凝汽器真空的确定
凝汽器真空的确定
1. 凝汽系统
发电厂用的汽轮机组绝大部分是凝气式汽轮机。凝汽系统是凝气式汽轮机的一个重要组成部分，系统由凝汽器3、抽气设备4、循环水泵5、凝结水泵6以及相连的管道和阀门等组成。
1.1凝汽系统的工作性能
凝汽器工作性能的好坏，直接影响到整个机组的热经济性和可靠性，主要体现在：
（1）从循环效率看，凝汽器真空的好坏，即汽轮机组终参数的高低，对循环效率所
产生的影响是和机组初参数的影响同等重要。据调查统计，国产引进型
300MW机组低真空问题最为严重，凝汽器真空值在91%一94%之间，比设计
低3~6个百分点，使机组供电煤耗增加8.19/(kw·h)。在进汽温度不变的情况
下汽轮机排汽温度每降低10℃，机组的热效率增加3.5%，这在电厂中是相当
可观的。
（2）从设备的耗水量看，采用湿式冷却塔的凝汽器用水量占总耗水量的
42.8%~79.5%。
（3）从设备耗电量看，整个机组的辅机耗电量约占其发点量的5%~9%，其中循环水
泵、凝结水泵，抽气设备的耗电量也占了较大的比重。
（4）从运行安全性看，根据可靠性统计，凝汽设备故障可使整个机组可用率降低
3.8%。
（5）从设备投资看，汽轮机辅机价格约占主机的一半，而辅机价格中的约50%是用
于凝汽设备。
（6）从材料消耗看，凝汽器的钢材和钢管材料消耗量也是相当可观的。
由此表明，凝汽系统对于整个电厂设计、布置、安装和运行维护都是十分重要
的方面。
1.2凝汽系统的任务
（1）建立维持真空 从热力学第二定律的观点，完整的动力循环必须要有一个冷源，凝气系统在蒸汽动力循环（郎肯循环）中起着冷源作用，在汽轮机末级排气口建立并维持规定的真空，通过降低排汽压力和排汽温度，来提高循环热效率。
（2）凝结作用 汽轮机的工质是经过严格化学处理的水蒸气，凝汽器将汽轮机排汽凝结成水，凝结水经回热抽汽加热、除氧后，作为锅炉给水重复使用。
（3）真空除氧作用 利用热力除氧原理除去凝结水中的溶解气体（主要为氧气），从而提高凝结水品质，防止热力系统低压回路管道、阀门等腐蚀。
（4）蓄水作用 凝汽器既是汇集和储存凝结水、热力系统中的各种疏水、排汽和化学补充水的场所，又是缓解运行中机组流量的急剧变化，从而起到热力系统稳定调节作用的缓冲器。
1.3凝汽系统的类型
发电厂使用的凝气系统主要以水为冷却介质，在严重缺水的发电厂可用空气为冷却介质。
水冷凝气系统的冷却方式又可以分为直流供水方式和循环供水方式：直流供水方式是以江河湖海的天然水源作为冷却水源，其广泛应用于建在大江、大海附近的发电厂；循环供水方式则需要专业的冷却塔，冷却水吸收凝汽器中排汽的压力后，送人冷却塔中进行冷却，
冷却后的冷却水重新进入凝汽器中工作，如此循环往复。一般只需要补充少量的冷却水来弥补循环水中的水损失，因此适用于水源不足的地区采用。
空冷凝气系统是指利用空气来带走汽轮机排汽热量的凝气系统，不需要冷却水，厂址选择不受冷却水源的限制，例如坑口电厂。
1.4对凝汽器的要求
为了形成高度的真空，凝汽器应满足下列要求：
(1) 具有良好的传热性能。良好的传热性能主要是通过管束的合理排列布置来达到，蒸 汽在凝汽器内不断凝结的结果，使得不凝结气体比例越来越大，传热系数则随之
逐步降低，如果能按照蒸汽流动分布相应地设置流道，使蒸汽圆滑地流向空气冷却区，从而使蒸汽负荷均匀地分配于管束，这样不仅有良好的传热性能，而且也会减少汽侧流动阻力和改善除氧效果。
(2) 具有高度严密性。运行中，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。如果水侧严密性不好,则冷却水就会渗漏于汽侧，恶化凝结水水位，这对大机组的安全运行是极大的威胁。另外，如果汽侧严密性不好,那么空气将漏入汽侧，恶化了传热，降低了真空。因此，严密性对凝汽器来说是一个最基本的要求。
(3) 具有尽可能小的汽阻和过冷度。汽阻是蒸汽、空气混合物流过凝汽器管束空间的流
动阻力损失，汽阻的存在造成凝结过冷度和含氧量增加。凝结水的过冷,降低了循环的热经济性，凝结水含氧量的增加，则加剧了设备腐蚀的危险性，所以性能良好的凝汽器应尽量减少汽阻和过冷度。
(4) 具有良好的除氧功能。现在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。
(5) 具有较小的水阻。水阻是冷却水在凝汽器冷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，这个阻力的大小对循环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，所以它是冷却水系统优化设计中的一个重要参数。
2. 凝汽器内压力的确定
在凝汽器内，由于空气分压的存在，各处的蒸汽压力并不完全相等。但只要抽气设备正常运作，在主凝结区域内，空气所占的比例很小，其分压力影响很小，所以蒸汽在凝汽器内的凝结过程可以看做是蒸汽等压放热过程。蒸汽分压力ps可认为等于凝汽器压力pc。这样通过求主凝结区蒸汽的凝结温度ts，得出其对应的饱和蒸汽压力ps，就确定了凝汽器压力pc。
2.1压力求解过程
汽轮机排汽进入凝汽器后，蒸汽的汽化潜热传给冷却水。就凝汽器内热量平衡来说，蒸汽凝结放出的热量等于冷却水温度升高带走的热量；就传热过程说，蒸汽的这部分热量等于在蒸汽与冷却水温差作用下，通过冷却水管总的传热表面传递的热量，用公式表达如下：
1000Dc(hch,c)=1000Dwcp(tw1-tw2)=Ack tm
其中Dc 为进入凝汽器的凝汽量，t/h; Dw为凝汽器的冷却水流量；为蒸汽比焓值； 为凝结水的比焓值；为水的比定压比热容，在常温常压下为4.187,；为冷却水进口温度；为冷却水出口温度；冷却水管外表面总面积；为从蒸汽向冷却水传热的总体传热系数；为蒸汽至冷却水的平均传热温差。
为提高蒸汽与冷却水的换热效果，蒸汽与冷却水通常采用近似逆流传热形式。下图表示了凝汽器中蒸汽和冷却水的温度沿冷却表面积的变化情况。曲线1表示凝汽器内蒸汽凝结温度ts的变化，可以看出，ts在主凝结区内沿冷却表面积基本不变，只有在空气冷却区，由于蒸汽已经大量凝结，空气含量相对增加，是蒸汽分压ps明显低于凝汽器压力pc，ps相对应的饱和温度ts明显下降。曲线2表示冷却冷却水沿着冷却表面积从进口温度逐渐吸热到出口温度的变化过程，其温升，凝汽器的传热端差为
2.2影响凝汽器压力的主要因素
1.冷却水进口温度
在其他条件不变的情况下，冷却水进口温度越低，凝汽器压力越低，即真空度越高。冷却水进口温度取决于供水方式和当地环境温度。在直流供水方式下只取决于环境温度，循环供水方式下取决于冷却水在冷却塔中的散热效果。
2.冷却水温升
冷却水温升可表达成下式：
其中m为凝结1kg蒸汽所需要的冷却水量，即冷却倍率；
为蒸汽和凝结水的比焓差值，在凝气式汽轮机通常的排汽压力范围内，比焓值差的变
动很小，约在2180kj/kg左右，于是式可改写为
由此看出，冷却倍率增大，冷却水温升就减小，凝汽器压力降低，真空度增大。在汽轮机运行时，凝汽量是由机组负荷决定的，要增大冷却倍率，主要依靠增大冷却水量来实现。但冷却水量的增大又会引起循环水泵耗功增大，要综合考虑。
3.传热端差t
由式看出，对某台凝汽器，冷却水管外表面积是一定的，在凝汽量和总体传热系数不变的前提下，端差随冷却水量的减小而减小。当冷却水量减少时，分子将明显增大，而分
母数值增大的更快，所以端差随冷却水量的减少有所减少，但温升和端差之和是增大的。
2.3凝汽器最佳真空的确定
运行中的凝汽器真空管理，就是通过冷却水量的合理调配使凝汽器维持在最佳真空（又称经济真空或最有利真空）状态下运行。这就是说凝汽器真空的提高是以增大冷却水泵的耗功率为代价的这里我们所说的最佳真空是指使汽轮机功率因真空提高所获得的增量与因冷却水量增加而引起的冷却水泵耗功率增量之差为最大时的凝汽器真空。图4.2中的横坐标为冷却水量Dw，纵坐标为凝汽器真空pc和功率差值P，曲线pc为凝汽器压力随Dw 的变化曲线。在同样的蒸汽负荷和冷却水温下，设使冷却水量增加了Dw，真空因此而提高（压力降低）并导致汽轮机功率增大Pt。与此同时，冷却水泵电动机的功率耗量也增大了Pp，两者之差 PPtPp冷却水量比较小的时候随冷却水量的增大而增加。进一步增大冷却水量, P开始减小，至x点 P0。这时如果继续增大冷却水量，真空还可继续提高，但到达某一点时，汽轮机末级喷嘴的膨胀能力已达极限，汽轮机功率不再增加．故该点所对应的真空称为极限真空。中Pt与Pp之差最大所对应的冷却水量Dw.eco就是最佳冷却水量。此循环水量下对应的凝汽器的真空便是最佳真空。在电厂的日常运行管理中，就是根据冷却水温的季节变化．通过调整冷却水泵台数组合来调整冷却水量使其达到最佳水量．以使凝汽器维持最佳真空。
绪论
课题研究的目的和意义
一、节能降耗
在能源供应量不能满足需求的情况下，节约是解决供需不平衡最现实、最有效
的途径，这正是我国把经济社会发展切实转入全面协调可持续发展的轨道，必须加快转变经济增长方式的要求。为此，国家发展和改革委员会制定并实施了国家《节能长期专项规划》，明确提出宏观节能目标在2003~2020年年均节能率为3%，形成节能能力为14亿吨标准煤。还具体规定了主要产品的单位能耗指标：对电力生产的指标规定了火电供电煤耗，2010年达到3609标准煤/(kw·h)，2020年达到3209标准煤/(kw·h)。
我国煤炭资源蕴藏丰富，占一次能源的70%，而且煤炭在我国国民经济中占
有重要地位，因此以煤电为主的格局在今后相当长的一段时间内不会改变。对于燃煤发电机组来说，机组的经济性对我国的能源利用占有举足轻重的地位，节能降耗是制胜之本。
建设节约型社会，节约宝贵的煤炭资源，在搞好技术创新、发展新的洁净煤
燃烧技术的同时，必须挖掘现有设备的潜力，在现有机组条件下，通过优化机组运行参数及设备结构来达到节能降耗的目的。
二、提高设备效益
火电厂是由多个设备和系统组成并完成能源转换的重要生产基地，其中任何一
个设备和系统的工作性能都会影响火电厂经济效益。
对于循环水系统来说，凝汽器的真空度对汽轮机装置的效率、功率有重大影响。
与机组初参数相比，冷端参数变化对经济性的影响更为显著。凝汽器真空是汽轮机各项参数中对机组出力和煤耗率影响很大的参数，是影响机组经济、安全运行的一个重要指标，而运行真空低于设计值是普遍存在的问题，严重影响机组经济性。据调查统计，国产引进型 300MW机组低真空问题最为严重，凝汽器真空值在91%一94%之间，比设计低3~6个百分点，使机组供电煤耗增加8.19/(kw·h)。这在电厂中是相当可观的。确定凝汽器的最佳真空并尽可能地保证机组处在最佳真空运行是实现冷端节能的关键。
循环水系统是火力发电厂一个独立的、对机组经济性有较大影响的系统，循环
水泵所耗用的电能约占电厂总发电量的1%~1.5%。研究与改善循环水系统的运行方式，对循环水系统的优化运行、节约厂用电、促进节能降耗、提高电厂运行经济性具有重要的意义。但目前电厂在循环水系统的运行方式中缺乏可操作性的理论依据，对循环水量的调节相当粗略，并带有一定的随意性。循环水系统远未达到经济运行，造成了能源的极大浪费。对循环水系统的运行方式进行优化，成为电厂节能降耗工作中一个亟待解决的问题。
三、节约用水
火力发电厂是耗煤大户，同时也是耗水大户。一般一台 600MW凝汽式发电
机组所需循环水量为 65000t/h左右，一台 300MW机组所需循环水量为 30000t/h左右，由于蒸发、风吹和排污的原因，循环水会不断损失，如果循环水的损失率按
2.5%(与各地的环境温度和气候条件有关)计算，那么 600MW和 300MW凝汽式发电机组所需的循环水的补充水量分别为 1625t/h和 750t/h。在水资源日益短缺的情况下，这是个令人瞩目的数字。因此，无论从耗电方面还是从耗水方面来说，对于发电厂循环水系统优化经济运行的研究都是至关重要的。
综上所述，优化发电厂循环水系统的运行方式，对于节约能源降低能耗，提高
电厂的经济性，节约水资源具有重要意义。
国内外发展现状
循环水系统由多个设备组成，某一参数的变化（如循环水流量）就会影响到数个设备的运行工况和性能指标，设备和系统之间互相影响、互相依存（循环水系统和凝汽器及冷却塔的关系），工作因素（凝汽器换热效率，漏空气量）及环境参数、机组负荷对机组经济性指标的影响不同，这些都会使循环水系统运行特性呈多参数相互影响的复杂变化趋势。
国内外学者对凝汽器、冷却塔、循环水泵等进行了多项研究。目前，凝汽器装置的技术优化一般有两种方式：一为分析方法，它主要是电站工作人员或外部机构借助于自动监视系统和动测量仪器，进行周期性试验或按规程进行的试验为基础，利用数值计算方法处理数据，从而获得结论进行系统优化；二为诊断方法，借助于计算机技术可以实时的检测设备的运行状况，对设备的故障进行预报、判断和分析，以此为基础进行在线运行故障的诊断，提供具体对策和处理措施，指导运行和检修人员进行运行调整和检修处理。
八十年代中期，以提高蒸汽参数为主要手段的改善电站热耗的各种节能方法的广泛研究，使人们认识到该系统对节能的重要性。循环水系统的优化调度首先引起研究人员的重视，继而开式供水系统的循环水优化调度为电站经济运行带来了客观的效益。从此科研人员才重视到调整冷端系统运行参数可提高电站的运行经济性。凝汽器最佳真空作为一项关键性的经济指标，目前国内外大多数研究根据这一指标，对冷端系统的各个分支系统和设备进行优化。通过对影响凝汽器真空诸多因素的研究找到合理的解决方案，最终提高机组经济性。
综合分析以上各种因素，这些设备和系统对经济性的影响主要可归结为两类，一类是影响排汽压力进而影响机组的作功;另一类是耗能设备如循环水泵、射水泵(或真空泵)、凝结水泵等耗功影响厂用电。目前评价冷端系统总体工作性能的高低，大多是综合考虑这两方面因素的变化。既要考虑凝汽器压力变化对作功的影响，还要考虑冷端系统内泵功的变化对厂用电的影响。无论是对单一设备(如凝汽器、抽气器、循环水泵和冷却塔等)的研究，还是从系统整体角度的研究，最终都是为了使电厂达到节能降耗的目的。