淺析凝汽器工作原理

周志文

中圖分類號：TM63 文獻標識：A 文章編號：1674-1145（2016）07-000-02

摘 要 凝汽器為動力循環的冷源，在汽輪機排氣口建立并保持高度的真空，使蒸汽在汽輪機內膨脹到盡可能低的壓力，將更多的熱能轉變為機械能，同時把汽輪機排氣凝結成水，維持工質循環使用，提高電廠經濟性；排除做功后的蒸汽在凝結過程中的不凝結氣體，提高換熱效率，減弱不凝結氣體中氧氣等的腐蝕作用。本文從凝汽器設計基準出發，介紹了凝汽器的功能、真空的形成與保持、結構、液位控制和運行工況及影響凝汽器工作的因素。

關鍵詞 凝汽器 真空 系統運行

一、凝汽器的功能

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

（1）與抽汽系統一起為汽輪機建立和維持真空；

（2）把在低壓缸內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氣體，回收和貯存潔凈的凝結水，對凝結水進行初步除氧，以減少對設備的氧化腐蝕，為動力循環提供給水。

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系是線性的，也就是說，每一蒸汽在其飽和狀態下的溫度都與一定的平衡壓力相對應。因此，如果在這個沒有其他氣體存在的容積中，發生了蒸汽的等壓凝結過程（也就是流進凝汽器被冷凝的蒸汽的流量不變，凝結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過程），則在容積中將建立與溫度相對應的壓力，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冷卻水的溫度，循環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水抽走，則能不斷地將進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，但是由于凝汽器內總的壓力等于混合物各個分壓力之和，隨著不凝結氣體的累，其不凝結氣體的分壓力會不斷升高，經過一段時間之后，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入的蒸汽，并抽出凝結的水外，還必須不斷地從冷凝器中除去不凝結氣體。

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，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行情況的好壞。當然，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的。循環冷卻水在鈦管內流動時，不斷地吸收管外蒸汽凝結時所放出的熱量，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）在一定的蒸氣凝結負荷下，影響真空和端差的因素

1.循環冷卻水流量增加時，真空改善，端差稍有增加。

當冷卻水的進口溫度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，傳熱管內側的冷卻水放熱系數上升，平均換熱系數增加。當冷卻水量剛增加時。蒸氣的凝結壓力基本還是原來值，平均溫差因出口水溫的降低而增加，傳熱系數及平均溫差的上升都使傳熱量增加，即蒸氣凝結量增加，但進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。當達到一個新的平衡狀態后，傳熱系數雖比原先的有所增加，但因凝結壓力的降低引起平均溫差減小，從而傳熱量仍幾本恢復到原來的值。在夏天為了保持一定的真空，需切換循環水泵轉速就是這個道理。

冷卻水流量增加，一方面使真空上升，汽機所做的功增加，同時使循環水泵的耗電量上升。從經濟上說最有利的情況是：由于真空上升汽機所多做的功減去循環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.進口水溫下降時，真空好轉，端差增大。

當冷卻水進口溫度下降時，在一定的冷卻水流量下，出口溫度跟著下降，即冷卻水進出口平均溫度下降，因而平均溫差增加，此時平均傳熱系數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減少的程度，總的說傳熱量仍增加。經歷一個不穩定過程，最后同樣導致凝結壓力的下降，真空好轉，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行，田灣核電站采用膠球清洗系統。

除上所述之外，如果凝汽器漏氣嚴重或是抽氣工作失常，蒸汽凝結時就會混有較多的的空氣，凝結放熱系數將大幅度降低，同時使相應于蒸氣分壓力的飽和溫度降低，真正的平均溫度下降，這些都將導致傳熱過程惡化，所以要傳遞相同的熱量，蒸汽凝結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，真空同蒸氣凝結負荷關系

蒸氣凝結負荷增加時，真空下降即凝汽器中的絕對壓力上升。這是因為負荷的增加，雖然常常使傳熱系數增加，但其上升速度總沒有負荷增加的快，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組的安全經濟運行影響

凝汽器真空降低對機組運行會有以下影響：

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

（2）真空降低，要維持負荷不變，蒸汽流量增加，引起末級葉片過負荷，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，使汽缸膨脹機組中心偏移，有可能發生振動。

（4）排氣溫度升高，使凝汽器的循環冷卻水管脹口松弛。

（5）排氣的體積流量減速少，不利于末級葉片工作。

參考文獻：

[1] 孫福泰.核動力設備[J].

[2] 于瑞俠.核動力汽輪機[J].