火電廠凝汽器性能評(píng)價(jià)指標(biāo)分析

【摘 要】本文旨在對(duì)影響凝汽器性能的參數(shù)進(jìn)行研究，通過(guò)理論分析找到了火電廠監(jiān)測(cè)凝汽器運(yùn)行狀態(tài)的3個(gè)重要指標(biāo)，分別為循環(huán)水溫升、傳熱端差、不凝結(jié)氣體，通過(guò)對(duì)指標(biāo)的進(jìn)一步分析，找到了改善凝汽器性能的方向和措施。

【關(guān)鍵詞】凝汽器;傳熱端差;不凝結(jié)氣體

1.概述

凝汽器是火電廠冷端系統(tǒng)中最為重要的設(shè)備，其傳熱性能的優(yōu)劣對(duì)火電機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性有著較大的影響。在機(jī)組正常運(yùn)行中，需要用一些較為直觀的參數(shù)或指標(biāo)對(duì)凝汽器進(jìn)行性能評(píng)判，以便采取相應(yīng)的措施提高凝汽器性能或確定凝汽器的檢修方案。

2.凝汽器性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)于分析管殼式凝汽器的傳熱性能的優(yōu)劣，需要用一些指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，考慮到電廠凝汽器運(yùn)行時(shí)參數(shù)的方便獲取，通常采用直接可以采集或經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算可以取得的參數(shù)來(lái)進(jìn)行凝汽器傳熱性能優(yōu)劣的評(píng)價(jià)。

從理論上對(duì)影響凝汽器性能的參數(shù)進(jìn)行研究，將凝汽器中蒸汽的壓力與溫度之間的關(guān)系，可以近似的用如下公式進(jìn)行表示：

從式中可以看出，降低凝汽器壓力的唯一途徑是降低汽輪機(jī)排汽溫度，而汽輪機(jī)排汽溫度又與循環(huán)水入口溫度、溫升及凝汽器傳熱端差相關(guān)，下面對(duì)這幾個(gè)參數(shù)進(jìn)一步分析。

2.1循環(huán)水入口溫度

循環(huán)水入口溫度與循環(huán)水水源特性及當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境有關(guān)，例如冬季水溫較夏季低，表現(xiàn)為冬季火電廠凝汽器真空較好夏季好。因此，循環(huán)水入口溫度屬于不可控因素，不對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步分析。

2.2循環(huán)水溫升

指的是凝汽器冷卻水進(jìn)水與回水溫度差，用公式表征為：

由汽輪機(jī)原理，我們可知：

其中，m為凝汽器循環(huán)倍率，即循環(huán)水流量與蒸汽流量的比值。

從上述公式可以看出，凝汽器循環(huán)水溫升的主要影響因素是循環(huán)倍率，而循環(huán)倍率取決于循環(huán)水流量與蒸汽流量的比值。對(duì)于已經(jīng)投運(yùn)的火電機(jī)組，蒸汽流量隨負(fù)荷變化而定，不具有調(diào)節(jié)性，只能對(duì)循環(huán)水流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，通常，對(duì)于已經(jīng)投運(yùn)的機(jī)組，采用增開(kāi)循環(huán)水泵的方式來(lái)調(diào)節(jié)循環(huán)水流量，但從經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的角度考慮，還需要考慮增開(kāi)循環(huán)帶來(lái)的電耗量，因此，不能無(wú)限制的提高凝汽器循環(huán)倍率。

2.3凝汽器傳熱端差

指的是凝汽器壓力下飽和溫度與循環(huán)水出口溫度之差。分別對(duì)上述公式中 ， 以及 求導(dǎo)，可以得到如下關(guān)系式：

下面對(duì)上述求導(dǎo)之后的表達(dá)式的理論意義進(jìn)行分析：

1）當(dāng)循環(huán)水溫升大于傳熱端差時(shí)，傳熱端差對(duì)于排汽溫度的影響最大。

2）當(dāng)循環(huán)水溫升小于傳熱端差時(shí)，循環(huán)水溫升對(duì)于排汽溫度的影響最大。

通常，對(duì)于正常運(yùn)行的機(jī)組，幾乎不可能出現(xiàn)循環(huán)水溫升小于傳熱端差的情況。因此，從理論上可以得出，對(duì)于正常運(yùn)行的火電機(jī)組，凝汽器傳熱端差對(duì)于排汽溫度的影響最為關(guān)鍵，傳熱端差是凝汽器傳熱性能最為關(guān)鍵的評(píng)判指標(biāo)。

對(duì)影響凝汽器傳熱端差的因素進(jìn)行分析，由凝汽器熱平衡方程式，得到如下關(guān)系式：

其中，Q為凝汽器的熱負(fù)荷，W;DC為汽輪機(jī)排氣量，KG/s;hc為蒸汽的焓，KJ/Kg;hv為凝結(jié)水焓，KJ/Kg;K為凝汽器總體傳熱系數(shù)，W/（㎡K）;Ac為凝汽器換熱管總面積，㎡; 為凝汽器對(duì)數(shù)平均傳熱溫差，℃;Cw為冷卻水比熱容，J/（kg.K），一般取值4187;Dw為凝汽器循環(huán)水量，KG/s;

由上述兩個(gè)公式，可以推導(dǎo)出凝汽器傳熱端差的理論公式：

對(duì)于已經(jīng)投運(yùn)的機(jī)組，Ac和Cw可以認(rèn)為是常數(shù)。因此，由公式中可以看出， 、Dw、K會(huì)影響 ，利用求偏導(dǎo)數(shù)的方法，對(duì)傳熱端差 分別求Dw、 、K的偏導(dǎo)數(shù)，可以得出以下不等式：

對(duì)上述不等式的物理意義進(jìn)行解讀，其理論物理意義為：循環(huán)水溫升對(duì)傳熱端差的影響最大，傳熱系數(shù)系數(shù)次之，循環(huán)水量對(duì)傳熱端差影響最小。

但是，由公式（4）可知，循環(huán)水溫升又直接受循環(huán)水流量的影響，而循環(huán)水流量的提升又受到循環(huán)水泵電耗的制約，因此，火電廠在通過(guò)循環(huán)水流量提升溫升的同時(shí)需考慮機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，循環(huán)水溫升并不是越高越好。相比之下，提高凝汽器傳熱系數(shù)是降低凝汽器傳熱端差的最有效手段。而對(duì)于已經(jīng)投產(chǎn)的火電機(jī)組，提高凝汽器傳熱系數(shù)最有效的辦法是提高凝汽器換熱管清潔系數(shù)（降低循環(huán)水污垢熱阻）和降低漏入凝汽器真空系統(tǒng)的不凝結(jié)氣體量（降低不凝結(jié)氣體熱阻）。

2.4凝結(jié)水過(guò)冷度

過(guò)冷度是指凝汽器壓力下飽和溫度與凝結(jié)水溫度之差，用公式表示如下：

其中， 為凝結(jié)水過(guò)冷度，℃;tc為凝結(jié)水溫度，℃。

凝結(jié)水過(guò)冷度是體現(xiàn)凝汽器工作狀態(tài)是否正常的重要指標(biāo)，在火電廠熱力循環(huán)中，蒸汽在凝汽器中凝結(jié)后需再進(jìn)行升溫升壓，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)，因此，為了減少機(jī)組冷源損失，理論上凝汽器過(guò)冷度越低越好。過(guò)冷度大，說(shuō)明循環(huán)水帶走的熱量過(guò)多，機(jī)組冷源損失增大，影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。通常凝汽器過(guò)冷度的設(shè)計(jì)值是0.5℃。而往往在機(jī)組運(yùn)行中，凝汽器的過(guò)冷度達(dá)不到設(shè)計(jì)值。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，通常凝汽器過(guò)冷度提高1℃，火電廠機(jī)組熱耗率將提高0.02%。

3.凝汽器性能改善措施

通過(guò)對(duì)于凝汽器性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的分析，我們找出了影響凝汽器性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的因素，也是影響凝汽器性能的重要因素，對(duì)這些因素進(jìn)行總結(jié)和歸納，找到其改善措施和方向。

3.1合理調(diào)節(jié)循環(huán)水流量

雖然增加凝汽器循環(huán)水量就可以提高凝汽器的傳熱性能，但在實(shí)際的電廠運(yùn)行中，不可能無(wú)限制的提高凝汽器冷卻水的流量，采用大型的凝汽器和循環(huán)水管道，會(huì)大大增加工程的造價(jià)，需要考慮一個(gè)最佳的經(jīng)濟(jì)效益比，要確保循環(huán)水流量增加所獲得的真空度提升而產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益要大于增加水量所消耗的能量。

改善措施：對(duì)于已經(jīng)投產(chǎn)的機(jī)組，循環(huán)水流量的調(diào)節(jié)主要依靠循環(huán)水泵的啟停來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于循環(huán)水量的增加還涉及到機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的需求，需要考慮最佳真空的問(wèn)題，是一個(gè)復(fù)雜的運(yùn)行調(diào)整過(guò)程。目前，多數(shù)電廠通過(guò)進(jìn)行不同負(fù)荷下的循環(huán)水泵調(diào)整試驗(yàn)，來(lái)確定不同環(huán)境溫度、不同負(fù)荷下的循泵啟停的時(shí)機(jī)。也有火電廠通過(guò)先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集與分析軟件，時(shí)時(shí)進(jìn)行真空系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析，及時(shí)提醒運(yùn)行人員進(jìn)行循環(huán)水泵運(yùn)行方式的調(diào)整

3.2減少不凝結(jié)氣體含量

在火電機(jī)組正常運(yùn)行中，由于凝汽器負(fù)壓的作用，必然會(huì)有不凝結(jié)氣體進(jìn)入凝汽器。不凝結(jié)氣體會(huì)隨著蒸汽的凝結(jié)附著于凝汽器換熱管的表面形成氣阻，增加了換熱熱阻。不凝結(jié)氣體對(duì)凝汽器換熱的影響較大，在電廠機(jī)組運(yùn)行中，需要想辦法排出凝汽器中的不凝結(jié)氣體。通常在凝汽器系統(tǒng)中設(shè)置抽真空設(shè)備，利用真空泵將凝汽器中不凝結(jié)氣體抽出，從而避免凝汽器中不凝結(jié)氣體不斷積聚導(dǎo)致的傳熱性能下降。

改善措施：凝汽器中不凝結(jié)氣體含量的監(jiān)測(cè)與去除是一個(gè)需要長(zhǎng)期檢查的過(guò)程。在機(jī)組正常運(yùn)行中，通常至少半個(gè)月需對(duì)凝汽器進(jìn)行真空嚴(yán)密性試驗(yàn)，當(dāng)凝汽器嚴(yán)密性試驗(yàn)結(jié)果達(dá)不到優(yōu)秀（133Pa/min以下）時(shí)，說(shuō)明機(jī)組的真空系統(tǒng)有較為明顯的漏點(diǎn)，需要立即進(jìn)行真空系統(tǒng)的查漏，查漏時(shí)可以采用氦質(zhì)譜檢測(cè)儀、聲波查漏儀等先進(jìn)設(shè)備進(jìn)行真空系統(tǒng)的查漏;同時(shí)，當(dāng)機(jī)組停運(yùn)時(shí)，如具備條件，應(yīng)進(jìn)行凝汽器高位灌水查漏。

3.3提高凝汽器清潔系數(shù)

凝汽器清潔系數(shù)表征的是凝汽器冷卻水管的清潔程度，其理論意義是指凝汽器的實(shí)際傳熱系數(shù)與凝汽器清潔管的理論傳熱系數(shù)之比。因此，凝汽器清潔系數(shù)越大越好。通常，工程設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行凝汽器設(shè)計(jì)的時(shí)候，會(huì)考慮一定的設(shè)計(jì)余量，通常會(huì)采用一個(gè)清潔系數(shù)的推薦值進(jìn)行凝汽器的設(shè)計(jì)計(jì)算。例如，在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)候，不銹鋼管的清潔系數(shù)一般取0.85-0.90。

改善措施：

提高凝汽器的清潔系數(shù)，最有效的方法是對(duì)凝汽器換熱管進(jìn)行清洗，即采用合理的除垢技術(shù)去除凝汽器管側(cè)附著的污垢，凝汽器清洗方式又分為在線清洗和停機(jī)清洗。在線清洗指的是在機(jī)組運(yùn)行中對(duì)凝汽器換熱管進(jìn)行清洗，膠球清洗技術(shù)是目前較為成熟的在線清洗技術(shù)，另外，“水蜘蛛”在線清洗技術(shù)也是近幾年發(fā)展較快的清洗技術(shù)。停機(jī)清洗技術(shù)則有較多種類(lèi)，如高壓水射流沖洗、射彈清洗、化學(xué)加藥清洗等，每種清洗技術(shù)有其各自的特點(diǎn)和適用范圍，火電廠也會(huì)根據(jù)自身的實(shí)際情況進(jìn)行清洗技術(shù)的選擇。

4.結(jié)論

對(duì)凝汽器進(jìn)行性能評(píng)價(jià)是監(jiān)測(cè)凝汽器運(yùn)行狀態(tài)的重要手段，通過(guò)對(duì)影響凝汽器性能的指標(biāo)分析，找到了循環(huán)水溫升、傳熱端差、凝結(jié)水過(guò)冷度這3個(gè)重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中傳熱端差是反應(yīng)凝汽器性能最關(guān)鍵的指標(biāo)。對(duì)于提高凝汽器性能的方法，可以從優(yōu)化循環(huán)水流量、減少不凝結(jié)氣體含量以及提高清潔系數(shù)這3個(gè)方面采取措施。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：華潤(rùn)電力（常熟）有限公司）