热电厂汽轮机凝汽器的节能改造

张圆明，谷伟伟，张黎明

(1.广州市能源检测研究院，广东 广州 510170;2.西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710032;3.海装广州部，广东 广州 510236)

当前，火力发电厂耗煤量占我国煤炭消耗总量的一半以上［1］，因此降低火电厂能耗是我国节能工作的重点。凝汽器是火电厂汽轮机的一个重要辅机，是使汽轮机排汽冷却凝结成水，并在其中形成真空的热交换器。凝汽器压力对汽轮机的热效率有很大的影响，通常升高1 kPa，汽轮机热耗率约增加0.7% ～0.9%［2］。为了改善汽轮机的热力性能，提高经济性，很多电厂对凝汽器进行了改造工作［3－7］，其中一种经济、技术可行的改造方式是采用新材料高效换热管。

某热电厂60 MW汽轮机组自上世纪90年代投产运行至今，因凝汽器循环水从入海口江水中抽取，凝汽器铜管腐蚀严重，直接影响到机组运行的经济性和安全性，亟需对铜管进行改造。本节能技改项目采用高效不锈钢波螺管代替铜管，解决了铜管泄漏和换热效果差的问题，提高了机组运行的经济性和可靠性。

1 节能技术改造方案

汽轮机组型号为 FC60 －8.83/(1.73)，凝汽器设计冷却面积为3 500 m2、冷却水进口温度为20℃、冷却水量为9 300 t/h。在不改变凝汽器外壳、管板、隔板、热水井的前提下，把全部6 222根换热铜管更换成TP317L高效不锈钢波螺管，改造前后管子性能参数如表1所示。

表1 改造前后管子性能参数

2 技术可行性分析

凝汽器换热管由铜管改造成不锈钢波螺管后，具有换热高效、耐腐蚀、抗结垢性好、抗振性好、易维护等优点。

2.1 换热高效性

凝汽器的传热过程为:管外侧蒸汽通过凝结换热把热量传递给管壁，然后热流通过金属管和污垢的导热到达管内侧，最后冷却水与管壁对流换热把热量带走，如图1所示。

凝汽器传热热阻主要由4部分构成:管内冷却水对流换热热阻、污垢导热热阻、管壁导热热阻以及管外蒸汽凝结换热热阻［8］，其计算如式(1)

式中 R——凝汽器传热总热阻/℃·W－1;

A1——蒸汽凝结换热面积/m2;

图1 凝汽器换热示意图

A2——管内侧冷却水对流换热面积/m2;

h1——蒸汽凝结表面换热系数/W·m－2·℃－1;

h2——冷却水对流换热系数/W·m－2·℃－1;

d1——管子外径/mm;

d2——管子内径/mm;

d3——污垢圆环的内径/mm;

l——管长/mm;

λ1——管子导热系数/W·m－1·℃－1;

λ2——污垢导热系数/W·m－1·℃－1。

管壁导热热阻仅占总热阻的5%左右，对传热起决定性作用的是管内对流换热热阻和管外凝结热阻。下面从传热热阻构成及实际换热效果测试等方面阐述凝汽器技改后的换热高效性。

2.1.1 管壁导热传热分析

虽然不锈钢管的导热系数要低于铜管，但传热效果主要由总热阻来决定，而管壁导热热阻仅占总热阻值的5%左右。使用不锈钢波螺管后，凝汽器传热过程中占主导作用的管内对流换热热阻和管外凝结热阻显著降低，所以导热系数降低造成的影响忽略不计。

2.1.2 管外凝结换热分析

凝结换热有膜状凝结和珠状凝结两种形式［8］。珠状凝结时蒸汽与冷却管壁之间没有液膜阻隔，热阻大为减小，换热系数可达膜状凝结时的5～10倍。

项目改造后，不锈钢波螺管螺旋根部凝结液体的表面张力可使管外壁形成的凝结液膜变薄或形成珠状凝结，减小热阻;同时螺旋槽道加强了液膜扰动，增大了换热面积。另外，由于螺旋槽道的作用，管壁上的凝结水会迅速沿着螺旋槽脱离冷却壁面，有利于凝结换热。

2.1.3 管内对流换热分析

不锈钢波螺管强化管内冷却水(单相介质)对流换热的主要原因在于管子内壁产生的螺旋流和边界层分离流。螺旋流使冷却水与管壁的相对速度增加，同时引起流体旋转，使边界层厚度减薄并在边界层内产生扰动，层状流的现象不易发生，从而增强对流换热。分离流的主要作用是扰动边界层的流体，使该处流体径向混合较均匀，从而增强换热。

2.1.4 换热效果测试分析

对凝汽器改造前、后的换热效果分别进行测试分析，得到改造前后的传热系数，如表2所示:

表2 凝汽器技改前后的换热效果

不锈钢波螺管总传热系数比铜管高21.8%，技改后换热效果得到显著提高。

2.2 耐腐蚀性

两种材质的冷却管耐腐蚀性能如表3所示。

表3 两种材质的冷却管耐腐蚀性能(耐蚀性:1最低，6最高)

从表3可知，不锈钢管的耐蚀性优于铜管。由于不锈钢的强度和表面硬度都高于铜管，不论是汽侧的高速蒸汽及水滴，还是水侧的泥沙污垢及入口端流，对不锈钢管的冲蚀都很小，适合于本项目江河含砂、污垢水质条件。

2.3 抗结垢性

实际运行中，不锈钢螺纹管凝汽器没有或者很少结垢。其原因有3个，一是不锈钢管的清洁系数(0.85)比铜管高，即管壁比铜管光滑，污垢难以产生;二是由于螺旋槽的作用，冷却水在管内的流动产生了边界层分离流，不存在沿管壁低流速层，污垢难以附着在管内壁面;三是螺旋波纹结构对污垢有自清理作用，因为在凝汽器运行时管子会随温度变化膨胀和收缩，而污垢与金属的热膨胀系数相差较大，同时流体的脉动性会阻止污垢生成，实现自动清理。

2.4 抗振性

汽轮机的高速蒸汽和水滴是导致凝汽管振动的主要原因，TP317L不锈钢管的弹性模量为24 400 kgf/mm2，而 HAl77－2铜管的弹性模量为11 200 kgf/mm2，不锈钢管的弹性模量较大，允许有较大跨距而不振动。在相同条件下，不锈钢管的抗振性相对铜管要好。

2.5 易维护性

由于不锈钢波螺管管壁能始终保持极高的光洁度，机械清洗很容易将污垢除掉。高压水、塑胶弹、酸洗等清洗方式对铜管具有很大破坏性，但是对于不锈钢管来说基本上没有伤害，因此免去了铜管需要镀膜的麻烦。本项目换热管内壁的污垢主要由泥垢组成，对不锈钢管而言可通过简单热风清洗进行清除，使管内壁保持长期高清洁系数运行，清洗维护比铜管方便得多。

综上得出不锈钢波螺管与铜管的技术性能对比，如表4所示。

表4 不锈钢波螺管与铜管的技术性能对比

可以看出，不锈钢波螺管比铜管性能优越，本技改项目在技术上是可行的。

3 经济可行性分析

项目改造投资情况如表5所示。

表5 项目改造投资情况表

改造前，在机组负荷为61.5 MW、冷却水进水温度为19.6℃时，排汽温度为35.1℃;改造后，在机组负荷为61.4 MW、冷却水进水温度为19.9℃时，排汽温度为 33.3℃。改造后排汽温度降低了1.8℃，机组凝汽器真空度提高1%，使得机组发电标准煤耗下降3.52 g/kW·h。按60 MW机组年可利用时数6 500 h计算，每年可节约标准煤量约为1 372.8 tce，按 1 099.5 元/t(标煤)计算，年可节约耗煤成本约150.9万元。可以看出，项目的投资回报期为0.28年，项目经济可行。

4 结论

该热电厂凝汽器的换热铜管改造成TP317L高效不锈钢波螺管在技术上是可行的，改造后凝汽器具有换热高效、耐腐蚀、抗结垢、抗振、易维护、寿命长等优点。项目改造后总传热系数比改造前提高21.8%，排汽温度降低1.8℃，凝汽器真空度提高1%，机组发电标准煤耗下降3.52 g/kW·h，年节约标准煤1 372.8 t，投资回报期不到1年，项目经济可行。项目有效节约了能源消费量，减少了 SO2和CO2等的排放，具有积极的环境效益、社会效益和经济效益。

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