凝汽器强化传热研究

薛倩

摘      要：介绍凝汽设备的组成和目前火电厂常用的凝汽器的类型，分析造成凝汽器效率下降的原因，并根据不同原因介绍目前国内外电厂中对凝汽器采用的改进和优化的措施，主要有降低凝汽器的热负荷、增加凝汽器的传热系数、改变冷却管管束的布置、降低凝汽器的过冷度以及采用不易腐蚀的管材等措施，从而提高了凝汽器的传热效率，达到节能的效果。

关  键  词：电厂;凝汽器;节能

中图分类号：TE626       文献标识码：A       文章编号： 1671-0460（2020）09-2037-04

Abstract： The composition of the condenser equipment and the types of condensers commonly used in thermal power plants were mainly introduced. The reasons for low efficiency of the condenser were analyzed， and the improvement measures of the condensers used in power plants were introduced， including reducing the heat load of the condenser， increasing the heat transfer coefficient of the condenser， changing the arrangement of the cooling tube bundle， reducing the supercooling degree of the condenser， and adopting non-corrosive pipes.

Keyword： Power plant; Condenser; Energy saving

火电厂发电的基础循环为朗肯循环（Rankine Cycle）。循环介质为水，首先水在锅炉中被加热成高温水蒸气，其次高温高压的水蒸气带动汽轮机做功，随后汽轮机推动发电机发电[1]。图1为最简单的凝汽设备示意图，采用水为冷却介质，通常包含有凝汽器、凝结水泵、循环水泵、抽气设备以及连接管道和附属的动力机械设施。循环水泵将冷却水不断地送入凝汽器的冷却水管中，蒸汽在汽轮机做完功后排入凝汽器中，在冷却管外发生相变凝结成水，冷却水将气体凝结中放出的热量带走。凝结水泵将凝结水从凝汽器的热井中抽出后作为锅炉给水再次利用，在凝汽器中的不凝结的空气由抽气设备抽出，从而使凝汽器保持需要的真空。

为了提高汽轮机装置的经济性，对现代凝汽设备提出了如下要求：①应具有较高的传热系数;②对凝结水有较好的回热作用;③蒸汽通过凝汽器冷却管的流动阻力要小;④冷却水在凝汽器中的流动阻力要小;⑤具有良好的除氧性能;⑥有较大的稳定工作范围;⑦气密性高，减少空气漏入量。

目前，汽轮机凝汽器的真空度偏低和严密性差是火电厂机组运行中最普遍存在的问题。凝汽器的真空度偏低对整个机组的经济效益和稳定运行有较大的影响，真空低会产生以下问题：①汽轮机的末级焓降减少，反动度增大，导致引起轴向推力增大;②排汽温度升高，导致低压缸变形从而引起机组振动超标;③机组的能耗增加导致经济效益降低;④如果因漏气导致真空偏低，这样会引起凝结水的含氧量升高，造成设备腐蚀与破坏。

凝汽器运行性能的优劣直接影响电厂的经济效益和运行的可靠性，因此本文主要对近年研究广泛的改善凝汽器工作性能的研究进展进行系统综述，并分析了改进措施的应用前景。

1  凝汽器的节能研究

目前凝汽器按照蒸汽凝结方式分成两种：表面式凝汽器和混合式凝汽器。

混合式凝汽器中排汽和冷却水接触混合后被凝結。图2是两类混合式凝汽器，但是现在较少采用，因为它的凝结水和冷却水是直接接触混合，所以凝结水不能作为现代锅炉的给水。

现代大多数发电厂中采用的是表面式冷凝器，因为表面式凝汽器中，冷却水和蒸汽不是通过接触冷却，而是通过在冷却管的表面换热冷却，这样就能得到达标的凝结水作为锅炉的给水，结构如图3所示。

1.1  降低凝汽器的热负荷

为了提高汽轮机的热效率和降低凝汽器的热负荷，可以通过在冷凝器的喉部增设一个雾化式喷头，改善传热方式，通过直接混合接触传热可吸收一部分蒸汽的凝结热，通过补充的除盐水就能在凝汽器内形成混合式凝汽器，因此降低了凝汽器的热负荷，还提高了真空度。石河子的天富南热电有限公司、杭州的轻华热电公司以及唐山的开滦热电有限公司均采用此装置[2-4]。

安娅琳等为了使机组的真空度保持在较高的水平，通过采用真空泵制冷装置，即通过降低水环式真空泵的工作温度来改善机组的工作效率。结果表明，采用该方式，能够使机组保持较高的真空，一台1 000 MW机组每年可以节省407万元[5]。

谢尉扬等人为了提高凝汽器的效率，对凝汽器的真空系统进行了改造，分别考察了3种措施，即凝汽器严密性、机组负荷率和循环水进水温度对凝汽器真空系统的影响。结果表明，3种方案各有优势，并给出了对3种节能改造方案进行优选的方法，为凝汽器抽真空改造提供了参考[6]。

1.2  增加凝汽器的传热系数

凝汽器中管壁两侧的热阻非常小，管壁自身产生的热阻就可以忽略不计。冷却水一般都不经过处理，因此容易在管壁上结污垢，此时管壁上的污垢就成为换热过程的主要阻力，降低了凝汽器的传热系数，而且罐内的水流速率较慢，一般呈层流状态，也导致凝汽器传热效率低。常采用的措施有：

1）运行过程中，可以通过清洗凝汽器管道中的污垢，来提高凝汽器的传热效率，目前比较普遍采用的方法有超声波、高压水和胶球等清洗，当凝汽器的管壁结垢较多，也可以采用化学或机械清    洗[7-9]。

2）通过在凝汽器管内加装自动除垢强化换热装置，能够有效减小传热端差，增加了蒸汽在汽轮机的可用比焓降，提高循环热效率。自动除垢强化换热装置如图4所示，在机组运行时，利用水的流速驱动螺旋的叶片快速转动，强化换热，同时使管内水流呈现紊流状态，采用安装自动除垢装置能够破坏了污垢的沉积。安装的螺旋叶片和水的密度基本相同，所以螺旋叶片能够浮在管的中心位置，从而保证了在运行过程中不与金属管壁相撞，保证了除垢过程的均一，防止金属表面的氧化膜破坏。王人杰等人指出：60 MW凝汽器，如果采用螺旋纽带自动除垢装置，年平均端差可降低5 ℃，年创效可达400万元[10]。济钢燃气发电一期工程和新矿集团协庄煤矿的自备电厂都采用了此種技术[11-14]。

1.3  改变冷却管管束的布置

凝汽器冷却管管束的布置的合理与否对蒸汽凝结过程有重要的影响，并对其换热性能以及机组的能耗有较大的影响。管束布置不合理将造成蒸汽流场的不合理，由此带来热负荷分布不均匀、局部空气积聚、流动阻力过大、过冷度大、不同凝结程度的气流相互掺和甚至漏气等[15]。合理的管束布置是凝汽器性能保证的基础。目前广泛应用的教堂窗式管束布置形式和将军帽形等管束布置形式，存在涡流死区，有些壳侧流阻过大和过冷度大，并且传热系数比按HEI标准设计要低。针对上述问题，曾辉发明了一种管束气流流场均匀无涡流、壳侧气阻小、热负荷分布均匀、凝结水过冷度小、凝结传热系数和运行真空度都较高的仿生双连树形布置形式，如图5所示。河北西柏坡电厂和山东莱城发电厂2号机组均采用此种管束。

当汽轮机排气经接颈进入凝汽器后，如图6a所示，蒸汽从仿生树形管束的最外围换热管管间进入管束，蒸汽在最外围的换热管区域即仿生疏松树枝区被冷却而冷凝，使得蒸汽流速迅速下降，然后在树形管束区的密集管束区继续被冷却而冷凝，再经中心抽气区即仿生树的树干形抽气区汇集，然后流向空冷区进一步被冷却。由于管束区的外轮廓长度是普通管束的3～6倍，蒸汽进入管束的气阻是普通管束的30%～50%，其壳侧气阻明显小于普通管束。仿生树管束气流流场均匀无涡流、无漏气、无跨区流动，也没有空气聚集区，因此热负荷分布比较均匀，如图6b所示。总换热系数整体比较均匀，并明显高于普通管束，如图6d所示，可比普通管束的换热系数提高20%～30%。同时它较普通的管束，其管束布置得更为紧凑，使得它们互相之间蒸汽畅通地流向管束底部和热井，因而凝结水过冷度小于甚至接近于零[16-18]。

曹荣等[19]为了实现发电厂中凝汽器压力达到规定值，设计了一种新型的仿生布管的凝汽器管束布置方案，并且将管束中的铜管采用不锈钢管代替。结果表明，通过采用仿生布管的凝汽器管束布置方案，凝汽器过冷度小于0.5 ℃，压力降低了0.88 kPa，改进了凝汽器热力循环，增强了凝汽器传热效率，经济和环保效益非常显著。

1.4  降低凝汽器的过冷度

凝结水过冷却，虽然不影响真空度，但对发电厂的经济运行是不利的。如果凝结水过冷却，不仅会导致凝结水面上蒸汽分压降低，而且还会导致气体分压增高，从而使溶解于水中的氧增加。并且凝结水过冷还影响机组的热经济性。田松峰等发明的发电站凝汽器凝结水节能装置如图7所示，此装置不仅在凝汽器的喉部设有喷水装置，并且该装置还设有凝结水部分再循环支路，所述凝结水部分在循环支路的进口联通凝结水泵出口母管，凝结水部分再循环支路的出口与凝汽器喉部喷水装置连通，凝结水部分再循环支路设有并联的再循环换热器和再循环旁路。它使一部分具有过冷度的凝结水，通过喷水装置喷入凝汽器喉部，然后回到热井中，降低了凝结水过冷度。并且通过再循环喷入凝汽器后，被汽轮机排气加热后，温度升高，除氧效果好;并且可使进入凝汽器空气冷却区的气量减少，可以提高凝汽器的真空度[20]。

陈开峰等提出对末级低压加热器正常疏水进行回热利用，降低凝结水的过冷度，回收了末级低压正常疏水的能量，该方法能够使凝汽器的凝结水过冷度下降1～2 ℃，提高了机组运行的经济性[21]。

王刚等人分析了目前凝汽器真空度偏低时的判定依据，并根据实际情况提出了两个概念，即极限和最佳真空度，用于指导汽轮机组的高效运行[22]。

1.5  其他

管道材料也对凝汽器换热性能有着至关重要的影响。目前多采用钛管等作为传热管，主要由于钛管具有特殊的凝结表面，使传热管不容易被腐蚀。并且这种特殊的表面能够有效地增加水滴的滴落，能够形成薄薄的液膜，增加了传热效率[7，15]。

2  结 论

节约能源是我国的一项基本国策。凝汽器设备作为热力循环的“冷端”，在火力发电站凝汽器式汽轮机组中起着重要的作用。其中凝汽器的真空度是汽轮机最为关注的经济指标，其工作性能直接关系着汽轮机的效率和热经济性。凝汽器运行性能的优劣，主要表现在凝汽器压力（真空）、凝结水过冷度和凝结水品质等几个方面。采用降低凝汽器的热负荷、增加热传递系数、改变冷却管的布置等方法来改变凝汽器的工作性能，能使其达到最佳的运行效果。

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