沿海電廠凝汽器鈦管改造

梁海山，牛全興

（1.國(guó)投北部灣發(fā)電有限公司，廣西 北海 356000；2.西安協(xié)力動(dòng)力科技與限公司，陜西 西安 710119）

沿海電廠凝汽器鈦管改造

梁海山1，牛全興2

（1.國(guó)投北部灣發(fā)電有限公司，廣西 北海 356000；2.西安協(xié)力動(dòng)力科技與限公司，陜西 西安 710119）

沿海電廠凝汽器一般選用鈦管來(lái)降低海水對(duì)換熱管的腐蝕。論述了凝汽器改造涉及的內(nèi)容，通過(guò)加強(qiáng)流程控制的方法，保證項(xiàng)目的順利實(shí)施。對(duì)項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程進(jìn)行參與，有利于電廠專業(yè)人員熟悉設(shè)備性能，便于后期維護(hù)。項(xiàng)目實(shí)施后，凝汽器運(yùn)行真空提高0.6 kPa，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

復(fù)合管板；凝汽器；焊接工藝評(píng)定；襯膠；陰極保護(hù)

0 引言

國(guó)投北部灣發(fā)電有限公司一期建設(shè)2臺(tái)320 MW燃煤發(fā)電機(jī)組，分別于2004年12月和2005年3月投產(chǎn)發(fā)電。機(jī)組配備哈爾濱汽輪機(jī)廠制造的N-17400-1型單背壓、單殼體、雙流程、表面式凝汽器。

凝汽器經(jīng)過(guò)十余年的運(yùn)行，性能出現(xiàn)不同程度的下降，配合機(jī)組通流改造的需求，電廠對(duì)2號(hào)機(jī)組凝汽器進(jìn)行升級(jí)改造。

1 改造范圍

經(jīng)過(guò)多方考察，收集改造資料，結(jié)合電廠實(shí)際，最終確定凝汽器改造內(nèi)容是：增加換熱面積10%，優(yōu)化管束布置，更換弧形水室，優(yōu)化喉部排汽通道，增加喉部補(bǔ)水霧化系統(tǒng)。

改造前后凝汽器技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 改造前后凝汽器技術(shù)參數(shù)

2 改造過(guò)程

2.1 管束布置方案優(yōu)化

原凝汽器屬哈汽公司73型系列產(chǎn)品，該型號(hào)一直采用均勻向心式管束；此管束布置適合汽側(cè)空間較大（凝汽器寬度9 m以上）、蒸汽通道大的凝汽器，而2號(hào)機(jī)凝汽器在寬度方向上僅為7.98 m，因此原管束布置的優(yōu)勢(shì)未能充分發(fā)揮，影響了凝汽器的換熱性能。

原凝汽器管束布置的計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 原凝汽器管束布置的計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果

根據(jù)數(shù)值分析圖1，發(fā)現(xiàn)原凝汽器由于沒(méi)有明顯區(qū)分開來(lái)的空冷區(qū)，導(dǎo)致空氣抽出口空氣濃度較小，抽出的混合物質(zhì)量流量大，增加了抽氣設(shè)備的負(fù)荷；且原管束的整體壓降較大，壓損主要在兩側(cè)通道最窄處，造成從兩側(cè)進(jìn)入管束區(qū)的蒸汽量減少。

因此，要求總承包單位用水流模擬汽側(cè)蒸汽流動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)幾何相似和雷諾數(shù)相似制作的水模型試驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 原管束水模型模擬分區(qū)

通水模型試驗(yàn)顯示，圖2中管束的蒸汽流動(dòng)滯止點(diǎn)在EG區(qū)連線的右側(cè)約100 mm（模型中的尺寸）處和J區(qū)右下方約100 mm處；而水流在管束內(nèi)有兩個(gè)靜止區(qū)，分別是F區(qū)左側(cè)分支和L區(qū)右上部分支。

水位落差顯示：D區(qū)比B區(qū)水位低20 mm，M區(qū)比H區(qū)水位低12 mm，H區(qū)比B區(qū)水位低10 mm，顯示水流穿越管束的阻力較大。同時(shí)，A區(qū)與側(cè)壁間、C區(qū)與中間網(wǎng)架之間有較大壓力降，說(shuō)明A、C區(qū)管束布置較密，水流穿過(guò)的阻力較大。通水模型試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值模擬分析結(jié)果。

在鈦管數(shù)量確定后，管束布置方式的優(yōu)劣直接影響到凝汽器傳熱性能的好壞以及不凝結(jié)氣體的收集和抽出。

本次改造采用優(yōu)化后的塔型排列管束，管束的數(shù)值分析結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 新管束布置的計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果

根據(jù)圖3所示模擬結(jié)果，新管束的蒸汽通道增大，有利于一部分蒸汽引至凝汽器的下方直達(dá)熱井水面，對(duì)凝結(jié)水進(jìn)行良好回?zé)?，可以消除過(guò)冷度并提高除氧效果。布管方面，蒸汽從管束外圍進(jìn)入管束，大部分蒸汽在管束區(qū)凝結(jié)完畢，剩余的汽氣混合物在管束中部集中匯流進(jìn)入抽氣管，由于抽空氣區(qū)空氣分壓力高，抽出物中的蒸汽量大大減少。

2.2 復(fù)合管板和鈦管焊接

由于凝汽器采用海水冷卻，凝汽器鈦管材和復(fù)合管板覆層材質(zhì)的選擇重點(diǎn)在于材料的耐腐蝕性能和換熱效果［1-2］。

本工程選用TA2+Q235B復(fù)合管板，TA2層厚度5 mm，Q235B基板層厚度40 mm。復(fù)合管板由太原太鋼大明金屬制品有限公司生產(chǎn)。管板出廠前總承包單位到廠參與了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，全部項(xiàng)目檢驗(yàn)合格后發(fā)貨。

結(jié)合電廠原有凝汽器換熱管的使用情況，本工程仍選用TA2作為換熱管管材，規(guī)格Ф22 mm×0.5 mm和Ф22 mm×0.7 mm兩種，0.7 mm厚壁管主要布置在管束的迎沖區(qū)和空氣抽出區(qū)。

對(duì)鈦管的生產(chǎn)，電廠聯(lián)合總承包單位對(duì)鈦管生產(chǎn)進(jìn)行了駐廠監(jiān)造。對(duì)鈦管的外觀 （橢圓度、彎曲度）、物理性能、化學(xué)成分、機(jī)械性能（壓扁、擴(kuò)口）、焊接性能進(jìn)行了分批次抽檢和現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)抽檢，確保裝箱的鈦管質(zhì)量合格。

鈦管與管板之間采用脹管加焊接的連接方式，由于換熱管壁薄，運(yùn)行中換熱管承受較大的縱向拉力，鈦管與復(fù)合管板之間的脹接抗拉脫能力不足。為保證凝汽器管口嚴(yán)密性和抗拉脫能力，對(duì)換熱管進(jìn)行脹接的同時(shí)采用管口密封焊接技術(shù)。

根據(jù)GB151相關(guān)條文規(guī)定，鈦?zhàn)鳛閾Q熱管時(shí)的脹度取4%～5%，脹度為

式中：k為以管壁減薄率計(jì)算的脹度，% ；d2為換熱管脹后內(nèi)徑，mm；di為換熱管脹前內(nèi)徑，mm；b為換熱管與管板管孔的徑向間隙 （管孔直徑減換熱管的外徑），mm；δ為換熱管壁厚，mm。

脹接質(zhì)量檢查時(shí)，根據(jù)測(cè)量的 di、δ、b、d2，代入式（1）計(jì)算出k值。根據(jù)k值范圍便可確定脹接質(zhì)量的好壞，其關(guān)鍵是控制好脹管后的鈦管內(nèi)徑。

現(xiàn)場(chǎng)脹管后，對(duì)凝汽器每塊管板按照左上、左下、右上、右下的順序進(jìn)行分區(qū)，在每個(gè)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)抽取200根換熱管對(duì)管口內(nèi)直徑進(jìn)行詳細(xì)測(cè)量并作記錄。根據(jù)式（1）進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)左前管板的右下區(qū)域有一根鈦管的脹度超差。隨后通知總承包單位對(duì)其進(jìn)行了更換。

脹管后的焊接也是施工中的關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)。有關(guān)單位對(duì)鈦管與鈦復(fù)合管板的密封焊進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究工作，并對(duì)運(yùn)行機(jī)組存在的問(wèn)題進(jìn)行了針對(duì)性分析，試驗(yàn)驗(yàn)證了焊接工藝評(píng)定和焊接環(huán)境的影響［3-6］。針對(duì)這些主要問(wèn)題的影響因素，制定了針對(duì)性的施工方案。

焊接人員方面，協(xié)調(diào)參加過(guò)凝汽器鈦管改造施工的持證施焊焊工；正式施焊前，對(duì)該批焊工進(jìn)行了焊接交底，并參加在焊接試板上的焊接考試，考試合格的焊工進(jìn)行管口焊接。焊接過(guò)程中，24 h派員跟蹤監(jiān)督，并不定期抽樣分析焊接質(zhì)量。對(duì)抽樣不合格的管口進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)后進(jìn)行外觀檢查和無(wú)損檢測(cè)試驗(yàn)，合格后予以通過(guò)。

焊接工藝方面，根據(jù)制造廠提供的焊接試板和管樣，安排焊工進(jìn)行焊接試驗(yàn)，根據(jù)DL/T 1097—2008《火電廠凝汽器管板焊接技術(shù)規(guī)程》相關(guān)規(guī)定制定出焊接工藝卡。鈦管板焊接工藝卡見(jiàn)表2。

表2 鈦管板焊接工藝卡

焊接過(guò)程控制方面，要求總承包單位嚴(yán)格按照焊接工藝卡進(jìn)行焊接工作。經(jīng)過(guò)13天24 h的連續(xù)焊接，全部52 080個(gè)管口自動(dòng)焊接完成，對(duì)焊口進(jìn)行PT著色探傷檢驗(yàn)，檢查發(fā)現(xiàn)3個(gè)焊接缺陷。經(jīng)過(guò)對(duì)缺陷進(jìn)行檢查分析，根據(jù)上述規(guī)程規(guī)定，確定對(duì)缺陷進(jìn)行手工焊接修復(fù)。修復(fù)前將焊縫采用機(jī)械方法清理干凈，調(diào)整焊接工藝卡的后保護(hù)氬氣流量7 L/min、焊接電流70~90 A后進(jìn)行焊接作業(yè)，焊后再次PT探傷檢測(cè)，驗(yàn)收合格。

自動(dòng)焊接成型效果見(jiàn)圖4。

圖4 管口自動(dòng)焊接成型效果

采用氬弧焊機(jī)自動(dòng)焊接的管口外觀質(zhì)量好、焊縫質(zhì)量高，可以作為鈦管板管口焊接的首選工藝。

2.3 水室襯膠及防腐蝕控制

由于海水的腐蝕特性，根據(jù)HG/T 20677—2013《橡膠襯里化工設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)范》的選用要求，確定凝汽器水室的襯膠選用3 mm+2 mm兩層氯丁橡膠、蒸汽加熱硫化的方案。

由于凝汽器水室體型較大、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對(duì)橡膠板的襯貼和硫化要求極為嚴(yán)格。正式襯貼用橡膠板的理化試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 襯貼用氯丁橡膠板理化試驗(yàn)結(jié)果

圖5 水室格柵的焊縫打磨修理

圖6 水室格柵及法蘭襯 膠后效果

圖5、圖6所示為對(duì)循環(huán)水進(jìn)水格柵襯膠前的處理和襯膠后的效果。水室襯膠完成后，現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證15 000 V電火花檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接管道材質(zhì)選擇

由于是改造項(xiàng)目，原凝汽器相對(duì)位置與土建、管道系統(tǒng)的對(duì)接與圖紙不盡相符，針對(duì)可能出現(xiàn)的水室進(jìn)出口與原進(jìn)出水管道的對(duì)接錯(cuò)口問(wèn)題，制定了兩種處理預(yù)案。一種是采用耐海水腐蝕的管道和法蘭；一種是碳鋼管道和法蘭，使用優(yōu)質(zhì)的耐海水油漆涂刷內(nèi)表面。

耐海水腐蝕鋼材的研究國(guó)內(nèi)已經(jīng)研究很多，00Cr27Ni8Mo3Ti鐵素體時(shí)效不銹鋼、10CrMoAl鐵素體不銹鋼、316J1L超低碳奧氏體不銹鋼等均能達(dá)到耐海水腐蝕的目的，可以用于該法蘭與管道的制造［7-10］。而新興的重防腐漆，具有高附著力、高棱角保持率，可以在海洋嚴(yán)酷的腐蝕環(huán)境下長(zhǎng)效防腐使用的特點(diǎn)［11-12］。

經(jīng)過(guò)精確控制，循環(huán)水兩根出水管道定位準(zhǔn)確，一次順利安裝完成。兩根進(jìn)水管道由于軸向錯(cuò)位，根據(jù)施工預(yù)案，采用了制作帶法蘭的碳鋼短節(jié)并涂刷耐海水重防腐漆的方案，重防腐漆選用成型質(zhì)量好、貼合率高的優(yōu)龍漆。

2.5 喉部自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)改造

由于抽汽供熱需求有所增加，本次改造期間，計(jì)劃在喉部增加一路25 t/h的除鹽水補(bǔ)水噴淋管道，將補(bǔ)入凝汽器喉部的除鹽水進(jìn)行霧化后與汽輪機(jī)排汽混合換熱。補(bǔ)水量通過(guò)調(diào)整除鹽水箱液位和補(bǔ)水電動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，期間不啟動(dòng)除鹽水補(bǔ)水泵。

原有補(bǔ)水系統(tǒng)管道接入凝汽器的疏水?dāng)U容器，通過(guò)小孔以柱狀形式噴出，與擴(kuò)容器內(nèi)的高溫疏水進(jìn)行混合。要將除鹽水自動(dòng)補(bǔ)入凝汽器喉部并盡可能形成霧狀噴淋，需要核算噴嘴在不同壓力下的霧化效果、核算除鹽水箱到凝汽器喉部的管道阻力和高程差的影響。

按照除鹽水箱正常液位4 m水柱、夏季凝汽器背壓11.8 kPa（冬季凝汽器背壓6.13 kPa）核算，還原除鹽水箱到凝汽器喉部的管道及管件，核算出自動(dòng)補(bǔ)水的最大流量值。

根據(jù)噴嘴在不同壓力下的流量特性曲線，選取3/8英寸螺旋噴嘴（安裝高度5.5 m）后，迭代計(jì)算不同補(bǔ)水流量下的沿程阻力，得出該系統(tǒng)最大補(bǔ)水量為33.6 t/h，可以滿足補(bǔ)水需求。

圖7 安裝后的喉部自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)

圖7所示為安裝后的42個(gè)噴嘴均勻分布在2根DN100的不銹鋼管上，向上傾斜成45°角，與汽輪機(jī)排汽形成逆流布置，有利于混合換熱；所有的管道和噴嘴均采用304不銹鋼材料制作。本補(bǔ)水系統(tǒng)共布置84個(gè)噴嘴分布在4根不銹鋼管上。

2.6 鈦管振動(dòng)預(yù)防

由于鈦管彈性模量小、管壁薄，受到蒸汽流動(dòng)作用時(shí)很容易產(chǎn)生振動(dòng)，這種振動(dòng)從產(chǎn)生機(jī)理上來(lái)說(shuō)是不可避免的。產(chǎn)生振動(dòng)的原因主要有兩個(gè)，一是換熱管固有頻率與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率接近，二是蒸汽對(duì)換熱管的高速汽流沖擊產(chǎn)生的誘振。

振動(dòng)嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致管口或隔板支撐處發(fā)生泄漏，是鈦管凝汽器運(yùn)行中需要密切注意的問(wèn)題。凝汽器改造設(shè)計(jì)時(shí)可以通過(guò)調(diào)整隔板最大允許跨距來(lái)盡可能減小或避免這種振動(dòng)的形成。

根據(jù)美國(guó)傳熱學(xué)會(huì)（HEI）標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于預(yù)防汽流激振的經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算出汽輪機(jī)排汽口蒸汽達(dá)到音速時(shí)的比容，利用水蒸汽表查出對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓力，然后通過(guò)基本跨距曲線、修正系數(shù)表等查找相關(guān)參數(shù)。

凝汽器改造前后的跨距計(jì)算見(jiàn)表4。

表4 凝汽器改造前后的跨距計(jì)算

通過(guò)表4計(jì)算可知，實(shí)際跨距取值本身低于按照排汽口蒸汽達(dá)到音速計(jì)算的跨距，加上實(shí)際蒸汽流速在100 m/s以下，安全余量較大，滿足機(jī)組運(yùn)行的要求。

2.7 水室陰極保護(hù)

根據(jù)外部提供陰極電流的方式不同，陰極保護(hù)方法可分為犧牲陽(yáng)極保護(hù)法和外加電流保護(hù)法兩種［13-14］，也有采用涂層和電化學(xué)陰極保護(hù)的聯(lián)合保護(hù)法［15］。凝汽器陰極保護(hù)采用犧牲陽(yáng)極法是常見(jiàn)的腐蝕防護(hù)措施，該法具有安裝簡(jiǎn)便、價(jià)格便宜、效果好等優(yōu)點(diǎn)。該公司原先采用犧牲陽(yáng)極保護(hù)法，投運(yùn)至今水室襯膠層保護(hù)良好，陽(yáng)極的損失占實(shí)際布置陽(yáng)極體積的60%，因此本次改造仍選用安裝鋅塊作為陰極保護(hù)措施。

選好陽(yáng)極材料后，計(jì)算出單個(gè)水室的被保護(hù)區(qū)域面積為 40 m2，設(shè)定保護(hù)電流密度 3 μA/cm2，計(jì)算出所需保護(hù)電流為1.06 A，結(jié)合保護(hù)壽命，計(jì)算出所需陽(yáng)極的數(shù)量（塊數(shù)）。單個(gè)水室實(shí)際采用的鋅塊規(guī)格為 500 mm×100 mm×40 mm，數(shù)量 7塊。

圖8所示結(jié)構(gòu)考慮鋅塊在水室內(nèi)受到的循環(huán)水沖擊，并考慮與水室襯膠層結(jié)合的嚴(yán)密性。316L螺栓的螺紋部分在安裝前涂抹密封膠，確保螺栓與鋅塊支撐板之間不會(huì)有海水滲入，對(duì)水室襯膠層起到保護(hù)作用。

圖8 水室鋅塊安裝

2.8 實(shí)施效果

通過(guò)對(duì)工程實(shí)施前、實(shí)施中的全過(guò)程跟蹤與參與，關(guān)鍵設(shè)備、零部件的加工質(zhì)量得到了保證，施工過(guò)程的焊接質(zhì)量得到有效監(jiān)督與控制?，F(xiàn)場(chǎng)施工全部完成后，進(jìn)行整體水壓試驗(yàn)，全部管口無(wú)一泄漏。機(jī)組起動(dòng)后，對(duì)自動(dòng)補(bǔ)水量進(jìn)行測(cè)試，機(jī)組背壓6 kPa時(shí)自動(dòng)補(bǔ)水最大達(dá)到30 t/h，滿足設(shè)計(jì)需要。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)改造過(guò)程的全過(guò)程參與，確保設(shè)備零部件的加工質(zhì)量、現(xiàn)場(chǎng)安裝焊接質(zhì)量和設(shè)備性能設(shè)計(jì)質(zhì)量。復(fù)合管板與鈦管的焊接質(zhì)量直接影響到凝汽器的安全運(yùn)行，必須加強(qiáng)對(duì)選材與焊接過(guò)程的控制。凝汽器運(yùn)行中，還需要加強(qiáng)循環(huán)水滅藻處理、膠球清洗系統(tǒng)投運(yùn)等的管理，保證鈦管的清潔度。凝汽器喉部補(bǔ)水的無(wú)動(dòng)力自動(dòng)補(bǔ)入，可以節(jié)約廠用電。

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Modification of Titanium Tube for Condenser in Coastal Power Plants

LIANG Haishan1，NIU Quanxing2
（1.SDIC Beibuwan Electric Power Co.Ltd.，Beihai 536000,China；2.Xi’an Xieli Power Technology Co.Ltd.，Xi’an 710119，China）

In the coastal power plant，the condenser is usually made of titanium tube to reduce the corrosion of the sea water to the heat-exchange pipe.The contents involved in the retrofit of the condenser are discussed，and the smooth implementation of the project is ensured by strengthening the process control method.To participate in the implementation of the project is conducive to the power plant professionals getting familiar with the equipment performance which facilitate the later maintenance.After the implementation of the project，the vacuum of the condenser is increased by 0.6 kPa，and the economic benefit is remarkable.

composite tubesheet；welding process evaluation；lining rubber；cathodic protection

TK264.1

B

1007－9904（2017）10－0065－06

2017-05-31

梁海山（1976），男，工程師，主要從事熱能與動(dòng)力設(shè)備的節(jié)能減排技術(shù)研究工作。