小型汽轮机冷凝器管材的选用

刘伟东

（东糖集团有限公司三联热电厂，广东东莞 523243）

0 引言

造纸厂、制糖厂等轻工企业的动力车间，均有汽轮发电机组，而冷凝器是凝汽式汽轮机组的一个重要组成部分。现在热电厂一般采用表面式冷凝器，冷凝器内部空间由换热水管分隔成2部分：一部分为蒸汽空间，在换热水管壁外，另一部是冷却水空间，在换热水管内。蒸汽在换热水管外表面接触，冷却水与换热水管内表面接触，蒸汽放热经冷却管传给冷却水，使排汽冷却成为凝结水。

在冷凝器中，蒸汽与冷却水的热交换是由换热水管壁来完成的。如果水管壁受到严重腐蚀而穿透，冷却水就会漏入蒸汽空间，使凝结水质变差，直到不合格。所以，为了使冷凝器在运行中有良好的凝结水质，换热水管壁不允许有穿孔漏水现象，管子与管板的连接处也不允许有漏水现象。

冷凝器内换热水管脏污、结垢时，将影响冷凝器的热交换。冷凝器冷却面结垢的主要原因是循环水水质不良，当管内壁沉积了硬质的无机垢，将严重降低换热水管的传热能力、减少换热水管的通流面积。

1 存在的问题

东莞市振兴造纸厂动力车间的2#汽轮机组，是1台由其他造纸厂拆迁过来、已经使用过20多年的退役机组，是一次可调整抽汽式汽轮机。机组型号为C3-25/5，额定功率3 MW，进汽压力2.35 MPa，调整抽汽压力0.49 MPa。其冷凝器为1台N-280的、单路双流程表面式结构，换热水管规格Ф20 mm×1 mm×3800 mm，冷却面积 280 m2，换热水管材料为 H68（铜管），换热水管1121根，冷却水质为淡水。

2007年5月开始，2#机组出现凝结水硬度高、不合格现象。经检查是冷凝器冷却管束严重磨损、穿孔，是大量“生水”混进汽轮机的凝结水所致。采用了堵塞冷却管的方法处理，但是堵塞了40多条管，仍未能解决凝结水硬度高问题。而且机组已经使用了20多年，冷凝器换热水管内有结垢，影响其传热效果。汽轮机真空性能较差，只能达到-0.88 MPa（表压）左右。

经观察，冷凝器内的铜管普遍存在点蚀、冲蚀，而且沉积物下腐蚀，应力腐蚀也很严重。鉴于2#机组冷凝器已使用20多年，换热水管的具体使用时间不明，决定更换冷凝器全部冷却管，共计1121根。

2 确定改造方案

2.1 铜管与不锈钢管比较

我国汽轮机冷凝器冷却水水质为淡水时，常用的换热水管材质有铜管和不锈钢管2种。它们的价格、机械性能、传热效果等有所不同。

2.1.1 导热性能比较

钢的导热系数36 W/（m·K）比铜的导热系数111 W/（m·K）低得多，所以钢光滑管的总换热系数比铜光滑管低得多。图1给出了钢光滑管与铜光滑管2种管子总换热系数K与管内雷诺数Re的关系。从图中可以看出，钢光滑管总换热系数只有铜光滑管的85%～90%[2]。

图1 钢光滑管和铜光滑管总传热系数与管内雷诺数的关系

管内流体的雷诺数Re由式（1）计算。

式中 ρ———流体密度，g/cm3

η———动力黏度，N·s/m2

Di——特征长度，此处为管内内径，mm

vi———管内流速，m/s

ρ和η通过查冷却水进出口对数平均温差表求取。总传热系数K由传热方程求出：

式中Ai———内表面积，m2

Q———总传热量，K

Δtm———对数平均温差，℃

Ai作为计算总传热系数的基准；Q以管内冷却水吸热量来计算，并以管外蒸汽凝结放热量考察其可靠性；Δtm由测量的蒸汽温度与冷却水的进出口温度计算。

这当然要影响总体传热效果。这也成为不少人对不锈钢管缺乏兴趣主要原因。一般情况下，考虑到铜管因强度及冲蚀、磨损等因素，其管壁厚度≥1 mm，在冷凝器顶部第一层铜管壁厚为1.5 mm，而不锈钢管的壁厚可以减薄至0.5 mm左右。由于不锈钢管内、外表面的光洁度明显高于铜管，因此不容易生成氧化层结垢、产生热阻，进一步减小了不锈钢管与铜管的总体传热效果差距。

2.1.2 对冷凝器真空影响比较（表1）

表1 不同壁厚的不锈钢管和铜管的换热性能对照表[1]

从表1可知，由于不锈钢管比铜管壁厚减小，管子的平均内径增大，在其他因素相同的情况下，不锈钢管流速减小、水阻减小，循环水流量增加，出水温度降低，进水与出水温差减小。综合作用的最终结果是，冷凝器相对真空提高。

2.1.3 循环水流动阻力（水侧）阻力比较

影响循环水在凝汽器内流动阻力的因素主要有管束布置、管口形状和内壁清洁度。在凝汽器管束布置、管口形状一定的情况下，只比较管束内壁的清洁度。不锈钢管的质量标准是：管子内外表面应光洁，不得存在有害缺陷，焊接突处的外表面≤0.05 mm，内表面≤0.05 mm。由实物中可知，铜管的内外表面都比不锈钢管粗糙，不锈钢管内、外表面光洁度达2B级，光洁度高于铜管。因此，不锈钢管不容易附着污垢，且附着后也很容易清洗。当冷凝器长时间使用时，不锈钢管内壁的清洁度应好于铜管，对循环水在凝汽器内流动阻力，不锈钢管一定小于铜管。而流动阻力的减少，可以使凝汽器管换热效率提高。

2.1.4 价格比较

从各不锈钢管和铜管生产厂家的报价可以知道，Ф20 mm×1 mm的铜管（牌号H68）与Ф20 mm×0.7 mm的不锈钢管（牌号304）价格基本一样，铜管价格略高一点但相差不多。而且，更换冷凝器全部冷却管不锈钢管或铜管的人工费和工时都一样。所以更换冷凝器冷却管采用铜管或不锈钢管，其总费用一样。

2.2 使用不锈钢管安全性（表2）

从表2可知，不锈钢管的抗拉强度和屈服强度均高于铜管，伸长率两者相差不大，热胀系数不锈钢管比铜管低，与冷凝器管板接近，因此，不容易因热胀冷缩损伤换热水管或影响胀管口而泄漏。而且胀管口只胀不焊，也不会受热胀冷缩影响产生泄漏现象，使换管工期和费用增加。但是，不锈钢管的弹性模量比铜管高很多，表示不锈钢管的抗弹性变形能力强，具有更高的抗振抗冲击能力（即不锈钢管比铜管硬），运行可靠性大大提高。

冷凝器内的换热水管，在高速蒸汽和水滴的作用下必然会产生振动现象，而不锈钢管的硬度、抗拉强度和屈服强度都比铜管大很多，可以改善管子的振动特性，不容易断裂。对蒸汽侧的水滴、循环水侧泥砂、换热水管入口湍流等的冲刷性能都大大提高。

经过不少理论研究和电厂的应用实践，证明不锈钢管的抗点蚀性能与铜管一样，其余各项抗腐蚀性能，如一般腐蚀、冲击腐蚀、氨蚀都比铜管的抗腐蚀性强。有关资料显示，TP304不锈钢管在冷凝器不会出现电化学腐蚀，可以在循环水中氯离子达200 mg/L环境中长时间使用。在其他条件一样的情况下，如果循环水中的氯离子含量相同，不锈钢管的使用寿命至少是铜管的2倍或以上。

2.3 螺纹管与光滑管比较

不锈钢管和铜管都有螺纹管与光滑管之分（图2）。

图2 螺纹管与光滑管

在冷凝器换热管数量一定、管子外径一定的前提下，冷凝器使用螺纹管，其换热面积大于光滑管。而且，从理论上讲，螺纹管通过表面螺纹或花纹破坏凝结水膜，变低效率的膜状凝结为高效率的珠状凝结。因此，在管子数量等一定的时候，螺纹管的总换热效果比光滑管好。

螺纹管在生产的过程中，要在光滑管材料上轧出螺纹，这螺纹处是管子应力集中和最薄弱的地方，所以，在螺纹管中的螺纹处在高速蒸汽的冲击或振动作用下容易出现穿孔、裂纹等现象。而光滑管则无这种现象的。另外，螺纹管的螺纹处容易形成积垢，影响换热效果，而且这些积垢不容易清除。

2.4 其他因素

振兴造纸厂动力车间的2#汽轮机组冷凝器循环水是直供水，即冷却水用水泵由河中抽上来供给冷凝器，再排回河中。而现在河水的污染情况比较严重，根据DL/T 712—2000《火力发电厂冷凝器管选材导则》第6.8条规定：对确认水质会长期遭受污染或有恶化趋势而又无法改善时，宜选择适合水质条件的不锈钢管或钛管[3]。

3 方案的分析与确认

（1）将冷凝器冷却管束更换为不锈钢或铜管，其材料费、人工费和工时是一样的。

（2）在相同的条件下，不锈钢管的使用寿命比铜管长。正常情况下，不锈钢管使用寿命长达30 a。

（3）与螺纹管相比，光滑管在正常使用过程中不容易穿孔、断裂。

表2 铜管、不锈钢管的工程特性比较[1]

（4）不锈钢管对循环水中的杂质吸附力比铜管小，而且振兴造纸厂动力车间的2#汽轮机组没有安装胶球清洗装置。所以使用不锈钢管比铜管，需要停机清洗冷凝器冷却管束的时间可以延长。

（5）因为东莞市振兴造纸厂附近地区河水污染比较严重，根据DL/T 712—2000《火力发电厂冷凝器管选材导则》的规定，冷凝器应选用不锈钢管。

（6）从收集到的冷凝器用304不锈钢管样本，看到不锈钢管管壁薄、外壁光亮，但此不锈钢管是接逢管，内壁有一条焊接逢。而H68铜管是无逢管。接缝管与无缝管在使用的过程中的异同，有待观察、了解。

（7）从更换冷凝器冷却管束的施工单位解到，因材料的不同，拆冷凝器内不锈钢管比铜管困难很多。今后再更换管子时，拆管的工作量大、工时长。

（8）当冷凝器不锈钢管因为各种原因出现泄漏时，可以用锥型铜塞堵塞处理。

综上所述，应将2#汽轮机冷凝器换热管的H68普通黄铜管更换为304不锈钢光滑管。换热管的规格由原铜管的Ф20 mm×1 mm，改为不锈钢管的 Ф20 mm×0.7 mm。

4 实践检验

2007年，振兴造纸厂决定实施2#汽轮机冷凝器换热管更换为TP304型不锈钢管方案。共更换不锈钢管1127条，规格Ф20 mm×0.7 mm×3800 mm。

7月1日上午，打开冷凝器两侧的大端盖，开始拆除冷凝器的旧铜管。7月2日，冷凝器的旧铜管拆除完毕。7月3日，开始安装新的不锈钢管，于当天23：00左右安装工作完成。冷凝器汽侧灌水试静压。7月4日凌晨，复装冷凝器两侧的大端盖，2#汽轮机启动。14：00，16：00 两次化验结果显示，凝结水合格。换管工程结束。

机组从2007年运行至今，已有10 a时间，冷凝器换热管未发现穿、漏等异常情况，冷凝器真空、机组汽耗等参数与换管前相比，也无变化。2012年初，曾经发现有凝结水硬度高、不合格现象。检查后发现是冷凝器冷却管有2处胀管口泄漏引起的。经过堵塞处理后，凝结水不合格现象消失。

2008年5月，振兴造纸厂将1#汽轮机冷凝器也更换为TP304型不锈钢管。这2台汽轮机冷凝器更换不锈钢管至今，未发生不锈钢管穿管、断裂现象，运行情况良好。

实践证明，冷凝器换管工程达到了预期的效果。