張月紅， 修亞男， 劉杰

（哈爾濱汽輪機廠有限責(zé)任公司，哈爾濱150046）

0 引言

通常，大型電站中凝汽器布置在運轉(zhuǎn)層下，喉部接頸與汽機低壓缸在運轉(zhuǎn)層靠下處連接，下部基礎(chǔ)在0 m層以下。由于現(xiàn)場穿管和檢修換管的需要，凝汽器管束最底排換熱管標(biāo)高一般要求大于等于0 m，這樣凝汽器的高度一般變化不大。而隨著設(shè)備廠家長時間的分析應(yīng)用，基于機組容量，一般都有慣用的管束型式，因此，大型電站凝汽器的寬度方向尺寸也趨于定型。

一般來說，不同機型的常規(guī)土建設(shè)計可以匹配凝汽器的外形設(shè)計，但近年來，機組要求趨于多樣化，非常規(guī)設(shè)計越來越多，這對設(shè)計人員提出了更高的要求。以下僅就有限空間內(nèi)凝汽器的布管優(yōu)化思路進行探討。

1 凝汽器管束設(shè)計的基本原理

管束是凝汽器的核心組成部分。管束設(shè)計的主要任務(wù)是將熱力計算得出的一定數(shù)量的冷卻管，在殼體空間范圍內(nèi)合理地優(yōu)化排列和組合，構(gòu)成一定形狀的管束，確保凝汽器運行時達到熱力設(shè)計的各項指標(biāo)（如傳熱量、真空度、凝結(jié)水的過冷度及含氧量等）。

1）合理設(shè)計管束的基本原則。a.汽輪機排汽應(yīng)均勻地流入管束各區(qū)段，確保汽流通道設(shè)計合理，在各種運行條件下有較佳的汽流分配、降低汽阻和保證凝結(jié)水有小的過冷度。b.管束各區(qū)段均應(yīng)避免產(chǎn)生渦流現(xiàn)象；管束設(shè)計應(yīng)同殼體及其內(nèi)部構(gòu)件設(shè)計密切配合，防止汽流在殼體空間內(nèi)發(fā)生短路，即避免新蒸汽未凝結(jié)或未充分凝結(jié)便流向空氣冷卻區(qū)。c.管束中應(yīng)保證有適當(dāng)?shù)囊徊糠中抡羝苯恿飨驘峋哪Y(jié)水表面，把凝結(jié)水過冷度降低到最低限度。

2）管束排列的準(zhǔn)則。a.蒸汽向抽氣口運動的路徑應(yīng)短而直；b.蒸汽通向熱井應(yīng)有自由通道，以便回?zé)崮Y(jié)水；c.在開始的幾排管束之間應(yīng)有足夠的通道截面，這里的蒸汽速度一般不超過50 m/s；d.要求有分開的空氣冷卻區(qū)，一般占整個凝汽器面積的7%～10%，在空冷區(qū)里蒸汽空氣混合物的速度應(yīng)設(shè)計得較高，以提高傳熱效率；e.引水板的設(shè)計應(yīng)考慮汽流方向，同時應(yīng)少而精。

凝汽器最常采用的冷卻管排列方式如圖1所示的錯列排列（也稱為三角形排列）。

圖1 三角形布管方式

2 案例分析

以30萬kW等級伊春項目凝汽器為例，其設(shè)計參數(shù)如表1所示。表1中管板尺寸基于哈汽在30萬kW級機組中形成的系列化數(shù)據(jù)。

1）土建要求為：常規(guī)350 MW機組運轉(zhuǎn)層標(biāo)高為+12.6 m，中間層標(biāo)高為+6.3 m。而伊春項目更改為運轉(zhuǎn)層標(biāo)高為+11.6 m，中間層標(biāo)高為+5.6 m。伊春項目運轉(zhuǎn)層標(biāo)高降1 m，并且保證凝汽器最底排冷卻水管在0 m層以上，所以導(dǎo)致凝汽器管板高度方向無法增加尺寸；凝汽器管板的寬度（即增加凝汽器外形寬度）又受土建基礎(chǔ)立柱限制。

2）管束的設(shè)計。目前常規(guī)30萬kW級機組凝汽器布管方式多采用的是汽流向心式外圍帶狀管束的布管方式（見圖2）。就運行情況來說，此管束型式是比較可靠，性能優(yōu)良的。但對于伊春項目來說，由于計算管子根數(shù)較多，應(yīng)用向心式管束的弊端就是管區(qū)比較厚重，導(dǎo)致凝汽器換熱效率不高，氣阻大，不凝氣體多，過冷度大。因此有必要進行優(yōu)化改進。

表1 30萬kW等級伊春項目凝汽器設(shè)計參數(shù)

3 管束優(yōu)化

經(jīng)過長時間的發(fā)展，現(xiàn)在的凝汽器管束的型式可謂種類繁多。從類型上可以分為帶狀管束、外圍帶狀管束、教堂窗管束、島狀管束。在國內(nèi)電站中應(yīng)用較多的是帶狀管束和外圍帶狀管束。如圖2的向心式管束就屬于外圍帶狀管束的一種。

對于伊春項目凝汽器的管束優(yōu)化，決定采用哈汽今年應(yīng)用較多，反饋良好的管束型式進行。

方案1：雙山峰排管，在135 MW機組、300MW機組改造、600 MW機組均有此種布管結(jié)構(gòu)（見圖3、圖4）。

雙山峰型管束換熱效果優(yōu)秀，但布管能力有限。對于伊春項目來說，計算的22 308根冷卻水管在給定的管板尺寸上布置不下。

由于伊春項目運轉(zhuǎn)層標(biāo)高降1 m，并且保證凝汽器最底排冷卻水管在0 m層以上，所以導(dǎo)致凝汽器管板高度方向無法增加尺寸。

要想采用雙山峰布管結(jié)構(gòu)管束有2種方案：1）增加凝汽器管板的寬度。但由于土建狀態(tài)的限制，無法實現(xiàn)。2）如果凝汽器設(shè)計參數(shù)都不改變，只有增加凝汽器冷卻水管設(shè)計水速（約2.6 m/s）可以減少凝汽器管子根數(shù)，增加冷卻水管有效長度，管板尺寸可以布置下。堵管時冷卻水管水速約為2.75 m/s。對于不銹鋼管來說，這樣的水速偏大，此外，還帶來凝汽器水阻大、增加循環(huán)水泵功率、耗電量大等缺點。

綜上所述，不宜采用雙山峰管束布置。

方案 2：“UT”管束（見圖 5）

圖3 雙山峰型管束

圖4 雙山峰型管束

圖5“UT”型管束

本方案選用韓國斗山（DOOSAN）項目、美國西圖（WDES）項目經(jīng)典管束形式基礎(chǔ)上優(yōu)化改進的“UT”型管束。在管板尺寸相同的前提下，“UT”型管束較之其他型式的管束布管能力強，經(jīng)過實際排列，可以布下22 308根管子；并且已經(jīng)實際運行項目的結(jié)果驗證，“UT”管束具有較高的凝縮力，蒸汽分布均勻，汽阻小，傳熱效率高，除氧的效果佳，無空氣聚集。高效的管束排列使蒸汽均勻分布，達到最佳的蒸汽流速，使得排汽阻力小，傳熱效率高，同時蒸汽可以一直排向下部，直接充分地接觸加熱凝結(jié)水，使凝結(jié)水不致過冷，從而達到除氧效果。

該管束已廣泛應(yīng)用于各類型電站，對于凝汽器性能，用戶的反饋良好。因此，傾向于采用此管束。

為了進一步論證管束的合理性，進行了一系列分析（如圖6～圖10）。管束排列首先采用管束參數(shù)化設(shè)計軟件進行初步排列，再利用STAR-CD、CFX流場分析軟件，完成汽側(cè)流場中壓力、空氣濃度、速度等參數(shù)的解析，調(diào)整凝汽器管束的排列，完成管束優(yōu)化工作，使蒸汽均勻分布到管束中，以達到最理想的換熱效果。

對凝汽器不同運行工況、不同材料及規(guī)格下的換熱管跨距進行振動分析計算。并計算校核凝汽器管板支點間冷卻管的振動頻率、凝汽器管束和管板由于蒸汽流動激發(fā)的振動頻率，并保證任何階次自振頻率避開汽輪機轉(zhuǎn)速和其他可能成為主要振源的機械轉(zhuǎn)速的±20%，以便選取最佳管板及中間管板跨距。

因此，在分析報告的支持下，表明伊春項目凝汽器管束布置形式采用“UT”管束是可行的。

圖6 管束內(nèi)蒸汽流動示意圖

圖7 管束流場分析圖

圖8 管束換熱效率分析示意圖

圖9 管束振動分析模式示意圖

圖10 管束振動分析限制曲線

此外，為了滿足管束能在0 m層檢修的要求，相應(yīng)地對凝汽器喉部高度也進行了調(diào)整。

4 結(jié)語

通過以上的分析論證過程，還原了凝汽器管束選型的基本思路和方法。對實例的分析，也側(cè)面說明了電站凝汽器設(shè)計在當(dāng)前日益多樣化的電站土建設(shè)計中遇到的挑戰(zhàn)。當(dāng)買方從經(jīng)濟性上進行更精益求精的設(shè)計時，就要求凝汽器能夠盡可能去匹配這種設(shè)計。作為凝汽器設(shè)計者，在遇到涉及管束型式選擇的時候，需要結(jié)合具體的設(shè)計數(shù)據(jù)，選擇最適合的管束型式。

［1］ 張卓澄.大型電站凝汽器［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1993.

［2］ 中國動力工程學(xué)會.火力發(fā)電設(shè)備技術(shù)手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2002