張偉，朱大勇，閆虹，付瓊

(神華國華永州發(fā)電有限責任公司，湖南永州425000)

多向擾流換熱管在新建機組凝汽器上應用的探討

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

張偉，朱大勇，閆虹，付瓊

(神華國華永州發(fā)電有限責任公司，湖南永州425000)

本文通過對多向擾流換熱管的應用研究，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，可以強化換熱，降低排汽壓力，提高機組整體運行經(jīng)濟性。

凝汽器；換熱系數(shù)；多向擾流換熱管；強化；換熱；經(jīng)濟

從熱力學原理可知，若降低汽輪機排汽壓力，須增加循環(huán)水在凝汽器中帶走的熱量，需要強化凝汽器的換熱，從傳熱學中知凝汽器中的傳熱量可用下式計算，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來實現(xiàn)。

對于凝汽器而言，增加換熱面積是增強換熱量的有效方法，但會使流動阻力增加，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的排汽面積影響，不可能無限制的增加，對于1 000 MW等級的火力發(fā)電凝汽式汽輪機，凝汽器面積達到60 000 m2已經(jīng)幾乎達到有效面積的上限。

凝汽器在工程應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是強化換熱的最重要的途徑，且在換熱面積和平均溫差給定時，是增加換熱量的最有效途徑。

1 強化換熱管的發(fā)展歷程

前蘇聯(lián)是世界上最早將螺旋管應用于電廠凝汽器的國家，已經(jīng)成功應用30余年，未出現(xiàn)大的問題 (圖1)。英國對電廠凝汽器中應用螺旋管的機械性能進行了研究，結(jié)論是機械完整性等同于光管。美國是對電廠凝汽器使用螺旋管研究最深入的國家，在上世紀八十年代開始對14臺機組進行了長達15年的試驗，通過對比換熱性能、污垢速率等指標的分析得出，螺旋管的換熱系數(shù)時光管的1.2～1.4倍，污垢速率與光管相當?shù)慕Y(jié)論，可以降低機組熱耗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，費用高，在其它國家并未推廣使用。日本日立公司開發(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

在我國有越來越多的機組對凝汽器進行強化換熱管的改造，最常見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圖

2 強化換熱管的特點

2.1 提高換熱系數(shù)

通常水在光滑管壁的管中流動時，靠近管中心的水流流速較高，高到一定速度時會形成紊流，水流越靠近管壁流速越低，最靠近管壁的水流會附著在管壁上，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，水在其中流動時，靠近管壁的水流會沿螺旋方向產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動。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管壁的左右螺旋交叉形成的菱形花紋對污垢形成鱗片狀分割，從交叉點產(chǎn)生沖蝕，使得污垢在水流作用下自動清除。多向擾流換熱管的擾流結(jié)構(gòu)相對于水流而言是粗糙的，而相對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，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的排汽溫度，因此冷凝管壁溫也相應降低。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似的入口效應，徹底破壞管壁靜止的附面層，水在流動過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，不會造成應力腐蝕，不會產(chǎn)生冷加工應力。多向擾流換熱管抗振性能好，由于左右螺旋交叉成網(wǎng)狀，對管子的軸向和徑向剛度都起到了加強作用。而且換熱管的腐蝕相對較輕，主要是因為抗垢特性使得垢下腐蝕減輕或不復存在，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

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，機械清洗很容易將污垢除掉，優(yōu)化設計的波紋深度為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，可充分填充在設計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期運行而產(chǎn)生的污垢。

2.5 多向擾流換熱管增加流動阻力

由于多向擾流換熱管的特殊結(jié)構(gòu)，對流體的流動產(chǎn)生干擾，相應的增加了流動阻力，根據(jù)西安熱工院在華潤徐州電廠的測試結(jié)果計算得出，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〕。對于百萬機組凝汽器采用多向擾流換熱管比光管的流動阻力增加不到6 kPa左右，相應增加循環(huán)水泵總功率不到200 kW。

3 強化換熱管的應用

目前，歐、美、日等發(fā)達國家在凝汽器中普遍采用強化換熱管來提高凝汽器的換熱性能達到降低機組排汽壓力，提高機組運行經(jīng)濟性的目的〔4〕。在我國也有許多機組對凝汽器進行改造應用，都取得了良好的效益。

3.1 華潤唐山熱電廠

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

圖4 運行1年后管內(nèi)壁情況

唐山熱電廠改造后運行5年，凝汽器曾發(fā)生過由于凝汽器管脹口施工質(zhì)量不良導致的漏泄事件，但未發(fā)生過由于凝汽器管材原因?qū)е碌穆┬故录f明在使用安全上是有保障的。表1為改造前后運行參數(shù)對比情況，從數(shù)據(jù)上看經(jīng)濟性有明顯提高，但是唐山熱電廠未對凝汽器進行性能測試，只能定性的說明擾流管改造對經(jīng)濟性提高有促進作用。

表1 機組運行參數(shù)對比表

3.2 華潤銅山電廠

華潤銅山電廠1號機組額定容量300 MW，在2007年對1號機組凝汽器更換2 000根多向擾流換熱管，經(jīng)過4年的觀察未發(fā)生安全事件，于2011年對剩余管材全部更換，在2012年10月，經(jīng)實際測試性能與計算性能對比，得出多向擾流換熱管對凝汽器壓力有降低作用的結(jié)論，即增強了凝汽器的換熱能力，見表2。

表2 電廠改造后對凝汽器換熱管實測性能測試與對光管的計算數(shù)據(jù)對比變化 kPa

通過上面數(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了換熱能力，每年可以帶來的發(fā)電煤耗效益在約0.3～0.4 g/kWh。

3.3 廣東韶關電廠

韶關電廠300 MW機組在2012年11月至2013年1月進行大修工作，在此次大修中實施了凝結(jié)器更換多向擾流不銹鋼管的項目，機組改造后，在相同的循環(huán)水溫度下，由于增強了凝汽器換熱能力，機組真空提高了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間，凝結(jié)成的水降落到熱水井的時間縮短，減少了凝結(jié)水與冷源的接觸時間，使得凝結(jié)水過冷度降低了0.55℃。

4 結(jié)束語

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機組上已經(jīng)有數(shù)十臺機組進行改造使用，未出現(xiàn)安全問題，經(jīng)濟效益明顯。在新建1 000 MW等級機組的凝汽器應用多向擾流換熱管，每臺機組增加投資約70萬元，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，林培森，王世平.國外電廠凝汽器中強化管的應用及管型選擇〔J〕.電站輔機，1999(1):15-16，33.

〔2〕黃素逸.強化傳熱技術(shù)進展〔C〕.//中國石油和化工勘察設計協(xié)會熱工委員會、全國化工熱工設計技術(shù)中心站2004年年會論文匯編.2004:41-52.

〔3〕程東濤，馬汀山.華潤 (徐州)電力有限公司1號機組凝汽器性能試驗報告〔R〕.西安熱工研究院有限公司，2012.

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

〔5〕西安熱工研究院有限公司.華潤 (徐州)電力有限公司1號機組凝汽器性能試驗報告〔R〕.2012.

TK264.11

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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，高級工程師，工學學士，從事火力發(fā)電廠生產(chǎn)管理工作。

2015-04-20 改回日期:2015-06-09