雙流程凝汽器增設中間水溫測點的實踐

吳欣，朱德明，吳寧

(1.華電滕州新源熱電有限公司，山東 滕州 277500； 2.棗莊電力公司，山東 棗莊 277102)

1 設備概況

華電滕州新源熱電有限公司二期機組汽輪機型號為C312/305-16.67/0.5/538/538，機組最大出力可達343 MW；凝汽器為N-18150型單背壓、單殼體、對分雙流程、表面式凝汽器，管束布置形式為卵式，選用管材為TP316L，冷卻管尺寸為?25 mm×0.5 mm/?25mm×0.7 mm(主冷區/頂部及空冷區)；額定冷卻水量為39 920 t/h，設計工作水溫為20 ℃，最高工作水溫為33 ℃；配套循環水泵采用雙速電機，根據環境溫度及機組負荷，可采用雙循環水泵高速并列運行、循環水泵一高速一低速并列運行、雙循環水泵低速并列運行、單循環水泵高速運行、單循環水泵低速運行共5種運行方式來調節冷卻水水量。

自2006年該機組投產以來，為了提高冷端系統的效果及機組的真空度，華電滕州新源熱電有限公司先后進行了增設真空泵工作水冷凍裝置、循環水泵增容改造、利用停機機會對凝汽器進行注水查漏、對凝汽器進行高壓水沖洗等工作，機組的真空度有所好轉，但冷端系統仍存在以下問題：

(1)凝汽器進水溫度低于15 ℃時，會出現進回水溫差高于13 ℃的情況，增開循環水泵提高冷卻水量，真空度提高有限，端差明顯加大；

(2)凝汽器進水溫度高于30 ℃時，采用雙循環水泵高速并列運行方式，機組負荷低于240 MW時，端差接近8 ℃，溫升低于8 ℃；

(3)按照現代凝汽器的理論，過冷度應為0 ℃，但該凝汽器平均過冷度長期為1.5～2.0 ℃，即使在夏季冷卻水進水溫度高達33 ℃時，機組帶滿負荷，過冷度仍在1.2 ℃左右；

(4)凝汽器端差偏高，機組負荷低于70%額定負荷時尤為明顯。

2 測點裝設的必要性

考慮到城市水資源日益緊張的現狀，該期機組建設時，循環水補水設計為城市生活廢水及工業廢水處理后的中水。2009年年底，2臺機組的循環水補水中開始添加城市中水，目前采用城市中水與地表水混用的方式，中水與地表水的水量比例為1∶4。

在中水添加后，加強了對凝汽器停機后的清洗工作，防止結垢。運行中加強循環水水質的監督、排污和加藥處理，以降低結垢的風險。

中水中雜質較多，凝汽器易結垢。若凝汽器管內流速低于1.2 m/s,雜質無法沖走，會導致結垢，因此，添加中水的凝汽器的管內合理流速應在1.5 m/s以上。

根據循環水泵的高、低速銘牌流量，計算不同循環水泵組合工況下的凝汽器管內平均流速，見表1(該計算的假設條件為：以所有冷卻水管內截面之和為總通流面積，4.81 m2；并泵運行工況未考慮并泵的流量損失)。

表1 各運行方式下凝汽器冷卻水流量、流速

由表1可知，在單泵高速、單泵低速運行的情況下，理論流速均低于1.5 m/s，易引起凝汽器結垢。

該雙流程凝汽器的循環水流程為底進上出，循環水由凝汽器底部流入第1道流程，經凝汽器返回水室折向流過上部的第2道流程，換熱流程正好相反。從凝汽器結構及運行工況看，位于上部的第2道流程凝汽器管結垢的可能性大，其原因為：

表2 各工況下凝汽器參數

(1)位于凝汽器上部的第2道流程的進水溫度高于第1道流程中的進水溫度；

(2)由于返回水室處存在水流的折向，第2道流程的供水產生了壓力損失，受壓力場不勻及重力場的影響，個別管內流速將低于平均流速，在這些管內較易結垢。

針對上述情況，在凝汽器的返回水室上增加了水溫測點，測點選用與凝汽器進、出口水溫測點一致的PT100鉑金測點。在返回水室的中部開孔，通過該孔將測點插至返回水室的中部，測量第1道流程所有管束充分混合后的平均水溫。單臺凝汽器增設測點費用約3 000元。通過該測點測定雙流程凝汽器2道流程的換熱效果，通過監督凝汽器上部第2道流程的傳熱效果來監督凝汽器的早期結垢。

3 測點裝設后的應用情況

2012年11月，利用機組停運機會，在凝汽器上增加了返回水室處的水溫測點。投運前，進行了該水溫測點與原進、出水溫測點的標定。2012-11-17，在平均進水溫度為17 ℃左右的情況下，單循環水泵高速運行，機組負荷在穩燃負荷至最高負荷間變化，取24 h的曲線列出參數，見表2。

在循環水總溫升為10 ℃左右的情況下，各溫度下水的焓值接近。由表2可知：凝汽器的第1道流程的換熱效果遠好于第2道流程的換熱效果，且換熱效果的差別在機組負荷低的情況下特別明顯。

取同時間段的凝結水溫度及排汽溫度曲線可知，隨著負荷的變化，凝汽器過冷度在1.5～2.0 ℃范圍內變化。

3.1 設計方面的原因

現行的DL/T 932—2005《凝汽器與真空系統運行維護導則》中，凝汽器傳熱系數的計算公式引用美國傳熱學會HEI—1995《表面式蒸汽凝汽器規范》的規定。

K=K0βcβtβm，

式中：K為總傳熱系數，W/(m2·℃)；K0為基本傳熱系數，W/(m2·℃)；βc為冷卻水入口溫度修正系數；βt為管材和管壁厚修正系數；βm為冷凝管修正系數。

由上述公式看，其對凝汽器傳熱效果的衡量僅從水側考慮，未考慮汽側流速對凝汽器換熱效果的影響，也未考慮凝汽器冷卻水各流程傳熱效果的差別。卵式布置管束凝汽器受凝汽器內部布置的低壓加熱器的影響，汽流易受阻。機組負荷高時，排汽量大，在汽輪機排汽口面積一定的情況下，汽側的平均流速將提高，汽流受阻現象相對減輕，增強了頂部的換熱效果。

由凝汽器的組管配合看，上部流程配管數量略低于下部，上、下部布管比例約為4∶6。上部第2道流程的冷卻面積較下部第1道流程的冷卻面積小，且冷卻水入口溫度比第1道流程高，因此冷卻效果差于第1道流程。

凝汽器頂部第2道流程中，為了保證頂部及空冷區冷卻管的強度，冷卻管壁厚選擇0.7 mm,高于第1道流程主冷區冷卻管0.5 mm的壁厚。按照DL/T 932—2005《凝汽器與真空系統運行維護導則》中推薦的美國HEI標準中的壁厚修正系數，2種壁厚的修正系數分別為0.863及0.912。0.7 mm壁厚的管子較0.5 mm壁厚的管子的傳熱效率降低約5.9%，這部分管子占上部的總管束的15%左右，對換熱效果有一定的影響。

3.2 運行方面的原因

測點裝設完畢后，進入冬季工況，冷卻水溫度低，真空度高，真空系統的漏氣量大，卵式布置的凝汽器的部分管束中易積聚空氣。該凝汽器的抽氣口布置在凝汽器中部第2道流程處，漏入的空氣主要凝聚在凝汽器的上部第2道流程，影響了上部的換熱效果。當機組負荷高時，受排汽量增大的影響，真空度降低，機組漏入的空氣量小，傳熱效果有所好轉。

第2道流程結垢多于第1道流程的結垢，污垢傳熱熱阻約是金屬管壁傳熱熱阻的39倍，極大地影響了第2道流程的傳熱效果。

由新增測點的測量情況看，該凝汽器過冷度大的原因為：在任何工況下，換熱主要由底部的第1道冷卻水完成，越靠近底部的管束，其溫度越低，導致排汽被過度冷卻。

在各工況下，第1道流程的冷卻水溫升為9～11 ℃，可推斷凝汽器下部的結垢在可容忍范圍內。第2道流程的冷卻水溫升為0.1～3.3 ℃，結垢傾向較明顯。

按照上述分析，決定在機組停運后進行凝汽器的加藥清洗，檢查其上部管束布置的合理性及堵管數量，論證抽空氣口的合理性，以進一步提高機組的真空度。

4 結論

(1)雙流程凝汽器中間水溫測點的安裝，對查找凝汽器的冷卻效果不良的原因提供了依據，可在機組檢修時有的放矢地進行清洗。

(2)在凝汽器添加中水或其他較差的水質時，通過該測點，可在線監督其結垢趨勢，發現上部流程溫升變化。

(3)由于水資源緊張，北方新投運的火力濕冷機組多采用添加中水作為補水源的方式，而凝汽器管材多為不銹鋼管材，不銹鋼管材的清潔系數對凝汽器的換熱效果影響極大。添加較差水質的凝汽器要靠膠球清洗系統來保持清潔，若膠球清洗系統運行效果不好，將比完全清潔的不銹鋼凝汽器換熱系數下降17%～28%。若凝汽器在新投運時就安裝此測點，以其在管壁基本清潔的情況下2道流程的溫升為基準值，添加中水后監督上部溫升的變化值，就能達到監督凝汽器早期結垢的目的。

(4)該測點增設，對雙流程凝汽器的漏空氣監督提供了輔助手段。

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