓力能轉變為動能，使混合室3中形成高度真空，凝汽器中的蒸汽又被工作水帶進擴壓管4，擴壓管的出口略高于大氣壓，汽、氣混合物隨工作水一起排出。當水泵發生故障時，逆止門5自動關閉，以防止水和空氣倒流入凝汽器。

射汽抽氣器與射水抽氣器相比，前者的工作蒸汽是從新蒸汽節流而來的，因此產生節流損失，從熱效率上考慮這是不經濟的；如果前者與單元制機組配套，當這種機組采用冷態滑參數啟動方式時，還需要