雙溫區(qū)凝汽器設(shè)計計算方法探討

顏強 陽歐 鞏昌強 姬艷云 高曉亮

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000）

0 引言

凝汽器內(nèi)的冷卻介質(zhì)通常都為同一介質(zhì)， 節(jié)能改造或增加功能需要在凝汽器內(nèi)同時接入兩股不同的冷卻水。 兩股水的流量、 溫度均有很大差別且在凝汽器內(nèi)共同換熱， 因不同冷源的換熱相互影響， 熱負荷分配難以確定， 雙溫區(qū)凝汽器的設(shè)計難度較大。 為了確定此種凝汽器中的不同冷源的各自換熱面積和管束結(jié)構(gòu)參數(shù)， 本文對這種不同參數(shù)的兩股冷卻水源同時進入凝汽器的情況進行分析推導(dǎo)。

1 基本思路

由于兩股冷卻介質(zhì)的參數(shù)不同， 但均處于同一凝汽器內(nèi)， 相互影響的因素很多， 處于不同冷卻介質(zhì)的換熱管束熱負荷分配、 背壓、 冷卻水出口溫度等都難以確定。 計算過程應(yīng)盡量減少變量，采用了下述辦法：

（1）采用校核模式。 根據(jù)工程經(jīng)驗對凝汽器的部分管束結(jié)構(gòu)參數(shù)進行假定， 相比設(shè)計模式， 變量更少， 更利于數(shù)值計算， 校核基于假定的管束結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)可以大致計算得出其他初始值， 該初始值可能不夠準確， 可在計算中進行相應(yīng)調(diào)整， 多次計算， 不斷完善。

（2）采用HEI[1]凝汽器計算方法。 該計算方法中的過程變量較為獨立， 在調(diào)整迭代的過程中可以對多個變量進行假定， 從而簡化計算過程。

2 公式推導(dǎo)

2.1 推導(dǎo)過程

單一冷卻水介質(zhì)的凝汽器飽和溫度推導(dǎo)為：

由式（1）可知：

由于是校核計算， 換熱管內(nèi)流速、 換熱管材質(zhì)和規(guī)格、 冷卻水進水溫度和清潔系數(shù)均為定值，故可對特定結(jié)構(gòu)條件下通過計算對換熱系數(shù)K求取， 進而計算確定面積A。 冷卻水進口溫度t1、 流量ω、 比熱C、 熱負荷Q為已知參數(shù)， 故飽和溫度Ts只與冷卻水出口溫度t2相關(guān)。

對于單一冷卻水介質(zhì)，t2很容易計算， 但是在兩股不同進水介質(zhì)下， 確定t2還需要更多條件。

為了區(qū)分， 代號下標最后的數(shù)字1、 2 代表兩股不同流體：

由式（1）可得：流體一：

流體二：

同理， 式（6） 中換熱系數(shù)K1、2是定值， 面積A1、2是定值； 冷卻水進口溫度t11、12、 流量ω1、2、 比熱C1、2、 總熱負荷Q總為已知參數(shù)。故式（3）、式（6）里有3 個未知數(shù)Ts1、Ts2和t21。

由于兩股冷卻水在凝汽器內(nèi)共同換熱， 背壓（飽和溫度） 相等， 即可再消去1 個未知數(shù)， 聯(lián)立式（3）、 式（6）可得：

通過式（7）即可計算出t21， 從而得到Ts2， 同時得到總的計算飽和溫度Ts（Ts=Ts1=Ts2）。

上述過程計算得到的Ts是基于假定結(jié)構(gòu)條件下的， 假定的結(jié)構(gòu)是否滿足要求， 還需要對Ts與要求的設(shè)計背壓對應(yīng)的飽和溫度Td進行比較：

當(dāng)Ts＞Td時， 說明假定的面積不夠； 當(dāng)Ts＜Td時， 說明假定的面積偏大； 當(dāng)Ts＜Td且接近Td時對應(yīng)的面積及管束結(jié)構(gòu)參數(shù)即滿足設(shè)計要求， 確定凝汽器計算方案。 當(dāng)不滿足條件時， 需要根據(jù)變化趨勢， 相應(yīng)調(diào)整管束結(jié)構(gòu)參數(shù)重新計算新的Ts， 一般經(jīng)過多次計算后即可符合要求。

2.2 推導(dǎo)過程分析

（1）本計算方法提出的條件是要求兩股冷卻下各自管束計算的背壓（飽和溫度）相等并且不大于總的凝汽器背壓（飽和溫度）， 當(dāng)三者相等時取得的凝汽器面積即為本算法下的最小所需面積， 由此得到確定的其他各項參數(shù)。

（2）推導(dǎo)過程未限定兩股冷卻管束上換熱管的數(shù)量、 規(guī)格、 長度、 必須相等， 冷卻水也沒有限定是淡水還是海水， 故2 股冷卻水的管束可以有不同的換熱管規(guī)格和冷卻水類型。

（3）計算基于HEI 的計算方法， HEI 算法各個參數(shù)關(guān)聯(lián)度不大， 同時采用校核計算方式， 假定結(jié)構(gòu)參數(shù)為已知數(shù)參與計算， 總體計算涉及的變量較少， 便于分析計算。

（4）本計算方法對設(shè)計經(jīng)驗有一定要求， 具備較豐富的設(shè)計經(jīng)驗， 可以快速求取換熱面積和管束關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3 實例計算

表1 為某300 MW 等級濕冷機組凝汽器按照本文所述方法算得的數(shù)據(jù)。 由于是凝汽器改造，為盡量保持與原結(jié)構(gòu)上的一致性， 兩股流體按各占一半管束（面積相等）進行設(shè)計。

表1 凝汽器相關(guān)數(shù)據(jù)及計算結(jié)果

4 結(jié)語

凝汽器的節(jié)能改造近些年迅速發(fā)展， 改造方案也在不斷探索中， 尋求在凝汽器換熱性能和適用條件上的新突破。 本文所述凝汽器就是根據(jù)電廠利用不同冷卻水源的要求， 在一臺凝汽器里通入兩種不同參數(shù)的冷卻介質(zhì)， 在面積及結(jié)構(gòu)參數(shù)計算上頗有難度， 針對這種型式的凝汽器推導(dǎo)出了一種面積及結(jié)構(gòu)參數(shù)計算方法， 具有計算快速、準確的特點， 并可推廣到多種冷源的情況， 具有重要的設(shè)計參考價值。