螺旋带装置在300 MW机组凝汽器中的研究与应用

刘大鑫

(中国能源建设集团东北电力第四工程有限公司 汽机专业公司，辽宁 辽阳 111000)



螺旋带装置在300 MW机组凝汽器中的研究与应用

刘大鑫

(中国能源建设集团东北电力第四工程有限公司 汽机专业公司，辽宁 辽阳 111000)

以某电厂300 MW机组为例，介绍了螺旋纽带装置的结构及工作原理，并对螺旋纽带装置进行了试验，分析了其运行状态下的各种参数，并对比了螺旋纽带安装前后的经济性。结果表明，安装螺旋纽带装置具有非常可观的经济效益，为凝汽器除垢提供了一种高效可行的途径和方法，具有非常广阔的应用前景。

螺旋带装置；凝汽器；300 MW机组

汽轮机在运行过程中常会遇到凝汽器真空下降的问题，尤其是在夏季，对汽轮机运行的经济性影响甚大。当其他条件不变时，真空度每变化1%，汽轮机汽耗率平均变化1%～2%。凝汽器真空下降还会威胁机组的安全性，会严重降低发电负荷。真空下降的主要原因是由凝汽器的铜管内壁结垢所致，铜管结垢不但能使铜管热阻增大，还会导致凝汽器通流面积减小、管内外换热面积增大等，所以去除凝汽器的结垢显得尤为重要。大多凝汽器采用胶球清洗装置进行除垢，但其流场、收球网板、胶球泵等存在诸多问题。目前，海内外对凝汽器除垢有了更为先进的方法，即在管内加设螺旋纽带装置，此装置不仅免除了胶球装置人工操作的随意性，还免除了停机人机清洗，获得了较大的经济效益，为凝汽器的可靠运行提供了方法。

1 螺旋纽带装置简介

1.1 螺旋纽带装置结构

螺旋纽带装置由螺旋纽带、转轴、支架、垫片和连接环等部分组成，如图1所示。螺旋纽带安装在凝汽器铜管内，纽带与管内壁在径向方向上有约2.5 mm的间隙，可以自由旋转和摆动；在轴向方向上，管口轴承和钩头轴可将其定位。系统运行时，纽带在管内流体的带动下会自动旋转擦刮管内壁，从而达到连续、自动清洗管内污垢的目的；同时，纽带本身对流体也有导流作用，形成基本流向为螺旋流的复杂流动，和纽带刮擦对边界层的扰动作用一起来实现强化传热。纽带上也可开设多个孔，扩大传热面积，减少流体流动阻力，强化传热。但由于孔桥的搅拌作用，也增大了流动区的内部旋涡阻力损失。

1—凝汽器铜管；2—螺旋纽带；3—连接环；4—内塞；5—支架；6—垫片；7—钩头轴

图1 螺旋纽带装置结构

1.2 螺旋纽带装置工作原理

螺旋纽带装置是一种在线机械清洗的防垢技术,其具有自动除垢、防垢和强化传热的作用。当汽轮机运行时,大量的循环冷却水在铜管内流动,螺旋纽带装置利用循环水流过纽带所传递的动量矩,驱动进口端固定的纽带在铜管内自动旋转和摆动。螺旋纽带本身具有一定的柔韧性,旋转时会产生径向摆动，纽带边刃会碰撞挤压污垢层，并对污垢层产生轴向的剪切力。在径向碰撞挤压和轴向刮扫剪切的共同作用下，螺旋纽带装置可对已有污垢进行连续自动清洗,对无污垢的传热面也有很好的自动防垢作用。

同时，冷却水在纽带作用下形成涡流不断冲刷管壁，对层流边界层产生强烈扰动，使冷却水中的CaCO3和微小杂物等不易在管壁内停留，有效地防止了污垢在管壁上集结，起到了长期保持铜管内壁清洁无垢的作用，彻底改变了要停机才能彻底清理凝汽器污垢的传统办法。

旋转和摆动的螺旋纽带还会引起管内流体的强制旋流和二次流动，使流体产生漩涡运动，基本消除了层流边界层，加快了冷热水之间的混合，提高了换热性能，强化了铜管的传热效果，使凝汽器的换热效率得到了显著提高。

2 螺旋纽带装置在300 MW机组凝汽器中的应用

以某电厂300 MW机组为例，在装有螺旋纽带的凝汽器中，考虑到其运行经济性的好坏，需对运行各因素进行研究。

2.1 实验装置及各参数测量方法

1)冷却管两端压差ΔP

在冷却管两端安装压力表，分别测出两端的压力，可直接计算出两端的压力差。

2)流量Q

在进水入口处安装流量计。由于实验中流体流动很可能分布不均匀，使得各管流量不均，因此，可在进水入口增设一导流隔板，使水流均匀分布在每根铜管内，从而可计算出各管的平均流量。

3)水流速度u

4)阻力hw

5)换热系数

根据能量守恒定律可知，蒸汽侧减少的热量Q汽等于水侧吸收的热量Q水，而Q水=Cp·m·(t出口-t入口)，所以只要在铜管出口、表面、内壁各设置一测量温度的仪表，测出各点的温度，即t出口、tw、tf，则直接可以计算出换热系数。其中，水流的质量可用m=ρV计算，体积V为圆管内体积，由结构尺寸计算得出，而t入口为水流初始温度，通常为20 ℃。

2.2 实验参数分析

2.2.1 管内流体的速度分布和紊流强度分布

试验中采用热线风速仪测得旋转流体的紊流强度和频率特性，同时也测量了无纽带插入时光管中流体流动的紊流强度，实验结果如图2和图3所示。

1—Re=19 700；2—Re=130 200；3—Re=12 200图2 光管中的紊流强度分布和速度分布

1—在图示方向Ⅰ测量，Re=144 000；2—在图示方向Ⅰ测量，Re=27 000；3—在图示方向Ⅱ测量，Re=27 400；4—在图示方向Ⅱ测量，Re=14 220

图3 旋转流体中的紊流强度分布

1—Re=26 500；2—Re=92 000；3—光管速度分布曲线图4 管内旋转流体的速度分布

由图4可以看出，光管中的速度分布曲线符合1/7次方规律，即W/Wmax=(y/Ri)1/7。由图2和图3

可以看出，在管子轴线附近区域，离心力较小，旋转流动的紊流强度比轴向流动的紊流强度高，当y值减小，即逐渐靠近管子壁面区域时，旋转流体的紊流强度近乎不变，而轴向流动的紊流强度则逐渐增高。当y/Ri=0.5时，旋转流体和轴向流动的紊流强度近乎相等。若y值进一步减小，则旋转流体的紊流强度将开始低于轴向流体的紊流强度。

由上述对试验结果的分析可以得出：

1)旋转流动和轴向直线流动的紊流强度总体水平相近，但旋转流体的紊流强度在沿管子横截面的大部分区域中近乎相等；

2)在管子轴线附近区域中，旋转流体的紊流强度比轴向直线流动的紊流强度约高30%～40%；

3)在流核区(0.1

4)在近壁区，旋转流动的紊流强度略高于轴向直线流动的紊流强度。

2.2.2 管内单相流体紊流状态下的对流换热和阻力特性

利用试验数据整理出对流换热和阻力特性各自的关联式，如下所示

ζ=4ARe-n

(1)

Nu=BRem

(2)

式中，A、B、n、m为实验确定的常数，具体数值见表1。

表1 内插纽带强化传热管的A、B、n、m数值

结合试验关联式和试验数据可以绘制两种扭率下雷诺数与阻力系数的关系曲线及雷诺数与努谢尔特数的关系曲线，如图5和图6所示。

试验数据表明，当纽带的扭率Y取值为5时，即得到最佳全节距H=Y·di=5×25=125 mm，而插有纽带的管子与光管的阻力比值为ΔP/P0=2.13～2.22，两种管子的对流换热系数比值为h/h0=1.31～1.32。

2.3 安装前后经济效益对比

某厂在安装了螺旋纽带之后，经过2年多的运行实践，凝汽器真空已能满足机组满负荷运行需要，且运行2年多后与刚安装时没有较大的变化，凝汽器的真空明显提高，端差显著降低，其机组安装纽带前后的数据参数如表2所示。

图5 两种扭率下雷诺数与阻力系数的关系曲线

图6 两种扭率下雷诺数与努谢尔特数的关系曲线

主蒸汽电负荷/MW进汽量/(t·h-1)压力/MPa温度/℃循环冷却水抽汽量/(t·h-1)进水压力/MPa进水温度/℃出水温度/℃排汽真空/MPa排汽温度/℃凝结水温度/℃安装前6.2643.39437400.0983240-87.550.449.96.0523.37430280.0983340-86.152.652.26.0463.40432210.1483641-84.554.854.46.0393.43437100.1493541-83.656.155.75.5283.4143600.1493742-83.256.656.35.0263.3842500.1493742-83.456.356.0安装后6.0303.4944200.1023543-91.842.241.96.2323.3843600.1013643-90.744.644.36.2403.39435140.1023442-92.640.339.96.2653.42438430.1013340-94.235.835.56.0303.4644100.1023643-90.445.244.96.2683.43442480.1023340-94.734.133.66.3693.46444490.1013240-94.933.432.96.0303.3843900.1013542-89.646.846.46.1313.3744100.1523743-90.145.845.5

通过对表2的数据进行比较分析发现：

1)在同等条件下安装螺旋纽带装置后，凝汽器真空上升了7～10 kPa，能够满足汽轮机在高温季节满负荷纯凝运行的要求。以凝汽器真空平均提高8 kPa计算，蒸汽(P=3 133 MPa、t=435 ℃)的平均有效焓降增加值为2 112 kJ/kg,每h进入汽轮机的每t蒸汽可以多作21 200 kJ的功，可增加发电量5 189 kW·h。

2)端差明显降低。安装螺旋纽带前，凝结水温度与循环水出口温度差(即端差)最低都有9.9 ℃，最高可达14.7 ℃；而安装螺旋纽带之后，端差最低为1.1 ℃，最高也只有7.1 ℃，换热效果显著增强，增加了机组的循环效率和热经济性。

3)纯凝和抽汽工况相比，按照进入汽轮机凝汽器的蒸汽为18 t/h、抽凝机组年平均运行7 500 h计算，每年可增加发电量79 152万kW·h。

4)在夏秋高温季节一般运行2台循环水泵即可满足3台机组运行要求,少运行1台132 kW的循环水泵，降低了厂用电率，减少了循环冷却水的损失，且安装后凝汽器进水阻力仅增加3～4 kPa,对循环水泵功耗影响不大。

3 结 论

螺旋纽带装置以操作方便、安装维护简单等优点在凝汽器的清洗中具有明显的优势。以某厂300 MW机组为例，对其螺旋纽带装置进行了试验，并对其试验参数进行了分析，确定了管内流体的速度分布、紊流强度分布、管内单相流体紊流状态下的对流换热和阻力特性。最后对比了安装螺旋纽带装置前后的运行参数，分析结果表明，安装螺旋纽带后取得了非常可观的经济效益。由此可见，螺旋纽带装置在300 WM机组中具有非常广阔的应用前景。

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(责任编辑 张 凯 校对 佟金锴)

Research and Application of Spiral Belt Device on Condenser of 300 MW Unit

LIU Da-xin

(Turbine Branch,The Fourth Northeast Electric Power Engineering Co.,Ltd,China Energy Engineering Group Co.,Ltd,Liaoyang 111000,Liaoning Province)

As an advanced technology in condenser cleaning,the spiral belt device has a great potential. In this paper,the structure and working principle of the spiral belt device was described,and its various operational parameters in a 300MW unit were tested to show considerable economic benefits of the device. The application of the device would provide an efficient and feasible mean for condenser cleaning,and has a broad application prospects.

spiral belt device; condenser; 300 MW unit

2015-03-06

刘大鑫(1986-)，男，四川绵阳人，助理工程师。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.03.010

TK264

A

1673-1603(2015)03-0236-05