高秀志胡勇鄭湘泉

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽，618000）

0 前言

為提高火力發(fā)電熱力系統(tǒng)的循環(huán)效率[1]，采取的技術(shù)手段主要有：提升主蒸汽參數(shù)、二次再熱和增加給水加熱器的級(jí)數(shù)等。最近，某二次再熱機(jī)組要求抽汽壓力較高的幾級(jí)低壓加熱器設(shè)置過熱蒸汽冷卻段（見圖1）,用于提高熱力系統(tǒng)的循環(huán)效率。常規(guī)低壓加熱器只設(shè)凝結(jié)段和疏冷段，通常給水上端差取2.8℃，疏水端差取5.6℃；如果給水上端差小于了1.1℃，就要求設(shè)置過熱蒸汽冷卻段[2]；該工程有幾級(jí)低壓加熱器的給水上端差已經(jīng)小于1.1℃，故需要設(shè)置過熱蒸汽冷卻段（后文中簡稱過熱段），但對(duì)于多高抽汽壓力的低壓加熱器才能設(shè)置過熱段、給水上端差（TD）到底定多少合適、要不要考慮過熱段的蒸汽壓損、凝結(jié)段換熱面積如何計(jì)算等，沒有理論數(shù)據(jù)支撐。由于低壓加熱器的抽汽壓力較低，過熱段又存在不可忽略的壓力損失，這將導(dǎo)致凝結(jié)飽和溫度顯著降低，傳熱曲線上的窄點(diǎn)溫差變小，凝結(jié)段所需換熱面積增加，尤其是當(dāng)過熱段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，蒸汽流動(dòng)速度偏高，導(dǎo)致過熱段壓損過大時(shí)，凝結(jié)段所需換熱面積將增加數(shù)倍，或者根本保證不了要求的給水出口溫度。

圖1 某工程熱平衡圖（僅示部分給水加熱器）

1 三段式給水加熱器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及傳熱T-Q曲線

三段式給水加熱器是指同時(shí)具有過熱段、凝結(jié)段和疏冷段的給水加熱器，過熱段是一臺(tái)無相變的汽/水換熱器，利用抽汽的顯熱來加熱給水；凝結(jié)段是一臺(tái)有相變的凝結(jié)/水換熱器，利用蒸汽凝結(jié)潛熱來加熱給水；疏冷段是一臺(tái)無相變的水/水換熱器，利用飽和疏水的顯熱來加熱給水。三段式給水加熱器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，加熱蒸汽首先流經(jīng)過熱段進(jìn)行對(duì)流換熱，再經(jīng)凝結(jié)段進(jìn)行凝結(jié)換熱，凝結(jié)下來的飽和疏水最后通過疏冷段進(jìn)行對(duì)流換熱，變成過冷疏水；給水先流經(jīng)疏冷段吸熱，再流經(jīng)凝結(jié)段吸熱，最后流經(jīng)過熱段吸熱；蒸汽與給水形成逆流式換熱，最大限度利用傳熱溫差。

圖2 三段式給水加熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

加熱器的傳熱T-Q曲線是指管/殼程工藝介質(zhì)溫度與熱負(fù)荷關(guān)系曲線，三段式給水加熱器的TQ曲線如圖3所示，T1*代表殼程介質(zhì)的溫度，T2*代表管程介質(zhì)的溫度，*用數(shù)字表示，代表介質(zhì)從進(jìn)口到出口的序號(hào)；Q1代表過熱段熱負(fù)荷，Q2代表凝結(jié)段熱負(fù)荷，Q3代表疏冷段熱負(fù)荷。傳熱過程的窄點(diǎn)溫差ΔTmin（最小溫差）出現(xiàn)在過熱段與凝結(jié)段的交界點(diǎn)上，ΔTmin=T12-T23，ΔTmin不同于HEI標(biāo)準(zhǔn)上所定義的給水上端差TD（TD=Ts-T24，Ts為加熱器入口蒸汽壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度，不是凝結(jié)段的飽和溫度，沒有考慮過熱段蒸汽壓損），根據(jù)熱力學(xué)第二定理，在不付出代價(jià)的情況下，熱量只能從高溫物體傳遞給低溫物體，故ΔTmin必須大于零，而具有過熱段的給水加熱器，TD可以等于或小于零，故對(duì)于傳熱和投資成本來說，窄點(diǎn)溫差ΔTmin才具有重要意義，ΔTmin小于或等于零，違背熱力學(xué)第二定理，功能無法實(shí)現(xiàn)；ΔTmin正趨近于零，凝結(jié)段所需換熱面積趨向于無窮大，投資成本無窮大；ΔTmin大于一定值（正值），產(chǎn)品設(shè)計(jì)才具有工程應(yīng)用意義。

圖3 三段式給水加熱器的T-Q曲線

2 不同抽汽壓力下過熱段蒸汽壓損對(duì)窄點(diǎn)溫差的影響

由于總體熱力設(shè)計(jì)方案給出的熱平衡圖沒有考慮過熱段的蒸汽壓損，僅規(guī)定給水加熱器的上端差，這對(duì)于低壓加熱器能否設(shè)置過熱段缺少前提條件，因?yàn)殡S著過熱段蒸汽壓損的增加，凝結(jié)段的飽和溫度下降，T-Q曲線上的水平線T12-T13向下平移，窄點(diǎn)溫差減小，凝結(jié)段換熱面積增加；當(dāng)窄點(diǎn)溫差很小時(shí)，凝結(jié)段所需換熱面積增加很快；當(dāng)凝結(jié)段換熱面積實(shí)際給定時(shí)，表現(xiàn)為給水溫度曲線下移，給水出口溫度降低，達(dá)不到熱平衡圖所要求的出口溫度。

由于各級(jí)給水加熱器的抽汽壓力不同，相同過熱段蒸汽壓損占抽汽壓力的比例不同，根據(jù)HEI《閉式給水加熱器的技術(shù)規(guī)范》，過熱段的蒸汽壓損不能超過35 kPa，本文仍以圖1的工程為例，分析不同的過熱段壓損對(duì)4號(hào)高加和6號(hào)低加的凝結(jié)段飽和溫度、窄點(diǎn)溫差、凝結(jié)段對(duì)數(shù)溫差和凝結(jié)段所需換熱面積的影響，分析時(shí)假定過熱段蒸汽出口的過熱度為零，給水的流量、進(jìn)口溫度和出口溫度不變，疏水的出口溫度不變。過熱段蒸汽壓損對(duì)4號(hào)高加和6號(hào)低加傳熱窄點(diǎn)溫差的影響分別見表1～2。

表1 過熱段蒸汽壓損對(duì)窄點(diǎn)溫差的影響（4號(hào)高加）

由表1和表2的數(shù)據(jù)可以得出：（1）在標(biāo)準(zhǔn)允許壓損范圍內(nèi)，4號(hào)高加的飽和溫度下降了0.8℃，窄點(diǎn)溫度下降了0.77℃，凝結(jié)段所需換熱面積增加了8%，窄點(diǎn)溫差均高于2.5℃；（2）在標(biāo)準(zhǔn)允許壓損范圍內(nèi)，6號(hào)低加的飽和溫度下降了2.41℃，窄點(diǎn)溫度下降了2.4℃，凝結(jié)段所需換熱面積增加了141%，有些點(diǎn)的窄點(diǎn)溫差已低于了標(biāo)準(zhǔn)要求的最低值；（3）如窄點(diǎn)溫差要求大于2.5℃時(shí)，6號(hào)低加只允許1 kPa的過熱段蒸汽壓損。

表2 過熱段蒸汽壓損對(duì)窄點(diǎn)溫差的影響（6號(hào)低加，T D=-1℃）

3 不同給水上端差對(duì)窄點(diǎn)溫差的影響

假定抽汽壓力不變，增加給水加熱器的上端差TD值，就相當(dāng)于將圖3所示的給水溫升曲線向下平移，從而增加傳熱窄點(diǎn)溫差。如將圖1所示工程的6號(hào)低加的TD值調(diào)整為0，給水出口溫度設(shè)定為157.3℃，重新計(jì)算過熱段蒸汽壓損和給水端差TD對(duì)窄點(diǎn)溫差的影響，見表3。

表3 過熱段蒸汽壓損和給水端差T D對(duì)窄點(diǎn)溫差的影響（6號(hào)低加，T D=0℃）

6號(hào)低加的給水上端差從-1℃調(diào)整到0℃后，對(duì)比表2和表3的數(shù)據(jù)可以得出：（1）窄點(diǎn)溫差增加了0.8℃，相當(dāng)于圖3所示的給水溫升曲線向下平移了0.8℃；（2）在標(biāo)準(zhǔn)允許壓損范圍內(nèi)，凝結(jié)段所需換熱面積增幅較表2減小了72%；（3）如窄點(diǎn)溫差要求大于2.5℃時(shí)，6號(hào)低加允許12 kPa的過熱段蒸汽壓損，遠(yuǎn)高于表2允許的1 kPa壓損值。

4 過熱段蒸汽壓損計(jì)算

前面分析了過熱段蒸汽壓損對(duì)窄點(diǎn)溫差的影響，但具體到給水加熱器過熱段的傳熱計(jì)算與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，核心內(nèi)容還是需要計(jì)算出過熱段的蒸汽壓損真實(shí)值，傳熱學(xué)提供的過熱段蒸汽壓損計(jì)算公式[3]：

式中：ΔP過熱段蒸汽壓損；ΔPb為錯(cuò)流流動(dòng)壓損；ΔPw為窗口流動(dòng)壓損；f為錯(cuò)流流動(dòng)摩擦系數(shù)；Nc為錯(cuò)流管排數(shù)；ρ為蒸汽平均密度；ω為錯(cuò)流速度；ωz為縱流平均速度；Nw為窗口管排數(shù)；C3、Cx、C4為布管系數(shù)；Re為錯(cuò)流雷諾系數(shù)；Pt為布管中心距；do為換熱管外徑；υ為蒸汽運(yùn)動(dòng)黏度；

從上面過熱段蒸汽壓損計(jì)算公式來看，決定壓力損失大小的2個(gè)關(guān)鍵因素：流動(dòng)速度ω和介質(zhì)密度ρ。仍以圖1的4號(hào)高加和6號(hào)低加為例，假定2臺(tái)給水加熱器的布管完全相同，錯(cuò)流速度與縱流速度相同，折流板數(shù)相同，計(jì)算出不同流動(dòng)速度下的過熱段蒸汽壓損（計(jì)算結(jié)果見表4），從蒸汽壓損計(jì)算結(jié)果可以得出：（1）壓損與蒸汽流速的關(guān)系不是線性比例關(guān)系，而是呈指數(shù)關(guān)系（指數(shù)大于1）； （2）相同流動(dòng)速度和結(jié)構(gòu)形式下，高加過熱段蒸汽壓損高于低加過熱段壓損，這主要是由于高加抽汽的密度大，速度壓頭高引起的（ρω2/2）；（3）為滿足過熱段蒸汽壓損小于35 kPa，高加設(shè)計(jì)規(guī)范上通常限制過熱段流速度小于20 m/s；（4）如上文所述，為滿足窄點(diǎn)溫差要求，低加必須提出更低的過熱段蒸汽壓損控制目標(biāo)值，故低加過熱段蒸汽流速也不能太高，通常小于25 m/s。

表4 過熱段蒸汽壓損計(jì)算

5 低壓加熱器設(shè)置過熱段的條件

通過前面的分析和計(jì)算，低壓加熱器設(shè)置過熱段的前提條件可以表述成：（1）具有較高的抽汽壓力，過熱段蒸汽壓損占抽汽壓力的比例才小，不會(huì)引起凝結(jié)段飽和溫度顯著下降；（2）抽汽具有較高的過熱度（120℃以上），才有提高給水出口溫度的能力；（3）合理的給水上端差TD值，在考慮了一定過熱段蒸汽壓損的情況下，傳熱T-Q曲線上的窄點(diǎn)溫差不小于2.5℃；（4）通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，控制過熱段的蒸汽流速，使過熱段蒸汽壓損計(jì)算值不超過2.5℃窄點(diǎn)溫差對(duì)應(yīng)值；（5）凝結(jié)段所需換熱面積要按考慮了蒸汽壓損的飽和溫度重新計(jì)算，計(jì)算面積應(yīng)增加。假如某一臺(tái)低壓加熱器，其抽汽壓力較低，給水上端差又定得不合理，在傳熱TQ曲線上窄點(diǎn)溫差等于2.5℃所對(duì)應(yīng)的過熱段壓損值很?。ㄐ∮? kPa），而低加過熱段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算上又不能實(shí)現(xiàn)所要求的壓損值，則該臺(tái)低加應(yīng)認(rèn)為不適合設(shè)置過熱段。