冷凝器的结构与工艺计算

工作原理

    凝汽设备是凝汽式汽轮机装置的重要组成部分之一，它的工作情况直接影响到整个装置的热经济性和运行可靠性。凝汽设备在汽轮机装置的热力循环中起着冷源作用。降低汽轮机排汽的压力和温度，就可以减小冷源损失，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。若机组运行不当使排汽压力比正常值升高1%，Δηt∕ηt将降低1%以上；若使排汽温度下降5℃，则Δηt∕ηt将升高1%以上。这对于大型机组是很可观的，由此可见凝汽设备的重要性。以水为冷却介质的凝汽设备，一般由凝汽器、凝结水泵、抽气设备、循环水泵以及它们之间的连接管道和附件组成。

最简单的凝汽设备示意图如上图所示。汽轮机3的排汽排入凝汽器4，其热量被循环水泵5不断打入凝汽器的冷却水带走，自身凝结为凝结水汇集在凝汽器的底部热井，同时由凝结水泵1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升高凝汽器内的压力，采用抽气设备2不断将空气抽出。在凝汽器中，不断循环的冷却水创造凝汽器中的低温环境，使排汽释放汽化潜热而发生凝结。凝汽器中蒸汽凝结的空间是汽液两相共存的，汽侧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。只要冷却水温不高，蒸汽凝结温度也不高，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。

从汽轮机的方面来说，如果没有凝汽器创造的真空，主蒸汽不会自发地从级前运动到级后来膨胀做功，凝汽机同样肩负着除氧、补充给水的责任。

凝汽器的主要作用是：

1)在汽轮机排气口造成较高真空，使蒸汽在汽轮机中膨胀到最低压力，增大蒸汽在汽轮机中的可用焓降，提高循环热效率；

2)将汽轮机的低压缸排出的蒸汽凝结成水，重新送回锅炉进行循环；

3)汇集各种疏水，减少汽水损失；

4)凝汽器也用于增加除盐水（正常补水）。

凝汽器主要由壳体、管板、管束、中间管板等部件组成。管板将凝汽器壳体分割为蒸汽凝结区和循环冷却水进出口水室；中间管板用于管束的支持和定位。凝汽器下部还设有收集凝结水的空间，称为热井。

1.1 喉部

凝汽器喉部，即为凝汽器蒸汽入口处，喉部是凝汽器的重要组成部分，联系着汽轮机排汽口和凝汽器的主凝结区，起着乏汽传输的作用。喉部是一个高度真空的容器，一般情况下，其内除了布置有大量的支撑管外，为了节省整个电厂系统的设计空间，还要在喉部布置内置低压加热器、旁路蒸汽减温减压装置等，因此，从结构上讲，它又是一个复杂的蒸汽通道。

评价喉部的2个重要指标是：

1）喉部蒸汽的流动汽阻，过大的汽阻直接影响到汽轮机的效率；

2）喉部流动的稳定性和均匀性，这一指标一方面影响整个喉部的安全性，另一方面，也会对下级的冷却管束造成影响。

凝汽器喉部进口截面积尺寸一般应使排汽速度在80~120m/s范围内。凝汽器内需放置低压加热器和抽汽管道时，其形状和布置应尽量减少所占的排汽通道截面，必要时加置适当的导向构件以减少压力损失。

1.2 壳体
管板将凝汽器壳体分割为蒸汽凝结区和循环冷却水进出口水室。
对于大型凝汽器冷凝管较长时，凝汽器壳体与冷凝管之间可采取补偿措施。为保证壳体的刚性，应对壳体加置适当的加强槽钢、支撑杆和加强肋。

1.3  水室
凝汽器有三个水室：进水水室、回流水室、回水水室。进水水室和回水水室在同一侧，回流水室在对面。循环水先进进水水室，然后从进水水室进入凝结器铜管内进入回流水室后转个弯再进入凝汽器，后流入回水水室，继而流回回水管道。

水室的盖板应做成可拆卸的。为便于现场吊装，水室盖板可做成吊轨外移形式或回转移动形式。并且水室的每个流道应设置放水、放气接口。其口径的大小取决于水室的容积和放水、放气的时间要求。

1.4  管束
管束常用排列形式有：带状排列、辐射状排列、卵状排列、教堂窗式排列等。

1）外围管束的设计，通过外围管束的合理设计，来有效实现均匀进汽，并尽量增大迎流面积以降低管束区的平均速度，从而减小壳侧压降，凝汽器管束布置成窄长楔形，使得主要蒸汽管道呈渐缩型是一种比较理想的凝汽器外形，而在外围管束增设辅助进气通道有助于实现均匀进汽，并增加迎流面积，同时，单管束模块布置时避免了多管束模块布置存在的蒸汽分配不均匀和流动相互干扰等不足，更为有利。

2）内部管束的设计，通过内部管束的合理设计，保证流动的通畅，避免涡流和空气积聚的产生，实现蒸汽的向心流动。挡汽板处是涡流较容易产生的区域，要注重对挡汽板的设计和布置。同时，内部管束设计要保证蒸汽在主凝结区的充分凝结，避免出现漏气和局部布管不足，使得蒸汽还未充分凝结就到达空冷区。

1.5  热井
热井就是凝汽器下部收集凝结水的集水井，作用是用以汇集由大量乏汽连续冷凝而生成的主凝结水，并且给凝结水泵提供一定的静压头。

2.1 凝汽器计算面积的确定[2]

循环水进水温度30℃，通过查询冷却水进水温度修正系数表得出βt为1.063
根据管程的材质（钛）和壁厚，通过查询冷凝管材料壁厚修正系数得出βm为0.952

2.2 凝汽器管程核算

凝汽器管程设计要求：

接下来根据计算的管长、管板直径等参数，对照厂家的型号的表选择合适的凝汽器的型号。

小结：

凝汽器作为电厂一类体积庞大的换热设备，其工作性能直接影响到整个系统的热经济性和运行可靠性，凝汽器的工艺设计选型也显得尤为重要。本文介绍的方法也只是用于设计机构对凝汽器进行初步的设计选型，详细的参数与计算选型参照厂家的相应标准规范。