凝汽器的结构及真空的形成

第一部分——凝汽器的结构

一、凝汽器一般分为表面式和混合式两种，而大型电厂都是用表面式。

而表面式凝汽器又分为

（1）汽流向下式：即抽汽口在凝汽器的下部，汽轮机排汽自上而下流动。多用在老式的小型机上。

（2）汽流向上式：它最大的特点是汽轮机排汽可以充分的加热凝结水。但汽阻很大，目前很少用。

（3）汽流向心式：蒸汽由管束四周沿半径方向流向中心的抽汽口，在管束下部有足够的蒸汽通道，使凝结水与蒸汽有充分的接触，加热效果好，汽阻少，而且凝结水与被抽出的蒸汽不接触，保证了良好的除氧效果。但其体积很大。

（4）汽流向侧式：它有上下直通的蒸汽通道保证了凝结水与蒸汽的直接触，蒸汽一部分由此通道入，另一部分由上面进入管束的两半，空气从两侧抽出。在有足够大的面积时，凝结水过冷度很少，汽阻也不大。目前最多采用。

二、按冷却水的流程凝汽器可分为单道制、双道制、三道制。

三、按垂直隔板分单一制、 对分制。

四、按凝汽器汽侧压力分：

（1）单压式（凝汽器压力是单一的）、

（2）多压式 （将汽侧分多个互不相通的汽室，通过各汽室的冷却水温度都不同，使各室的汽侧压力也不同）

五、凝汽器的结构

一般由外壳、水室、管板、铜管（不锈钢管）、与汽轮机排汽口连接处的补偿装置和支架等组成。

1、外壳

外壳有生铁铸成和钢板焊接制成两种型式。用生铁铸成的凝汽器具有结合面少、不容易漏汽、生铁不易被氧化等特点。但其受气温变化影响大，外壳容易开裂。所以现在的凝汽器外壳均采用10~15mm的钢板焊接而成，为避免生锈，在外壳内壁涂有防腐漆。一般中小型用圆形多，大型机组则多用方形。

2、水室和端盖

水室和端盖有用生铁铸成的，也有用钢板制成的。水室装在外壳两端，外壳与水室之间装有管板，端盖上开有人孔门，用以检修用。双道制和多道制凝汽器的水室用水平挡板分隔，把水流分成若干流程，使冷却水能充分吸收排汽的热量。水室结构应尽量避免引起冷却水在进入铜管时产生涡流，使铜管进水端的冲击腐蚀。

3、管板和隔板

管板装在凝汽器外壳内的两端与端盖一起围成水室，作用是固定管子并将凝汽器的汽侧与水侧分开。两块管板之间用支撑螺栓把管板边接起来，以增加其刚性。

为了减少铜管的弯曲和防止铜管在运行过程中振动，在凝汽器壳体中设有若干块中间隔板。中间隔板中心一般较管板高2~5mm，抬高后能确保管子与隔板紧密接触，改善管子的振动特性，减少热应力。还能使凝结水沿弯曲的管子由中央向两端流下，减少下一排管子上积聚的水膜，提高传热效率。

4、管束（铜管、不锈钢管）

铜管（不锈钢管）应具有足够的抗腐蚀性能，一般用淡水做冷却水的凝汽器，冲蚀现象在水速高于2.5~3m/s时发生；而以海水做冷却的在水速超过1.5m/s时就会发生。

管子与管板上的安装必须保持足够的严密性，所以管子在管板上固定的方法有胀接法和垫装法，垫装法能保证管子受热时自由膨胀，但工艺复杂，紧凑性差，所以只在船上用。胀接法结构和工艺都很简单，严密性也较好，得到广泛应用。

管束的排列方法以及管束的布置形式都直接影响凝汽器的真空度与换热效果，所以合理的排列和管束布置是凝汽器设计和改进中十分重要。

排列方法：

顺序排列法，这种方法汽流途径弯曲较少，阻力较小，但需要较大的管板面积，而且上排管子的凝结水逐排下流时会进一步被冷却，增大过冷度。所以较少用。

三角形排列，又称错排。管子位于正三角形的顶点，管子密集程度最大，所需管板面积最小，换热效果及减小过冷度方面也较好通常布置在希望蒸汽空气混合物流速增大的部位。

辐向排列法，这种排列法由于蒸汽由外圆向中心流动时，随着蒸汽的凝结，蒸汽通道也在变小，故其阻力近似不变，传热效果好。除了大型凝汽器中应用外，还常用在凝汽器进口处，因为进口处蒸汽流量大、流速高，采用管距较大的辐向排列可减少汽阻。

现在为提高凝汽器的效率，在同一台凝汽器中排列往往不是只采用一种，而多采用混合排列法。

名词解释：

凝汽器的端差：汽轮机排汽温度与循环水出水温度之差。

凝结水的过冷度：汽轮机的排汽温度与凝结水温度之差。

凝汽器循环水温升：凝汽器循环水出入口温度之差。

管束布置：

管束布置是从减小汽阻、减小过冷度、均匀各部分传热面积上的热负荷的要求出发的。评定凝汽器优劣有5个指标：真空度、凝结水过冷度、凝结水含氧量、水阻及空冷区排出的汽气混合物的过冷度。空冷区出口的汽气混合物温度应比凝汽器进口平均压力所对应下的饱和温度低4~16℃或为平均压力所对应的饱和温度与冷却水入口温度差25%。

为达到上面要求，管束布置要考虑以下原则：

1、为减小蒸汽进入管束的阻力，进汽侧开始几排管子应有较大的通道面积；

2、为减小凝结水过冷度，应在管束中及管束四周留有足够的蒸汽通道；

3、为减小热阻应减少顺着汽流的管子排数，尽量使进口至抽气口的途径短而直，在管束中间收集凝结水；

4、为增强冷却效果，应用专门挡板划出部分管子为空气冷却区，其位置与热水井不宜太近；

5、为防止蒸汽绕过主管束直接进入空气冷却区以及防止汽、气混合物绕过空气冷却区直接进入抽气口，应在管束与壳体间加装阴气板等。

布置型式：

a、带状布置方式：可以按照需要来安排流动方向；热负荷比较均匀；空气和蒸汽接触机会少以及过冷度、凝结水含氧量减少。但是对于大功率机组，管子多，带状布置会使带条很宽很长，容易引起空气在管束内积聚，增大汽阻，蒸汽也不容易流到较长带条中蒸汽通道的底部。因此会用另一种布置方式：辐向块状布置方式。

b、卵状布置方式：蒸汽到抽气口的流程较均匀、短直；蒸汽通道宽流速低；主凝结区热负荷高且在各区域分布均匀以及空气冷却区能较充分的冷却汽、气混合物。

c、“教堂窗”布置方式：蒸汽进入管束的面积大，汽阻小，热负荷分配均匀，传热性能好。

六、凝汽器与汽轮机排汽口的连接

凝汽器喉部与汽轮机排汽口的连接必须保证严密不漏，同时在汽轮机受热时能自由膨胀，否则将会发生位移和变形。

大型机组中，一般将凝汽器喉部与汽轮机排口直接焊接在一起，也有的用法兰盘固定连接在一起。这两种连接方法，都是将凝汽器本体用弹簧支持在基础上，当汽轮机和凝汽器受热膨胀时，可借弹簧的伸缩来补偿，同时它的重量又不作用在汽轮机的排汽管上。也有的凝汽器和基础间刚性连接，凝汽器的喉部和汽轮机的排汽缸之间设有橡胶补偿节。

单壳体对分双流程表面式凝汽器

其总体结构由壳体、水室、排汽接管等部分组成。通过接颈与低压缸弹性连接，底部取消弹簧，彩刚性固定。凝汽器采用单一的方壳外形，横向布置，其优点是由钢板焊成，制造工艺简单、质量轻，并能充分利用汽轮机下部空间。凝汽口水室对分为两个独立的部分，当凝汽器脏污时，可以进行一侧清洗。冷却水的流程为双流程。

1、接颈上部采用不锈钢制成的波形补偿节与低压缸连接，如图：

2、以补偿凝汽器与低压缸的相对热膨胀。接颈在结构上要能承担真空载荷，所以接颈内采用适当数量的钢管作为加强筋。

3、壳体是凝汽器的核心部件，其中布置了凝汽器的管束和热井。整个壳体用接颈和钢管交错支撑组成框架结构。

二个前水室和两个后水室分别与管板和凝汽器下部壳体法兰用螺栓连接。前水室上布置有冷却水进口，出口及人孔，均为矩形焊接结构。后水室布置有人孔，为半球形的焊接结构，由于靠近后水室壳体侧有波型补偿节，见后图，所以在后水室下部另装有辅助支承架，座落在支承座上再座落于基础上。

凝汽器的管束分别为两大对称部分，每一部分的管束又分为上下两部分，采用多区域向心布置，蒸汽在管束内向心流动。其中布置有抽空气管，空气经由上部流至下部最后从前水室侧面下部两侧排出。

每组管束在有效长度内设有支持中间管板。以保证冷却管有足够的刚度并避开共振。冷却管由进水侧向出水侧呈抬高型式布置，以减少运行中的振动。停机时冷却水因冷却管的倾斜而流向进水侧。

凝汽器下部的后水室侧设置补偿节，用以补偿凝汽器下部与冷却水管纵向热膨胀的差值，改善了冷却水管的振动情况并且减少了凝汽器冷却管与管板间胀口所承受的拉力或压力，减少胀口的渗漏。凝汽器壳体下部有较大的存水空间，而凝结水热井集水箱位于下部壳体的底部，其上开有凝结水出口。凝汽器壳体下部有4只小支承座和4 个大支承座呈对称布置，在每个支承座的下部布置凝汽器的支承垫块，下部壳体直中央布置有凝汽器的死点座。

第二部分——真空的形成过程

在启动冲转前是由凝汽器本体密封、汽轮机投入汽封而形成一个密闭空间，并由抽汽器把凝汽器及汽轮机内的空气抽出，从而形成达到冲转要求的真空度。

在运行中凝汽器的真空形成是由比容很大的汽轮机低压缸排汽进入密闭的凝汽器中，通过管束，被循环水冷却成水，其体积会急剧缩小（如在0.004MPa下蒸汽被凝结成水时，体积约缩小3万多倍，原来蒸汽充满的密闭空间便形成了高度真空。

一、在运行中真空的形成和维持必须具备的条件

1、凝汽器管子内必须通过一定量的冷却水；

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、抽气器必须把漏入的空气和排汽中的其他气体抽走。

二、名词解释

汽轮机的极限真空：

当通过汽轮机最后一级叶片的蒸汽已达到膨胀极限时，如果继续提高真空，汽轮机功率都不再增加，这时所对应的真空为极限真空。

汽轮机的最佳真空：

对于结构已确定的凝汽器，在极限真空内，当蒸汽参数和流量不变时，提高真空使蒸汽在汽轮机中的可用焓降增大，就会相应增加发电机的输出功率。但在提高真空的同时，需要向凝汽器多供冷却水，从而增加循环水泵的耗功。由于凝汽器真空提高，使汽轮机功率增加与循环水泵多耗功率的的差数为最大时的真空值就称为最佳真空。

三、影响凝汽器最佳真空的主要因素

进入凝汽器的蒸汽量、汽轮机排汽压力、冷却水的进口温度、循环水量（或是循环水泵的运行台数）、汽轮机的出力变化及循环水泵的耗电量变化等。在实际运行中则是根据凝汽量及冷却水出口温度来选用最有利真空下的冷却水量，也即是合理使用循环水泵的容量和台数。

四、凝汽器真空下降的表现

汽轮机在运行中，凝汽器真空下降的主要象征为：排汽缸温度升高；真空表指示下降和凝汽器的端差明显增大。真空下降后，若保持机组负荷不变，汽轮机的进汽量势必增大，使轴向推力增大以及叶片过负荷；不仅如此，由于真空下降，使排汽温度升高，从而引起排汽缸变形，机组重心偏移，使机组的振动增加以及凝汽器铜管受热膨胀产生松弛、变形甚至断裂。因此机组在运行中发现真空下降时，除按规定减负荷外，必须查明原因及时处理。

根据凝汽器真空下降速度的不同，我们可以将真空下降事故分为真空缓慢下降和真空急剧下降两种。

五、凝汽器真空缓慢下降的因素

1、循环水入口温度升高

2、凝汽器水位过高

3、大机或小机轴封供汽压力不足

4、水封阀密封水门运行中误关

5、防进水保护误动或凝汽器热负荷过大

6、加热器或除氧器事故疏水阀误开

7、凝结水收集水箱水位过低

8、真空系统少量泄漏

六、凝汽器真空急剧下降的因素

1、循环水中断或水量不足

2、真空系统大量泄漏

3、凝汽器满水

4、大机或小机轴封供汽中断

5、机械真空泵故障

6、真空系统阀门操作不当或误操作

7、真空破坏门误开

8、低压缸安全门薄膜破损或小机排汽缸安全门薄膜破损

9、高低压旁路误开

七、真空系统的检漏方法

1、蜡烛火焰法：它是传统的查找漏点的方法。检查时，将点燃的蜡烛置于真空系统的法兰及阀门的连接处及其他可疑的漏点，如有泄漏，火焰将被吸向漏点。应当注意：此法不适用于氢冷发电机的系统。

2、汽侧灌水试验法：它是一种最有效的检漏方法，但是必须在汽轮机停运并已过到冷态后进行。方法：把所有与真空系统相连的管道用阀门切断，对凝汽器下部的弹簧支座进行支垫，然后向凝汽器汽侧注水。灌水高度应在汽封洼窝以下100mm处。灌水后检查，不严密的地方便会有水渗漏出来。

3、氦气检漏仪法：它是近年来用于运行中的真空系统进行检漏。使用时，将氦气释放于真空系统可能泄漏的地方，然后由检漏仪测出氦气的浓度，从而分析确定泄漏的位置和泄漏的严重程度。