凝汽器热力计算

1 凝汽设备的作用和特性

1.1凝汽设备的作用

凝汽设备主要由凝汽器（又称凝结器、冷凝器等）、冷却水泵（或称循环水泵）、凝结水泵及抽气器等组成，其中凝汽器是最主要的组成部分。在现代大型电站凝汽式汽轮机组的热力循环中，凝汽设备起着冷源的作用，其主要任务是将汽轮机排汽凝结成水，并在汽轮机排汽口建立与维持一定的真空度。凝气设备的任务是：（1）凝汽器通过冷却水与乏汽的热交换，把汽轮机的排汽凝结成水。

（2）凝结水由凝结水泵送至除氧器，经过回热加热作为锅炉给水继续重复使用。

（3）不断的将排汽凝结时放出的热量带走。

（4）不断地将聚集在凝汽器内的空气抽出，在汽轮机排汽口建立与维持高度的真空度。

（5）凝汽设备还有一定的真空除氧作用。

（6）汇集和贮存凝结水、热力系统中的各种疏水、排汽，能够缓冲运行中机组流量的急剧变化、增加系统调节稳定性。

图1.1为简单的凝汽设备原则性系统。冷却水泵抽来的具有一定压力的冷却水（地下水、地表水或海水），流过凝汽器的冷却水管。汽轮机的排汽进入凝汽器后，蒸汽凝结成水释放出的热量被由冷却水泵不断送来的冷却水带走，排汽凝结成水并流入凝汽器底部的热水井，然后由凝结水泵送往加热器和除氧器，送往锅炉循环使用。抽气器不断地将凝汽器内的空气抽出以保持高度真空

图1.1 凝汽设备的原则性系统

1—汽轮机；2—发电机；3—凝汽器；4—抽汽器；5—凝结水泵；6—冷却水泵优良的凝气设备应满足以下要求：

（1）凝汽器具有良好的传热性能。主要通过管束的合理排列、布置、选取合适的管材来达到良好的传热效果，使汽轮机在给定的工作条件下具有尽可能低的运行背压。

（2）凝汽器本体和真空系统要有高度的严密性。凝汽器的汽侧压力既低于壳外的大气压力，也低于管内的水侧压力。所以如果水侧严密性不好，冷却水就会渗漏到汽侧，恶化凝结水水质；如果汽侧严密性不好，空气将漏入汽侧，恶化传热效果。

（3）凝结水过冷度要小。具有过冷度的凝结水将使汽轮机消耗更多的回热抽汽，以使它加热到预定的锅炉给水温度，增大了热耗率。同时，过冷也会使凝结水的含氧量增大，从而加剧了对管道的腐蚀。因此现代汽轮机要求凝结水过冷度不超过2℃。

（4）凝汽器汽阻、水阻要小。蒸汽空气混合物在凝汽器内由排汽口流向抽气口时，因流动阻力使其绝对压力降低，常把这一压力降称为汽阻。汽阻的存在会使凝汽器喉部压力升高，凝结水过冷度及含氧量都增加，引起机组的热经济性降低和管子的腐蚀。

对大型机组汽阻一般为-4

。水阻是冷却水在凝汽器冷

2.710MPa

却管中的流动阻力和进出管子及进出水室时的局部阻力之和。水阻的大小对冷却水泵选择和管道布置都有影响，应通过技术经济比较来确定。

（5）抽气设备功耗要小。与空气一起被抽出的未凝结蒸汽量应尽可能地小，以降低抽气器功耗。通常要求被抽出的蒸汽空气混合物中，蒸汽含量不超过2/3。

（6）凝结水的含氧量要小。凝结水含氧量过大将会引起管道腐蚀并恶化传热。一般要求高压机组凝结水含氧量小于0.03mg/L。

现代大型凝汽器，除了合理布置管束和流道以尽量减少汽阻，从而减少凝结水含氧量外，还设有专门的除氧装置，以保证凝结水含氧量在规定值以下。

（7）凝汽器的总体结构和布置方式应便于清洗冷却水管、便于运输和安装等。例如国产首台600MW机组凝汽器装配好后，无水时的重量达1343t，高约15m，这种庞然大物必须便于运输安装。国产首台600MW机组凝汽器冷却管长达14.792m，管子总根数则多达30300根，这样多而细长的管子清洗工作只有由自动清洗系统承担。

1.2 凝汽器的结构和作用

凝汽器是一种固定板管壳式换热器，凝汽器管侧（或称冷却水侧）包括冷却管、管板、水室等，凝汽器壳侧（或称汽侧）属于真空容器。凝汽器可分为混合式与表面式两大类。在混合式凝汽器中，蒸汽与冷却水直接混合，这种凝汽器结构简单，成本低，但其最大的缺点是不能回收凝结水，所以现代汽轮机都不采用混合式凝汽器，全部采用表面式凝汽器。

在表面式凝汽器中，冷却工质与蒸汽冷却表面隔开互不接触。根据所用的冷却工质不同，又分为空气式冷却式和水冷却式两种。水冷却式凝汽器是最常用的一种，由于用水做冷却工质时，凝汽器的传热系数高，又能在保持洁净的和含氧量极小的凝结水的条件下，获得和保持高度真空，因为现代电站汽轮机中主要采用水冷却式凝汽器，只有在严重缺水地区的电站，才使用空气冷却式凝汽器。

表面式凝汽器结构见图 1.2。凝汽器外壳通常呈椭圆形或矩形，两端连接着形成水室的盖端5和6，盖端与外壳之间装有管板，管板上装有很多冷却水管，使两端水室相通。冷却水从进口进入水室8，

经冷却水管进入另一端水室9，转向从出口流出。汽轮机排汽从排汽进口进入凝汽器冷却水管外侧空间，通常称为汽侧，并在冷却水管外表面凝结成水，凝结水汇集到热水井后由凝结水泵抽出。冷却水在凝汽器中要经过一次往返后才排出，这种凝汽器称为双流程凝汽器：若不经过往返而从另一端直接排出则称为单流程凝汽器。在缺水地区还可以采用三流程或四流程等多流程凝汽器。

图1.2 表面式凝汽器结构

1-排汽进口；2—凝汽器外壳；3—管板；4—冷却水管；

5、6—水室的端盖；7—水室隔板；8、9、10—水室；

11—冷却水进口；12—冷却水出口；13—热水井汽轮机排汽在凝汽器内的凝结过程基本上是等压过程，其绝对压力取决于蒸汽凝结时的饱和温度，此温度决定于冷却水温度（大致为0~30℃）以及冷却水与蒸汽之间的传热温差（一般约为10~20℃）。考虑到大气压力下蒸汽的饱和温度为100℃，因此凝汽器是在远低于大气压力下及较高真空条件下工作的。既然凝汽器要在真空条件下工作，所以必须利用抽气器在凝汽器开始工作时将其壳侧空气抽出以建立真空，并且将凝汽器工作过程中从真空系统不严密处漏入的空气以及夹带在汽轮机排汽中的空气不断的抽出，以维持真空。

凝汽器中真空的形成主要原因是由于汽轮机的排汽被冷却成凝结水，其比体积急剧缩小。例如在绝对压力为4kPa时蒸汽的体积比水的体积大3万多倍。当排汽凝结成水后，体积就大为缩小，使凝汽器