冷凝器的結構與工藝計算

發布時間：

2024-05-24 15:16

工作原理

凝汽設備是凝汽式汽輪機裝置的重要組成部分之一，它的工作情況直接影響到整個裝置的熱經濟性和運行可靠性。凝汽設備在汽輪機裝置的熱力循環中起著冷源作用。降低汽輪機排汽的壓力和溫度，就可以減小冷源損失，提高循環熱效率。降低排汽參數的有效辦法是將排汽引入凝汽器凝結為水。若機組運行不當使排汽壓力比正常值升高1%，Δηt∕ηt將降低1%以上；若使排汽溫度下降5℃，則Δηt∕ηt將升高1%以上。這對于大型機組是很可觀的，由此可見凝汽設備的重要性。以水為冷卻介質的凝汽設備，一般由凝汽器、凝結水泵、抽氣設備、循環水泵以及它們之間的連接管道和附件組成。

最簡單的凝汽設備示意圖如上圖所示。汽輪機3的排汽排入凝汽器4，其熱量被循環水泵5不斷打入凝汽器的冷卻水帶走，自身凝結為凝結水匯集在凝汽器的底部熱井，同時由凝結水泵1抽出送往鍋爐作為給水。凝汽器的壓力很低，外界空氣易漏入。為防止不凝結的空氣在凝汽器中不斷積累升高凝汽器內的壓力，采用抽氣設備2不斷將空氣抽出。在凝汽器中，不斷循環的冷卻水創造凝汽器中的低溫環境，使排汽釋放汽化潛熱而發生凝結。凝汽器中蒸汽凝結的空間是汽液兩相共存的，汽側壓力等于蒸汽凝結溫度所對應的飽和壓力。蒸汽凝結溫度由冷卻條件決定。只要冷卻水溫不高，蒸汽凝結溫度也不高，一般為30℃左右，所對應的飽和壓力約為4～5KPa，該壓力大大低于大氣壓力，從而在凝汽器中形成高度真空。

從汽輪機的方面來說，如果沒有凝汽器創造的真空，主蒸汽不會自發地從級前運動到級后來膨脹做功，凝汽機同樣肩負著除氧、補充給水的責任。

凝汽器的主要作用是：

1)在汽輪機排氣口造成較高真空，使蒸汽在汽輪機中膨脹到最低壓力，增大蒸汽在汽輪機中的可用焓降，提高循環熱效率；

2)將汽輪機的低壓缸排出的蒸汽凝結成水，重新送回鍋爐進行循環；

3)匯集各種疏水，減少汽水損失；

4)凝汽器也用于增加除鹽水（正常補水）。

1 凝汽器結構

圖1-2 凝汽器結構模塊式圖

凝汽器主要由殼體、管板、管束、中間管板等部件組成。管板將凝汽器殼體分割為蒸汽凝結區和循環冷卻水進出口水室；中間管板用于管束的支持和定位。凝汽器下部還設有收集凝結水的空間，稱為熱井。

1.1 喉部

凝汽器喉部，即為凝汽器蒸汽入口處，喉部是凝汽器的重要組成部分，聯系著汽輪機排汽口和凝汽器的主凝結區，起著乏汽傳輸的作用。喉部是一個高度真空的容器，一般情況下，其內除了布置有大量的支撐管外，為了節省整個電廠系統的設計空間，還要在喉部布置內置低壓加熱器、旁路蒸汽減溫減壓裝置等，因此，從結構上講，它又是一個復雜的蒸汽通道。

評價喉部的2個重要指標是：

1）喉部蒸汽的流動汽阻，過大的汽阻直接影響到汽輪機的效率；

2）喉部流動的穩定性和均勻性，這一指標一方面影響整個喉部的安全性，另一方面，也會對下級的冷卻管束造成影響。

凝汽器喉部進口截面積尺寸一般應使排汽速度在80~120m/s范圍內。凝汽器內需放置低壓加熱器和抽汽管道時，其形狀和布置應盡量減少所占的排汽通道截面，必要時加置適當的導向構件以減少壓力損失。

1.2 殼體

管板將凝汽器殼體分割為蒸汽凝結區和循環冷卻水進出口水室。

對于大型凝汽器冷凝管較長時，凝汽器殼體與冷凝管之間可采取補償措施。為保證殼體的剛性，應對殼體加置適當的加強槽鋼、支撐桿和加強肋。

1.3 水室

凝汽器有三個水室：進水水室、回流水室、回水水室。進水水室和回水水室在同一側，回流水室在對面。循環水先進進水水室，然后從進水水室進入凝結器銅管內進入回流水室后轉個彎再進入凝汽器，后流入回水水室，繼而流回回水管道。

水室的蓋板應做成可拆卸的。為便于現場吊裝，水室蓋板可做成吊軌外移形式或回轉移動形式。并且水室的每個流道應設置放水、放氣接口。其口徑的大小取決于水室的容積和放水、放氣的時間要求。

1.4 管束

管束常用排列形式有：帶狀排列、輻射狀排列、卵狀排列、教堂窗式排列等。

1）外圍管束的設計，通過外圍管束的合理設計，來有效實現均勻進汽，并盡量增大迎流面積以降低管束區的平均速度，從而減小殼側壓降，凝汽器管束布置成窄長楔形，使得主要蒸汽管道呈漸縮型是一種比較理想的凝汽器外形，而在外圍管束增設輔助進氣通道有助于實現均勻進汽，并增加迎流面積，同時，單管束模塊布置時避免了多管束模塊布置存在的蒸汽分配不均勻和流動相互干擾等不足，更為有利。

2）內部管束的設計，通過內部管束的合理設計，保證流動的通暢，避免渦流和空氣積聚的產生，實現蒸汽的向心流動。擋汽板處是渦流較容易產生的區域，要注重對擋汽板的設計和布置。同時，內部管束設計要保證蒸汽在主凝結區的充分凝結，避免出現漏氣和局部布管不足，使得蒸汽還未充分凝結就到達空冷區。

1.5 熱井

熱井就是凝汽器下部收集凝結水的集水井，作用是用以匯集由大量乏汽連續冷凝而生成的主凝結水，并且給凝結水泵提供一定的靜壓頭。

2凝汽器的工藝計算

2.1 凝汽器計算面積的確定[2]

循環水進水溫度30℃，通過查詢冷卻水進水溫度修正系數表得出βt為1.063

根據管程的材質（鈦）和壁厚，通過查詢冷凝管材料壁厚修正系數得出βm為0.952

2.2 凝汽器管程核算

凝汽器管程設計要求：

接下來根據計算的管長、管板直徑等參數，對照廠家的型號的表選擇合適的凝汽器的型號。

小結：

凝汽器作為電廠一類體積龐大的換熱設備，其工作性能直接影響到整個系統的熱經濟性和運行可靠性，凝汽器的工藝設計選型也顯得尤為重要。本文介紹的方法也只是用于設計機構對凝汽器進行初步的設計選型，詳細的參數與計算選型參照廠家的相應標準規范。

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冷凝器的結構與工藝計算