熱電廠汽輪機(jī)凝汽器的節(jié)能改造

張圓明，谷偉偉，張黎明

(1.廣州市能源檢測研究院，廣東 廣州 510170;2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710032;3.海裝廣州部，廣東 廣州 510236)

當(dāng)前，火力發(fā)電廠耗煤量占我國煤炭消耗總量的一半以上［1］，因此降低火電廠能耗是我國節(jié)能工作的重點。凝汽器是火電廠汽輪機(jī)的一個重要輔機(jī)，是使汽輪機(jī)排汽冷卻凝結(jié)成水，并在其中形成真空的熱交換器。凝汽器壓力對汽輪機(jī)的熱效率有很大的影響，通常升高1 kPa，汽輪機(jī)熱耗率約增加0.7% ～0.9%［2］。為了改善汽輪機(jī)的熱力性能，提高經(jīng)濟(jì)性，很多電廠對凝汽器進(jìn)行了改造工作［3－7］，其中一種經(jīng)濟(jì)、技術(shù)可行的改造方式是采用新材料高效換熱管。

某熱電廠60 MW汽輪機(jī)組自上世紀(jì)90年代投產(chǎn)運行至今，因凝汽器循環(huán)水從入海口江水中抽取，凝汽器銅管腐蝕嚴(yán)重，直接影響到機(jī)組運行的經(jīng)濟(jì)性和安全性，亟需對銅管進(jìn)行改造。本節(jié)能技改項目采用高效不銹鋼波螺管代替銅管，解決了銅管泄漏和換熱效果差的問題，提高了機(jī)組運行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

1 節(jié)能技術(shù)改造方案

汽輪機(jī)組型號為 FC60 －8.83/(1.73)，凝汽器設(shè)計冷卻面積為3 500 m2、冷卻水進(jìn)口溫度為20℃、冷卻水量為9 300 t/h。在不改變凝汽器外殼、管板、隔板、熱水井的前提下，把全部6 222根換熱銅管更換成TP317L高效不銹鋼波螺管，改造前后管子性能參數(shù)如表1所示。

表1 改造前后管子性能參數(shù)

2 技術(shù)可行性分析

凝汽器換熱管由銅管改造成不銹鋼波螺管后，具有換熱高效、耐腐蝕、抗結(jié)垢性好、抗振性好、易維護(hù)等優(yōu)點。

2.1 換熱高效性

凝汽器的傳熱過程為:管外側(cè)蒸汽通過凝結(jié)換熱把熱量傳遞給管壁，然后熱流通過金屬管和污垢的導(dǎo)熱到達(dá)管內(nèi)側(cè)，最后冷卻水與管壁對流換熱把熱量帶走，如圖1所示。

凝汽器傳熱熱阻主要由4部分構(gòu)成:管內(nèi)冷卻水對流換熱熱阻、污垢導(dǎo)熱熱阻、管壁導(dǎo)熱熱阻以及管外蒸汽凝結(jié)換熱熱阻［8］，其計算如式(1)

式中 R——凝汽器傳熱總熱阻/℃·W－1;

A1——蒸汽凝結(jié)換熱面積/m2;

圖1 凝汽器換熱示意圖

A2——管內(nèi)側(cè)冷卻水對流換熱面積/m2;

h1——蒸汽凝結(jié)表面換熱系數(shù)/W·m－2·℃－1;

h2——冷卻水對流換熱系數(shù)/W·m－2·℃－1;

d1——管子外徑/mm;

d2——管子內(nèi)徑/mm;

d3——污垢圓環(huán)的內(nèi)徑/mm;

l——管長/mm;

λ1——管子導(dǎo)熱系數(shù)/W·m－1·℃－1;

λ2——污垢導(dǎo)熱系數(shù)/W·m－1·℃－1。

管壁導(dǎo)熱熱阻僅占總熱阻的5%左右，對傳熱起決定性作用的是管內(nèi)對流換熱熱阻和管外凝結(jié)熱阻。下面從傳熱熱阻構(gòu)成及實際換熱效果測試等方面闡述凝汽器技改后的換熱高效性。

2.1.1 管壁導(dǎo)熱傳熱分析

雖然不銹鋼管的導(dǎo)熱系數(shù)要低于銅管，但傳熱效果主要由總熱阻來決定，而管壁導(dǎo)熱熱阻僅占總熱阻值的5%左右。使用不銹鋼波螺管后，凝汽器傳熱過程中占主導(dǎo)作用的管內(nèi)對流換熱熱阻和管外凝結(jié)熱阻顯著降低，所以導(dǎo)熱系數(shù)降低造成的影響忽略不計。

2.1.2 管外凝結(jié)換熱分析

凝結(jié)換熱有膜狀凝結(jié)和珠狀凝結(jié)兩種形式［8］。珠狀凝結(jié)時蒸汽與冷卻管壁之間沒有液膜阻隔，熱阻大為減小，換熱系數(shù)可達(dá)膜狀凝結(jié)時的5～10倍。

項目改造后，不銹鋼波螺管螺旋根部凝結(jié)液體的表面張力可使管外壁形成的凝結(jié)液膜變薄或形成珠狀凝結(jié)，減小熱阻;同時螺旋槽道加強(qiáng)了液膜擾動，增大了換熱面積。另外，由于螺旋槽道的作用，管壁上的凝結(jié)水會迅速沿著螺旋槽脫離冷卻壁面，有利于凝結(jié)換熱。

2.1.3 管內(nèi)對流換熱分析

不銹鋼波螺管強(qiáng)化管內(nèi)冷卻水(單相介質(zhì))對流換熱的主要原因在于管子內(nèi)壁產(chǎn)生的螺旋流和邊界層分離流。螺旋流使冷卻水與管壁的相對速度增加，同時引起流體旋轉(zhuǎn)，使邊界層厚度減薄并在邊界層內(nèi)產(chǎn)生擾動，層狀流的現(xiàn)象不易發(fā)生，從而增強(qiáng)對流換熱。分離流的主要作用是擾動邊界層的流體，使該處流體徑向混合較均勻，從而增強(qiáng)換熱。

2.1.4 換熱效果測試分析

對凝汽器改造前、后的換熱效果分別進(jìn)行測試分析，得到改造前后的傳熱系數(shù)，如表2所示:

表2 凝汽器技改前后的換熱效果

不銹鋼波螺管總傳熱系數(shù)比銅管高21.8%，技改后換熱效果得到顯著提高。

2.2 耐腐蝕性

兩種材質(zhì)的冷卻管耐腐蝕性能如表3所示。

表3 兩種材質(zhì)的冷卻管耐腐蝕性能(耐蝕性:1最低，6最高)

從表3可知，不銹鋼管的耐蝕性優(yōu)于銅管。由于不銹鋼的強(qiáng)度和表面硬度都高于銅管，不論是汽側(cè)的高速蒸汽及水滴，還是水側(cè)的泥沙污垢及入口端流，對不銹鋼管的沖蝕都很小，適合于本項目江河含砂、污垢水質(zhì)條件。

2.3 抗結(jié)垢性

實際運行中，不銹鋼螺紋管凝汽器沒有或者很少結(jié)垢。其原因有3個，一是不銹鋼管的清潔系數(shù)(0.85)比銅管高，即管壁比銅管光滑，污垢難以產(chǎn)生;二是由于螺旋槽的作用，冷卻水在管內(nèi)的流動產(chǎn)生了邊界層分離流，不存在沿管壁低流速層，污垢難以附著在管內(nèi)壁面;三是螺旋波紋結(jié)構(gòu)對污垢有自清理作用，因為在凝汽器運行時管子會隨溫度變化膨脹和收縮，而污垢與金屬的熱膨脹系數(shù)相差較大，同時流體的脈動性會阻止污垢生成，實現(xiàn)自動清理。

2.4 抗振性

汽輪機(jī)的高速蒸汽和水滴是導(dǎo)致凝汽管振動的主要原因，TP317L不銹鋼管的彈性模量為24 400 kgf/mm2，而 HAl77－2銅管的彈性模量為11 200 kgf/mm2，不銹鋼管的彈性模量較大，允許有較大跨距而不振動。在相同條件下，不銹鋼管的抗振性相對銅管要好。

2.5 易維護(hù)性

由于不銹鋼波螺管管壁能始終保持極高的光潔度，機(jī)械清洗很容易將污垢除掉。高壓水、塑膠彈、酸洗等清洗方式對銅管具有很大破壞性，但是對于不銹鋼管來說基本上沒有傷害，因此免去了銅管需要鍍膜的麻煩。本項目換熱管內(nèi)壁的污垢主要由泥垢組成，對不銹鋼管而言可通過簡單熱風(fēng)清洗進(jìn)行清除，使管內(nèi)壁保持長期高清潔系數(shù)運行，清洗維護(hù)比銅管方便得多。

綜上得出不銹鋼波螺管與銅管的技術(shù)性能對比，如表4所示。

表4 不銹鋼波螺管與銅管的技術(shù)性能對比

可以看出，不銹鋼波螺管比銅管性能優(yōu)越，本技改項目在技術(shù)上是可行的。

3 經(jīng)濟(jì)可行性分析

項目改造投資情況如表5所示。

表5 項目改造投資情況表

改造前，在機(jī)組負(fù)荷為61.5 MW、冷卻水進(jìn)水溫度為19.6℃時，排汽溫度為35.1℃;改造后，在機(jī)組負(fù)荷為61.4 MW、冷卻水進(jìn)水溫度為19.9℃時，排汽溫度為 33.3℃。改造后排汽溫度降低了1.8℃，機(jī)組凝汽器真空度提高1%，使得機(jī)組發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗下降3.52 g/kW·h。按60 MW機(jī)組年可利用時數(shù)6 500 h計算，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤量約為1 372.8 tce，按 1 099.5 元/t(標(biāo)煤)計算，年可節(jié)約耗煤成本約150.9萬元。可以看出，項目的投資回報期為0.28年，項目經(jīng)濟(jì)可行。

4 結(jié)論

該熱電廠凝汽器的換熱銅管改造成TP317L高效不銹鋼波螺管在技術(shù)上是可行的，改造后凝汽器具有換熱高效、耐腐蝕、抗結(jié)垢、抗振、易維護(hù)、壽命長等優(yōu)點。項目改造后總傳熱系數(shù)比改造前提高21.8%，排汽溫度降低1.8℃，凝汽器真空度提高1%，機(jī)組發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗下降3.52 g/kW·h，年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1 372.8 t，投資回報期不到1年，項目經(jīng)濟(jì)可行。項目有效節(jié)約了能源消費量，減少了 SO2和CO2等的排放，具有積極的環(huán)境效益、社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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