630 MW汽轮机凝汽器换管改造

茆亚平

(江苏国信扬州发电有限责任公司，江苏 扬州 225001)

1 前言

某公司#1机亚临界630MW机组于1998年投产，已进入设计寿命后期，整体性能显现退化衰老。环境条件的变化，恶化了铜管的工作环境，加速了凝汽器工作性能的退化，除空气冷却区铜管频繁出现腐蚀泄漏外，管束周围的冲击区和主凝区的管束泄漏也时有发生。铜管泄漏严重影响凝结水的品质，临时性的锯末堵漏，导致胶球系统不能正常投入在线清洗，加剧了水侧传热表面玷污、结垢，传热端差增大，凝汽器压力上升，汽轮机有效焓降减小、运行经济性下降。目前国内新建电厂凝汽器基本上都使用不锈钢管，同时凝汽器铜管改为不锈钢管的工程项目也特别多，因此为保证#1机凝汽器的工作性能，将凝汽器铜管改为耐磨损、抗腐蚀、阻垢性强的薄壁不锈钢管已经成为最佳选择。

2 #1机凝汽器存在问题

#1机凝汽器设计于20世纪90年代，管束布置、中间管板设置均为当时先进水平，凝汽器的传热端差和凝结水的过冷度等性能指标均达优良，但冷却管材保守地选用传统的铜管。随着多年运行，冷却铜管明显进入衰老期，泄漏管数逐年增多，并呈现加速上升趋势。

根据西安热工研究院对#1机检修中抽取的4根黄铜管和2个白铜管进行了涡流探伤和扫描电镜检测结果：空冷区的白铜管和空冷区下方的黄铜管的腐蚀，其主要特征为点腐蚀和脱锌腐蚀，其余部位黄铜管的腐蚀主要为均匀性腐蚀减薄，目前剩余壁厚在70%～75%；白铜管的均匀减薄较少，黄铜管的均匀减薄较多。白铜管均匀腐蚀速率为0.009 mm/a，大于标准要求0.005 mm/a；黄铜管均匀腐蚀速率高于0.02 mm/a以上，远大于标准要求0.005 mm/a[1]。

随着凝汽器铜管堵管数量的增加使得凝汽器传热面积减小，传热端差增大，凝汽器压力升高，机组运行经济性下降。而且随着空气冷却区白铜管堵管数的增大，该区域冷却性能下降，使空气冷却区外扩，空冷区下方及周边黄铜管束承担起空冷区的作用，从而加速这些管束的腐蚀，必然导致泄漏率进一步提高。

3 汽轮机凝汽器技术概况

凝汽器是以蒸汽凝结换热为主体的表面式热交换器，在一定凝结蒸汽量和冷却水量下，凝汽器的真空决定于凝汽器换热性能。国外凝汽器的设计理念：简化管束布置，缩短蒸汽凝结行程，直达热井水面的蒸汽流通通道，使汽轮机的排汽能直接加热凝结水，顺畅的不凝结气体抽出通道，避免不凝结气体聚集，减小汽、气混合物抽出通道的流动阻力。

3.1 汽轮机凝汽器的管束布置几种型式的比较

目前凝汽器的管束布置主要是ABB公司的教堂窗式管束布置、西门子公司的模块化式管束布置、日立公司的辐射式管束布置。这3种布置方式中，ABB公司教堂窗式和西门子公司模块化式凝汽器管束布置代表着凝汽器先进设计的发展方向，简洁、高窄的管束布置，增大了主凝区的边界，降低了管束布置的紧密度指数，均衡了整个冷却管的凝结负荷，充分提高了冷却管的利用率。同时，又简化了汽侧的蒸汽流程，有效地降低了汽阻，也避免了流动死区的产生。从已有的资料分析，教堂窗式的模块化式凝汽器的性能理论上最优。

3.2 国内铜管凝汽器的不锈钢管改造情况

铜导热性能好，铜离子对微生物有一定毒性，有抵抗生物结垢的能力，故铜合金管广泛应用于电站凝汽器。然而，铜的抗蚀和抗磨性能较差，易造成铜管泄漏，大多数凝汽器铜管使用10年以上就需进行换管改造。

20世纪90年代初，采用缝薄壁不锈钢管制造工艺的成熟和制造成本的大幅下降，用不锈钢管替代黄铜管在经济上显示出优势。国产机组铜管凝汽器的不锈钢管改造开始于21世纪初，上海汽轮机厂在淮北发电厂125 MW上进行了改造，因选用管壁厚度较大(0.8 mm)，改造后传热端差增大，凝汽器压力升高。2003年徐州发电厂对200 MW机组进行了改造，在东南大学技术支持下，采用0.5 mm薄壁管，取得了与新机一致的优良业绩。近年，早期国产引进型300 MW机组，甚至600 MW凝汽器的铜管已到寿命周期，均陆续进行了不锈钢管改造，如华电望亭、华能太仓、大唐徐塘及陕西韩城等电厂均实施了铜管更换为不锈钢管的改造，基本达到了预期效果。

4 凝汽器改造的选型设计

4.1 冷却管材的选择

铜材因其优良的导热性能，成为电站凝汽器的传统管材，故习惯上将凝汽器的冷却管称为凝汽器铜管。然而，铜材耐蚀(腐蚀、冲蚀)性能较差，泄漏、结垢等严重影响机组运行经济性和增大发电厂维修费用，用高性能不锈钢替代传统铜管已成为电力企业凝汽器改造的技术发展主流趋势。

表1列出了304不锈钢与黄铜管的几项重要性能数据比较，从表中可以看出304不锈钢管的强度比黄铜管大得多，弹性磨量是黄铜管1.78倍，热膨胀系统最接近碳钢(碳钢热膨胀系数12×10-6/℃)，导热系数为黄铜管的14.95%，因此除导热系数外，其它性能均优于黄铜管[2]。

表1 304不锈钢与黄铜管性能比较

凝汽器采用薄壁不锈钢管改造后，冷却管的质量至少减少1/2，对落地式凝汽器，不产生基础载荷、支承机械强度等问题。不锈钢的热膨胀系统小于铜，并且弹性模量高于铜，故凝汽器改造后的工况适应性更好。

在电站凝汽器中，用不锈钢管替代铜管，不锈钢管的壁厚通常为铜管的1/2，故改造后不锈钢管的导热热阻约为原铜管的3.72倍。但通过增大传热面积补偿因冷却管导热性能下降产生的传热性能缺失，并且通过优化管束布置，提高传热管的利用率，从而使凝汽器改造后的性能可以超过改造前的水平[3]。

4.2 管径、管数的选择

国内外电站凝汽器的性能分析，均以对数平均温差为计算模型，总传热量Q计算式为：

(1)

式(1)中，v为冷却管内水的流速；K1与管径相关的常数，管径大，其值小；FW为冷却水进口温度修正系数，是温度的非线性函数，温度高，其值大；FM为冷却管材料修正系数，与材料的导热性能和壁厚有关，导热性能好、壁厚薄，其值大；FC为清洁系数，与冷却水的结垢趋势有关，冷却水清洁和不易结垢，取大值。

其中，对数平均温差:

(2)

对于表面式蒸汽凝汽器，有效传热面积决定于管径、管数和有效管长， 即:

Ac=πndl

(3)

式(3)中，n为管数；d为冷却管的外径；l为管长。

凝汽器冷却管内的流速决定于冷却水的流通截面，而冷却水的总流通截面决定于管径、壁厚、管数和冷却水的流程数，即：

(4)

式(4)中，δ为管壁厚度；p为冷却水的流程数。DW为冷却水量。

由(3)和(4)式变换得:

(5)

式(5)给出了凝汽器有效传热面积与管径、有效长度、流程数、总流量、流速的对应关系。在凝汽器改造中，循环冷却水量一定，在冷却管长度和流速保持不变条件下增大传热面积，可以减小管径，或增大流程数。

(6)

式(6)显示，凝汽器的总传热量与管数、流程数的平方根成正比，与管径成反比。考虑到凝汽器改造中，循泵及凝汽器外壳不作改造，因此，在管长和冷却水量一定时，减小管径和增加管数，可以增大传热量。

在凝汽器不锈钢管改造中，由于不锈钢管的表面硬度大，不仅抗磨性能远优于铜管，而且在冷却水中泥沙冲刷下也不易产生划痕，进而在其表面不易形成垢核，因此，不锈钢管的阻垢性能也优于铜管。在通常凝汽器的清洁系数设计中，铜管取0.85，不锈钢管取0.9。即在相同流速下，凝汽器的总体传热系数，不锈钢管比铜管高12.5%。

管径对凝汽器性能的影响，还体现在流动阻力方面。凝汽器的流动阻力主要表现为管端及进、出水室阻力损失和冷却管的沿程阻力损失。在传热面积、管长和循环冷却水量一定时，减小管径，将使管程的流动阻力损失增加很大。

#1机组凝汽器不锈钢管改造的热力设计，基于循环冷却水量、管材、壁厚、管长、清洁系数等数据确定后，在循环冷却水进口温度为20 ℃时低压凝汽器压力为3.86 kPa为设计目标。图1给出了4种管径(冷却管径25.4 mm为铜管)对应的传热面积和水阻。

图1 凝汽器换管改造不同管径时的传热面积、水阻的比较

由图1可见：管径大于Φ22 mm时，需增加较大的传热面积才能满足传热性能要求，尽管水阻小于原铜管凝汽器，但冷却管内水速过低，不利于阻垢的抗腐蚀，故不宜选用；管径小于Φ21 mm时，增加不多的传热面积即可满足传热性能要求，但水阻增加很大，导致循环冷却水量减少，凝汽器的压力达不到要求值，加上管径减少，循环水中的杂质也易堵塞水管，更不宜选用。因此，对于国信扬电#1机组凝汽器的不锈钢管改造，管径采用Φ22 mm。

由表2和图2可见，随管数和传热面积的减少、循环冷却的流通截面的增大，凝汽器的传热端差增大、压力上升、水阻提高。当总管数减小到59800时，冷却管内的水速及高、低压凝汽器压力接近原凝汽器的水平，水阻高于原铜管凝汽器0.4 m H2O，约为循环水泵扬程的2.4%，由此减小循环冷却水量约1.56%，折算循环冷却水温升0.07 ℃。此方案下凝汽器的性能稍逊于铜管，但差异不显著，因为不锈钢管凝汽器计算中，清洁系数取值偏于保守，因此，管径Φ22 mm时管数59800根作为本次改造方案。

图2 管径22 mm时不同管数下凝汽器压力和水阻的对应关系表2 管径Φ22 mm时不同管数的热力与流动性能计算数据

项目低压侧高压侧低压侧高压侧低压侧高压侧低压侧高压侧管数/根3040030400294002940028400284002740027400总传热面积/m221933.321933.321211.821211.820490.320490.319768.819768.8冷却水流速/(m/s)1.8791.8791.9421.9422.0112.0112.0842.084清洁系数0.870.870.870.870.870.870.870.87焓差/(kJ/kg)23832381.22382.82380.92382.62380.72382.42380.7排汽温度/℃28.332.5828.3932.6628.4932.7628.5932.86排汽压力/℃3.864.9133.8814.9373.9024.9633.9254.99冷却水温升/℃4.474.484.474.484.474.484.474.48传热端差/℃3.833.633.923.724.023.814.123.91对数平均温差/℃5.785.575.8745.6685.9795.7636.0845.868冷却水水阻/(m H2O)2.7772.7222.9492.89093.1383.0773.3473.281

管束布置是影响凝汽器性能的重要因素。增大管束周界长度，降低蒸汽进入周界冲击管束区的流速，简化蒸汽流程，均衡管束区蒸汽流量和凝结负荷分布，直通式汽、气混合物通道，消除不凝结气体滞留区，是凝汽器先进管束布置的关键要素。

BALCKE-DÜRR公司模块化(如图3所示)管束布置，具备先进管束布置的技术特征，汽侧传热与流动性能理论上优于Senior公司模式。B-D模块化管束布置已在国内大型机组上得到较多应用，且取得很好的应用业绩。因此本次凝汽器换管改造中，由于不更换水室及管长，通过采用单模块X型管束(西安协力公司专利)，该管束是将塔形管束增加布管密度后的改进管束，提高传热面的有效利用率，由此补偿不锈钢管导热性能差对凝汽器性能的影响，从而使改造后的凝汽器的整体性能超过改造前的水平。

图3 改造后的冷却水管布置方式

5 改造后经济效益分析

#1机铜管凝汽器不锈钢管改造的经济效益，体现在相对现役凝汽器的性能提高的直接效益方面，以及消除冷却管泄漏、保证胶球清洗正常投运、维持水侧传热面优良清洁状态的间接效益方面。

改造完成后，对#1机凝汽器选取两组修前、修后参数进行了对比工作，主要结果如表3所示。

从表3数据可知，本次改造达到以下效果。

(1)在额定负荷时，凝汽器压力每变化1 kPa，影响煤耗率约3 g/(kW·h)[4],由于#1机组凝汽器更换不锈钢管，在相同循环水温度、负荷情况下，高、低压凝汽器排汽压力修后比修前平均下降0.2～0.3 kPa，排汽温度下降0.5～1.2 ℃。影响煤耗约0.7 g/(kW·h)，按每台机组年发电35亿kW·h，年节省标煤2450 t。

(2)凝汽器改造前后的通流面积分别为9.79 m2，10.14 m2，改造后循环水通流面积略微增加，循环水阻力变化不大，循泵电流与改造前略微下降。

6 结论与建议

#1机组凝汽器铜管全部更换为304不锈钢管，取得了较好的结果，凝汽器换管改造后，不仅凝汽器的冷却水管的强度、抗振性能、耐腐蚀性能比原先的铜管优越，而且消除了原来凝汽器的泄漏问题，更重要是通过合理地选择冷却水管的管径及布置方式，反而提高凝汽器的经济性能，因此针对凝汽器换管改造中完全可以将铜管改为不锈钢管。

表3 #1机凝汽器换管前后部分运行数据比较