针对岱庄煤矿热电厂凝汽器铜管在实际使用中会出现结垢、易腐蚀泄漏、降低汽轮机组真空度、影响锅炉水质等弊端,在比较凝汽器钢管与不锈钢管特性的基础上,提出了一种采用不锈钢多向扰流强化换热管替代铜管的改造方案;阐述了汽轮机组凝汽器的传热热阻特点,分析了影响凝汽器传热效果的主要因素。该改造方案的实施提高了凝汽器的换热效率,提高了凝汽器排气真空值。

淄博矿业集团岱庄煤矿热电厂始建于20008,配置两炉两机,总装机容量为2×12MW,是一座煤矸石综合利用发电厂。现代发电厂一般采用表面式凝汽器,凝汽器是建立和维护汽轮机排气真空的重要热交换设备,凝汽器的结构主要以双流程表面式居多,凝汽器内部空间由铜管分隔成2个部分:一部分为蒸汽空间,在铜管壁外;另一部分为冷却水空间,在铜管内。蒸汽与铜管外表面接触,冷却水与铜管内表面接触,蒸汽放热经铜管壁传给冷却水,使排汽冷却成为纯净的凝结水,重新供给锅炉用水。岱庄煤矿热电厂使用的凝汽器型号为N-1000-1,其内部采用铜锌合金不锈钢管作为换热材料,规格为Ф20×1×4562,数量为3540根。凝汽器的循环冷却系统工艺流程如图1所示。汽轮机做功以后的乏汽进入凝汽器汽室内冷却,汽室要保持高度真空。在循环水入口温度一定的情况下,凝汽器中起热交换作用的铜管的导热性能是凝汽器热效率的关键因素。随着机组运行年限的加长、设备老化加剧等原因,发电量近两年呈下降趋势,尤其是夏季机组真空低带不满负荷的问题是制约发电量的主要因素之一。凝汽器铜管在实际使用中也会出现结垢、易腐蚀泄漏、降低汽轮机组真空度、影响锅炉水质等弊端。针对这些问题,岱庄煤矿热电厂于20099月对原有的凝汽器进行了改造,将原来凝汽器使用的铜管更换为不锈钢多向扰流强化换热管,取得明显效果,发电机组夏季实现满负荷运转,提高了发电机组的经济性。

1凝汽器铜管与不锈钢管的比较

凝汽器采用的传统铜管由于耐腐蚀性差,常因腐蚀导致泄漏、堵管,或者因表面结垢而严重影响机组运行效率、可靠性,甚至严重威胁到机组的安全运行。

尽管不锈钢管的导热系数比铜管低很多,但是不锈钢管的强度和硬度比铜管高,抗振能力强,因而其管壁可以比铜管薄;不锈钢管耐磨蚀和冲蚀,允许流速可达3m/s以上,因而对流放热系数得以增大,从而弥补导热系数低的弱点;此外,不锈钢管耐氨蚀,表面清洁系数比铜管高,污垢热阻小。虽然不锈钢的导热系数只有铜合金的1/61/7,但是通过减小管壁厚、加大管内冷却水流速或直接加大设计面积,其换热效果可以超过铜管;此外,不锈钢管适合在表面加工各种强化换热结构,因而能使凝汽器传热过程中起主导作用的凝结放热热阻、对流放热热阻和污垢热阻大幅下降,而且不锈钢管的使用寿命是铜管的23,年维护成本比铜管低。因此,在凝汽器中使用不锈钢强化换热管可以达到安全性、可靠性、经济性的完美统一。

2凝汽器不锈钢多向扰流强化换热管的传热阻力分析与特点

凝汽器的传热阻力主要由4部分构成:对流放热热阻、污垢热阻、管壁导热热阻、凝结放热热阻,而管壁导热热阻仅占5%左右,起决定性作用的是污垢热阻、对流放热热阻和凝结放热热阻,如图2所示。

在凝汽器汽侧,最有效的办法是将蒸汽的膜状凝结变为珠状凝结,在水侧采用减薄附面层的办法降低对流热阻,经常清洗管壁以减少污垢来降低污垢热阻。

不锈钢多向扰流强化换热管除了具有横纹管的涡流强化作用外,还具有螺旋槽管的漩流强化换热作用和表面粗糙管的强化换热效果,能有效地降低湍流状态下的对流热阻;多向扰流管外壁的菱形花纹能有效地阻止凝结水膜的形成,变低效的膜状凝结为高效的珠状凝结,因此,凝结放热系数得以提升;加之不锈钢的清洁系数是铜管的1.29,污垢热阻大大减小。因此,与铜管相比,不锈钢多向扰流强化换热管总体传热热阻得到大幅下降,传热系数大大提升,通过现场采集的数据计算,其总体传热系数比铜管高22%以上。

不锈钢多向扰流强化换热管将换热强化和机械强化有效地结合在一起,克服了单向螺旋槽管由于弹簧效应而产生的不锈钢管刚度降低的缺点,能适应很广的水速范围,既有低速层流状态的漩流强化作用,又有高速紊流状态下的涡流强化效果,具有高换热效率、低成本、抗腐蚀、抗结垢、抗振(一高、一低、三抗)的特点。

抗结垢:污垢的沉着与管壁附面层有关,三维扰流结构彻底破坏了附面层,因而污垢不易附着;此外,网状扰流结构能充分利用水流的冲蚀作用,使附着的污垢呈离散的鳞片状分布,在热胀差和水流的冲击下很容易脱落,具有自洁作用;另外,硬垢的沉着与管壁温度有关,温度越高,硬垢越易析出,由于传热的改善导致排汽温度降低,管壁温度也相应地降低,故硬垢不易析出。

抗腐蚀:换热管的腐蚀主要是因为积垢而产生的垢下腐蚀,抗垢特性使得垢下腐蚀减轻或不复存在,加之不锈钢材料具有良好的抗腐蚀性能和耐冲蚀能力,因而抗蚀能力大大提升。

抗振:网状三维结构相当于工字钢的筋,加强了不锈钢管轴向和径向刚度,使得同样壁厚的不锈钢管具有更高的刚度,抗振性能得以提高。

3应用

淄博矿业集团岱庄煤矿热电厂通过应用不锈钢多向扰流强化换热管替换铜管,使汽轮机组真空度提高-5kPa,机组安全性和可靠性得到提高,同时最大限度地提高了经济性。更换的不锈钢多向扰流强化换热管规格为Ф20×0.6×4562,单台数量为3540,改造工期为20d。凝汽器换管前后参数对比如表1所示。

从表1可看出,采用不锈钢多向扰流强化换热管替换铜管后,凝汽器换热效果好坏最直接的指标———端差和真空值发生了巨大变化;发电机组负荷由9MW提高到12MW,实现了满负荷运行。

4结语

淄博矿业集团岱庄煤矿热电厂通过采用不锈钢多向扰流强化换热管替代原来凝汽器使用的铜管,改造后取得了明显的效果:

(1)不锈钢多向扰流强化换热管在凝汽器改造中的应用有效解决了夏季机组真空低、发电机带不满负荷的现状,推动了企业节能降耗工作。

(2)不锈钢多向扰流强化换热管的应用降低了凝汽器的维护维修工作量,延长了凝汽器的使用寿命。

(3)改造后,凝汽器换热系数得到大大提高,实现了冷却水的高效换热,可将真空值提高-5kPa,发电机组负荷单台提高3MW,取得了良好的经济效益和社会效益。