凝汽器強(qiáng)化傳熱研究

薛倩

摘? ? ? 要：介紹凝汽設(shè)備的組成和目前火電廠常用的凝汽器的類型，分析造成凝汽器效率下降的原因，并根據(jù)不同原因介紹目前國內(nèi)外電廠中對(duì)凝汽器采用的改進(jìn)和優(yōu)化的措施，主要有降低凝汽器的熱負(fù)荷、增加凝汽器的傳熱系數(shù)、改變冷卻管管束的布置、降低凝汽器的過冷度以及采用不易腐蝕的管材等措施，從而提高了凝汽器的傳熱效率，達(dá)到節(jié)能的效果。

關(guān)? 鍵? 詞：電廠;凝汽器;節(jié)能

中圖分類號(hào)：TE626? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ?文章編號(hào)： 1671-0460（2020）09-2037-04

Abstract： The composition of the condenser equipment and the types of condensers commonly used in thermal power plants were mainly introduced. The reasons for low efficiency of the condenser were analyzed， and the improvement measures of the condensers used in power plants were introduced， including reducing the heat load of the condenser， increasing the heat transfer coefficient of the condenser， changing the arrangement of the cooling tube bundle， reducing the supercooling degree of the condenser， and adopting non-corrosive pipes.

Keyword： Power plant; Condenser; Energy saving

火電廠發(fā)電的基礎(chǔ)循環(huán)為朗肯循環(huán)（Rankine Cycle）。循環(huán)介質(zhì)為水，首先水在鍋爐中被加熱成高溫水蒸氣，其次高溫高壓的水蒸氣帶動(dòng)汽輪機(jī)做功，隨后汽輪機(jī)推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電[1]。圖1為最簡單的凝汽設(shè)備示意圖，采用水為冷卻介質(zhì)，通常包含有凝汽器、凝結(jié)水泵、循環(huán)水泵、抽氣設(shè)備以及連接管道和附屬的動(dòng)力機(jī)械設(shè)施。循環(huán)水泵將冷卻水不斷地送入凝汽器的冷卻水管中，蒸汽在汽輪機(jī)做完功后排入凝汽器中，在冷卻管外發(fā)生相變凝結(jié)成水，冷卻水將氣體凝結(jié)中放出的熱量帶走。凝結(jié)水泵將凝結(jié)水從凝汽器的熱井中抽出后作為鍋爐給水再次利用，在凝汽器中的不凝結(jié)的空氣由抽氣設(shè)備抽出，從而使凝汽器保持需要的真空。

為了提高汽輪機(jī)裝置的經(jīng)濟(jì)性，對(duì)現(xiàn)代凝汽設(shè)備提出了如下要求：①應(yīng)具有較高的傳熱系數(shù);②對(duì)凝結(jié)水有較好的回?zé)嶙饔?③蒸汽通過凝汽器冷卻管的流動(dòng)阻力要小;④冷卻水在凝汽器中的流動(dòng)阻力要小;⑤具有良好的除氧性能;⑥有較大的穩(wěn)定工作范圍;⑦氣密性高，減少空氣漏入量。

目前，汽輪機(jī)凝汽器的真空度偏低和嚴(yán)密性差是火電廠機(jī)組運(yùn)行中最普遍存在的問題。凝汽器的真空度偏低對(duì)整個(gè)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益和穩(wěn)定運(yùn)行有較大的影響，真空低會(huì)產(chǎn)生以下問題：①汽輪機(jī)的末級(jí)焓降減少，反動(dòng)度增大，導(dǎo)致引起軸向推力增大;②排汽溫度升高，導(dǎo)致低壓缸變形從而引起機(jī)組振動(dòng)超標(biāo);③機(jī)組的能耗增加導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)效益降低;④如果因漏氣導(dǎo)致真空偏低，這樣會(huì)引起凝結(jié)水的含氧量升高，造成設(shè)備腐蝕與破壞。

凝汽器運(yùn)行性能的優(yōu)劣直接影響電廠的經(jīng)濟(jì)效益和運(yùn)行的可靠性，因此本文主要對(duì)近年研究廣泛的改善凝汽器工作性能的研究進(jìn)展進(jìn)行系統(tǒng)綜述，并分析了改進(jìn)措施的應(yīng)用前景。

1? 凝汽器的節(jié)能研究

目前凝汽器按照蒸汽凝結(jié)方式分成兩種：表面式凝汽器和混合式凝汽器。

混合式凝汽器中排汽和冷卻水接觸混合后被凝結(jié)。圖2是兩類混合式凝汽器，但是現(xiàn)在較少采用，因?yàn)樗哪Y(jié)水和冷卻水是直接接觸混合，所以凝結(jié)水不能作為現(xiàn)代鍋爐的給水。

現(xiàn)代大多數(shù)發(fā)電廠中采用的是表面式冷凝器，因?yàn)楸砻媸侥髦?，冷卻水和蒸汽不是通過接觸冷卻，而是通過在冷卻管的表面換熱冷卻，這樣就能得到達(dá)標(biāo)的凝結(jié)水作為鍋爐的給水，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.1? 降低凝汽器的熱負(fù)荷

為了提高汽輪機(jī)的熱效率和降低凝汽器的熱負(fù)荷，可以通過在冷凝器的喉部增設(shè)一個(gè)霧化式噴頭，改善傳熱方式，通過直接混合接觸傳熱可吸收一部分蒸汽的凝結(jié)熱，通過補(bǔ)充的除鹽水就能在凝汽器內(nèi)形成混合式凝汽器，因此降低了凝汽器的熱負(fù)荷，還提高了真空度。石河子的天富南熱電有限公司、杭州的輕華熱電公司以及唐山的開灤熱電有限公司均采用此裝置[2-4]。

安婭琳等為了使機(jī)組的真空度保持在較高的水平，通過采用真空泵制冷裝置，即通過降低水環(huán)式真空泵的工作溫度來改善機(jī)組的工作效率。結(jié)果表明，采用該方式，能夠使機(jī)組保持較高的真空，一臺(tái)1 000 MW機(jī)組每年可以節(jié)省407萬元[5]。

謝尉揚(yáng)等人為了提高凝汽器的效率，對(duì)凝汽器的真空系統(tǒng)進(jìn)行了改造，分別考察了3種措施，即凝汽器嚴(yán)密性、機(jī)組負(fù)荷率和循環(huán)水進(jìn)水溫度對(duì)凝汽器真空系統(tǒng)的影響。結(jié)果表明，3種方案各有優(yōu)勢(shì)，并給出了對(duì)3種節(jié)能改造方案進(jìn)行優(yōu)選的方法，為凝汽器抽真空改造提供了參考[6]。

1.2? 增加凝汽器的傳熱系數(shù)

凝汽器中管壁兩側(cè)的熱阻非常小，管壁自身產(chǎn)生的熱阻就可以忽略不計(jì)。冷卻水一般都不經(jīng)過處理，因此容易在管壁上結(jié)污垢，此時(shí)管壁上的污垢就成為換熱過程的主要阻力，降低了凝汽器的傳熱系數(shù)，而且罐內(nèi)的水流速率較慢，一般呈層流狀態(tài)，也導(dǎo)致凝汽器傳熱效率低。常采用的措施有：

1）運(yùn)行過程中，可以通過清洗凝汽器管道中的污垢，來提高凝汽器的傳熱效率，目前比較普遍采用的方法有超聲波、高壓水和膠球等清洗，當(dāng)凝汽器的管壁結(jié)垢較多，也可以采用化學(xué)或機(jī)械清? ? 洗[7-9]。

2）通過在凝汽器管內(nèi)加裝自動(dòng)除垢強(qiáng)化換熱裝置，能夠有效減小傳熱端差，增加了蒸汽在汽輪機(jī)的可用比焓降，提高循環(huán)熱效率。自動(dòng)除垢強(qiáng)化換熱裝置如圖4所示，在機(jī)組運(yùn)行時(shí)，利用水的流速驅(qū)動(dòng)螺旋的葉片快速轉(zhuǎn)動(dòng)，強(qiáng)化換熱，同時(shí)使管內(nèi)水流呈現(xiàn)紊流狀態(tài)，采用安裝自動(dòng)除垢裝置能夠破壞了污垢的沉積。安裝的螺旋葉片和水的密度基本相同，所以螺旋葉片能夠浮在管的中心位置，從而保證了在運(yùn)行過程中不與金屬管壁相撞，保證了除垢過程的均一，防止金屬表面的氧化膜破壞。王人杰等人指出：60 MW凝汽器，如果采用螺旋紐帶自動(dòng)除垢裝置，年平均端差可降低5 ℃，年創(chuàng)效可達(dá)400萬元[10]。濟(jì)鋼燃?xì)獍l(fā)電一期工程和新礦集團(tuán)協(xié)莊煤礦的自備電廠都采用了此種技術(shù)[11-14]。

1.3? 改變冷卻管管束的布置

凝汽器冷卻管管束的布置的合理與否對(duì)蒸汽凝結(jié)過程有重要的影響，并對(duì)其換熱性能以及機(jī)組的能耗有較大的影響。管束布置不合理將造成蒸汽流場的不合理，由此帶來熱負(fù)荷分布不均勻、局部空氣積聚、流動(dòng)阻力過大、過冷度大、不同凝結(jié)程度的氣流相互摻和甚至漏氣等[15]。合理的管束布置是凝汽器性能保證的基礎(chǔ)。目前廣泛應(yīng)用的教堂窗式管束布置形式和將軍帽形等管束布置形式，存在渦流死區(qū)，有些殼側(cè)流阻過大和過冷度大，并且傳熱系數(shù)比按HEI標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)要低。針對(duì)上述問題，曾輝發(fā)明了一種管束氣流流場均勻無渦流、殼側(cè)氣阻小、熱負(fù)荷分布均勻、凝結(jié)水過冷度小、凝結(jié)傳熱系數(shù)和運(yùn)行真空度都較高的仿生雙連樹形布置形式，如圖5所示。河北西柏坡電廠和山東萊城發(fā)電廠2號(hào)機(jī)組均采用此種管束。

當(dāng)汽輪機(jī)排氣經(jīng)接頸進(jìn)入凝汽器后，如圖6a所示，蒸汽從仿生樹形管束的最外圍換熱管管間進(jìn)入管束，蒸汽在最外圍的換熱管區(qū)域即仿生疏松樹枝區(qū)被冷卻而冷凝，使得蒸汽流速迅速下降，然后在樹形管束區(qū)的密集管束區(qū)繼續(xù)被冷卻而冷凝，再經(jīng)中心抽氣區(qū)即仿生樹的樹干形抽氣區(qū)匯集，然后流向空冷區(qū)進(jìn)一步被冷卻。由于管束區(qū)的外輪廓長度是普通管束的3～6倍，蒸汽進(jìn)入管束的氣阻是普通管束的30%～50%，其殼側(cè)氣阻明顯小于普通管束。仿生樹管束氣流流場均勻無渦流、無漏氣、無跨區(qū)流動(dòng)，也沒有空氣聚集區(qū)，因此熱負(fù)荷分布比較均勻，如圖6b所示?？倱Q熱系數(shù)整體比較均勻，并明顯高于普通管束，如圖6d所示，可比普通管束的換熱系數(shù)提高20%～30%。同時(shí)它較普通的管束，其管束布置得更為緊湊，使得它們互相之間蒸汽暢通地流向管束底部和熱井，因而凝結(jié)水過冷度小于甚至接近于零[16-18]。

曹榮等[19]為了實(shí)現(xiàn)發(fā)電廠中凝汽器壓力達(dá)到規(guī)定值，設(shè)計(jì)了一種新型的仿生布管的凝汽器管束布置方案，并且將管束中的銅管采用不銹鋼管代替。結(jié)果表明，通過采用仿生布管的凝汽器管束布置方案，凝汽器過冷度小于0.5 ℃，壓力降低了0.88 kPa，改進(jìn)了凝汽器熱力循環(huán)，增強(qiáng)了凝汽器傳熱效率，經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益非常顯著。

1.4? 降低凝汽器的過冷度

凝結(jié)水過冷卻，雖然不影響真空度，但對(duì)發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是不利的。如果凝結(jié)水過冷卻，不僅會(huì)導(dǎo)致凝結(jié)水面上蒸汽分壓降低，而且還會(huì)導(dǎo)致氣體分壓增高，從而使溶解于水中的氧增加。并且凝結(jié)水過冷還影響機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性。田松峰等發(fā)明的發(fā)電站凝汽器凝結(jié)水節(jié)能裝置如圖7所示，此裝置不僅在凝汽器的喉部設(shè)有噴水裝置，并且該裝置還設(shè)有凝結(jié)水部分再循環(huán)支路，所述凝結(jié)水部分在循環(huán)支路的進(jìn)口聯(lián)通凝結(jié)水泵出口母管，凝結(jié)水部分再循環(huán)支路的出口與凝汽器喉部噴水裝置連通，凝結(jié)水部分再循環(huán)支路設(shè)有并聯(lián)的再循環(huán)換熱器和再循環(huán)旁路。它使一部分具有過冷度的凝結(jié)水，通過噴水裝置噴入凝汽器喉部，然后回到熱井中，降低了凝結(jié)水過冷度。并且通過再循環(huán)噴入凝汽器后，被汽輪機(jī)排氣加熱后，溫度升高，除氧效果好;并且可使進(jìn)入凝汽器空氣冷卻區(qū)的氣量減少，可以提高凝汽器的真空度[20]。

陳開峰等提出對(duì)末級(jí)低壓加熱器正常疏水進(jìn)行回?zé)崂茫档湍Y(jié)水的過冷度，回收了末級(jí)低壓正常疏水的能量，該方法能夠使凝汽器的凝結(jié)水過冷度下降1～2 ℃，提高了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性[21]。

王剛等人分析了目前凝汽器真空度偏低時(shí)的判定依據(jù)，并根據(jù)實(shí)際情況提出了兩個(gè)概念，即極限和最佳真空度，用于指導(dǎo)汽輪機(jī)組的高效運(yùn)行[22]。

1.5? 其他

管道材料也對(duì)凝汽器換熱性能有著至關(guān)重要的影響。目前多采用鈦管等作為傳熱管，主要由于鈦管具有特殊的凝結(jié)表面，使傳熱管不容易被腐蝕。并且這種特殊的表面能夠有效地增加水滴的滴落，能夠形成薄薄的液膜，增加了傳熱效率[7，15]。

2? 結(jié) 論

節(jié)約能源是我國的一項(xiàng)基本國策。凝汽器設(shè)備作為熱力循環(huán)的“冷端”，在火力發(fā)電站凝汽器式汽輪機(jī)組中起著重要的作用。其中凝汽器的真空度是汽輪機(jī)最為關(guān)注的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，其工作性能直接關(guān)系著汽輪機(jī)的效率和熱經(jīng)濟(jì)性。凝汽器運(yùn)行性能的優(yōu)劣，主要表現(xiàn)在凝汽器壓力（真空）、凝結(jié)水過冷度和凝結(jié)水品質(zhì)等幾個(gè)方面。采用降低凝汽器的熱負(fù)荷、增加熱傳遞系數(shù)、改變冷卻管的布置等方法來改變凝汽器的工作性能，能使其達(dá)到最佳的運(yùn)行效果。

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