臧傳奇，石乾宇，蔣 宇

（哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150046）

淺談?wù)羝鋮s器下端差對設(shè)計(jì)的影響及系統(tǒng)優(yōu)化

臧傳奇，石乾宇，蔣 宇

（哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150046）

讓汽輪機(jī)的部分抽汽，先經(jīng)過3號高壓加熱器的外置蒸汽冷卻器后，再進(jìn)入3號高加內(nèi)，利用此類加熱裝置，可提高機(jī)組的換熱效率。蒸汽冷卻器出口蒸汽溫度的設(shè)定，對蒸汽冷卻器及3號高壓加熱器的設(shè)計(jì)方案有很大的影響，選定合理的蒸汽出口溫度，才能使蒸汽冷卻器和高壓加熱器安全經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。

蒸汽；冷卻器；下端差；卡諾循環(huán)；逆流；泄漏；振動；優(yōu)化

0 概 述

高壓給水加熱器（簡稱高加）利用汽輪機(jī)的抽汽加熱鍋爐給水，可提高系統(tǒng)的換熱效率，節(jié)省燃料，并有助于機(jī)組安全運(yùn)行。抽汽在高加殼側(cè)內(nèi)通過，將經(jīng)過過熱蒸汽冷卻段、凝結(jié)段和疏水冷卻段。鍋爐給水則在管側(cè)內(nèi)通過，與蒸汽的流向相反，將經(jīng)過疏水冷卻段、凝結(jié)段和過熱蒸汽冷卻段，達(dá)到預(yù)期的給水溫升后，再被排出高加。目前，機(jī)組的高加系統(tǒng)布置，常采用3級高加回?zé)嵯到y(tǒng)，如圖1所示。

現(xiàn)以某型660 MW機(jī)組為例，該機(jī)組不帶蒸汽冷卻器，機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)，如表1所示。

圖1 3級高加系統(tǒng)的布置圖

表1 某型660 MW機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)

根據(jù)卡諾定理，當(dāng)工質(zhì)在兩個(gè)恒溫?zé)嵩矗═1和T2）之間循環(huán)，不管采用什么工質(zhì)，如果是不可逆的，其熱效率恒小于1-T2/T1[1]。也就是說溫差越大，換熱過程中產(chǎn)生的不可逆損失也就越大。從表1可知，3號高加的給水溫度低于1號和2號高加的給水溫度，但是抽汽溫度卻比1號和2號高加的溫度，要高出很多，顯然3號高加的抽汽溫度沒有被充分利用。用3號高加的抽汽先加熱1號高加出口的給水，然后再進(jìn)入3號高加，這樣，蒸汽冷卻器（簡稱蒸冷器）也就應(yīng)運(yùn)而生。系統(tǒng)布置了蒸冷器后，可更好地應(yīng)用卡諾循環(huán)，提高機(jī)組的換熱效率。蒸冷器與高加的系統(tǒng)布置，如圖2所示。蒸冷器的設(shè)置，涉及到與各高加（尤其是3號高加）的匹配變化?，F(xiàn)探討一些常見的布置方法，以尋找更好的設(shè)計(jì)方案。

圖2 蒸冷器與高加的系統(tǒng)布置

1 蒸冷器的設(shè)計(jì)優(yōu)化

目前，設(shè)計(jì)蒸冷器時(shí)，常按給水分流量進(jìn)行設(shè)計(jì)。一部分鍋爐給水流經(jīng)蒸冷器后被加熱，另一部分從旁路經(jīng)過，兩部分給水混合后，達(dá)到預(yù)計(jì)的給水溫升，再進(jìn)入鍋爐。按分流量設(shè)計(jì)的蒸冷器，可有效減少換熱管的數(shù)量，降低蒸冷器的重量，為電廠建設(shè)節(jié)約成本。分流量越小，蒸冷越小。但是，為了達(dá)到預(yù)期的溫升，分流量越小，流經(jīng)蒸冷器的給水溫升就得越高?，F(xiàn)常用的殼側(cè)蒸汽流動模式，如圖3所示。

圖3 殼側(cè)蒸汽流動模式

這種殼側(cè)蒸汽順逆混合流動的管束，對包殼和隔板的設(shè)計(jì)較簡單。但是流經(jīng)蒸冷的給水溫升不能過高，在理論上，不能使給水出口溫度高于蒸汽出口溫度，也就是說分流量的多少與蒸冷器的下端差（這里指蒸冷器的蒸汽出口溫度與給水入口溫度的差）有密切關(guān)系。按圖3所示布置的蒸冷器，若加熱蒸汽出口溫度低于給水出口溫度，那么，加熱蒸汽在折流過程中，就可能出現(xiàn)較低溫度的蒸汽與較高溫度的給水相遇的情形。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱量不能由低溫物體傳送到高溫物體，而是自發(fā)的從高溫物體傳遞給低溫物體。因此，此處就將出現(xiàn)逆向傳熱，也就是說給水向蒸汽傳熱，所以，蒸冷器的運(yùn)行必須杜絕出現(xiàn)這種現(xiàn)象。設(shè)計(jì)時(shí)，控制蒸汽出口溫度高于給水出口溫度，以此作為控制分流量的下限。

下端差越高，蒸冷器的分流量越少。但過高的下端差，意味著出口蒸汽需有更高的過熱度，如果高品質(zhì)的蒸汽，沒有被用以加熱溫度更高的蒸冷器給水，而是加熱溫度較低的3號高加的給水，將會造成更多不可逆的熱損失。

比對各項(xiàng)工程中的汽機(jī)熱平衡圖，在目前的設(shè)計(jì)方案中，對蒸冷器下端差的設(shè)定，有著很大的差別，通常設(shè)定為10～15℃，也有設(shè)定40℃左右的較高端差。隨著我國節(jié)能減排指標(biāo)的提高，機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)越來越高，蒸冷器下端差的設(shè)定值越來越低，有時(shí)甚至設(shè)定為5℃。這樣就對蒸冷器的設(shè)計(jì)方案提出了更高要求。根據(jù)蒸冷器為5℃的下端差，若仍然采用圖3所示的順逆混合布置，欲保證蒸汽出口溫度高于給水的出口溫度，那么蒸冷器就要采用全流量設(shè)計(jì)，這是不可取的，而且，采用順逆混合方式，將使蒸冷器的換熱面積增大。

換熱器的換熱量計(jì)算公式[2]：

式（2）中：F—對數(shù)溫差校正系數(shù)。

順逆混合的換熱面積A的計(jì)算：

由于對數(shù)溫差校正系數(shù)F為小于1的正數(shù)，所以，如采用圖3所示的布置，將使換熱面積更大，造成浪費(fèi)。因此，蒸冷器最好選擇順流或者逆流。

蒸汽在換熱過程中不斷被降溫，給水就在換熱管內(nèi)升溫。采用較高溫度的蒸汽，在給水出口處加熱較高溫度的給水，用較低溫度的蒸汽，加熱給水入口處較低溫度的給水，即為蒸冷器的全逆流的布置。這是在蒸冷器的內(nèi)部設(shè)計(jì)中再一次利用了卡諾循環(huán)，降低了換熱過程中不可逆的熱損失。蒸冷器的全逆流布置，如圖4所示。

圖4 蒸冷器的全逆流布置

這種純逆流結(jié)構(gòu)在計(jì)算換熱面積時(shí)，可避免引入對數(shù)溫差矯正系數(shù)F，降低了換熱面積。逆流布置的蒸冷器的換熱面積A，按公式（3）進(jìn)行計(jì)算：

這種方式布置設(shè)計(jì)的蒸冷器，不僅換熱面積小，還因?yàn)檎羝羌兡媪?，不必?fù)?dān)心給水出口溫度高于蒸汽出口溫度，從而獲得更小的蒸冷分流量，同時(shí)，也能降低設(shè)備的重量。

2 高加的設(shè)計(jì)優(yōu)化

系統(tǒng)增設(shè)了蒸冷器后，提高了高加系統(tǒng)（尤其是3號高加）運(yùn)行的安全性。通常情況下，高加管板與換熱管的連接，采用焊接加脹接的連接方式。對于管端焊縫，需進(jìn)行100%無損檢測和氦檢漏。盡管如此，運(yùn)行中的高加，在換熱管與管板的連接焊縫處，還是很容易出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，3號高加的換熱管比1號、2號高加更容易發(fā)生泄漏。泄漏位置常位于高加給水出口處的換熱管與管板的連接焊縫，此處與高加的過熱段較近。引起高加泄漏的原因很多，比如3號高加抽汽溫度與給水溫度相差較大，換熱管兩側(cè)的壓差大，高加過熱段靠近管板，3號高加過熱段內(nèi)的蒸汽流速過快，蒸汽在過熱段內(nèi)沖刷換熱管，引發(fā)振動。因此，在設(shè)計(jì)高加時(shí)，計(jì)算和校核蒸汽在過熱段內(nèi)的流速，選擇合適的蒸汽與換熱管的對流傳熱系數(shù)[3]。

傳熱系數(shù)按式（4）計(jì)算：

式（4）中：（Rex）—以x為特征長度的雷諾數(shù)，

由式（4）可知，蒸汽的流速越快，對流傳熱系數(shù)就越大，所需的換熱面積越小。但是，過高的蒸汽流速，可能引發(fā)換熱管的振動。在管殼式換熱器內(nèi)，當(dāng)流體橫向流過管束時(shí)，流體誘發(fā)振動的主要成因有[2]：

（1）卡門漩渦激振（有聲振動或無聲振動）。

（2）湍流抖振（有聲振動或無聲振動）。

（3）流體彈性不穩(wěn)定。

誘發(fā)振動的機(jī)理多樣而復(fù)雜，但都與蒸汽流速有直接關(guān)系。以誘發(fā)振動的卡門漩渦激振為例，當(dāng)流體橫向流經(jīng)管子時(shí)，在管子背面的尾流處，將產(chǎn)生卡門漩渦。當(dāng)漩渦從換熱器管子的兩側(cè)周期性交替脫離時(shí)，便在管子上產(chǎn)生周期性的升力和阻力。這種流線譜的變化，引起了壓力分布的變化，使作用在換熱器管子上的流體壓力的大小和方向發(fā)生變化，最后引起管子的振動[5]。設(shè)計(jì)高加時(shí)，在確保換熱管不產(chǎn)生振動的同時(shí)，盡量選擇較大的蒸汽流速。由漩渦脫落引起的振幅，在一定范圍內(nèi)是可以接受的，但不得超過規(guī)定的限值范圍，應(yīng)控制振幅Y≤0.02D[5]，其中D為換熱管的外徑。

振幅Y的計(jì)算公式為：

式（5）中：V—蒸汽橫掠管子的流速，m/s。

計(jì)算蒸汽橫掠管子的流速公式為：

式（6）中：V—蒸汽流速，m/s；

Q—體積流量，m3/s；

G—蒸汽流量，kg/s；

v—蒸汽比容，m3/kg；

A—流道面積（與管束的布置形式有關(guān)），m2。

從式（6）可知，蒸汽橫掠管子的流速與體積流量成正比。以表1所示的工程為例，3號高加的蒸汽體積流量Q，分別是1號、2號高加的4.6和2.2倍，在同等的流道面積下，其蒸汽流速更快，而振幅與蒸汽流速的平方成正比，所以，3號高加的振幅比1號、2號高加的振幅更大，更接近允許振幅的上限。

設(shè)計(jì)高加時(shí)，通過對管束的合理布置，將換熱管的振幅控制在標(biāo)準(zhǔn)要求的限徝內(nèi)。因此，很少出現(xiàn)高加換熱管在過熱段內(nèi)因振動而被破壞的情況。被破壞的換熱管，常出現(xiàn)在靠近過熱段一側(cè)管子管板的焊縫連接處，此焊接處往往是結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域，因連接處的結(jié)構(gòu)發(fā)生了突變，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。同時(shí)，3號高加換熱管內(nèi)外壁的壓差，比1號、2號高加的壓差大，焊接處的拉應(yīng)力也大于1號、2號高加。換熱管承受的振動能量，將以機(jī)械波的形式，通過換熱管傳遞至管子管板的連接焊縫。高加長期運(yùn)行后，管子管板的連接焊縫會出現(xiàn)疲勞損傷，從而導(dǎo)致?lián)Q熱管的泄漏。

3號高加過熱段內(nèi)的蒸汽流速過快，將造成換熱管被破壞，太慢，又將影響高加的換熱效率。增設(shè)蒸冷器后，減少了3號高加管端處的泄漏。在設(shè)計(jì)3號高加時(shí)，不再設(shè)置過熱段，通過降低蒸冷器的下端差，使進(jìn)入3號高加蒸汽的過熱度降低。蒸汽進(jìn)入3號高加后，可直接進(jìn)入凝結(jié)段。在凝結(jié)換熱過程中，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與蒸汽流速無關(guān)，不需要增加流速以提高傳熱系數(shù)，因流速不高，故不存在蒸汽因折流而導(dǎo)致管束振動。當(dāng)蒸汽充滿殼側(cè)后，將以較慢的流速，從換熱管束的外圍向管束的中心流動并凝結(jié)。整個(gè)凝結(jié)過程中，高加無振動，所以，高加的運(yùn)行將更安全。

3 結(jié) 語

設(shè)定了合理的蒸冷器下端差，優(yōu)化了蒸冷器設(shè)計(jì)，并改進(jìn)了3號高加的殼程布置形式。蒸冷器的純逆流布置結(jié)構(gòu)，可滿足下端差較小的運(yùn)行工況，利用更高溫度的蒸汽，加熱較高溫度的蒸冷器給水，可提高機(jī)組的熱效率。同時(shí)，因蒸汽的過熱度被降低，所以，在設(shè)計(jì)3號高加時(shí)，可取消殼程中的過熱段，使高加的運(yùn)行更安全。

[1]嚴(yán)家碌.工程熱力學(xué)[M].北京：高等教育出版社.2006.

[2]GB/T151-2014，熱交換器[S].

[3]鄧元望，袁茂強(qiáng)，劉長青.傳熱學(xué)[Z].北京：中國水利水電出版社.2010.

[4]錢頌文.換熱器流體誘導(dǎo)振動基礎(chǔ)[M].武漢：華中工學(xué)院出版社.1988.

[5]錢頌文.換熱器設(shè)計(jì)手冊[M].北京：北京化工出版社.1988.

A Brief Analysis for the Steam Cooler's DCA Influence on Design and System Optimization

ZANG Chuan-qi，SHI Qian-yu，JIANG Yu
（Harbin boiler Co.Ltd.，Harbin 150046，Heilongjiang，China）

Part steam of the turbine shall be flew into high pressure heater No.3（HP-3）after through the external steam cooler of high pressure heater No.3（HP-3），which can increase the efficiency of heat transfer.The temperature of Steam flows out of the steam cooler has a great effect on the design of steam cooler and HP-3，so a reasonable temperature and well design of steam cooler and HP can make the HP system safe and economic.

steam；cooler；DCA；Carnot Cycle；Countercurrent；Leakage；Vibration；optimization

TK264 69

A

1672-0210（2016）02-0001-03

2016-02-04

臧傳奇（1988-），男，畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)，從事電站輔機(jī)設(shè)備的設(shè)計(jì)工作。