浅谈蒸汽冷却器下端差对设计的影响及系统优化

臧传奇，石乾宇，蒋 宇

（哈尔滨锅炉厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150046）

浅谈蒸汽冷却器下端差对设计的影响及系统优化

臧传奇，石乾宇，蒋 宇

（哈尔滨锅炉厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150046）

让汽轮机的部分抽汽，先经过3号高压加热器的外置蒸汽冷却器后，再进入3号高加内，利用此类加热装置，可提高机组的换热效率。蒸汽冷却器出口蒸汽温度的设定，对蒸汽冷却器及3号高压加热器的设计方案有很大的影响，选定合理的蒸汽出口温度，才能使蒸汽冷却器和高压加热器安全经济地运行。

蒸汽；冷却器；下端差；卡诺循环；逆流；泄漏；振动；优化

0 概 述

高压给水加热器（简称高加）利用汽轮机的抽汽加热锅炉给水，可提高系统的换热效率，节省燃料，并有助于机组安全运行。抽汽在高加壳侧内通过，将经过过热蒸汽冷却段、凝结段和疏水冷却段。锅炉给水则在管侧内通过，与蒸汽的流向相反，将经过疏水冷却段、凝结段和过热蒸汽冷却段，达到预期的给水温升后，再被排出高加。目前，机组的高加系统布置，常采用3级高加回热系统，如图1所示。

现以某型660 MW机组为例，该机组不带蒸汽冷却器，机组的运行参数，如表1所示。

图1 3级高加系统的布置图

表1 某型660 MW机组的运行参数

根据卡诺定理，当工质在两个恒温热源（T1和T2）之间循环，不管采用什么工质，如果是不可逆的，其热效率恒小于1-T2/T1[1]。也就是说温差越大，换热过程中产生的不可逆损失也就越大。从表1可知，3号高加的给水温度低于1号和2号高加的给水温度，但是抽汽温度却比1号和2号高加的温度，要高出很多，显然3号高加的抽汽温度没有被充分利用。用3号高加的抽汽先加热1号高加出口的给水，然后再进入3号高加，这样，蒸汽冷却器（简称蒸冷器）也就应运而生。系统布置了蒸冷器后，可更好地应用卡诺循环，提高机组的换热效率。蒸冷器与高加的系统布置，如图2所示。蒸冷器的设置，涉及到与各高加（尤其是3号高加）的匹配变化。现探讨一些常见的布置方法，以寻找更好的设计方案。

图2 蒸冷器与高加的系统布置

1 蒸冷器的设计优化

目前，设计蒸冷器时，常按给水分流量进行设计。一部分锅炉给水流经蒸冷器后被加热，另一部分从旁路经过，两部分给水混合后，达到预计的给水温升，再进入锅炉。按分流量设计的蒸冷器，可有效减少换热管的数量，降低蒸冷器的重量，为电厂建设节约成本。分流量越小，蒸冷越小。但是，为了达到预期的温升，分流量越小，流经蒸冷器的给水温升就得越高。现常用的壳侧蒸汽流动模式，如图3所示。

图3 壳侧蒸汽流动模式

这种壳侧蒸汽顺逆混合流动的管束，对包壳和隔板的设计较简单。但是流经蒸冷的给水温升不能过高，在理论上，不能使给水出口温度高于蒸汽出口温度，也就是说分流量的多少与蒸冷器的下端差（这里指蒸冷器的蒸汽出口温度与给水入口温度的差）有密切关系。按图3所示布置的蒸冷器，若加热蒸汽出口温度低于给水出口温度，那么，加热蒸汽在折流过程中，就可能出现较低温度的蒸汽与较高温度的给水相遇的情形。根据热力学第二定律，热量不能由低温物体传送到高温物体，而是自发的从高温物体传递给低温物体。因此，此处就将出现逆向传热，也就是说给水向蒸汽传热，所以，蒸冷器的运行必须杜绝出现这种现象。设计时，控制蒸汽出口温度高于给水出口温度，以此作为控制分流量的下限。

下端差越高，蒸冷器的分流量越少。但过高的下端差，意味着出口蒸汽需有更高的过热度，如果高品质的蒸汽，没有被用以加热温度更高的蒸冷器给水，而是加热温度较低的3号高加的给水，将会造成更多不可逆的热损失。

比对各项工程中的汽机热平衡图，在目前的设计方案中，对蒸冷器下端差的设定，有着很大的差别，通常设定为10～15℃，也有设定40℃左右的较高端差。随着我国节能减排指标的提高，机组的运行参数越来越高，蒸冷器下端差的设定值越来越低，有时甚至设定为5℃。这样就对蒸冷器的设计方案提出了更高要求。根据蒸冷器为5℃的下端差，若仍然采用图3所示的顺逆混合布置，欲保证蒸汽出口温度高于给水的出口温度，那么蒸冷器就要采用全流量设计，这是不可取的，而且，采用顺逆混合方式，将使蒸冷器的换热面积增大。

换热器的换热量计算公式[2]：

式（2）中：F—对数温差校正系数。

顺逆混合的换热面积A的计算：

由于对数温差校正系数F为小于1的正数，所以，如采用图3所示的布置，将使换热面积更大，造成浪费。因此，蒸冷器最好选择顺流或者逆流。

蒸汽在换热过程中不断被降温，给水就在换热管内升温。采用较高温度的蒸汽，在给水出口处加热较高温度的给水，用较低温度的蒸汽，加热给水入口处较低温度的给水，即为蒸冷器的全逆流的布置。这是在蒸冷器的内部设计中再一次利用了卡诺循环，降低了换热过程中不可逆的热损失。蒸冷器的全逆流布置，如图4所示。

图4 蒸冷器的全逆流布置

这种纯逆流结构在计算换热面积时，可避免引入对数温差矫正系数F，降低了换热面积。逆流布置的蒸冷器的换热面积A，按公式（3）进行计算：

这种方式布置设计的蒸冷器，不仅换热面积小，还因为蒸汽是纯逆流，不必担心给水出口温度高于蒸汽出口温度，从而获得更小的蒸冷分流量，同时，也能降低设备的重量。

2 高加的设计优化

系统增设了蒸冷器后，提高了高加系统（尤其是3号高加）运行的安全性。通常情况下，高加管板与换热管的连接，采用焊接加胀接的连接方式。对于管端焊缝，需进行100%无损检测和氦检漏。尽管如此，运行中的高加，在换热管与管板的连接焊缝处，还是很容易出现泄漏现象。

据统计，3号高加的换热管比1号、2号高加更容易发生泄漏。泄漏位置常位于高加给水出口处的换热管与管板的连接焊缝，此处与高加的过热段较近。引起高加泄漏的原因很多，比如3号高加抽汽温度与给水温度相差较大，换热管两侧的压差大，高加过热段靠近管板，3号高加过热段内的蒸汽流速过快，蒸汽在过热段内冲刷换热管，引发振动。因此，在设计高加时，计算和校核蒸汽在过热段内的流速，选择合适的蒸汽与换热管的对流传热系数[3]。

传热系数按式（4）计算：

式（4）中：（Rex）—以x为特征长度的雷诺数，

由式（4）可知，蒸汽的流速越快，对流传热系数就越大，所需的换热面积越小。但是，过高的蒸汽流速，可能引发换热管的振动。在管壳式换热器内，当流体横向流过管束时，流体诱发振动的主要成因有[2]：

（1）卡门漩涡激振（有声振动或无声振动）。

（2）湍流抖振（有声振动或无声振动）。

（3）流体弹性不稳定。

诱发振动的机理多样而复杂，但都与蒸汽流速有直接关系。以诱发振动的卡门漩涡激振为例，当流体横向流经管子时，在管子背面的尾流处，将产生卡门漩涡。当漩涡从换热器管子的两侧周期性交替脱离时，便在管子上产生周期性的升力和阻力。这种流线谱的变化，引起了压力分布的变化，使作用在换热器管子上的流体压力的大小和方向发生变化，最后引起管子的振动[5]。设计高加时，在确保换热管不产生振动的同时，尽量选择较大的蒸汽流速。由漩涡脱落引起的振幅，在一定范围内是可以接受的，但不得超过规定的限值范围，应控制振幅Y≤0.02D[5]，其中D为换热管的外径。

振幅Y的计算公式为：

式（5）中：V—蒸汽横掠管子的流速，m/s。

计算蒸汽横掠管子的流速公式为：

式（6）中：V—蒸汽流速，m/s；

Q—体积流量，m3/s；

G—蒸汽流量，kg/s；

v—蒸汽比容，m3/kg；

A—流道面积（与管束的布置形式有关），m2。

从式（6）可知，蒸汽横掠管子的流速与体积流量成正比。以表1所示的工程为例，3号高加的蒸汽体积流量Q，分别是1号、2号高加的4.6和2.2倍，在同等的流道面积下，其蒸汽流速更快，而振幅与蒸汽流速的平方成正比，所以，3号高加的振幅比1号、2号高加的振幅更大，更接近允许振幅的上限。

设计高加时，通过对管束的合理布置，将换热管的振幅控制在标准要求的限徝内。因此，很少出现高加换热管在过热段内因振动而被破坏的情况。被破坏的换热管，常出现在靠近过热段一侧管子管板的焊缝连接处，此焊接处往往是结构的薄弱区域，因连接处的结构发生了突变，容易出现应力集中现象。同时，3号高加换热管内外壁的压差，比1号、2号高加的压差大，焊接处的拉应力也大于1号、2号高加。换热管承受的振动能量，将以机械波的形式，通过换热管传递至管子管板的连接焊缝。高加长期运行后，管子管板的连接焊缝会出现疲劳损伤，从而导致换热管的泄漏。

3号高加过热段内的蒸汽流速过快，将造成换热管被破坏，太慢，又将影响高加的换热效率。增设蒸冷器后，减少了3号高加管端处的泄漏。在设计3号高加时，不再设置过热段，通过降低蒸冷器的下端差，使进入3号高加蒸汽的过热度降低。蒸汽进入3号高加后，可直接进入凝结段。在凝结换热过程中，表面传热系数与蒸汽流速无关，不需要增加流速以提高传热系数，因流速不高，故不存在蒸汽因折流而导致管束振动。当蒸汽充满壳侧后，将以较慢的流速，从换热管束的外围向管束的中心流动并凝结。整个凝结过程中，高加无振动，所以，高加的运行将更安全。

3 结 语

设定了合理的蒸冷器下端差，优化了蒸冷器设计，并改进了3号高加的壳程布置形式。蒸冷器的纯逆流布置结构，可满足下端差较小的运行工况，利用更高温度的蒸汽，加热较高温度的蒸冷器给水，可提高机组的热效率。同时，因蒸汽的过热度被降低，所以，在设计3号高加时，可取消壳程中的过热段，使高加的运行更安全。

[1]严家碌.工程热力学[M].北京：高等教育出版社.2006.

[2]GB/T151-2014，热交换器[S].

[3]邓元望，袁茂强，刘长青.传热学[Z].北京：中国水利水电出版社.2010.

[4]钱颂文.换热器流体诱导振动基础[M].武汉：华中工学院出版社.1988.

[5]钱颂文.换热器设计手册[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

臧传奇（1988-），男，毕业于哈尔滨工程大学，从事电站辅机设备的设计工作。