【汽机专业】凝汽器结构、原理、性能指标

文摘 2024-08-05 21:03 安徽

一、概述

凝汽器使驱动汽轮机做功后排出的蒸汽变成凝结水的热交换设备。蒸汽在汽轮机内完成一个膨胀过程后，在凝结过程中，排汽体积急剧缩小，原来被蒸汽充满的空间形成了高度真空。凝结水则通过凝结水泵经给水加热器、给水泵等输送进锅炉，从而保证整个热力循环的连续进行。

1.1、凝汽器的主要作用

在汽轮机排汽口造成较高真空，使蒸汽在汽轮机中膨胀到最低压力，增大蒸汽在汽轮机中的可用焓降，提高循环热效率。同时，将汽轮机的低压缸排出的蒸汽凝结成水，重新送回锅炉进行循环。汇集各种疏水，减少汽水损失。

1.2、表面式凝汽器的工作原理

凝汽器中装有大量的铜管或钛管、不锈钢管，并通以循环冷却水。当汽轮机的排汽与凝汽器铜管外表面接触时，因受到铜管内水流的冷却，放出汽化潜热变成凝结水，所放潜热通过铜管管壁不断的传给循环冷却水并被带走。这样排汽就通过凝汽器不断的被凝结下来。排汽被冷却时，其比容急剧缩小，因此，在汽轮机排汽口下凝汽器内部造成较高的真空。（如下图所示）

凝汽器是火力发电厂的大型换热设备。凝汽器运行时，冷却水从前水室的下半部分进来，通过冷却水管(换热管)进入后水室，向上折转，再经上半部分冷却水管流向前水室，最后排出。低温蒸汽则由进汽口进来，经过冷却水管之间的缝隙往下流动，向管壁放热后凝结为水。（如下图所示）

二、凝汽器的结构

凝汽器是由喉部、壳体（包括热井、水室）及底部的滑动、固定支座等组成的全焊结构。系单壳体、双流程、表面式凝汽器。（下图为凝汽器结构图）

2.1、喉部

凝汽器喉部的四周由20mm厚的钢板焊成，内部桁架支撑使整个喉部刚性较好。喉部上布置有组合式低压加热器、给水泵汽轮机的排汽接管、汽轮机旁路系统的减温减压器等。汽轮机的第五、六、七、八段抽汽管道从喉部顶部引入，第五、六段抽汽管通过喉部壳壁引出，第七、八段抽汽管接入组合式低压加热器。抽汽管的保温设计，应用气体隔热原理，采用不锈钢保温罩，从而避免了采用一般保温材料作保温层时，由于保温材料的剥落而影响凝结水水质。

2.2、壳体和水室

壳体由20mm厚的钢板拼焊而成，内有支撑杆等加强件，具有良好的刚性。在壳体内组成四组管束（管束为三角形排列）。冷却水经前进水室进入中间两组管束，经后水室回转，然后分别从两侧的两组管束流经两侧的前出水室流出冷凝器。冷却水在管束（包括后水室）内，作水平转向运动，使冷却水进入冷却管的水流速度均匀，热负荷分布均匀。在每组管束下部均设有空冷区，其空气抽出管由气侧空间引出，空冷区冷却管总数为1564根，采用Φ22X0.7/TP304不锈钢管，主凝结区顶部外围两排冷却水管采用Φ22X0.7/ TP304不锈钢管，共1040根。主凝结区(除管板划线图上的顶部外围包络线附近两排管子外)均采用Φ22X0.5/TP304的不锈钢管，共23448根。冷却管的两端采用胀焊方式固定在端管板上，端管板与壳体采用焊接形式构成一整体，中间管板通过支撑杆与壳体侧板相焊，管板底部则借助于垂直支撑杆与壳体底板焊接。在壳体内还设置了一些集水板和挡汽板，靠近两端管板处，还设置有取样水槽，以便检测冷却管与管板之间的密封性。（下图为管板安装图）

壳体下部为热井，本凝汽器采用热井与壳体合并的形式，凝结水出口设置在热井底部，凝结水管出口处设置了消涡装置。（下图为热井安装图）

前后水室均为由钢板卷制成的弧形结构，具有结构简单、流动性能好、阻力小、振动小，利于水流进入冷却管等优点。前水室分为四个独立腔室，中间两个水室为进水室，旁边两个水室为出水室，后水室为两个独立腔室，前水室与管板采用法兰连接的固定形式，后水室与管板采用焊接连接的形式，便于更换冷却管。

在喉部、壳体下部、水室上均设有人孔，以便对凝汽器进行检修、维护。水室上还开有疏水孔、放气孔等。

本凝汽器配置有一套水位计，运行时，可对凝汽器热井水位进行显示监测。

2.3、连接和支承方式

凝汽器与汽轮机排汽口采用不锈钢膨胀节挠性连接，凝汽器下部为钢性支承，运行时凝汽器上、下方向的热膨胀由喉部上面的波形膨胀节来补偿，在其底部设有一个固定支座、四个滑动支座。考虑到凝汽器运行时随负荷及工况变化产生的自身的膨胀，四角处的支承采用滑动支承，滑动面采用PTFE板，在凝汽器底部中间处支承采用固定支承，将凝汽器固定在基础上，其位置与汽轮机低压缸死点一致。

2.4、由于管束的布置得合理，凝结水下落时不断冲击下排管束的外表面，使管子外表面的层流层不断受到破坏，始终不能增厚，从而改善传热效果。

在凝汽器中，有一部分蒸汽直接从管束底部向上进入管束，这部分蒸汽不断地对自上而下流动的凝结水产生较剧烈的扰动，加热凝结水。这样，一方面可使凝结水脱氧，另一方面还可以减小凝结水的过冷度。

2.5、凝结水母管上还接有若干支管，分别向下列用户提供水源:

（1）真空破坏门注水和轴封冷却器注水。

（2）汽动、电动给水泵和汽动给水泵的前置泵轴封冷却水。

（3）定冷水箱补水。

（4）小汽轮机电动排汽蝶阀的密封水。

（5）闭式冷却循环水系统高位水箱补水。

（6）阀门密封水。

（7）炉水泵低压注水。

（8）各类减温水等。

三、凝汽器的运行指标

3.1、凝汽器真空度

从真空表所读得的数值称真空度。真空度数值是表示出系统压强实际数值低于大气压强的数值，即:真空度=大气压强-绝对压强

3.2、凝汽器中真空的形成主要原因：

（1）在启动过程中，凝汽器真空是由真空泵将汽轮机和凝汽器内大量空气抽出而形成的。

（2）在正常运行中，凝汽器真空的形成是由于汽轮机排汽在凝汽器内骤然凝结成水时其比容急剧缩小而形成的。如蒸汽在绝对压力4kPa时蒸汽的体积比水的体积大3万倍，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。

凝结器的真空形成和维持必须具备三个条件:

（1）凝汽器铜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）真空泵必须把漏入的空气和排汽中的其它气体抽走。

3.3、真空下降的原因和处理：

因为真空系统庞大，影响真空的因素较多，所以真空缓慢下降时，寻找原因比较困难，重点可以检查以下各项，并进行处理。

（1）循环水量不足：循环水量不足表现在同一负荷下，凝汽器循环水进出口温差增大，其原因可能是凝汽器进入杂物而堵塞。对于装有胶球清洗装置的机组，应加强清洗。对于凝汽器出口管有虹吸井的机组，应检查虹吸是否被破坏，其现象是：凝汽器出口侧真空到零，同时凝汽器入口压力增加。出现上述情况时，应启动水室真空泵，恢复出口处的真空，必要时可增加进入凝汽器的循环水量。凝汽器进出口温差增加，还可能是由于循环水出口管积存空气或者是铜管结垢严重。此时应开启出口管放空气阀，排除空气或投入胶球清洗装置进行清洗，必要时在停机后用高压水进行冲洗。

（2）凝汽器水位升高：导致凝汽器水位升高可能是凝结水泵入口汽化或者凝汽器铜管破裂漏入循环水等。凝结水泵入口汽化可以通过凝结水泵电流的减小来判断，当确认是由于此原因造成凝汽器水位升高时，应检査水泵入口侧兰盘根是否不严，漏入空气。凝汽器铜管破裂可通过检验凝结水硬度加以判断。

（3）真空泵工作水温升高：工作水温升高，降低了真空泵的效率。当发现水温升高时，应开启深井水补水冷却，降低工作水温度。

（4）真空系统漏入空气：真空系统是否漏入空气，可通过严密性试验来检査。此外，空气漏入真空系统，还表现为凝结水过冷度增加，并且凝汽器端差增大。

3.4、凝汽器真空下降的危害：

（1）使排汽压力升高,可用焓降减小，不经济，同时机组出力有所降低。

（2）排汽温度升高,可能使凝汽器铜管松弛，破坏严密性。

（3）排汽温度升高,使排汽缸及轴承座受热膨胀，引起中心变化，产生振动。

（4）汽轮机轴向位移增加，造成推力轴承过载而磨损。

（5）真空下降使排汽的容积流量减小，对末级叶片的某一部位产生较大的激振力，有可能损坏叶片，造成事故。

3.5、凝汽器真空严密性差的主要原因：

3.5.1、汽侧

（1）汽轮机排气缸和凝汽器喉部连接法兰或焊缝处漏气。如采用套筒水封连接方式，喉部变形使填料移动，填料压得不紧，或封水量不足。

（2）汽轮机端部轴封存在问题或工作不正常。

（3）汽轮机低压缸接合面、表计接头等不严密。

（4）有关阀门不严密或水封阀水量不足。

（5）凝结水泵轴向密封不严密。

（6）低压给水加热器汽侧空间不严密。

（7）设备、管道破损或焊缝存在问题。

3.5.2、水侧

（1）胀管管端泄漏。采用垫装法连接管子和管板时，填料部分密封性不好。

（2）在管子进口端部发生冲蚀。

（3）冷却管破损。

3.6、凝汽器端差

凝汽器端差凝汽器压力下的饱和温度与凝汽器冷却水出口温度之差。

对一定的凝汽器，端差的大小与凝汽器冷却水入口温度、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，则表明凝汽器冷却表面铜管污脏，致使导热条件恶化。

3.6.1、凝汽器端差增大的原因：

（1）凝器铜管水侧或汽侧结垢。

（2）凝汽器汽侧漏入空气。

（3）冷却水管堵塞。

（4）冷却水量减少等。

3.7、凝汽器过冷度

液体温度达到理论结品温度时并不能进行结晶，而必须在它温度以下的某一温度(称为实际开始结晶温度)才开始结晶。在实际结晶过程中，实际结晶温度总是低于理论结晶温度，这种现象成为过冷现象，两者的温度差值被称为过冷度。凝汽器过冷度产生的原因:

（1）由于冷却水管管子外表面蒸汽分压力低于管束之间的蒸汽平均分压力，使蒸汽的凝结温度低于管束之间混合汽流的温度，从而产生过冷。

（2）由于凝结器内存在汽阻，蒸汽从排汽口向下部流动时遇到阻力，造成下部蒸汽压力低于上部压力，下部凝结水温度较上部低，从而产生过冷。

（3）蒸汽被冷却成液滴时，在凝结器冷却水管间流动，受管内循环水冷却，因液滴的温度比冷却水管管壁温度高，凝结水降温从而低于其饱和温度，产生过冷。

（4）由于凝结器汽侧积有空气，空气分压力增大，蒸汽分压力相对降低，蒸汽仍在自己的分压力下凝结，使凝结水温度低于排汽温度，产生过冷。

（5）凝结器构造上存在缺陷，冷却水管束排列不合理，使凝结水在冷却水管外形成一层水膜，当水膜变厚下垂成水滴时，水滴的温度即水膜内、外层平均温度低于水膜外表面的饱和温度，从而产生过冷却。

（6）凝结器漏入空气多或真空泵工作不正常，空气不能及时被抽出，空气分压力增大，使过冷度增加。

（7）热水井水位高于正常范围，凝结器部分铜管被淹没，使被淹没铜管中循环水带走一部分凝结水的热量而产生过冷却。

（8）循环水温度过低和循环水量过大，使凝结水被过度的冷却，过冷度增加。

（9）凝结器铜管破裂，循环水漏入凝结水内，使凝结水温度降低，过冷度增加。

凝结水过冷度是衡量凝结器运行经济性的重要指标，过冷度小，表示循环水带走的热量少，机组经济性好，反之过冷度大，循环水带走的热量多，机组经济性差。据资料介绍，过冷度每增加1℃，机组热耗率就上升0.02%。

3.8、凝汽器水位升高的危害

（1）凝汽器水位升高，会使凝结水过冷却。

（2）影响凝汽器的经济运行。

（3）如果水位太高，将铜管(底部)淹没，将使整个凝汽器冷却面积减少，严重时淹没空气管，使抽气器抽水，凝汽器真空严重下降。

3.9、凝汽器运行状况好坏的标志

（1）能否达到设计真空。

（2）能否保证凝结水的品质合格。

（3）凝结水的过冷度能否保持。

3.10、凝汽器循环水出水温度升高的原因

（1）进水温度升高，出水温度相应升高。

（2）汽轮机负荷增加。

（3）凝汽器管板及铜管脏污堵塞。

（4）循环水量减少。

（5）循环水二次滤水网脏污、堵塞。

（6）排汽量增加。

（7）真空下降。

3.11、凝汽器循环水出水压力变化的原因

（1）循环水量变化或中断。

（2）出水管漏空气。

（3）虹吸井水位变化。

（4）循环水进出水门开度变化。

（5）循环水出水管空气门误开。

（6）循环水管内空气大量涌入凝汽器，虹吸破坏。

（7）热负荷大，出水温度过高，虹吸作用降低。

（8）凝汽器铜管堵塞严重。

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