多向擾流換熱管在新建機(jī)組凝汽器上應(yīng)用的探討

張偉，朱大勇，閆虹，付瓊

(神華國(guó)華永州發(fā)電有限責(zé)任公司，湖南永州425000)

多向擾流換熱管在新建機(jī)組凝汽器上應(yīng)用的探討

Application on multidirectional spoiler heat transfer tube in the new power plant condensers

張偉，朱大勇，閆虹，付瓊

(神華國(guó)華永州發(fā)電有限責(zé)任公司，湖南永州425000)

本文通過(guò)對(duì)多向擾流換熱管的應(yīng)用研究，發(fā)現(xiàn)在凝汽器上使用多向擾流換熱管代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光管，可以強(qiáng)化換熱，降低排汽壓力，提高機(jī)組整體運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

凝汽器；換熱系數(shù)；多向擾流換熱管；強(qiáng)化；換熱；經(jīng)濟(jì)

從熱力學(xué)原理可知，若降低汽輪機(jī)排汽壓力，須增加循環(huán)水在凝汽器中帶走的熱量，需要強(qiáng)化凝汽器的換熱，從傳熱學(xué)中知凝汽器中的傳熱量可用下式計(jì)算，即

Q＝kFΔT

式中 k為換熱系數(shù) (W/(m2K))；F為換熱面積(m2)；ΔT為冷熱液體的平均溫差 (K)。

從上式可以看出，欲增加換熱器的換熱量Q，就必須靠增加k，F(xiàn)或ΔT來(lái)實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于凝汽器而言，增加換熱面積是增強(qiáng)換熱量的有效方法，但會(huì)使流動(dòng)阻力增加，金屬消耗增加，工程投資增加，而且凝汽器的換熱面積受汽輪機(jī)的排汽面積影響，不可能無(wú)限制的增加，對(duì)于1 000 MW等級(jí)的火力發(fā)電凝汽式汽輪機(jī)，凝汽器面積達(dá)到60 000 m2已經(jīng)幾乎達(dá)到有效面積的上限。

凝汽器在工程應(yīng)用上都是采用水作為冷卻介質(zhì)，增加冷熱液體的平均溫差ΔT就得降低冷卻水的溫度，但是冷卻水溫度受環(huán)境溫度的限制。

提高凝汽器換熱系數(shù)k是強(qiáng)化換熱的最重要的途徑，且在換熱面積和平均溫差給定時(shí)，是增加換熱量的最有效途徑。

1 強(qiáng)化換熱管的發(fā)展歷程

前蘇聯(lián)是世界上最早將螺旋管應(yīng)用于電廠(chǎng)凝汽器的國(guó)家，已經(jīng)成功應(yīng)用30余年，未出現(xiàn)大的問(wèn)題 (圖1)。英國(guó)對(duì)電廠(chǎng)凝汽器中應(yīng)用螺旋管的機(jī)械性能進(jìn)行了研究，結(jié)論是機(jī)械完整性等同于光管。美國(guó)是對(duì)電廠(chǎng)凝汽器使用螺旋管研究最深入的國(guó)家，在上世紀(jì)八十年代開(kāi)始對(duì)14臺(tái)機(jī)組進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)15年的試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比換熱性能、污垢速率等指標(biāo)的分析得出，螺旋管的換熱系數(shù)時(shí)光管的1.2～1.4倍，污垢速率與光管相當(dāng)?shù)慕Y(jié)論，可以降低機(jī)組熱耗10.5～30.5 kJ/kWh的結(jié)論〔1〕。日本在凝汽器中廣泛使用低肋管 (圖2)，其換熱系數(shù)為光管的1.5倍，但是低肋管的管必須增厚，加工的工藝要求高，費(fèi)用高，在其它國(guó)家并未推廣使用。日本日立公司開(kāi)發(fā)了一種肋呈鋸齒形的冷凝管，其肋高1.22 mm，肋片密度13.8片/cm，錯(cuò)齒凹處深度為肋高的40%，凹槽寬度為肋間距的30%，這種鋸齒形肋片管可比普通低肋管的換熱系數(shù)提高0.5～1.5倍〔2〕。

圖1 螺旋槽管

圖2 低肋管

在我國(guó)有越來(lái)越多的機(jī)組對(duì)凝汽器進(jìn)行強(qiáng)化換熱管的改造，最常見(jiàn)的就是使用不銹鋼多向擾流螺旋管 (圖3)。

圖3 多向擾流換熱管外觀(guān)圖

2 強(qiáng)化換熱管的特點(diǎn)

2.1 提高換熱系數(shù)

通常水在光滑管壁的管中流動(dòng)時(shí)，靠近管中心的水流流速較高，高到一定速度時(shí)會(huì)形成紊流，水流越靠近管壁流速越低，最靠近管壁的水流會(huì)附著在管壁上，形成層流底層，流速越高附面層越薄，反之越厚。如果管壁上存在凸起的螺旋線(xiàn)，水在其中流動(dòng)時(shí)，靠近管壁的水流會(huì)沿螺旋方向產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)能減薄層流底層，加快管壁與水流之間的熱交換，同時(shí)水流還在螺旋凸起附近產(chǎn)生渦流，渦流能加快管壁附近水流與管中心水流之間的熱量交換，漩流和渦流共同作用產(chǎn)生換熱強(qiáng)化作用。

2.2 多向擾流不銹鋼螺紋管防結(jié)垢

1)多向擾流不銹鋼螺紋管通過(guò)管壁的左右螺旋交叉形成的菱形花紋對(duì)污垢形成鱗片狀分割，從交叉點(diǎn)產(chǎn)生沖蝕，使得污垢在水流作用下自動(dòng)清除。多向擾流換熱管的擾流結(jié)構(gòu)相對(duì)于水流而言是粗糙的，而相對(duì)于污垢而言是光滑的，污垢的沉著與管壁附面層厚度和溫度有關(guān)，三維擾流結(jié)構(gòu)徹底破壞了附面層，加上擾流管高效的換熱能力，能大幅降低汽輪機(jī)的排汽溫度，因而管壁溫度也得到降低。

2)多向擾流不銹鋼螺紋管高效換熱特性能有效地降低汽輪機(jī)的排汽溫度，因此冷凝管壁溫也相應(yīng)降低。冷凝管結(jié)垢最可怕的是碳酸鈣垢，而碳酸鈣的溶解度是隨溫度的降低而升高的，因此冷凝管壁溫度的降低能有效地防止碳酸鈣垢的沉積。

3)多向擾流不銹鋼螺紋管交叉的凸筋能在管子的中部形成類(lèi)似的入口效應(yīng)，徹底破壞管壁靜止的附面層，水在流動(dòng)過(guò)程中比光管更有利于沖走沉積物。

2.3 換熱管安全可靠

多向擾流換熱管壁薄、槽淺，不會(huì)造成應(yīng)力腐蝕，不會(huì)產(chǎn)生冷加工應(yīng)力。多向擾流換熱管抗振性能好，由于左右螺旋交叉成網(wǎng)狀，對(duì)管子的軸向和徑向剛度都起到了加強(qiáng)作用。而且換熱管的腐蝕相對(duì)較輕，主要是因?yàn)榭构柑匦允沟霉赶赂g減輕或不復(fù)存在，不銹鋼材料良好的抗腐蝕性能和耐沖蝕能力能使不銹鋼多向擾流強(qiáng)化換熱管的抗蝕能力大大提升。

2.4 多向擾流不銹鋼螺紋管易維護(hù)

由于多向擾流不銹鋼螺紋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，優(yōu)化設(shè)計(jì)的波紋深度為0.3～0.6 mm，螺距為8～10 mm，采用軟膠球清洗，由于膠球具有彈性，可充分填充在設(shè)計(jì)合理的多向擾流不銹鋼螺紋管的螺旋槽中，所以可清理凝汽器長(zhǎng)期運(yùn)行而產(chǎn)生的污垢。

2.5 多向擾流換熱管增加流動(dòng)阻力

由于多向擾流換熱管的特殊結(jié)構(gòu)，對(duì)流體的流動(dòng)產(chǎn)生干擾，相應(yīng)的增加了流動(dòng)阻力，根據(jù)西安熱工院在華潤(rùn)徐州電廠(chǎng)的測(cè)試結(jié)果計(jì)算得出，在其它條件不變的情況下用多向擾流換熱管替換光管，水阻增加約4%〔3〕。對(duì)于百萬(wàn)機(jī)組凝汽器采用多向擾流換熱管比光管的流動(dòng)阻力增加不到6 kPa左右，相應(yīng)增加循環(huán)水泵總功率不到200 kW。

3 強(qiáng)化換熱管的應(yīng)用

目前，歐、美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家在凝汽器中普遍采用強(qiáng)化換熱管來(lái)提高凝汽器的換熱性能達(dá)到降低機(jī)組排汽壓力，提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的目的〔4〕。在我國(guó)也有許多機(jī)組對(duì)凝汽器進(jìn)行改造應(yīng)用，都取得了良好的效益。

3.1 華潤(rùn)唐山熱電廠(chǎng)

唐山熱電廠(chǎng)200 MW機(jī)組自2009年底改造以來(lái)，凝汽器管未見(jiàn)明顯結(jié)垢，未進(jìn)行過(guò)高壓清洗，在正常運(yùn)行期間投運(yùn)膠球系統(tǒng)，以保證管內(nèi)清潔，圖4為唐山電廠(chǎng)凝汽器改造并運(yùn)行1年后檢查情況，內(nèi)壁非常清潔。

圖4 運(yùn)行1年后管內(nèi)壁情況

唐山熱電廠(chǎng)改造后運(yùn)行5年，凝汽器曾發(fā)生過(guò)由于凝汽器管脹口施工質(zhì)量不良導(dǎo)致的漏泄事件，但未發(fā)生過(guò)由于凝汽器管材原因?qū)е碌穆┬故录?，說(shuō)明在使用安全上是有保障的。表1為改造前后運(yùn)行參數(shù)對(duì)比情況，從數(shù)據(jù)上看經(jīng)濟(jì)性有明顯提高，但是唐山熱電廠(chǎng)未對(duì)凝汽器進(jìn)行性能測(cè)試，只能定性的說(shuō)明擾流管改造對(duì)經(jīng)濟(jì)性提高有促進(jìn)作用。

表1 機(jī)組運(yùn)行參數(shù)對(duì)比表

3.2 華潤(rùn)銅山電廠(chǎng)

華潤(rùn)銅山電廠(chǎng)1號(hào)機(jī)組額定容量300 MW，在2007年對(duì)1號(hào)機(jī)組凝汽器更換2 000根多向擾流換熱管，經(jīng)過(guò)4年的觀(guān)察未發(fā)生安全事件，于2011年對(duì)剩余管材全部更換，在2012年10月，經(jīng)實(shí)際測(cè)試性能與計(jì)算性能對(duì)比，得出多向擾流換熱管對(duì)凝汽器壓力有降低作用的結(jié)論，即增強(qiáng)了凝汽器的換熱能力，見(jiàn)表2。

表2 電廠(chǎng)改造后對(duì)凝汽器換熱管實(shí)測(cè)性能測(cè)試與對(duì)光管的計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比變化 kPa

通過(guò)上面數(shù)據(jù)可以看出，在凝汽器內(nèi)因使用多向擾流換熱管增強(qiáng)了換熱能力，每年可以帶來(lái)的發(fā)電煤耗效益在約0.3～0.4 g/kWh。

3.3 廣東韶關(guān)電廠(chǎng)

韶關(guān)電廠(chǎng)300 MW機(jī)組在2012年11月至2013年1月進(jìn)行大修工作，在此次大修中實(shí)施了凝結(jié)器更換多向擾流不銹鋼管的項(xiàng)目，機(jī)組改造后，在相同的循環(huán)水溫度下，由于增強(qiáng)了凝汽器換熱能力，機(jī)組真空提高了0.23 kPa，由于多向擾流換熱管的特殊結(jié)構(gòu)外形，能夠縮短水膜掛壁時(shí)間，凝結(jié)成的水降落到熱水井的時(shí)間縮短，減少了凝結(jié)水與冷源的接觸時(shí)間，使得凝結(jié)水過(guò)冷度降低了0.55℃。

4 結(jié)束語(yǔ)

凝汽器采用多向擾流不銹鋼螺紋管，能夠顯著提高管內(nèi)外的傳熱系數(shù)，強(qiáng)化換熱，將普通管內(nèi)壁形成的連續(xù)污垢變?yōu)轺[片狀污垢，由水流的沖蝕產(chǎn)生自潔作用，有效降低凝汽器的熱阻，大幅提高總體換熱系數(shù)。在300 MW機(jī)組上已經(jīng)有數(shù)十臺(tái)機(jī)組進(jìn)行改造使用，未出現(xiàn)安全問(wèn)題，經(jīng)濟(jì)效益明顯。在新建1 000 MW等級(jí)機(jī)組的凝汽器應(yīng)用多向擾流換熱管，每臺(tái)機(jī)組增加投資約70萬(wàn)元，但年均可以降低供電煤耗約 0.2 g/kWh，回收年限不到1年。

〔1〕張正國(guó)，林培森，王世平.國(guó)外電廠(chǎng)凝汽器中強(qiáng)化管的應(yīng)用及管型選擇〔J〕.電站輔機(jī)，1999(1):15-16，33.

〔2〕黃素逸.強(qiáng)化傳熱技術(shù)進(jìn)展〔C〕.//中國(guó)石油和化工勘察設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)熱工委員會(huì)、全國(guó)化工熱工設(shè)計(jì)技術(shù)中心站2004年年會(huì)論文匯編.2004:41-52.

〔3〕程?hào)|濤，馬汀山.華潤(rùn) (徐州)電力有限公司1號(hào)機(jī)組凝汽器性能試驗(yàn)報(bào)告〔R〕.西安熱工研究院有限公司，2012.

〔4〕錢(qián)頌溫，朱冬生，李慶領(lǐng)，等.管殼式換熱器強(qiáng)化換熱技術(shù)〔M〕.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

〔5〕西安熱工研究院有限公司.華潤(rùn) (徐州)電力有限公司1號(hào)機(jī)組凝汽器性能試驗(yàn)報(bào)告〔R〕.2012.

TK264.11

B

1008-0198(2015)06-0061-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.06.017

張偉(1975)，男，遼寧省建昌縣人，高級(jí)工程師，工學(xué)學(xué)士，從事火力發(fā)電廠(chǎng)生產(chǎn)管理工作。

2015-04-20 改回日期:2015-06-09