第一节 凝汽设备的作用及工作过程
一、凝汽设备的作用
凝汽设备是凝汽式汽轮机装置的重要组成部分之一，它在热力循环中起着冷源作用。 降低汽轮机排汽的压力和温度，可以提高循环热效率。降低排汽参数的有效办法是将排汽引入凝汽器凝结为水。凝汽器内布置了很多冷却水管，冷却水源源不断地在冷却水管内通过，蒸汽放出汽化潜热凝结成水。凝汽器中蒸汽凝结的空间是汽液两相共存的，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，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。
以水为冷却介质的凝汽设备，一般由凝汽器、凝结水泵、抽气器、循环水泵以及它们之间的连接管道和附件组成。最简单的凝汽设备如图5-1所示。汽轮机的排汽排入凝汽器1，其热量被循环水泵2不断打入凝汽器的冷却水带走，凝结为水汇集在凝汽器的底部热井，然后由凝结水泵3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而升高凝汽器内的压力，采用抽气器4不断将空气抽出。 凝汽设备的主要作用有两方面：一是图5-1 最简单的凝汽设备示意图 在汽轮机排汽口建立并维持高度真空；二1—凝汽器；2—循环水泵；3—凝结水泵；4—抽气是保证蒸汽凝结并供应洁净的凝结水作器 为锅炉给水。
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；它还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，以收回热量和减少循环工质损失。
二、凝汽器的结构类型
目前火电厂和核电站广泛使用表面式凝汽器，其特点是冷却介质与蒸汽经过管壁间接换热，从而保证了凝结水的洁净。
（一）表面式凝汽器的结构及工作过程
表面式凝汽器的结构如图5-2所示。冷却水管2装在管板3上，冷却水从进水管4进入凝汽器，先进入下部冷却水管内，通过回流水室5流入上部冷却水管内，再由冷却水出水管6排出。蒸汽进入凝汽器后，在冷却水管外汽侧空间冷凝。凝结水汇集在下部热井7
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中，由凝结水泵抽走。这样，凝汽器的内部空间被分为两部分，一部分是蒸汽空间，称为汽侧；另一部分为冷却水空间，称为水侧。
凝汽器的传热面分为主凝结区10和空气冷却区8两部分，这两部分之间用隔板9隔开。蒸汽进入凝汽器后，先在主凝结区大量凝结，到达空气冷却区入口处时，蒸汽流量已大为减少。剩下的蒸汽和空气混合物进入空冷区，蒸汽继续凝结。到空气抽出口处，蒸汽的分压力明显减小，所对应的饱和温度降低，空气和很少量的蒸汽得到冷却。空气被冷却后，容积流量减少，抽气器负荷减轻，抽气效果好。
图5-2 表面式凝汽器结构简图 （二）表面式凝汽器的分类
根据冷却介质不同，表面式凝汽器又分为空气冷却式和水冷却式两种。其中，水冷却式凝汽器应用得较广泛，因此，水冷却表面式凝汽器常简称为表面式凝汽器。空冷式凝汽器只在缺水地区使用。
根据冷却水流程不同，凝汽器可分为单流程、双流程、多流程凝汽器。如图5-2所示，同一股冷却水在凝汽器冷却水管中经过一次往返后才排出的，称为双流程凝汽器。若冷却水只经过单程就排出，称为单流程凝汽器。以此类推，为三流程、四流程等多流程凝汽器。流程数越多，水阻越大。大型机组的凝汽器多采用单流程凝汽器，中、小型机组多采用双流程。
根据空气抽出口位置不同，即凝汽器中汽流流动形式不同，现代凝汽器分为汽流向心式和汽流向侧式两大类，如
图5-3（a）、（b）所示。汽流
图5-3 凝汽器的结构形式示意图 向侧式凝汽器，它的抽气口布
（a）汽流向心式 （b）汽流向侧式 （c）多区域汽流向心式 置在凝汽器两侧，这样，排汽
由排汽口到抽气口的流程较
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短，汽阻较小，能保证有较高的真空；另外，在管束的中部设有蒸汽通道，可使部分蒸汽畅通无阻地到达热井加热凝结水，使凝结水温度接近排汽温度。汽流向心式凝汽器，其抽气口布置在管束的中心位置，蒸汽由管束四周向中心流动，汽阻小，而且蒸汽可以从两侧流向热井以加热凝结水，但由于下部管束不易与蒸汽接触，使各部分管子的热负荷不均匀。随着单机功率增大，凝汽器尺寸和冷却水管数量剧增。为加大管束四周中的进汽边界，缩短蒸汽流程以减小汽阻，出现了多区域向心式凝汽器，如图5-3（c）所示。独立区域由两个到十几个，平行布置于矩形外壳内。每个区域中部都有空冷区。
三、机组运行时对凝汽设备的要求
为了保证完成凝汽器的任务，机组运行时对凝汽器提出了一些要求。 1．传热性能要好
由于汽轮机排汽的工作状态处于湿蒸汽区，因此，凝汽器内蒸汽的饱和压力和饱和温度是对应的。为了维持凝汽器的较高真空，必须使凝汽器内蒸汽的饱和温度尽量接近冷源温度。但由于实际运行中冷却面积和冷却水量是有限的，所以当蒸汽凝结放出的热量通过冷却水管传给冷却水时，必然存在一定的传热温差，使得冷却水的出口温度低于蒸汽的饱和温度。凝汽器中蒸汽的饱和温度和冷却水离开凝汽器的出口温度tw2之差称为传热端差δt，即δt=ts−tw2。当tw2一定时，δt越小，ts越小，对应的汽轮机排汽压力越低，从而使得整机的理想焓降增加，机组的热效率提高。
为了提高机组的热经济性，应加强凝汽器的传热效果，尽量减少传热端差。具体措施主要包括：选择有较高传热系数的冷却水管；及时抽走积聚在冷却水管表面的空气；定期清洗凝汽器冷却水管，防止冷却水管结垢。
2．减小过冷度
当蒸汽进入凝汽器穿过上部铜管时大部分蒸汽凝结放热变成水珠，这部分水珠在下落的过程中，又被下部冷却水管进一步冷却。因此，凝结水的温度比凝汽器喉部压力下的饱和温度要低，其温差称为过冷度。一般过冷度为0.5～1℃。
过冷度的大小直接影响机组的经济性。过冷度越大，说明被冷却水额外带走的热量越多。这一部分损失要靠锅炉多燃烧燃料来弥补。而且过冷度越大，凝结水中的含氧量也越多，对设备和管道的腐蚀越大。因此应尽量减少过冷度。
为保证凝结水温度接近排汽温度，消除凝结水过冷现象，现代凝汽器都设有专门的蒸汽通道，使部分蒸汽直接到达热井加热凝结水，这种结构称为回热式凝汽器。图5-3所示的汽流向心式和向侧式凝汽器都属于此类。
3．减小汽阻和水阻
由于空气抽出口不断地抽出空气，抽气口处的压力最低，在凝汽器中蒸汽和空气由入口流向抽气口，在流经管束时存在流动阻力。凝汽器入口处压力与抽气口处压力的差值称为凝汽器的汽阻。汽阻越大，则凝汽器入口压力越高，经济性越低。现代凝汽器的汽阻可以减少到260～240pa左右。
凝汽器的水阻是指冷却水在流经凝汽器时所受的阻力。它由冷却水管内的沿程阻力、冷却水由水室进出冷却水管的局部阻力与水室中的流动阻力等部分组成。水阻越大，循环水泵耗功越大，故水阻应越小越好。双流程凝汽器的水阻较大，约49～78kpa。单流程水阻较小。
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第二节 凝汽器的压力与传热
一、凝汽器压力pc的确定
在凝汽器中，蒸汽压力和其饱和温度ts是相对应的，只要算出了ts就可以确定它所对应的饱和蒸汽压力ps。由于凝汽器的总压力与蒸汽的分压力相差甚微，则蒸汽的压力ps即为凝汽器的压力pc。
凝汽器内蒸汽和冷却水温度沿流程的变化规律如图5-4所示，由图可知蒸汽的饱和温度ts为：
ts=tw1+Δt+δt （5-1）
式中 tw1——冷却水的进口温度；
Δt——冷却水在凝汽器中的温升； δt——凝汽器的传热端差。
由上式可知，影响凝汽器压力的因素主要有三个方面。 （一）冷却水的进口温度tw1
tw1的大小取决于当地的气候和供水方式，在其它条件不变时，冬季tw1低，则ts也低，凝汽器压力低，真空高；夏季tw1高，ts也高，真空低。循环供水
时，tw1决定于冷水塔或喷水池的冷却效果。
（二）冷却水温升Δt
降低冷却水温升Δt，可降低ts，
图5-4 凝汽器中蒸汽和冷却水温度沿冷却表面的分布 Δt由凝汽器热平衡方程式求得。
′)=Dw(tw2−tw1)=DwCpΔtDc(hc−hc
（5-2）
式中 Dc、Dw——进入凝汽器的蒸汽量与冷却水量（kg/h）
′——蒸汽和凝结水的焓（kJ/kg） hc、hc
1—饱和蒸汽放热过程；2—冷却水的温度升高过程 tw1、tw2——冷却水流入和流出凝汽器的焓（kJ/kg）
Cp——水的定压比热，在低温时，一般取Cp=4.187kJ/（kgyK）。
根据5-2式得：
′′hc−hch−hc
(5-3) =c
CpDWDCCpm
′）为1kg排汽凝结时放出的汽化（hc−hc式中m=Dw/Dc称为凝汽器的冷却倍率。
Δt=
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′）只有2140～2220KJ/kg左右，一般取其平均值约潜热，在凝汽器排汽压力下，（hc−hc
为2180KJ/kg,于是有：
2180520 （5-4） =
4.187mm
由此可知，m值越大，Δt越小，真空越高。但m值越大，循环水泵功耗越大。经过
Δt≈
技术经济比较，m值一般在50～120之间。
（三）传热端差δt
由凝汽器的传热方程式可知，蒸汽凝结时传给冷却水的热量Q为：
Q=KAcΔtm （5-5） 式中 K——凝汽器的总体传热系数，kJ/(m⋅h⋅K)； Ac——总冷却水管外表面积，m2；
Δt——蒸汽至冷却水的平均传热温差。
由于空冷区传热面积较小，假设蒸汽凝结温度沿整个传热面积Ac不变，这时蒸汽和冷却水之间的对数平均传热温差为：
2
Δtm=
Δt
1n[(Δt+δt)/δt]
（5-6）
将式（5-2）、（5-5）、（5-6）三式联立求解得
δt=
Δt
Ackexp()−1
CpDw
（5-7）
由上式可知，传热端差由Ac、K、Dw、Δt确定。 1．冷却水管外表总面积Ac
设计时，蒸汽传给冷却水的热量Q一定，DW主要由m决定，K值由经验公式确定，若减少δt，就必须增大Ac，从而使造价提高，因此，Ac要根据技术经济比较确定，同时δt不宜太小，一般取δt=3～10℃，多流程凝汽器取偏小值，单流程取偏大值。对于某一台凝汽器，Ac为定值。
2．冷却水量Dw
凝汽器运行时，由于Dw减小时，Δt又会增加，故很难确定Dw与δt之间的对应关系。
3．冷却水温升Δt
根据凝汽器变工况运行分析，Dw不变时，随着蒸汽负荷的增加，Δt与δt均增加，凝汽器真空下降。反之则真空上升。
4．总体传热系数K
在凝汽器的运行中，K是影响δt的主要因素。K增大，传热加强，δt减小，真空升高。将冷却水管的圆筒形管壁传热近似看成平板传热。则总体传热系数为：
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K=
11==
1RRsa+Rc+Rw
1
αsa
δ1++λαw
（5-8）
式中 R——凝汽器总热阻；
αsa、Rsa——汽气混合物对冷却水管外壁的放热系数、热阻；
Rc——管壁本身的热阻；
δ——管壁厚度； λ——管壁导热系数；
αw、Rw——冷却水对冷却水管内壁的放热系数、热阻。
（1）汽气混合物对冷却水管外壁的热阻Rsa。汽侧热阻由管壁外的凝结水膜热阻与蒸汽向水膜外侧的放热热阻两部分组成。由于水膜内外存在温差，并且蒸汽的凝结量不同，温差也不同，使得水膜热阻是变化的；另外，空气的相对含量沿混合气体流动方向上的变化大，使得蒸汽向水膜外侧的放热热阻变化也大。因此，汽侧放热热阻是变化的。随着空气量的增加，汽侧热阻增加，使总体传热系数减小，真空下降。
（2）管壁本身的热阻Rc。一般冷却水管管壁很薄，管壁本身热阻很小。但当表面结垢时，会使管壁的热阻急剧增加，使得总体传热系数减少。
（3）冷却水对冷却水管内壁的热阻Rw。该热阻与冷却水流速有关。流速增加则换热加强，内壁热阻减小，总体传热系数增加。但流速增加，凝汽器的水阻增加，使得循环水泵的功耗增加，因此，运行时必须综合考虑。
由于Rc、Rw可以比较准确的推算，而影响汽侧放热的因素十分复杂，使得Rsa
不可能由理论公式算出，因此，传热系数K不可能由式（5-8）算出，一般设计凝汽器用的总体传热系数K均按实验求得的经验公式确定。但（5-8）式在分析凝汽器传热时，可建立比较清晰的概念。
二、凝汽器的极限真空和最佳真空
图5-5 汽轮机功率增加及水泵耗功增量与冷却汽轮机运行时，排汽量由外界负荷决
定，不可调节，所以控制冷却水温升的主要水增量的关系曲线 手段就是改变冷却水量。冷却水量主要由循环水泵的容量和运行台数决定。增加冷却水
量，则△t减小，排汽压力降低，汽轮机发出功率增加，但不是真空越高越好。因为增加循环水量，循环水泵功耗将增加。若只有一台循环水泵工作，且冷却水量可连续调节，汽轮机功率增加及水泵耗功增量与冷却水增量的关系曲线如图5-5所示。随着循环水量的增加，曲线1是机组电功率增量ΔPT的变化曲线，曲线2是循环水泵所耗功率增量ΔPP的变化曲线。由图5-5可见，当两曲线差值ΔP=ΔPT−ΔPP为最大时，提高真空后所增加的汽轮机功率与为提高真空使循环水泵多消耗的厂用电之差即达到最大，此时的真空值称为最佳真空。运行中，机组要尽量保持在凝汽器的最佳真空下工作。实际上，运行的循环水
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泵可能有几台，循环水量也不能连续调节，所以应通过试验确定不同负荷及不同进口水温下的最佳真空。
对于一台结构已定的汽轮机，蒸汽在末级存在极限膨胀压力。若排汽压力低于该值，则蒸汽的部分膨胀只能发生在动叶之后，产生膨胀不足损失，汽轮机功率不再增加，反而还因凝结水温降低、最末级回热抽汽量增加而使机组功率减小。凝汽器的极限真空就是指使汽轮机做功达到最大值的排汽压力所对应的真空。
三、凝汽器内空气的影响
进入凝汽器的空气来源：一是由新蒸汽带入汽轮机的，由于锅炉给水经过除氧，该量极少；二是通过汽轮机设备中处于真空状态下的低压各级与相应的回热系统、排汽缸、凝汽设备等不严密处漏入的，这是空气的主要来源。设备严密性正常时，漏入凝汽器的空气不到排汽量的万分之一。虽然量小，但危害严重，主要表现在以下几个方面：
1．空气使凝汽器真空下降
主凝区的空气平均分压很小，但冷却管外围的空气压力明显增大。这是由于汽气混合物流向冷却水管，蒸汽在冷却水管表面凝结为水后滴下来流走，而空气不可能逆流流动，于是积存在冷却水管表面。这样，蒸汽分子只能通过扩散靠近冷却管外侧，大大阻碍蒸汽的凝结过程，使真空下降。
2．空气使凝结水过冷度增加
道尔顿定律指出：混合气体全压力等于各组成气体分压力之和。由此可知，凝汽器压力等于凝汽器内空气分压力与蒸汽分压力之和，故空气的存在使蒸汽分压力低于凝汽器压力，从而使蒸汽分压力下的饱和温度即凝结水的温度低于凝汽器压力下的饱和温度，使凝结水产生过冷。引起运行中凝结水过冷的正常原因有：
（1）管子外表面蒸汽分压力低于管束之间混合汽流的压力。
（2）管子外表面的水膜受冷却使得水膜平均温度低于水膜外表面的蒸汽凝结温度，仅这两项使凝结水的固有过冷度达2.8℃左右。
（3）汽阻使管束内层压力降低，也使凝结水温度降低。 除此之外，引起凝结水过冷的不正常原因有： （1）冷却水管排列不合理，使汽阻增大。
（2）系统严密性不好或抽气器工作不正常，使空气分压力增大。
（3）凝结水水位过高，淹没部分管束，使凝结水进一步冷却。这些非正常原因，在设计和运行时应注意避免。
运行中，若漏入空气增多或抽气器失常时，不仅真空降低，还将使过冷度增大；若只是冷却水量减少，则只使真空降低，过冷度不增加。可用这两条来判断真空下降的原因。
3．空气使机组运行的经济性下降
空气漏入凝汽器，使排汽压力、排汽温度升高，降低机组经济性。严重时，由于排汽温度过高，还会引起汽轮机低压缸的变形，造成机组振动，甚至使机组被迫减负荷或停机。
4．空气使凝结水含氧量增加
空气漏入凝汽器，增加空气分压力，从而增加空气在水中的溶解度，使凝结水中的含氧量增加，加剧低压管道和低压加热器的腐蚀，降低设备的可靠性，同时也增加除氧器
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的负担。
四、真空除氧
为了减少凝结水中的含氧量，一般在大型机组的凝汽器内还专门设置了凝结水的除氧装置，如图5-6所示为凝汽器内布置的水封淋水盘式凝结水真空除氧装置。凝结水进入热井时，首先流入带有许多孔的淋水盘2，水从小孔流下，形成水帘，凝结水表面积增大，被上面流下的蒸汽加热。当凝结水被加热到热井压力下的饱和温 度，就可将溶于水中的氧气和其它气图5-6 水封淋水式凝结水真空除氧装置 体除掉。水帘落下，落在角铁上，溅1—空气导管；2—淋水盘；3—长水槽；4—溅水角铁 成水滴，表面积又增大，可被蒸汽进一步加热与除氧。被除去的气体经过许多根空气导管导入空气冷却区，最后由抽气器抽出。
一般真空除氧装置在大约60%额定负荷以上工作时的除氧效果较好，满负荷效果最好。但在低负荷和机组启动时，由于蒸汽量少，蒸汽在上部管束就已凝结，不能到达热井加热凝结水，而且凝汽器压力低，漏入的空气量增大，使凝结水的含氧量增加，过冷度也增加，这时真空除氧效果较差。
五、凝汽器的真空严密性
（一）凝汽器严密性对机组运行的影响
近代亚临界和超临界参数机组，对锅炉给水品质要求更为严格。尽管凝汽器在装配过程中，都要作泵水试验，以保证凝汽器的密封性，但在运行中，空气不可避免地少量漏入凝汽器的真空系统内。这种漏泄将直接影响机组的安全性和经济性。
真空系统严密性下降，使漏入或积聚在凝汽器内的空气量增加，凝汽器的真空降低，传热效果降低，凝结水的含氧量增加，设备的腐蚀速度加快，蒸汽分压相对降低，其凝结水温度低于凝汽器内总压力所对应的饱和温度，过冷度增加。
当冷却水渗漏进凝汽器的汽侧以后，不仅使凝结水水质恶化，而且使过冷度增加。凝结水水质不合格会影响汽、水系统设备运行的安全，不仅传热效果降低，还使设备产生腐蚀损坏，降低使用寿命，严重时，锅炉水冷壁管发生爆裂。
（二）真空系统严密性的检查
为了监视凝汽设备在运行中的严密性，要定期作真空严密性试验。其试验方法是：先记录下试验前的真空值，使机组保持80%额定负荷，当关闭抽气门后的3～5min内，真空下降速度≤2～3mmHg/min为合格，但总的真空下降不得超过规定值。 查找凝汽器漏气地点的主要方法有：
（1）在运行中检查真空系统严密性的仪器是氦气检漏仪。利用该仪器可以检查真空系统中焊缝、管接头、法兰和阀门接合处的泄漏。使用时，将氦气接近真空系统中可能泄漏的地方，由检漏仪指示出试样中含有氦气的浓度，从而分析确定泄漏的位置和泄漏的严
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重程度。
（2）通过测量凝结水的含氧量，也可确定泄漏点是在热井水面以上的汽空间还是在热井水面以下的水空间，这是一种辅助方法。含氧量高，而抽气量又在许可范围之内，泄漏点是在热井水面以下的水空间；含氧量高，而抽气量又大于许可值，泄漏点是在热井水面以上的汽空间。
（3）在停机时，对真空系统的整体或部分进行充水以至于作水压试验，则是全面检查的好办法。
第三节 抽气设备
机组启动和正常运行过程中，抽气设备都要投入运行。机组启动时，需要把一些汽、水管路系统和设备当中所积集的空气抽出来，以便加快启动速度。正常运行时，必须用它及时地抽出凝汽器中的非凝结气体，维持凝汽器的规定真空；及时地抽出加热器热交换过程中释放出的非凝结气体，保证加热器具有较高的换热效率；把汽轮机低压段轴封的蒸汽、空气及时地抽到轴封冷却器中，以确保轴封的正常工作等，都离不开抽气设备的工作，
抽气设备按工作原理可分为射流式和容积式两大类。 一、射流式抽气器
根据工作介质不同，射流式抽气器可分为射汽式和射水式两种。 1．射汽抽气器
射汽抽气器如图5-7所示，由工作喷嘴A、外壳B和扩压管C组成。工作蒸汽进入喷嘴A，A中的高速汽流在混合室中与周围气体分子产生动量交换，夹带气体分子前进，使周围形成高度真空。外壳B的入口与凝汽器抽气口相连，
蒸汽空气混合物不断地被吸入混
图5-7 射汽式抽气器示意图 合室，进入扩压管。此时汽流动能
A—工作喷嘴；b—外壳；c—扩压管 转换为压力能，速度降低，压力升
高。蒸汽空气混合物最终排入大气。
抽气器型式的选择主要根据汽轮机设备的运行情况和抽气器的特点来考虑。一般，对于高、中压母管制额定参数启动的机组，工作蒸汽的来源有保证，多采用射汽式抽气器。为提高经济性，射汽抽气器多制成带中间冷却器的两级或三级抽气器，另外，还要配置专用的启动抽气器，它的任务是在汽轮机启动前，使凝汽器迅速建立真空，以缩短启动时间；对于高参数大容量单元机组，由于射汽式抽气器的过载能力小以及机组滑参数启动时需要引入其它的工作汽源，使系统复杂化，所以多采用射水式抽气器。
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2．射水抽气器
射水抽气器结构示意图如5-8图所示。一般由专用水泵供给工作水，工作水进入水室1，然后进入喷嘴2，形成高速水流，在高速水流周围形成高度真空，凝汽器的蒸汽空气混合物被吸进混合室3，与工作水相混合，部分蒸汽立即在工作水表面凝结，然后一起进入扩压管4，速度减小、压力升高后排出扩压管。
当专用水泵或其电动机故障或厂用电中断时，工作水室水压立即消失，混合室内就不能建立真空。这时凝汽器压力仍是很低的，而排水井水面的压力是大气压力，故不洁净的工作水将从扩压管倒流入凝汽器，污染凝结水。为此在混合室入口处设置了逆止阀5，用以阻止工作水倒流。
射水抽气器结构简单，工作可靠，启动运行方便。通常需专设工作水泵，工作水量较大，被抽出的混合气体中蒸汽含量较大，不能回收，工质损失较多，但不同于射汽抽气器需考虑工作蒸汽来源。适用于滑参数启动和滑压运行的单元制再热机组。
二、容积式抽气器
容积式抽气器分为水环式真空泵和机械离心式真空泵两种。
1．水环式真空泵
如图5-9
图5-8 短喉部射水式抽气器结所示。水环式
构示意图 真空泵的主
1—工作水室；2—喷嘴；3—混要部件是叶
合室 轮、叶片、泵
壳、吸排汽口。叶轮偏心地安装在壳体内，叶片为前弯式。
在水环泵工作前，需要先向泵内注入一定量的水。电动机带动叶轮旋转，水受离心力的作用，形成沿泵壳旋转流动的水环。这样，由水环内表面、叶片表面、轮毂表面、壳体的两 个侧表面围成了许多密闭小空间。因为叶轮的
图5-9 水环式真空泵机构原理图 偏心安装，这些小空间的容积随叶片旋转呈周1—吸气管；2—泵壳；3—空腔；4—水环；5期性变化。在旋转的前半周，即由a转向b，
—叶轮；6—叶片；7—排汽管 小空间的容积由小变大，压力降低，可通过吸
气口吸入气体。进而，在后半周，即由c转向
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d，小空间的容积由大变小，已经被吸入的气体压缩升压。当压力达到一定程度时，通过排气口将气体排出。这样，水环泵就完成了吸气、压缩、排气三个连续的过程，达到抽气的目的。
水环泵在排气时，工作水会排出一小部分。经过气水分离器后，这一小部分水又送回泵内，所以工作水的损失较小。为保证稳定的水环厚度，在运行中需要向泵内补充凝结水，但量很少。工作水温对其抽吸能力有较大影响，当水温升高时，水环泵抽吸能力下降，故运行时要保证工作水冷却器的正常运行。
水环式真空泵由于功耗低，运行维护方便，工作可靠，启动性能好，利于环保等优点，多作为国产300~600MW机组的配套设备。
2．机械离心式真空泵
机械离心式真空泵的结构如图5-10所示，离心真空泵的工作轮安装在与聚水锥筒6、汽水混合物吸入管3相连接的外壳9中，工作水由水箱11经吸入管12进入吸入室5。随着工作轮8旋转，工作水经一个固定喷嘴7喷出，并进入旋转着的工作轮的叶片槽图5-10 机械离心式真空泵结构原理图 道内。水被叶片分隔成许多的小股水1—闸阀；2—逆止阀；3—汽水混合物吸入管；4—叶柱，这些高速水柱夹带由吸入管3吸入片；5—吸入室；6—锥筒；7—喷嘴；8—工作轮；9—的汽气混合物进入聚水锥筒6，在锥筒外壳；10—扩压管；11—水箱；12—吸水管 内增加流速后进入扩压管10，并在压
力稍大于大气压力之后排入水箱11，经汽、水分离后，气体排出，工作水继续参加循环。
机械离心式真空泵也需要定期补充冷水，以防工作水的流失和水温升高。这种泵在100~300MW机组上较广泛地应用。
第四节 凝汽器的变工况及多压凝汽器
凝汽器运行中的一些主要参数大多偏离设计值，凝汽量是由汽轮机负荷决定的，汽轮机排汽量在允许的最小与最大之间变动。冷却水温度则由当地的气象条件所决定。我国凝汽器设计导则规定，冷却水设计温度是指全年的冷却水平均温度。实际上，冷却水的温度在一年四季都在很大的范围内变化。另外，凝汽器运行中冷却表面被污脏，清洁系数降低，导致传热系数下降。运行中真空系统严密性下降，漏入真空系统的空气量增多，又使传热恶化。所有这些运行因素的变化，最终导致凝汽器真空偏离设计值。凝汽器真空偏离设计工况，在非设计工况下运行称为凝汽器的变工况运行。
一、主要因素改变对凝汽器压力影响
在凝汽器的变工况运行中，影响凝汽器真空的因素很多，其中Dc、Dw、tw1是决定
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凝汽器压力的主要因素，这些因素的改变，导致了Δt和δt的变化。从而使ts和凝汽器压力pc改变。
1．变工况下Δt的变化规律 变工况下Δt表达式为：
′hc−hc
=aDc
4.187DW/DC
′hc−hc
a= （5-9）
4.187DW
′）变化很小，可近似看作常数，故α为常数，此时，Δt当Dw不变时，由于（hc−hc
Δt=
正比于Dc。当Dw改变后，算出新的α，重新确定Δt和DC的比例关系。
2．变工况下δt的变化规律
当Dw不变时，α为常数，δt的变化表达式为：
a
（5-10） Dc
ACKexp()−1
CPDW
凝汽器已制造好，AC不变。若K也不变，则δt与DC成正比，也就是与
δt=
dc(dc=Dc/Ac，称为比蒸
汽负荷)成正比，如图5-11中的辐射线（包括虚线）所示。
实验证明，当凝汽器负荷下降不大时，漏入空气量不变，δt确实与DC成正比，如图5-11右侧实线倾斜段所示，当蒸汽负荷下降较多时，汽轮机处于真空下的级数增多。凝汽器真空提高，漏入的空气量
增大，K减小，由式（5-10）
可见δt增大。同时，DC减小图5-11 端差δt与dc、tw1的关系曲线 使δt减小。两方面共同作用的结果，使δt下降缓慢或不
变，如图5-11的实线转折段和水平段所示。另外，由于tw1较小时，凝汽器真空较高，漏入空气量较大，K减小，在相同热负荷下使得δt较大。因此，tw1较小的曲线在上部。当Dw改变后，重新确定δt与DC的关系。
3．变工况凝汽器压力pc的确定
由ts=tw1+Δt+δt求在Dw一定时，根据不同的DC和tw1，可求出相应的Δt和δt，得ts，查表得对应的饱和压力ps。在主凝结区，凝汽器压力pc和蒸汽分压力ps相差甚微。因此，凝汽器的压力就由ps值确定。
171
二、凝汽器的特性曲线 从上面分析可知，凝汽器压力pc是随着tw1、Dw和Dc的变化而变化的。我们把pc随tw1、Dw和Dc的变化规律称为凝汽器热力特性。它们之间的关系曲线称为凝汽器的特性曲线。凝汽器的特性曲线可以指导运行人员监视凝汽器的运行，确定汽轮机的最安全最合理的运行方式。
对于一台具体的凝汽器来说，一些结构参数是给定的，在给予不同的tw1、Dw和Dc时，可求出传热系数K值。根据式（5-9）计算出Δt，根据式（5-10）算出δt，由ts=tw1+Δt+δt可求得ts，查表得
ps即pc。根据pc可绘制凝汽器的
特性曲线。
以N-3500-1型凝汽器为例。设Dw=9380t/h，Ac=3210m2，取一
图5-12 N-3500-1型凝汽器特性曲线 系列tw1和Dc值，可计算出相应的pc值。根据pc可绘制图5-12所示的凝汽器特性曲线。 三、多压凝汽器
大功率汽轮机都具有两个以上的低压缸，每个低压缸都有两个排汽口，把每一个或每一对排汽口与一个凝汽器的壳体相连接，每个壳体又互不相通，则每一个排汽口或每一对排汽口都具有各自的背压，多压凝汽器就是把汽轮
机排汽口对应的凝汽器壳体做成独立的汽空图5-13 双压式凝汽器示意图 间，或把一个壳体分隔成几个独立的互不相通
的汽空间。如图5-13所示。凝汽器汽侧用密封分隔板隔为两个汽室，冷却水串行流过各汽室。各汽室进口水温不同，形成高压汽室和低压汽室，构成双压式凝汽器。同理，还有三压式、四压式等凝汽器。
1．多压凝汽器平均压力的计算
图5-14所示为双压凝汽器蒸汽和冷却水温度沿冷却水管长度分布的曲线，虚线表示单压凝汽器，实线表示双压凝汽器。双压凝汽器两汽室的传热面积和热负荷各为单压式的一半，冷却水量相同，所以两汽室的冷却水温升各为Δt/2。
由式（5-1）单压凝汽器、双压凝汽器低、高压汽室的蒸汽凝结温度分别为ts、ts1、ts2，可求得：
ts=tw1+Δt+δt （5-11）
172
ts1=tw1+Δt/2+δt1 （5-12） ts2=(tw1+Δt/2)+Δt/2+δt2 （5-13）
图5-15 采用多压凝汽器的热效率曲线
1、4—六压；2、5—三压；3—双压 图5-14 蒸汽和冷却水温度
沿冷却水管长度的分布
双压凝汽器高、低压汽室的传热端差分别为δt1、δt2，根据式（5-7）相应求得： Δt
（5-14）
AcK1
2[exp()−1]
8.374DW
Δt
δt2= （5-15）
AcK2
2[exp()−1]
8.374DW
δt1=
ts.m
双压凝汽器的平均压力用平均折合压力表示。即蒸汽凝结平均温度=(ts1+ts2)/2对应的饱和压力。
2．多压凝汽器的特点
1）在一定条件下，多压凝汽器的平均折合压力低于单压凝汽器的压力，提高机组的热经济性。单压凝汽器和多压凝汽器的平均排汽温度之差为：
Δts=ts−ts.m=Δt/4+δt−(δt1+δt2)/2 （5-16）
在（5-16）式中Δts由Δt、δt、δt1和δt2确定。传热端差与传热系数有关，而传热系数与进口水温有关。当Δt一定时，tw1大于某分界温度，Δts为正，说明多压凝汽器的平均折合压力低于单压凝汽器的排汽压力，热经济性好；反之，tw1小于某分界温度，Δts为负，说明多压凝汽器的平均折合压力较高，热经济性较差。但注意冷却水进口温度的分界温度要随凝汽器的工作参数而变化。另外，当冷却倍率减小，冷却水总温升Δt增大时，Δts将增大，多压凝汽器的折合压力可能低于单压凝汽器的压力。
由此可见，气温高的地区（tw1高）、缺水地区（m小）的机组更适宜采用多压凝汽器。多压凝汽器热效率增大百分数与冷却倍率m、汽室数n、冷却水温tw1的关系曲线如图5-15
173
所示。由图可知，冷却倍率越小，汽室数越多，采用多压凝汽器的效益越大。
2）多压凝汽器可将低压凝结水引入高压侧加热，以提高凝结水温，减小低压加热器的抽汽
量，减小发电热耗率。为此，通
图5-16 多压凝汽器的凝结水回热方式 常要进行低压汽室凝结水的回
（a）凭压差自流与水泵输送；（b）凭水位热。具体方法有两种：一种方法
差自流 是将低压凝结水用泵打至高压
1—分隔板；2—底盘；3—冷却水管 汽室内特制的喷嘴中，使水雾
化，充分与高压汽室蒸汽接触而
被加热，如图5-16（a）所示；另一种方法是将低压凝结水水位提高，从而克服两汽室的压差，依靠重力作用使低压凝结水自流到高压侧的底盘上，再由底盘下的许多小孔流出被蒸汽加热，如图5-16（b）所示。
复习思考题及习题
1．叙述凝汽设备的组成及工作过程。 2．说明表面式凝汽器的结构及工作原理。 3．分析影响凝汽器压力的因素。 4．说明加强凝汽器传热的措施。 5．何谓极限真空和最佳真空?
6．叙述抽气设备的分类及工作原理。比较各抽气器的工作特点。 7．何谓凝汽器的变工况?分析影响凝汽器变工况的主要因素。 8．为什么要采用多压凝汽器?
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