程東濤，鄒 洋，馬汀山，居文平

(西安西熱節(jié)能技術(shù)有限公司，西安 710054)

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電站凝汽器改造后性能評價方法研究

程東濤，鄒 洋，馬汀山，居文平

(西安西熱節(jié)能技術(shù)有限公司，西安 710054)

為彌補傳統(tǒng)凝汽器性能評價方法的不足，采用考慮水阻變化的凝汽器性能評價方法，以某電站凝汽器改造方案決策為例，對比分析各改造方案對應(yīng)的凝汽器改造前后水阻變化量，分析計算凝汽器水阻變化對冷卻水體積流量和循環(huán)水泵耗功的影響，進而計算其對凝汽器整體性能的影響，最終評價出最優(yōu)改造方案.結(jié)果表明：考慮水阻變化的凝汽器性能評價方法更合理、更具有實際意義，為凝汽器改造方案決策工作和凝汽器改造后性能評價工作提供了更科學(xué)的評價依據(jù).

凝汽器； 改造； 水阻； 性能評價

傳統(tǒng)凝汽器性能評價方法[1-2]是嚴格按照凝汽器性能試驗規(guī)程[3]，把凝汽器性能試驗結(jié)果修正到設(shè)計熱負荷、設(shè)計冷卻水進口溫度和設(shè)計冷卻水質(zhì)量流量條件下核算凝汽器壓力是否達到設(shè)計保證值.該方法較適合于新設(shè)備考核試驗，對于改造設(shè)備來說，由于改造后凝汽器水阻可能會發(fā)生明顯變化，按照傳統(tǒng)凝汽器性能評價方法容易忽略凝汽器水阻變化對冷卻水質(zhì)量流量的影響和對凝汽器總體性能[4-5]的影響.凝汽器改造前，在評價多種可選改造方案時，是否考慮凝汽器水阻變化會直接影響最優(yōu)方案的評定結(jié)果.

1 傳統(tǒng)凝汽器性能評價方法

凝汽器性能評價指標[6]主要包括在設(shè)計邊界條件(凝汽器設(shè)計熱負荷、設(shè)計冷卻水進口溫度和設(shè)計冷卻水質(zhì)量流量)下的凝汽器壓力、凝汽器傳熱端差、凝汽器水阻、凝汽器汽阻和凝結(jié)水過冷度.其中設(shè)計邊界條件下的凝汽器壓力和凝汽器傳熱端差是凝汽器傳熱性能的直接體現(xiàn)，也是最受關(guān)注的凝汽器性能指標.

1.1 凝汽器性能計算方法

1.1.1 對數(shù)平均溫差

(1)

式中：TD為對數(shù)平均溫差，K；ts為凝汽器壓力下的飽和蒸汽溫度，℃；t1為冷卻水進口溫度，℃；t2為冷卻水出口溫度，℃；Δt為冷卻水溫升，K；δt為凝汽器傳熱端差，K.

1.1.2 凝汽器熱負荷

(2)

式中：Q為凝汽器熱負荷，W；cp為冷卻水平均溫度下的比定壓熱容，J/(kg·K)；qV為冷卻水體積流量，m3/h；ρ為冷卻水密度，kg/m3.

1.1.3 凝汽器總體傳熱系數(shù)KT

(3)

式中：KT為總體傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；A為凝汽器冷卻面積，m2.

1.1.4 美國傳熱學(xué)會(HEI)標準中總體傳熱系數(shù)KT的計算公式

KT=K0βtβmβC

(4)

(5)

式中：K0為基本傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；βt為冷卻水進口溫度修正系數(shù)；βm為冷卻管管材和壁厚修正系數(shù)；βC為凝汽器清潔系數(shù)；c1為冷卻管外徑系數(shù)；v為冷卻管管內(nèi)冷卻水平均流速，m/s.

1.2 凝汽器性能修正計算方法

試驗工況下凝汽器熱負荷、冷卻水進口溫度、冷卻水體積流量等參數(shù)與其設(shè)計值可能會有偏差，評價凝汽器性能時需修正到設(shè)計參數(shù)條件下.

1.2.1 總體傳熱系數(shù)修正計算

根據(jù)美國傳熱學(xué)會(HEI)標準，考慮冷卻水體積流量和冷卻水進口溫度與設(shè)計值的偏差后，總體傳熱系數(shù)(KT)的修正計算公式為

KD=KT×Fv×Ft

(6)

(7)

(8)

式中：KD為修正后的總體傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Fv為流量修正系數(shù)；vD為設(shè)計冷卻水平均流速，m/s；vT為試驗冷卻水平均流速，m/s；βt,D為設(shè)計冷卻水進口溫度修正系數(shù)；βt,T為試驗冷卻水進口溫度修正系數(shù)；Ft為水溫修正系數(shù).

1.2.2 凝汽器壓力的修正

式中：tsc為凝汽器壓力對應(yīng)的飽和溫度修正值，℃；t1D為設(shè)計冷卻水進口溫度，℃；Δtc為修正至設(shè)計冷卻水進口溫度和體積流量時的冷卻水溫升，K；δtc為修正至設(shè)計冷卻水進口溫度和體積流量時的凝汽器傳熱端差，K；qV，D為設(shè)計冷卻水體積流量，kg/s；cp，c為修正至設(shè)計參數(shù)條件下的冷卻水比定壓熱容，J/(kg·K)；x為修正總體傳熱系數(shù)后的對數(shù)平均溫差系數(shù).

計算得到tsc后，即可從水蒸氣熱力性質(zhì)表中直接查得凝汽器修正壓力.

2 凝汽器性能評價存在的問題

近年來，越來越多的機組進行或計劃進行凝汽器改造，主要是把銅管凝汽器改造為不銹鋼管[7]凝汽器，改造前后凝汽器設(shè)計熱負荷、冷卻水進口溫度和冷卻水體積流量等邊界條件往往保持不變.在進行凝汽器性能評價時，一般重點關(guān)注凝汽器的傳熱性能參數(shù)，往往忽略凝汽器水阻偏差或水阻變化對凝汽器總體性能的影響.

對于實際改造工程來說，改造后凝汽器冷卻管數(shù)量、長度和管徑等參數(shù)都可能發(fā)生變化，會導(dǎo)致凝汽器水阻發(fā)生變化，進而影響凝汽器冷卻水體積流量的變化，但在進行改造后凝汽器性能考核試驗或改造前后凝汽器性能對比時，均把凝汽器性能修正至同樣邊界條件(設(shè)計熱負荷、冷卻水進口溫度、冷卻水體積流量)下，往往忽略了改造后凝汽器水阻變化對凝汽器總體性能的影響.盡管改造后凝汽器性能指標中也有凝汽器水阻這一項，但一般以小于某一限值為考核方法，不考慮水阻變化導(dǎo)致冷卻水體積流量變化進而對凝汽器總體性能的影響，有時甚至不直接對凝汽器水阻進行考核，這樣容易造成在評價凝汽器改造效果時存在偏差.

在評價凝汽器改造方案時，如果忽略凝汽器水阻變化的影響，會直接影響最優(yōu)方案的選擇，進而影響改造工程的總體質(zhì)量.

3 考慮水阻變化的凝汽器性能評價方法

在評價凝汽器改造方案或評價改造后凝汽器性能時，均應(yīng)考慮凝汽器水阻變化對凝汽器總體性能的影響.凝汽器水阻變化會直接影響凝汽器冷卻水體積流量和循環(huán)水泵耗功變化，循環(huán)水泵耗功變化相對較小且較直觀，凝汽器冷卻水體積流量的變化可通過修正邊界條件(即修正至設(shè)計冷卻水體積流量下)體現(xiàn)其對凝汽器總體性能的影響.在凝汽器設(shè)計熱負荷、冷卻水進口溫度不變的基礎(chǔ)上，如果改造后凝汽器水阻增大，凝汽器冷卻水體積流量會相對減小，則改造后凝汽器設(shè)計冷卻水體積流量應(yīng)減去水阻增大導(dǎo)致的冷卻水體積流量減小量；如果改造后凝汽器水阻減小，凝汽器冷卻水體積流量會相對增大，則改造后凝汽器設(shè)計冷卻水體積流量應(yīng)加上水阻減小導(dǎo)致的冷卻水體積流量增加量.

凝汽器水阻主要由凝汽器冷卻管沿程阻力、冷卻管端部阻力、水室進口阻力和水室出口阻力組成.凝汽器水阻大小與凝汽器冷卻管長度、冷卻水流速和冷卻管內(nèi)徑直接相關(guān)，美國傳熱學(xué)會(HEI)標準中有較詳細的計算方法.

凝汽器改造前評價凝汽器改造方案時，可參考以下修正計算公式計算不同改造方案對應(yīng)的凝汽器水阻.

(11)

式中：ΔPT、ΔPD分別為改造前、后凝汽器水阻，kPa；LT、LD分別為改造前、后凝汽器冷卻管實際長度，m；vT、vD分別為改造前、后凝汽器冷卻管內(nèi)冷卻水平均流速，m/s；dT、dD分別為改造前、后凝汽器冷卻管內(nèi)徑，mm.

式(11)中vD的大小應(yīng)考慮冷卻水體積流量和水阻變化的相互影響，實際計算中可通過迭代計算的方法得出.

以上關(guān)于凝汽器水阻的修正計算公式是一種簡化分析方法，凝汽器改造前分析改造方案時可參考使用，在凝汽器實施改造后評價凝汽器性能時，應(yīng)根據(jù)實測凝汽器水阻與改造前凝汽器水阻的偏差直接計算凝汽器水阻變化對凝汽器整體性能的影響.

凝汽器水阻變化對凝汽器冷卻水體積流量的影響可根據(jù)循環(huán)水泵性能曲線得出，循環(huán)水泵性能曲線可根據(jù)循環(huán)水泵性能試驗結(jié)果繪制或參考循環(huán)水泵設(shè)計性能曲線.

4 實例分析

4.1 原凝汽器設(shè)計技術(shù)規(guī)范

某300 MW汽輪機凝汽器為N-17990型單背壓、單殼體、雙流程、表面式凝汽器.凝汽器設(shè)計技術(shù)規(guī)范見表1.

表1 凝汽器設(shè)計技術(shù)規(guī)范Tab.1 Design parameters of the condenser

4.2 凝汽器改造方案

該機組已投運約20年，凝汽器冷卻管存在臟污和泄漏問題，凝汽器傳熱性能較設(shè)計值偏差較多，擬對凝汽器進行整體改造，將凝汽器冷卻管由銅管更換為不銹鋼管，并對布管方式進行優(yōu)化設(shè)計，改造后凝汽器總體性能要達到改造前凝汽器設(shè)計性能.

針對改造要求，不同凝汽器改造廠家制定了3種可選改造方案，其具體規(guī)范見表2.

4.3 凝汽器改造方案評價

以各改造方案給出的凝汽器設(shè)備規(guī)范和邊界條件為基礎(chǔ)，按照傳統(tǒng)凝汽器性能評價方法核算凝汽器傳熱性能,結(jié)果見表3.

由表3可以看出，按照傳統(tǒng)凝汽器性能評價方法，將凝汽器傳熱性能(即凝汽器壓力)均修正到統(tǒng)一邊界條件(即設(shè)計熱負荷、設(shè)計冷卻水進口溫度和設(shè)計冷卻水體積流量)下，邊界條件一般與改造前保持一致，核算出改造方案一和改造方案三對應(yīng)的凝汽器壓力基本一致，改造方案二的凝汽器壓力相對較高.

然而傳統(tǒng)凝汽器性能評價方法忽略了改造后凝汽器水阻變化對冷卻水體積流量的影響.對于已進行過改造的凝汽器，改造后凝汽器水阻的變化可根據(jù)改造前、后凝汽器水阻實測值計算得出；對于尚未進行改造的凝汽器，可根據(jù)改造前、后凝汽器冷卻管通流面積、冷卻管長度和冷卻管內(nèi)徑等參數(shù)核算凝汽器水阻的變化量.凝汽器水阻變化時冷卻水體積流量的變化量可根據(jù)循環(huán)水泵性能曲線查得.

表2 改造方案對應(yīng)的設(shè)備規(guī)范Tab.2 Technical parameters adopted in various retrofit schemes

該機組配備2臺72LKXA-26B型立式斜流循環(huán)水泵，根據(jù)循環(huán)水泵已有性能試驗結(jié)果[8]，循環(huán)水泵體積流量-揚程曲線見圖1.

考慮改造后凝汽器水阻變化對冷卻水體積流量的影響，重新核算凝汽器整體性能，結(jié)果見表4. 由表4可以看出，相比改造前凝汽器水阻設(shè)計值，改造后3種方案對應(yīng)的凝汽器水阻分別增加14.7 kPa、3.4 kPa和10.5 kPa，影響凝汽器冷卻水體積流量

表3 凝汽器傳熱性能核算結(jié)果Tab.3 Calculation results of heat transfer performance of the condenser

圖1 循環(huán)水泵體積流量-揚程曲線Fig.1 Flow-head curve of the circulating water pump

由設(shè)計值(33 800 m3/h)分別變?yōu)?1 052 m3/h、33 178 m3/h和31 847 m3/h.考慮凝汽器冷卻水體積流量變化后，在新的邊界條件下3種方案對應(yīng)的凝汽器壓力分別為5.075 kPa、4.959 kPa和4.999 kPa，方案二相對優(yōu)于方案一和方案三.

在凝汽器改造前評價改造方案優(yōu)劣時，凝汽器水阻變化對凝汽器整體傳熱性能的影響會直接影響評價結(jié)果.同樣，對改造后凝汽器進行性能試驗時，是否考慮凝汽器水阻變化對凝汽器整體傳熱性能的影響也將影響性能試驗結(jié)果.凝汽器水阻變化直接影響的是凝汽器冷卻水體積流量，其影響關(guān)系還與循環(huán)水泵體積流量-揚程曲線有關(guān)，對于循環(huán)水泵體積流量-揚程曲線較平緩的設(shè)備來說，較小的水阻變化會引起相對大的冷卻水體積流量變化，在進行凝汽器性能評價時更應(yīng)該重視凝汽器水阻變化的影響.

表4 考慮凝汽器水阻影響的凝汽器整體性能核算結(jié)果Tab.4 Calculation results of overall condenser performance considering water resistance

5 結(jié) 論

(1)凝汽器改造前后水阻變化直接影響凝汽器冷卻水體積流量和循環(huán)水泵耗功變化，進而影響凝汽器整體性能.

(2)利用考慮水阻變化的凝汽器性能評價方法可分析凝汽器水阻變化對凝汽器整體性能的影響，得出的凝汽器性能評價結(jié)果更合理、更客觀.

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Performance Evaluation of Power Plant Condensers After Retrofit

CHENGDongtao,ZOUYang,MATingshan,JUWenping

(Xi'an TPRI Energy Conservation Technology Co., Ltd., Xi'an 710054, China)

To overcome the deficiency of traditional performance evaluation method for power plant condensers, a new method was proposed considering the water resistance. Based on the retrofit schemes for a certain power plant condenser, comparative analysis was conducted on the variation of water resistance before and after retrofit among various schemes, while the effects of water resistance variation were studied on the cooling water flow, circulating pump's power consumption, and then on the overall performance of the condenser, so as to find out the optimum retrofit scheme. Results show that the performance evaluation method for condensers considering water resistance is more reasonable and practicable, which therefore may serve as a reference for the decision of optimal retrofit scheme and for the follow up performance evaluation of condensers.

condenser; retrofit; water resistance; performance evaluation

2015-12-15

2016-01-17

中國華能集團公司科學(xué)技術(shù)資助項目(HNKJ12-H02，HNKJ15-H09)

程東濤(1985-)，男，河南許昌人，工程師，碩士研究生，主要從事汽輪機熱力系統(tǒng)、冷端系統(tǒng)及其他輔機的性能診斷、優(yōu)化、節(jié)能以及火電廠水平衡試驗和節(jié)水方面的研究.電話(Tel．)：13572122695；E-mail：chengdongtao@tpri.com.cn．

1674-7607(2016)11-0889-05

TK264.1

A 學(xué)科分類號：470.30