張有瑞/北方聯(lián)合電力有限責(zé)任公司烏海熱電廠

淺析污垢對(duì)凝汽器及汽輪機(jī)組熱力性能的影響

張有瑞/北方聯(lián)合電力有限責(zé)任公司烏海熱電廠

污垢是一種非常普遍的現(xiàn)象，90%以上的電廠凝汽器都存在著不同程度的污垢問(wèn)題。由于污垢的存在，導(dǎo)致了投資增加、能源消費(fèi)和損失增大、凝汽器維護(hù)清洗費(fèi)用增加以及汽輪機(jī)組效率降低。因此，研究污垢對(duì)凝汽器及汽輪機(jī)組熱力性能的影響是有必要的。

污垢；凝汽器；熱力性能

一、引言

電站凝汽器是火電廠汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的重要組成部分，其工作性能的好壞對(duì)整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行安全性與經(jīng)濟(jì)性有重大的影響。而大多數(shù)的凝汽器都存在著不同程度的污垢問(wèn)題，污垢嚴(yán)重影響了凝汽器傳熱性能和汽輪機(jī)組功率，因此有必要詳細(xì)、定量地了解污垢對(duì)凝汽器換熱性能和汽輪機(jī)組性能的影響。

二、不同厚度污垢下凝汽器性能曲線

針對(duì)污垢厚度在0～0.2mm范圍內(nèi)6種不同情況，本文計(jì)算了凝汽器出口壓力為3300～4300Pa的一系列的情況，對(duì)每一厚度污垢僅選取其中的5或6種工作壓力下的結(jié)算結(jié)果，將結(jié)果中相關(guān)數(shù)據(jù)提取繪制出凝汽器性能曲線圖，如下圖所示：

在同樣厚度污垢的情況下，以污垢厚度為0.12mm的情況為例?？梢钥闯?，凝汽器出口壓力越大其出口流量越小，而且變小的趨勢(shì)也逐漸變緩。同時(shí)，由于出口壓力增大，凝汽器殼側(cè)各處的壓力也隨之增大，蒸汽與冷卻水的換熱得到加強(qiáng)，蒸汽能夠更好的凝結(jié)。因此，隨著出口壓力的增加，凝汽器殼側(cè)的背壓、出口的空氣濃度逐漸增大，空氣占未凝結(jié)汽體的份額也越來(lái)越大，出口的未凝結(jié)汽體的流量逐漸減小。從圖中可以直觀看出，出口壓力為4000Pa時(shí)出口流量的減小已經(jīng)趨于平緩。這是由于當(dāng)出口壓力增大到一定程度后，蒸汽已經(jīng)凝結(jié)了99.99%以上，即使殼側(cè)的壓力升高，蒸汽的凝結(jié)已經(jīng)接近了最大程度，出口的空氣濃度也達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水平，所以出口的未凝結(jié)汽體的流量也趨于平穩(wěn)。同時(shí)，隨著厚度有規(guī)律的增加，凝汽器出口的流量也呈現(xiàn)出一定規(guī)律的變大。對(duì)于同一出口壓力，污垢厚度增加，凝汽器總換熱系數(shù)降低，出口空氣濃度也隨之降低，出口流量增加，凝汽器的背壓逐漸增大。

三、凝汽器與抽氣器性能匹配

汽輪機(jī)在啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)前，需要在汽輪機(jī)的汽缸內(nèi)和凝汽器中建立一定的真空度，在正常運(yùn)行時(shí)也需要維持凝汽器中的真空度，使得機(jī)組具有較高的熱效率，所以大多數(shù)的汽輪機(jī)組都采用抽氣器，源源不斷的抽出凝汽器內(nèi)不凝性氣體和少量的未凝結(jié)蒸汽，使凝汽器內(nèi)壓力維持在較低的水平。不同型號(hào)的汽輪機(jī)組配備的抽氣器性型號(hào)也不盡相同，而抽氣器型號(hào)的確定，主要根據(jù)凝汽器和抽氣器性能的匹配。在實(shí)際工程中，我們關(guān)心的是凝汽器在不同運(yùn)行情況下的傳熱端差、換熱系數(shù)、背壓等參數(shù)的分布。因此，首先應(yīng)確定凝汽器在不同運(yùn)行情況下的工作狀態(tài)點(diǎn)。為求得實(shí)際工作狀態(tài)點(diǎn)，將數(shù)值計(jì)算中抽氣口剩余混合物流量與抽氣器性能進(jìn)行匹配，從真空泵和抽氣器性能曲線上得出凝汽器的工作狀態(tài)點(diǎn)。

本文計(jì)算選擇300MW汽輪機(jī)組，配備的抽氣器為2BE1-353-OEY4型水環(huán)真空泵。通過(guò)計(jì)算可知：抽出的空氣量越大，則吸入室壓力越高。因此，如果抽氣口剩余的汽氣混合物流量越大，將其全部抽走所需抽氣口壓力就越高；反之，若抽氣口剩余汽氣混合物流量越小，則抽氣口壓力就越低，凝汽器就可維持較高的真空，所以凝汽器入口工作壓力收抽氣口剩余混合物流量和抽氣器特性影響。

將凝汽器與抽氣器作性能匹配后，找到凝汽器在不同厚度污垢情況下的工作狀態(tài)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出，當(dāng)冷卻管內(nèi)的污垢0.08mm時(shí)，凝汽器的清潔系數(shù)僅為0.8左右。當(dāng)污垢厚度繼續(xù)增加到0.2mm，此時(shí)凝汽器的清潔系數(shù)僅為0.6，嚴(yán)重影響了凝汽器的換熱效果。由于污垢的導(dǎo)熱系數(shù)比較小，在凝汽器換熱管內(nèi)形成甚至很薄的污垢都對(duì)其換熱有著顯著影響，如果凝汽器你清洗系統(tǒng)運(yùn)行不正常，換熱管內(nèi)的污垢厚度達(dá)到0.1mm的情況是比較容易出現(xiàn)，這時(shí)凝汽器的清潔系數(shù)只有0.7左右，一般凝汽器按HEI標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的清潔系數(shù)選用0.85，污垢厚度達(dá)到0.1mm時(shí)的清潔系數(shù)遠(yuǎn)低于HEI標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)工況。凝汽器冷卻管表面污臟、結(jié)垢，將使冷卻水通流面積減小，水流阻力增大，冷卻水量減少，在一定的蒸汽負(fù)荷下，冷卻水溫升將超過(guò)正常值，致使傳熱端差增大。污垢厚度每增加0.04mm，傳熱端差增加0.75℃左右。污垢的存在會(huì)極大地增加凝汽器總的熱阻，導(dǎo)致凝汽器總的換熱系數(shù)降低以及蒸汽與冷卻水的換熱不良。同時(shí)，隨著污垢厚度每增加0.04mm，凝汽器的背壓增大200Pa左右。凝汽器背壓的不斷提高，壓降的不斷增大，換熱系數(shù)不斷降低，使循環(huán)冷卻水吸熱不良，減緩了蒸汽的凝結(jié)速度，導(dǎo)致凝汽器入口蒸汽壓力升高，蒸汽溫度隨之升高。而蒸汽溫度的升高又導(dǎo)致有更多的熱量需要冷卻水帶走，使循環(huán)冷卻水溫度升得很快。冷卻水溫度升高后又進(jìn)一步惡化真空，影響機(jī)組出力，降低機(jī)組熱效率，形成惡性循環(huán)。

四、污垢對(duì)汽輪機(jī)組熱力性能影響

由于冷卻管結(jié)垢會(huì)導(dǎo)致凝汽器背壓的變化，而凝汽器背壓的變化會(huì)影響汽輪機(jī)的輸出功率變化，即冷卻管水側(cè)結(jié)垢會(huì)影響汽輪機(jī)的運(yùn)行性能。

1.汽機(jī)背壓變化的影響因素。汽輪機(jī)在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行效率最高。但是，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于各種因素的影響，從鍋爐來(lái)的蒸汽參數(shù)、外界符合和機(jī)組轉(zhuǎn)速等會(huì)偏離設(shè)計(jì)值，此時(shí)汽輪機(jī)的進(jìn)汽流量或級(jí)組通過(guò)的蒸汽流量發(fā)生變動(dòng)，機(jī)組的各抽汽參數(shù)和熱系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)發(fā)生變化，汽輪機(jī)背壓也會(huì)隨之發(fā)生變化。當(dāng)排汽缸和凝汽器喉部的阻力損失可以忽略時(shí)，可認(rèn)為凝汽器壓力等于汽輪機(jī)背壓。因此，在實(shí)際運(yùn)行中，可認(rèn)為由凝汽器壓力改變對(duì)汽輪機(jī)組功率的影響等同于汽輪機(jī)背壓改變對(duì)汽輪機(jī)組功率的影響。

對(duì)于同一臺(tái)機(jī)組，當(dāng)蒸汽流量、冷卻水流量、空氣濃度等參數(shù)一定時(shí)，冷卻管水側(cè)污垢厚度不斷增加，使得凝汽器換熱系數(shù)不斷減小，減緩了蒸汽的凝結(jié)速度，導(dǎo)致凝汽器入口蒸汽壓力升高。污垢作為影響凝汽器背壓變化的重要因素之一，也間接的影響了汽輪機(jī)排汽壓力，使其偏離其額定值。

2.汽輪機(jī)背壓對(duì)機(jī)組微增出力的影響。汽輪機(jī)排汽壓力變化引起機(jī)組功率的變化，主要與汽輪機(jī)末級(jí)的工況有關(guān)。在流量不變的情況下，汽輪機(jī)的背壓升高，整個(gè)機(jī)組的理想比焓降減小，末級(jí)的余速損失發(fā)生變化，汽輪機(jī)組的最后幾級(jí)內(nèi)效率改變，導(dǎo)致汽輪機(jī)組微增出力改變。同時(shí)，汽輪機(jī)背壓的升高會(huì)引起凝結(jié)水溫度的相應(yīng)升高，從而使末級(jí)回?zé)岢槠恳舶l(fā)生改變，同樣會(huì)引起汽輪機(jī)組的內(nèi)功率發(fā)生變化。汽輪機(jī)輸出功率與排汽壓力間的關(guān)系，可以由下式描述：Pf=f（p0,t0,D0,Pk），式中p0為主蒸汽壓力；t0為主蒸汽溫度；D0為主蒸汽流量；Pk為汽輪機(jī)的排氣壓力。

目前，汽輪機(jī)組功率增量的計(jì)算可以通過(guò)四種方法得到：一是通過(guò)對(duì)汽輪機(jī)末級(jí)進(jìn)行變工況計(jì)算，得到背壓變化和功率變化之間的關(guān)系；二是通過(guò)運(yùn)用已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)的弗留格爾公式對(duì)機(jī)組進(jìn)行逐級(jí)變工況計(jì)算，從而得到背壓變化和功率變化之間的關(guān)系；三是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得到汽輪機(jī)低壓缸不同排汽壓力對(duì)汽輪機(jī)出力影響的特性曲線；四是根據(jù)汽輪機(jī)制造廠繪制的低壓缸排汽壓力對(duì)功率修正曲線，通過(guò)曲線擬合得到。

3.污垢對(duì)機(jī)組微增出力的影響。由于汽輪機(jī)排汽壓力的變化對(duì)機(jī)組的功率及熱經(jīng)濟(jì)性影響很大，而冷卻管結(jié)垢會(huì)又會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)排氣壓力的變化。因此，研究冷卻管在不同厚度污垢時(shí)對(duì)機(jī)組微增功率的影響是一項(xiàng)重要的工作。在上述的求解汽輪機(jī)背壓對(duì)機(jī)組微增出力的影響的四種方法中，方法三所得曲線最為符合機(jī)組實(shí)際情況；方法二在理論上有較高精確度，但所需供貨商提供設(shè)計(jì)參數(shù)較多，且計(jì)算較復(fù)雜；方法一由于假設(shè)蒸汽為理想氣體，誤差較大，但在工程允許范圍內(nèi)，要使誤差減小，可使用方法二擬合出來(lái)的修正系數(shù)進(jìn)行修正；方法四計(jì)算方法同方法二。對(duì)于大型凝汽式汽輪機(jī)，汽輪機(jī)的供貨商出于對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，所提供技術(shù)文件往往缺乏末級(jí)葉片的出汽面積及出汽角度數(shù)據(jù)，因此無(wú)法進(jìn)行末級(jí)熱力工況校核計(jì)算。但對(duì)于通流部分未進(jìn)行改造的機(jī)組，可以根據(jù)供貨商繪制的低壓缸排汽壓力對(duì)功率修正曲線來(lái)確定背壓變化對(duì)機(jī)組功率的影響。

通過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，污垢厚度每增加0.04mm，凝汽器背壓增加200Pa左右，而汽輪機(jī)功率降低150K W～200K W左右。冷卻管水側(cè)污垢對(duì)汽輪機(jī)功率影響還是比較大的，因此利用定期清洗等一系列的防垢、抑垢和除垢措施，減輕污垢的影響，從而提高凝汽器和汽輪機(jī)的工作性能是很有必要的。

[1]江寧、曹祖慶：影響汽輪機(jī)凝汽器真空主要因素作用分析[J]，熱力透平，2007.

[2]劉金平、劉雪峰等：凝汽器冷卻水污垢熱阻的研究[J]，中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005.