劉大鑫

(中國能源建設(shè)集團東北電力第四工程有限公司 汽機專業(yè)公司，遼寧 遼陽 111000)

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螺旋帶裝置在300 MW機組凝汽器中的研究與應(yīng)用

劉大鑫

(中國能源建設(shè)集團東北電力第四工程有限公司 汽機專業(yè)公司，遼寧 遼陽 111000)

以某電廠300 MW機組為例，介紹了螺旋紐帶裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理，并對螺旋紐帶裝置進行了試驗，分析了其運行狀態(tài)下的各種參數(shù)，并對比了螺旋紐帶安裝前后的經(jīng)濟性。結(jié)果表明，安裝螺旋紐帶裝置具有非常可觀的經(jīng)濟效益，為凝汽器除垢提供了一種高效可行的途徑和方法，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

螺旋帶裝置；凝汽器；300 MW機組

汽輪機在運行過程中常會遇到凝汽器真空下降的問題，尤其是在夏季，對汽輪機運行的經(jīng)濟性影響甚大。當(dāng)其他條件不變時，真空度每變化1%，汽輪機汽耗率平均變化1%～2%。凝汽器真空下降還會威脅機組的安全性，會嚴重降低發(fā)電負荷。真空下降的主要原因是由凝汽器的銅管內(nèi)壁結(jié)垢所致，銅管結(jié)垢不但能使銅管熱阻增大，還會導(dǎo)致凝汽器通流面積減小、管內(nèi)外換熱面積增大等，所以去除凝汽器的結(jié)垢顯得尤為重要。大多凝汽器采用膠球清洗裝置進行除垢，但其流場、收球網(wǎng)板、膠球泵等存在諸多問題。目前，海內(nèi)外對凝汽器除垢有了更為先進的方法，即在管內(nèi)加設(shè)螺旋紐帶裝置，此裝置不僅免除了膠球裝置人工操作的隨意性，還免除了停機人機清洗，獲得了較大的經(jīng)濟效益，為凝汽器的可靠運行提供了方法。

1 螺旋紐帶裝置簡介

1.1 螺旋紐帶裝置結(jié)構(gòu)

螺旋紐帶裝置由螺旋紐帶、轉(zhuǎn)軸、支架、墊片和連接環(huán)等部分組成，如圖1所示。螺旋紐帶安裝在凝汽器銅管內(nèi)，紐帶與管內(nèi)壁在徑向方向上有約2.5 mm的間隙，可以自由旋轉(zhuǎn)和擺動；在軸向方向上，管口軸承和鉤頭軸可將其定位。系統(tǒng)運行時，紐帶在管內(nèi)流體的帶動下會自動旋轉(zhuǎn)擦刮管內(nèi)壁，從而達到連續(xù)、自動清洗管內(nèi)污垢的目的；同時，紐帶本身對流體也有導(dǎo)流作用，形成基本流向為螺旋流的復(fù)雜流動，和紐帶刮擦對邊界層的擾動作用一起來實現(xiàn)強化傳熱。紐帶上也可開設(shè)多個孔，擴大傳熱面積，減少流體流動阻力，強化傳熱。但由于孔橋的攪拌作用，也增大了流動區(qū)的內(nèi)部旋渦阻力損失。

1—凝汽器銅管；2—螺旋紐帶；3—連接環(huán)；4—內(nèi)塞；5—支架；6—墊片；7—鉤頭軸

圖1 螺旋紐帶裝置結(jié)構(gòu)

1.2 螺旋紐帶裝置工作原理

螺旋紐帶裝置是一種在線機械清洗的防垢技術(shù),其具有自動除垢、防垢和強化傳熱的作用。當(dāng)汽輪機運行時,大量的循環(huán)冷卻水在銅管內(nèi)流動,螺旋紐帶裝置利用循環(huán)水流過紐帶所傳遞的動量矩,驅(qū)動進口端固定的紐帶在銅管內(nèi)自動旋轉(zhuǎn)和擺動。螺旋紐帶本身具有一定的柔韌性,旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生徑向擺動，紐帶邊刃會碰撞擠壓污垢層，并對污垢層產(chǎn)生軸向的剪切力。在徑向碰撞擠壓和軸向刮掃剪切的共同作用下，螺旋紐帶裝置可對已有污垢進行連續(xù)自動清洗,對無污垢的傳熱面也有很好的自動防垢作用。

同時，冷卻水在紐帶作用下形成渦流不斷沖刷管壁，對層流邊界層產(chǎn)生強烈擾動，使冷卻水中的CaCO3和微小雜物等不易在管壁內(nèi)停留，有效地防止了污垢在管壁上集結(jié)，起到了長期保持銅管內(nèi)壁清潔無垢的作用，徹底改變了要停機才能徹底清理凝汽器污垢的傳統(tǒng)辦法。

旋轉(zhuǎn)和擺動的螺旋紐帶還會引起管內(nèi)流體的強制旋流和二次流動，使流體產(chǎn)生漩渦運動，基本消除了層流邊界層，加快了冷熱水之間的混合，提高了換熱性能，強化了銅管的傳熱效果，使凝汽器的換熱效率得到了顯著提高。

2 螺旋紐帶裝置在300 MW機組凝汽器中的應(yīng)用

以某電廠300 MW機組為例，在裝有螺旋紐帶的凝汽器中，考慮到其運行經(jīng)濟性的好壞，需對運行各因素進行研究。

2.1 實驗裝置及各參數(shù)測量方法

1)冷卻管兩端壓差ΔP

在冷卻管兩端安裝壓力表，分別測出兩端的壓力，可直接計算出兩端的壓力差。

2)流量Q

在進水入口處安裝流量計。由于實驗中流體流動很可能分布不均勻，使得各管流量不均，因此，可在進水入口增設(shè)一導(dǎo)流隔板，使水流均勻分布在每根銅管內(nèi)，從而可計算出各管的平均流量。

3)水流速度u

4)阻力hw

5)換熱系數(shù)

根據(jù)能量守恒定律可知，蒸汽側(cè)減少的熱量Q汽等于水側(cè)吸收的熱量Q水，而Q水=Cp·m·(t出口-t入口)，所以只要在銅管出口、表面、內(nèi)壁各設(shè)置一測量溫度的儀表，測出各點的溫度，即t出口、tw、tf，則直接可以計算出換熱系數(shù)。其中，水流的質(zhì)量可用m=ρV計算，體積V為圓管內(nèi)體積，由結(jié)構(gòu)尺寸計算得出，而t入口為水流初始溫度，通常為20 ℃。

2.2 實驗參數(shù)分析

2.2.1 管內(nèi)流體的速度分布和紊流強度分布

試驗中采用熱線風(fēng)速儀測得旋轉(zhuǎn)流體的紊流強度和頻率特性，同時也測量了無紐帶插入時光管中流體流動的紊流強度，實驗結(jié)果如圖2和圖3所示。

1—Re=19 700；2—Re=130 200；3—Re=12 200圖2 光管中的紊流強度分布和速度分布

1—在圖示方向Ⅰ測量，Re=144 000；2—在圖示方向Ⅰ測量，Re=27 000；3—在圖示方向Ⅱ測量，Re=27 400；4—在圖示方向Ⅱ測量，Re=14 220

圖3 旋轉(zhuǎn)流體中的紊流強度分布

1—Re=26 500；2—Re=92 000；3—光管速度分布曲線圖4 管內(nèi)旋轉(zhuǎn)流體的速度分布

由圖4可以看出，光管中的速度分布曲線符合1/7次方規(guī)律，即W/Wmax=(y/Ri)1/7。由圖2和圖3

可以看出，在管子軸線附近區(qū)域，離心力較小，旋轉(zhuǎn)流動的紊流強度比軸向流動的紊流強度高，當(dāng)y值減小，即逐漸靠近管子壁面區(qū)域時，旋轉(zhuǎn)流體的紊流強度近乎不變，而軸向流動的紊流強度則逐漸增高。當(dāng)y/Ri=0.5時，旋轉(zhuǎn)流體和軸向流動的紊流強度近乎相等。若y值進一步減小，則旋轉(zhuǎn)流體的紊流強度將開始低于軸向流體的紊流強度。

由上述對試驗結(jié)果的分析可以得出：

1)旋轉(zhuǎn)流動和軸向直線流動的紊流強度總體水平相近，但旋轉(zhuǎn)流體的紊流強度在沿管子橫截面的大部分區(qū)域中近乎相等；

2)在管子軸線附近區(qū)域中，旋轉(zhuǎn)流體的紊流強度比軸向直線流動的紊流強度約高30%～40%；

3)在流核區(qū)(0.1

4)在近壁區(qū)，旋轉(zhuǎn)流動的紊流強度略高于軸向直線流動的紊流強度。

2.2.2 管內(nèi)單相流體紊流狀態(tài)下的對流換熱和阻力特性

利用試驗數(shù)據(jù)整理出對流換熱和阻力特性各自的關(guān)聯(lián)式，如下所示

ζ=4ARe-n

(1)

Nu=BRem

(2)

式中，A、B、n、m為實驗確定的常數(shù)，具體數(shù)值見表1。

表1 內(nèi)插紐帶強化傳熱管的A、B、n、m數(shù)值

結(jié)合試驗關(guān)聯(lián)式和試驗數(shù)據(jù)可以繪制兩種扭率下雷諾數(shù)與阻力系數(shù)的關(guān)系曲線及雷諾數(shù)與努謝爾特數(shù)的關(guān)系曲線，如圖5和圖6所示。

試驗數(shù)據(jù)表明，當(dāng)紐帶的扭率Y取值為5時，即得到最佳全節(jié)距H=Y·di=5×25=125 mm，而插有紐帶的管子與光管的阻力比值為ΔP/P0=2.13～2.22，兩種管子的對流換熱系數(shù)比值為h/h0=1.31～1.32。

2.3 安裝前后經(jīng)濟效益對比

某廠在安裝了螺旋紐帶之后，經(jīng)過2年多的運行實踐，凝汽器真空已能滿足機組滿負荷運行需要，且運行2年多后與剛安裝時沒有較大的變化，凝汽器的真空明顯提高，端差顯著降低，其機組安裝紐帶前后的數(shù)據(jù)參數(shù)如表2所示。

圖5 兩種扭率下雷諾數(shù)與阻力系數(shù)的關(guān)系曲線

圖6 兩種扭率下雷諾數(shù)與努謝爾特數(shù)的關(guān)系曲線

主蒸汽電負荷/MW進汽量/(t·h-1)壓力/MPa溫度/℃循環(huán)冷卻水抽汽量/(t·h-1)進水壓力/MPa進水溫度/℃出水溫度/℃排汽真空/MPa排汽溫度/℃凝結(jié)水溫度/℃安裝前6.2643.39437400.0983240-87.550.449.96.0523.37430280.0983340-86.152.652.26.0463.40432210.1483641-84.554.854.46.0393.43437100.1493541-83.656.155.75.5283.4143600.1493742-83.256.656.35.0263.3842500.1493742-83.456.356.0安裝后6.0303.4944200.1023543-91.842.241.96.2323.3843600.1013643-90.744.644.36.2403.39435140.1023442-92.640.339.96.2653.42438430.1013340-94.235.835.56.0303.4644100.1023643-90.445.244.96.2683.43442480.1023340-94.734.133.66.3693.46444490.1013240-94.933.432.96.0303.3843900.1013542-89.646.846.46.1313.3744100.1523743-90.145.845.5

通過對表2的數(shù)據(jù)進行比較分析發(fā)現(xiàn)：

1)在同等條件下安裝螺旋紐帶裝置后，凝汽器真空上升了7～10 kPa，能夠滿足汽輪機在高溫季節(jié)滿負荷純凝運行的要求。以凝汽器真空平均提高8 kPa計算，蒸汽(P=3 133 MPa、t=435 ℃)的平均有效焓降增加值為2 112 kJ/kg,每h進入汽輪機的每t蒸汽可以多作21 200 kJ的功，可增加發(fā)電量5 189 kW·h。

2)端差明顯降低。安裝螺旋紐帶前，凝結(jié)水溫度與循環(huán)水出口溫度差(即端差)最低都有9.9 ℃，最高可達14.7 ℃；而安裝螺旋紐帶之后，端差最低為1.1 ℃，最高也只有7.1 ℃，換熱效果顯著增強，增加了機組的循環(huán)效率和熱經(jīng)濟性。

3)純凝和抽汽工況相比，按照進入汽輪機凝汽器的蒸汽為18 t/h、抽凝機組年平均運行7 500 h計算，每年可增加發(fā)電量79 152萬kW·h。

4)在夏秋高溫季節(jié)一般運行2臺循環(huán)水泵即可滿足3臺機組運行要求,少運行1臺132 kW的循環(huán)水泵，降低了廠用電率，減少了循環(huán)冷卻水的損失，且安裝后凝汽器進水阻力僅增加3～4 kPa,對循環(huán)水泵功耗影響不大。

3 結(jié) 論

螺旋紐帶裝置以操作方便、安裝維護簡單等優(yōu)點在凝汽器的清洗中具有明顯的優(yōu)勢。以某廠300 MW機組為例，對其螺旋紐帶裝置進行了試驗，并對其試驗參數(shù)進行了分析，確定了管內(nèi)流體的速度分布、紊流強度分布、管內(nèi)單相流體紊流狀態(tài)下的對流換熱和阻力特性。最后對比了安裝螺旋紐帶裝置前后的運行參數(shù)，分析結(jié)果表明，安裝螺旋紐帶后取得了非常可觀的經(jīng)濟效益。由此可見，螺旋紐帶裝置在300 WM機組中具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

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(責(zé)任編輯 張 凱 校對 佟金鍇)

Research and Application of Spiral Belt Device on Condenser of 300 MW Unit

LIU Da-xin

(Turbine Branch,The Fourth Northeast Electric Power Engineering Co.,Ltd,China Energy Engineering Group Co.,Ltd,Liaoyang 111000,Liaoning Province)

As an advanced technology in condenser cleaning,the spiral belt device has a great potential. In this paper,the structure and working principle of the spiral belt device was described,and its various operational parameters in a 300MW unit were tested to show considerable economic benefits of the device. The application of the device would provide an efficient and feasible mean for condenser cleaning,and has a broad application prospects.

spiral belt device; condenser; 300 MW unit

2015-03-06

劉大鑫(1986-)，男，四川綿陽人，助理工程師。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.03.010

TK264

A

1673-1603(2015)03-0236-05