針對岱莊煤礦熱電廠凝汽器銅管在實際使用中會出現結垢、易腐蝕泄漏、降低汽輪機組真空度、影響鍋爐水質等弊端,在比較凝汽器鋼管與不銹鋼管特性的基礎上,提出了一種采用不銹鋼多向擾流強化換熱管替代銅管的改造方案;闡述了汽輪機組凝汽器的傳熱熱阻特點,分析了影響凝汽器傳熱效果的主要因素。該改造方案的實施提高了凝汽器的換熱效率,提高了凝汽器排氣真空值。

淄博礦業集團岱莊煤礦熱電廠始建于20008,配置兩爐兩機,總裝機容量為2×12MW,是一座煤矸石綜合利用發電廠?,F代發電廠一般采用表面式凝汽器,凝汽器是建立和維護汽輪機排氣真空的重要熱交換設備,凝汽器的結構主要以雙流程表面式居多,凝汽器內部空間由銅管分隔成2個部分:一部分為蒸汽空間,在銅管壁外;另一部分為冷卻水空間,在銅管內。蒸汽與銅管外表面接觸,冷卻水與銅管內表面接觸,蒸汽放熱經銅管壁傳給冷卻水,使排汽冷卻成為純凈的凝結水,重新供給鍋爐用水。岱莊煤礦熱電廠使用的凝汽器型號為N-1000-1,其內部采用銅鋅合金不銹鋼管作為換熱材料,規格為Ф20×1×4562,數量為3540根。凝汽器的循環冷卻系統工藝流程如圖1所示。汽輪機做功以后的乏汽進入凝汽器汽室內冷卻,汽室要保持高度真空。在循環水入口溫度一定的情況下,凝汽器中起熱交換作用的銅管的導熱性能是凝汽器熱效率的關鍵因素。隨著機組運行年限的加長、設備老化加劇等原因,發電量近兩年呈下降趨勢,尤其是夏季機組真空低帶不滿負荷的問題是制約發電量的主要因素之一。凝汽器銅管在實際使用中也會出現結垢、易腐蝕泄漏、降低汽輪機組真空度、影響鍋爐水質等弊端。針對這些問題,岱莊煤礦熱電廠于20099月對原有的凝汽器進行了改造,將原來凝汽器使用的銅管更換為不銹鋼多向擾流強化換熱管,取得明顯效果,發電機組夏季實現滿負荷運轉,提高了發電機組的經濟性。

1凝汽器銅管與不銹鋼管的比較

凝汽器采用的傳統銅管由于耐腐蝕性差,常因腐蝕導致泄漏、堵管,或者因表面結垢而嚴重影響機組運行效率、可靠性,甚至嚴重威脅到機組的安全運行。

盡管不銹鋼管的導熱系數比銅管低很多,但是不銹鋼管的強度和硬度比銅管高,抗振能力強,因而其管壁可以比銅管薄;不銹鋼管耐磨蝕和沖蝕,允許流速可達3m/s以上,因而對流放熱系數得以增大,從而彌補導熱系數低的弱點;此外,不銹鋼管耐氨蝕,表面清潔系數比銅管高,污垢熱阻小。雖然不銹鋼的導熱系數只有銅合金的1/61/7,但是通過減小管壁厚、加大管內冷卻水流速或直接加大設計面積,其換熱效果可以超過銅管;此外,不銹鋼管適合在表面加工各種強化換熱結構,因而能使凝汽器傳熱過程中起主導作用的凝結放熱熱阻、對流放熱熱阻和污垢熱阻大幅下降,而且不銹鋼管的使用壽命是銅管的23,年維護成本比銅管低。因此,在凝汽器中使用不銹鋼強化換熱管可以達到安全性、可靠性、經濟性的完美統一。

2凝汽器不銹鋼多向擾流強化換熱管的傳熱阻力分析與特點

凝汽器的傳熱阻力主要由4部分構成:對流放熱熱阻、污垢熱阻、管壁導熱熱阻、凝結放熱熱阻,而管壁導熱熱阻僅占5%左右,起決定性作用的是污垢熱阻、對流放熱熱阻和凝結放熱熱阻,如圖2所示。

在凝汽器汽側,最有效的辦法是將蒸汽的膜狀凝結變為珠狀凝結,在水側采用減薄附面層的辦法降低對流熱阻,經常清洗管壁以減少污垢來降低污垢熱阻。

不銹鋼多向擾流強化換熱管除了具有橫紋管的渦流強化作用外,還具有螺旋槽管的漩流強化換熱作用和表面粗糙管的強化換熱效果,能有效地降低湍流狀態下的對流熱阻;多向擾流管外壁的菱形花紋能有效地阻止凝結水膜的形成,變低效的膜狀凝結為高效的珠狀凝結,因此,凝結放熱系數得以提升;加之不銹鋼的清潔系數是銅管的1.29,污垢熱阻大大減小。因此,與銅管相比,不銹鋼多向擾流強化換熱管總體傳熱熱阻得到大幅下降,傳熱系數大大提升,通過現場采集的數據計算,其總體傳熱系數比銅管高22%以上。

不銹鋼多向擾流強化換熱管將換熱強化和機械強化有效地結合在一起,克服了單向螺旋槽管由于彈簧效應而產生的不銹鋼管剛度降低的缺點,能適應很廣的水速范圍,既有低速層流狀態的漩流強化作用,又有高速紊流狀態下的渦流強化效果,具有高換熱效率、低成本、抗腐蝕、抗結垢、抗振(一高、一低、三抗)的特點。

抗結垢:污垢的沉著與管壁附面層有關,三維擾流結構徹底破壞了附面層,因而污垢不易附著;此外,網狀擾流結構能充分利用水流的沖蝕作用,使附著的污垢呈離散的鱗片狀分布,在熱脹差和水流的沖擊下很容易脫落,具有自潔作用;另外,硬垢的沉著與管壁溫度有關,溫度越高,硬垢越易析出,由于傳熱的改善導致排汽溫度降低,管壁溫度也相應地降低,故硬垢不易析出。

抗腐蝕:換熱管的腐蝕主要是因為積垢而產生的垢下腐蝕,抗垢特性使得垢下腐蝕減輕或不復存在,加之不銹鋼材料具有良好的抗腐蝕性能和耐沖蝕能力,因而抗蝕能力大大提升。

抗振:網狀三維結構相當于工字鋼的筋,加強了不銹鋼管軸向和徑向剛度,使得同樣壁厚的不銹鋼管具有更高的剛度,抗振性能得以提高。

3應用

淄博礦業集團岱莊煤礦熱電廠通過應用不銹鋼多向擾流強化換熱管替換銅管,使汽輪機組真空度提高-5kPa,機組安全性和可靠性得到提高,同時最大限度地提高了經濟性。更換的不銹鋼多向擾流強化換熱管規格為Ф20×0.6×4562,單臺數量為3540,改造工期為20d。凝汽器換管前后參數對比如表1所示。

從表1可看出,采用不銹鋼多向擾流強化換熱管替換銅管后,凝汽器換熱效果好壞最直接的指標———端差和真空值發生了巨大變化;發電機組負荷由9MW提高到12MW,實現了滿負荷運行。

4結語

淄博礦業集團岱莊煤礦熱電廠通過采用不銹鋼多向擾流強化換熱管替代原來凝汽器使用的銅管,改造后取得了明顯的效果:

(1)不銹鋼多向擾流強化換熱管在凝汽器改造中的應用有效解決了夏季機組真空低、發電機帶不滿負荷的現狀,推動了企業節能降耗工作。

(2)不銹鋼多向擾流強化換熱管的應用降低了凝汽器的維護維修工作量,延長了凝汽器的使用壽命。

(3)改造后,凝汽器換熱系數得到大大提高,實現了冷卻水的高效換熱,可將真空值提高-5kPa,發電機組負荷單臺提高3MW,取得了良好的經濟效益和社會效益。