淺析凝汽器工作原理

周志文

中圖分類號：TM63 文獻(xiàn)標(biāo)識：A 文章編號：1674-1145（2016）07-000-02

摘 要 凝汽器為動力循環(huán)的冷源，在汽輪機(jī)排氣口建立并保持高度的真空，使蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)膨脹到盡可能低的壓力，將更多的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，同時把汽輪機(jī)排氣凝結(jié)成水，維持工質(zhì)循環(huán)使用，提高電廠經(jīng)濟(jì)性；排除做功后的蒸汽在凝結(jié)過程中的不凝結(jié)氣體，提高換熱效率，減弱不凝結(jié)氣體中氧氣等的腐蝕作用。本文從凝汽器設(shè)計基準(zhǔn)出發(fā)，介紹了凝汽器的功能、真空的形成與保持、結(jié)構(gòu)、液位控制和運(yùn)行工況及影響凝汽器工作的因素。

關(guān)鍵詞 凝汽器 真空 系統(tǒng)運(yùn)行

一、凝汽器的功能

凝汽器是動力循環(huán)的冷源，在汽輪機(jī)低壓缸內(nèi)膨脹作過功的蒸汽排至凝汽器中冷凝成水，乏汽凝結(jié)過程中放出汽化潛熱并被循環(huán)冷卻水帶走。其具體功能有：

（1）與抽汽系統(tǒng)一起為汽輪機(jī)建立和維持真空；

（2）把在低壓缸內(nèi)做完功的蒸汽冷凝成水；

（3）接收各疏水箱來的疏水和不凝結(jié)氣體，回收和貯存潔凈的凝結(jié)水，對凝結(jié)水進(jìn)行初步除氧，以減少對設(shè)備的氧化腐蝕，為動力循環(huán)提供給水。

二、凝汽器的工作原理

（一）真空的形成

真空指的是壓力，具體說，指的是外界的大氣壓Pb，與在該處測量所得的絕對壓力Pa之差。若以Ph表示真空度，則Ph=Pb-Pa。從熱力學(xué)知道，某一密閉容器中的蒸汽與液體之間的平衡壓力，由蒸汽與液體在該容器中所處的溫度而定，此時平衡壓力與溫度兩者的關(guān)系是線性的，也就是說，每一蒸汽在其飽和狀態(tài)下的溫度都與一定的平衡壓力相對應(yīng)。因此，如果在這個沒有其他氣體存在的容積中，發(fā)生了蒸汽的等壓凝結(jié)過程（也就是流進(jìn)凝汽器被冷凝的蒸汽的流量不變，凝結(jié)的熱量不斷地被帶走，此時所形成的冷凝水也不斷地被帶走等條件下的凝結(jié)過程），則在容積中將建立與溫度相對應(yīng)的壓力，此溫度就是容積中的蒸汽隨冷卻條件而改變的溫度。不難想到，凝汽器中蒸汽最低的極限溫度就是循環(huán)冷卻水的溫度，循環(huán)冷卻水將蒸汽的全部汽化潛熱帶走，在凝汽器中形成高度的真空。

（二）真空的保持

從低壓缸排入凝汽器的乏汽，通過海水循環(huán)泵向凝汽器蛇形管唧送的冷卻水來不斷得以冷卻。乏汽在凝汽器底部冷凝成水，由于水的比容比蒸汽的比容小許多倍，隨著蒸汽冷凝，凝汽器中形成高度真空。如果這時用凝泵將生成的凝結(jié)水抽走，則能不斷地將進(jìn)入凝汽器的蒸汽冷凝下來，并維持某一真空。然而，客觀情況是，外界空氣總要漏入低于大氣壓的地方，使蒸汽中總是含有空氣和其它不凝結(jié)氣體，如果不將這些氣體不斷地從凝汽器中排除掉，盡管對應(yīng)于飽和溫度的壓力可以比大氣壓力低得多，但是由于凝汽器內(nèi)總的壓力等于混合物各個分壓力之和，隨著不凝結(jié)氣體的累，其不凝結(jié)氣體的分壓力會不斷升高，經(jīng)過一段時間之后，容器的壓力會上升到被冷凝蒸汽壓力，蒸汽將不再流動，冷凝過程就停止了。因此，因此要保持凝汽器的真空度使冷凝器正常工作，除了要不斷地冷卻進(jìn)入的蒸汽，并抽出凝結(jié)的水外，還必須不斷地從冷凝器中除去不凝結(jié)氣體。

三、影響真空的因素

凝汽器的實際工作過程中，人們并不直接注意凝汽器的傳熱系數(shù)，而是以凝汽器的真空，冷卻水出口端差的變化來判斷凝汽器運(yùn)行情況的好壞。當(dāng)然，真空和端差的變化都是與凝汽器傳熱過程的好壞密切相關(guān)的。循環(huán)冷卻水在鈦管內(nèi)流動時，不斷地吸收管外蒸汽凝結(jié)時所放出的熱量，溫度逐漸升高。凝汽器入口蒸汽壓力下的飽和溫度與冷卻水出口溫度的差值稱為凝汽器的“端差”。

（一）在一定的蒸氣凝結(jié)負(fù)荷下，影響真空和端差的因素

1.循環(huán)冷卻水流量增加時，真空改善，端差稍有增加。

當(dāng)冷卻水的進(jìn)口溫度T1不變時，若冷卻水流量增加時，冷卻水出口溫度T2要下降，同時由于水量的增加，傳熱管內(nèi)側(cè)的冷卻水放熱系數(shù)上升，平均換熱系數(shù)增加。當(dāng)冷卻水量剛增加時。蒸氣的凝結(jié)壓力基本還是原來值，平均溫差因出口水溫的降低而增加，傳熱系數(shù)及平均溫差的上升都使傳熱量增加，即蒸氣凝結(jié)量增加，但進(jìn)入凝汽器的蒸汽量是一定的，因而很快就使凝汽器中的壓力逐漸降低，即真空上升。當(dāng)達(dá)到一個新的平衡狀態(tài)后，傳熱系數(shù)雖比原先的有所增加，但因凝結(jié)壓力的降低引起平均溫差減小，從而傳熱量仍幾本恢復(fù)到原來的值。在夏天為了保持一定的真空，需切換循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速就是這個道理。

冷卻水流量增加，一方面使真空上升，汽機(jī)所做的功增加，同時使循環(huán)水泵的耗電量上升。從經(jīng)濟(jì)上說最有利的情況是：由于真空上升汽機(jī)所多做的功減去循環(huán)水泵所多小的電能后的凈功為最大，這時的真空稱為“最佳真空”。

2.進(jìn)口水溫下降時，真空好轉(zhuǎn)，端差增大。

當(dāng)冷卻水進(jìn)口溫度下降時，在一定的冷卻水流量下，出口溫度跟著下降，即冷卻水進(jìn)出口平均溫度下降，因而平均溫差增加，此時平均傳熱系數(shù)雖因水溫的下降而有所減少，但平均溫差增加的比例超過了傳熱系數(shù)減少的程度，總的說傳熱量仍增加。經(jīng)歷一個不穩(wěn)定過程，最后同樣導(dǎo)致凝結(jié)壓力的下降，真空好轉(zhuǎn)，而端差有所增加。凝汽器在冬天時的真空常常比夏天高，就是由于冷卻水進(jìn)出口溫度低而引起的。

3.管壁沾污時真空惡化，端差增加。

由于管壁被沾污，使傳熱過程惡化，傳熱系數(shù)下降，要傳遞與清潔傳熱管同樣的熱量，就必須有較高的對數(shù)平均溫差，這樣就提高了凝汽器中的中絕對壓力，因而真空惡化，同時端差增加。為保證凝汽器的正常運(yùn)行，田灣核電站采用膠球清洗系統(tǒng)。

除上所述之外，如果凝汽器漏氣嚴(yán)重或是抽氣工作失常，蒸汽凝結(jié)時就會混有較多的的空氣，凝結(jié)放熱系數(shù)將大幅度降低，同時使相應(yīng)于蒸氣分壓力的飽和溫度降低，真正的平均溫度下降，這些都將導(dǎo)致傳熱過程惡化，所以要傳遞相同的熱量，蒸汽凝結(jié)時的絕對壓力就要升高。這樣凝汽器的真空惡化，端差升高。

（二）在一定的冷卻水量與水溫下，真空同蒸氣凝結(jié)負(fù)荷關(guān)系

蒸氣凝結(jié)負(fù)荷增加時，真空下降即凝汽器中的絕對壓力上升。這是因為負(fù)荷的增加，雖然常常使傳熱系數(shù)增加，但其上升速度總沒有負(fù)荷增加的快，所以必須增加傳熱溫差方可滿足傳熱要求，而這時冷卻水的平均溫度也升高了，這些都使凝汽器真空惡化。

四、凝汽器真空降低對機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行影響

凝汽器真空降低對機(jī)組運(yùn)行會有以下影響：

（1）汽輪機(jī)排氣壓力、溫度升高，蒸汽在機(jī)內(nèi)的可用焓降減少，蒸汽在凝汽器中的冷源損失增大，機(jī)組效率下降，機(jī)組出力減少。

（2）真空降低，要維持負(fù)荷不變，蒸汽流量增加，引起末級葉片過負(fù)荷，軸向推力增加，推力瓦溫度升高，有可能燒毀推力瓦。

（3）若真空下降，排氣溫度上升，使汽缸膨脹機(jī)組中心偏移，有可能發(fā)生振動。

（4）排氣溫度升高，使凝汽器的循環(huán)冷卻水管脹口松弛。

（5）排氣的體積流量減速少，不利于末級葉片工作。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫福泰.核動力設(shè)備[J].

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