浅析凝汽器工作原理

周志文

中图分类号：TM63 文献标识：A 文章编号：1674-1145（2016）07-000-02

摘 要 凝汽器为动力循环的冷源，在汽轮机排气口建立并保持高度的真空，使蒸汽在汽轮机内膨胀到尽可能低的压力，将更多的热能转变为机械能，同时把汽轮机排气凝结成水，维持工质循环使用，提高电厂经济性；排除做功后的蒸汽在凝结过程中的不凝结气体，提高换热效率，减弱不凝结气体中氧气等的腐蚀作用。本文从凝汽器设计基准出发，介绍了凝汽器的功能、真空的形成与保持、结构、液位控制和运行工况及影响凝汽器工作的因素。

关键词 凝汽器 真空 系统运行

一、凝汽器的功能

凝汽器是动力循环的冷源，在汽轮机低压缸内膨胀作过功的蒸汽排至凝汽器中冷凝成水，乏汽凝结过程中放出汽化潜热并被循环冷却水带走。其具体功能有：

（1）与抽汽系统一起为汽轮机建立和维持真空；

（2）把在低压缸内做完功的蒸汽冷凝成水；

（3）接收各疏水箱来的疏水和不凝结气体，回收和贮存洁净的凝结水，对凝结水进行初步除氧，以减少对设备的氧化腐蚀，为动力循环提供给水。

二、凝汽器的工作原理

（一）真空的形成

真空指的是压力，具体说，指的是外界的大气压Pb，与在该处测量所得的绝对压力Pa之差。若以Ph表示真空度，则Ph=Pb-Pa。从热力学知道，某一密闭容器中的蒸汽与液体之间的平衡压力，由蒸汽与液体在该容器中所处的温度而定，此时平衡压力与温度两者的关系是线性的，也就是说，每一蒸汽在其饱和状态下的温度都与一定的平衡压力相对应。因此，如果在这个没有其他气体存在的容积中，发生了蒸汽的等压凝结过程（也就是流进凝汽器被冷凝的蒸汽的流量不变，凝结的热量不断地被带走，此时所形成的冷凝水也不断地被带走等条件下的凝结过程），则在容积中将建立与温度相对应的压力，此温度就是容积中的蒸汽随冷却条件而改变的温度。不难想到，凝汽器中蒸汽最低的极限温度就是循环冷却水的温度，循环冷却水将蒸汽的全部汽化潜热带走，在凝汽器中形成高度的真空。

（二）真空的保持

从低压缸排入凝汽器的乏汽，通过海水循环泵向凝汽器蛇形管唧送的冷却水来不断得以冷却。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许多倍，随着蒸汽冷凝，凝汽器中形成高度真空。如果这时用凝泵将生成的凝结水抽走，则能不断地将进入凝汽器的蒸汽冷凝下来，并维持某一真空。然而，客观情况是，外界空气总要漏入低于大气压的地方，使蒸汽中总是含有空气和其它不凝结气体，如果不将这些气体不断地从凝汽器中排除掉，尽管对应于饱和温度的压力可以比大气压力低得多，但是由于凝汽器内总的压力等于混合物各个分压力之和，随着不凝结气体的累，其不凝结气体的分压力会不断升高，经过一段时间之后，容器的压力会上升到被冷凝蒸汽压力，蒸汽将不再流动，冷凝过程就停止了。因此，因此要保持凝汽器的真空度使冷凝器正常工作，除了要不断地冷却进入的蒸汽，并抽出凝结的水外，还必须不断地从冷凝器中除去不凝结气体。

三、影响真空的因素

凝汽器的实际工作过程中，人们并不直接注意凝汽器的传热系数，而是以凝汽器的真空，冷却水出口端差的变化来判断凝汽器运行情况的好坏。当然，真空和端差的变化都是与凝汽器传热过程的好坏密切相关的。循环冷却水在钛管内流动时，不断地吸收管外蒸汽凝结时所放出的热量，温度逐渐升高。凝汽器入口蒸汽压力下的饱和温度与冷却水出口温度的差值称为凝汽器的“端差”。

（一）在一定的蒸气凝结负荷下，影响真空和端差的因素

1.循环冷却水流量增加时，真空改善，端差稍有增加。

当冷却水的进口温度T1不变时，若冷却水流量增加时，冷却水出口温度T2要下降，同时由于水量的增加，传热管内侧的冷却水放热系数上升，平均换热系数增加。当冷却水量刚增加时。蒸气的凝结压力基本还是原来值，平均温差因出口水温的降低而增加，传热系数及平均温差的上升都使传热量增加，即蒸气凝结量增加，但进入凝汽器的蒸汽量是一定的，因而很快就使凝汽器中的压力逐渐降低，即真空上升。当达到一个新的平衡状态后，传热系数虽比原先的有所增加，但因凝结压力的降低引起平均温差减小，从而传热量仍几本恢复到原来的值。在夏天为了保持一定的真空，需切换循环水泵转速就是这个道理。

冷却水流量增加，一方面使真空上升，汽机所做的功增加，同时使循环水泵的耗电量上升。从经济上说最有利的情况是：由于真空上升汽机所多做的功减去循环水泵所多小的电能后的净功为最大，这时的真空称为“最佳真空”。

2.进口水温下降时，真空好转，端差增大。

当冷却水进口温度下降时，在一定的冷却水流量下，出口温度跟着下降，即冷却水进出口平均温度下降，因而平均温差增加，此时平均传热系数虽因水温的下降而有所减少，但平均温差增加的比例超过了传热系数减少的程度，总的说传热量仍增加。经历一个不稳定过程，最后同样导致凝结压力的下降，真空好转，而端差有所增加。凝汽器在冬天时的真空常常比夏天高，就是由于冷却水进出口温度低而引起的。

3.管壁沾污时真空恶化，端差增加。

由于管壁被沾污，使传热过程恶化，传热系数下降，要传递与清洁传热管同样的热量，就必须有较高的对数平均温差，这样就提高了凝汽器中的中绝对压力，因而真空恶化，同时端差增加。为保证凝汽器的正常运行，田湾核电站采用胶球清洗系统。

除上所述之外，如果凝汽器漏气严重或是抽气工作失常，蒸汽凝结时就会混有较多的的空气，凝结放热系数将大幅度降低，同时使相应于蒸气分压力的饱和温度降低，真正的平均温度下降，这些都将导致传热过程恶化，所以要传递相同的热量，蒸汽凝结时的绝对压力就要升高。这样凝汽器的真空恶化，端差升高。

（二）在一定的冷却水量与水温下，真空同蒸气凝结负荷关系

蒸气凝结负荷增加时，真空下降即凝汽器中的绝对压力上升。这是因为负荷的增加，虽然常常使传热系数增加，但其上升速度总没有负荷增加的快，所以必须增加传热温差方可满足传热要求，而这时冷却水的平均温度也升高了，这些都使凝汽器真空恶化。

四、凝汽器真空降低对机组的安全经济运行影响

凝汽器真空降低对机组运行会有以下影响：

（1）汽轮机排气压力、温度升高，蒸汽在机内的可用焓降减少，蒸汽在凝汽器中的冷源损失增大，机组效率下降，机组出力减少。

（2）真空降低，要维持负荷不变，蒸汽流量增加，引起末级叶片过负荷，轴向推力增加，推力瓦温度升高，有可能烧毁推力瓦。

（3）若真空下降，排气温度上升，使汽缸膨胀机组中心偏移，有可能发生振动。

（4）排气温度升高，使凝汽器的循环冷却水管胀口松弛。

（5）排气的体积流量减速少，不利于末级叶片工作。

参考文献：

[1] 孙福泰.核动力设备[J].

[2] 于瑞侠.核动力汽轮机[J].