（湿冷）凝汽器工作原理详解 / 开普饭

工作原理

凝汽设备是凝汽式汽轮机装置的重要组成部分之一，它的工作情况直接影响到整个装置的热经济性和运行可靠性。凝汽设备在汽轮机装置的热力循环中起着冷源作用。降低汽轮机排汽的压力和温度，就可以减小冷源损失，提高循环热效率。降低排汽参数的有效办法是将排汽引入凝汽器凝结为水。若机组运行不当使排汽压力比正常值升高1%，Δηt∕ηt将降低1%以上；若使排汽温度下降5℃，则Δηt∕ηt将升高1%以上。这对于大型机组是很可观的，由此可见凝汽设备的重要性。以水为冷却介质的凝汽设备，一般由凝汽器、凝结水泵、抽气设备、循环水泵以及它们之间的连接管道和附件组成。

1.凝结水泵 2.抽汽设备 3.汽轮机 4.凝汽器 5.循环水泵

最简单的凝汽设备示意图如上图所示。汽轮机3的排汽排入凝汽器4，其热量被循环水泵5不断打入凝汽器的冷却水带走，自身凝结为凝结水汇集在凝汽器的底部热井，同时由凝结水泵1抽出送往锅炉作为给水。凝汽器的压力很低，外界空气易漏入。为防止不凝结的空气在凝汽器中不断积累升高凝汽器内的压力，采用抽气设备2不断将空气抽出。在凝汽器中，不断循环的冷却水创造凝汽器中的低温环境，使排汽释放汽化潜热而发生凝结。凝汽器中蒸汽凝结的空间是汽液两相共存的，汽侧压力等于蒸汽凝结温度所对应的饱和压力。蒸汽凝结温度由冷却条件决定。只要冷却水温不高，蒸汽凝结温度也不高，一般为30℃左右，所对应的饱和压力约为4～5KPa，该压力大大低于大气压力，从而在凝汽器中形成高度真空。

凝汽设备的最主要的作用有两方面：

一是在汽轮机排汽口建立并维持一定的真空；

二是保证蒸汽凝结并回收凝结水作为锅炉给水。电厂运行中，为防止锅炉及汽轮机通流部分结垢、腐蚀，对给水品质的要求非常严格。如果给水全用化学处理水的话，则大容量机组的设备投资和运行费用将会很昂贵。所以必须将凝汽器回收的大量凝结水作为给水，但要严格保证其水质。此外，凝汽设备还是凝结水和补给水去除氧器之前的先期除氧设备；并接受机组启停和正常运行中的疏水和甩负荷过程中旁路排汽，以回收热量和减少循环工质损失。

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，其比容急剧缩小。如蒸汽在绝对压力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，使凝汽器内形成高度真空。凝汽器的真空形成和维持必须具备三个条件：

（1）凝汽器冷却水管必须通过一定的冷却水量。

（2）凝结水泵必须不断地把凝结水抽走，避免水位升高，影响蒸汽的凝结。

（3）抽气设备必须把漏入的空气和排汽中的其它气体抽走。

对凝汽器的要求是：

（1）有较高的传热系数和合理的管束布置。

（2）凝汽器本体及真空管路系统要有高度的严密性。

（3）汽阻及凝结水过冷度要小。

（4）水阻要小。

（5）凝结水的含氧量要小。

（6）便于清洗冷却水管。

凝汽器的控制参数

1 .凝汽器压力（真空度）：

一般真空容器设备的真空度，是根据该设备为实现某种工艺过程所必需的工作条件而确定的。然而在汽轮机排汽口建立与维持一定的真空度，却是凝汽器乃至凝汽设备本身的主要任务。凝汽器压力（真空度）是表征凝汽器工作特性的主要指标。通常泛指的凝汽器压力是凝汽器壳侧蒸汽凝结温度对应的饱和压力。但是实际上凝汽器壳侧各处压力并不相等。

凝汽器内是蒸汽和空气组成的混合气体，它的压力Pco是蒸汽分压力Ps与空气分压力Pa之和。但在占凝汽器很大一部分的蒸汽凝结区内，空气的相对含量很小，可以忽略不计，故起决定作用的还是蒸汽，因此，可以很准确地认为凝汽器内的压力由与之相对应的饱和温度ts来确定。冷却水以温度tw1进入凝汽器，其温度随冷却面积的增加而升高，出口温度为tw2；进入凝汽器内的蒸汽隔着冷却水管首先与出口冷却水进行热交换，根据传热原理，蒸汽放热后的温度一定高于冷却水出口温度tw2两者之差称为端差δt，则汽轮机排入凝汽器的蒸汽饱和温度可由下式确定：

图所示为凝汽器中蒸汽和冷却水沿冷却面积的温度变化关系

ts＝tww1＋Δt＋δt

式中ts——凝汽器压力Pco相对应的蒸汽饱和温度，℃；

tww1——循环冷却水进口温度，℃；

Δt——循环冷却水出、进口温差

δt——汽轮机排汽温度与循环冷却水出口温度之差

由上式可知，凝汽器内的压力决定于冷却水进口温度tw1、冷却水温升Δt和端差δt。

关于凝汽器压力（真空度），还有三个很重要的概念，即凝汽器的极限真空、最有利真空和额定真空。

凝汽设备在运行中应该从各方面采取措施以获得良好真空。但真空的提高也不是越高越好，而有一个极限。这个真空的极限由汽轮机最后一级叶片出口截面的膨胀极限所决定。当通过最后一级叶片的蒸汽已达到膨胀极限时，如果继续提高真空，不可能得到经济上的效益，反而会降低经济效益。简单地说，当蒸汽在末级叶片中的膨胀达到极限时，所对应的真空称为极限真空，也有的称之为临界真空。

对于结构已确定的凝汽器，在极限真空内，当蒸汽参数和流量不变时，提高真空使蒸汽在汽轮机中的可用焓降增大，就会相应增加发电机的输出功率。但是在提高真空的同时，需要向凝汽器多供冷却水，从而增加循环水泵的耗功。由于凝汽器真空提高，使汽轮机功率增加与循环水泵多耗功率的差数为最大时的真空值称为凝汽器的最有利真空（即最经济真空）。

影响凝汽器最有利真空的主要因素是：

进入凝汽器的蒸汽流量、汽轮机排汽压力、冷却水的进口温度、循环水量（或是循环水泵的运行台数）、汽轮机的出力变化及循环水泵的耗电量变化等。

一般汽轮机铭牌排汽绝对压力对应的真空是凝汽器的额定真空。这是指机组在设计工况、额定功率、设计冷却水温时的真空。这个数值并不是机组的极限真空值。

2.凝汽器的热负荷:

凝汽器热负荷是指单位时间内凝汽器内蒸汽和凝结水传给冷却水的总热量（包括排汽、加热器疏水等热量）。

凝汽器的单位负荷是指单位时间内单位面积所冷凝的蒸汽量，即进入凝汽器的蒸汽流量与冷却面积的比值。

3.冷却水进口温度tw1：

冷却水温度越低，凝汽器压力越低，对汽轮机的经济运行越有利。但是冷却水的进口温度不取决于凝汽器的运行工况，而取决于供水方式、气候条件和所处地区。冬季的水温低、所以真空较好，夏季的水温高，真空要差一些。开式供水比闭式供水的水温低。所以开式供水的真空较闭式供水的真空高。

4.冷却水温升Δt：

冷却水温升是凝汽器冷却水出口温度与进口温度的差值，温升是凝汽器经济运行的一个重要指标，温升可监视凝汽器冷却水量是否满足汽轮机排汽冷却之用，因为在一定的蒸汽流量下有一定的温升值。另外，温升还可供分析凝汽器铜管是否堵塞、清洁等。

温升大的原因有：蒸汽流量增加；冷却水量减少；冷却水管清洗后较干净。

温升小的原因有：蒸汽流量减少；冷却水量增加；冷却水管结垢或脏污；真空系统漏空气严重。

5.凝汽器循环倍率m：

凝汽器冷却水的流量Dw与进入凝汽器的蒸汽总量Dco之比，称为凝汽器的循环倍率。

现代凝汽式汽轮机的m值在50～70范周内，多流程凝汽器选用的值较小，单流程的凝汽器选用的值较大。

6.凝汽器端差δt：

凝汽器压力下的饱和温度与凝汽器冷却水出口温度之差称为端差。

利用热传导方程式可以推导出端差δt 的计算方法。影响端差δt的因素较多，而且它们之间的关系也较复杂。在除Aco以外的其它条件不变的情况下，减小δt就要增大凝汽器冷却面积Aco，因而使凝汽器造价提高。所以在设计时δt不宜选的过小，一般δt =3～5℃。

对一定的凝汽器，端差的大小与凝汽器冷却水进口温度、凝汽器单位面积蒸汽负荷、凝汽器铜管的表面洁净度、凝汽器内的漏入空气量以及冷却水在管内的流速有关。一个清洁的凝汽器，在一定的循环水温度和循环水量及单位蒸汽负荷下就有一定的端差值指标，一般端差值指标是当循环水量增加，冷却水出口温度愈低，端差愈大，反之亦然；单位蒸汽负荷愈大，端差愈大，反之亦然。实际运行中，若端差值比端差指标值高得太多，则表明凝汽器冷却水管脏污，致使传热条件恶化。端差增加的原因有：凝汽器冷却水管水侧或汽侧结垢；凝汽器汽侧漏入空气；冷却水管堵塞；冷却水量减少等。