淺談蒸汽冷卻器下端差對設計的影響及系統優化

臧傳奇，石乾宇，蔣 宇

（哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱150046）

淺談蒸汽冷卻器下端差對設計的影響及系統優化

臧傳奇，石乾宇，蔣 宇

（哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱150046）

讓汽輪機的部分抽汽，先經過3號高壓加熱器的外置蒸汽冷卻器后，再進入3號高加內，利用此類加熱裝置，可提高機組的換熱效率。蒸汽冷卻器出口蒸汽溫度的設定，對蒸汽冷卻器及3號高壓加熱器的設計方案有很大的影響，選定合理的蒸汽出口溫度，才能使蒸汽冷卻器和高壓加熱器安全經濟地運行。

蒸汽；冷卻器；下端差；卡諾循環；逆流；泄漏；振動；優化

0 概 述

高壓給水加熱器（簡稱高加）利用汽輪機的抽汽加熱鍋爐給水，可提高系統的換熱效率，節省燃料，并有助于機組安全運行。抽汽在高加殼側內通過，將經過過熱蒸汽冷卻段、凝結段和疏水冷卻段。鍋爐給水則在管側內通過，與蒸汽的流向相反，將經過疏水冷卻段、凝結段和過熱蒸汽冷卻段，達到預期的給水溫升后，再被排出高加。目前，機組的高加系統布置，常采用3級高加回熱系統，如圖1所示。

現以某型660 MW機組為例，該機組不帶蒸汽冷卻器，機組的運行參數，如表1所示。

圖1 3級高加系統的布置圖

表1 某型660 MW機組的運行參數

根據卡諾定理，當工質在兩個恒溫熱源（T1和T2）之間循環，不管采用什么工質，如果是不可逆的，其熱效率恒小于1-T2/T1[1]。也就是說溫差越大，換熱過程中產生的不可逆損失也就越大。從表1可知，3號高加的給水溫度低于1號和2號高加的給水溫度，但是抽汽溫度卻比1號和2號高加的溫度，要高出很多，顯然3號高加的抽汽溫度沒有被充分利用。用3號高加的抽汽先加熱1號高加出口的給水，然后再進入3號高加，這樣，蒸汽冷卻器（簡稱蒸冷器）也就應運而生。系統布置了蒸冷器后，可更好地應用卡諾循環，提高機組的換熱效率。蒸冷器與高加的系統布置，如圖2所示。蒸冷器的設置，涉及到與各高加（尤其是3號高加）的匹配變化。現探討一些常見的布置方法，以尋找更好的設計方案。

圖2 蒸冷器與高加的系統布置

1 蒸冷器的設計優化

目前，設計蒸冷器時，常按給水分流量進行設計。一部分鍋爐給水流經蒸冷器后被加熱，另一部分從旁路經過，兩部分給水混合后，達到預計的給水溫升，再進入鍋爐。按分流量設計的蒸冷器，可有效減少換熱管的數量，降低蒸冷器的重量，為電廠建設節約成本。分流量越小，蒸冷越小。但是，為了達到預期的溫升，分流量越小，流經蒸冷器的給水溫升就得越高。現常用的殼側蒸汽流動模式，如圖3所示。

圖3 殼側蒸汽流動模式

這種殼側蒸汽順逆混合流動的管束，對包殼和隔板的設計較簡單。但是流經蒸冷的給水溫升不能過高，在理論上，不能使給水出口溫度高于蒸汽出口溫度，也就是說分流量的多少與蒸冷器的下端差（這里指蒸冷器的蒸汽出口溫度與給水入口溫度的差）有密切關系。按圖3所示布置的蒸冷器，若加熱蒸汽出口溫度低于給水出口溫度，那么，加熱蒸汽在折流過程中，就可能出現較低溫度的蒸汽與較高溫度的給水相遇的情形。根據熱力學第二定律，熱量不能由低溫物體傳送到高溫物體，而是自發的從高溫物體傳遞給低溫物體。因此，此處就將出現逆向傳熱，也就是說給水向蒸汽傳熱，所以，蒸冷器的運行必須杜絕出現這種現象。設計時，控制蒸汽出口溫度高于給水出口溫度，以此作為控制分流量的下限。

下端差越高，蒸冷器的分流量越少。但過高的下端差，意味著出口蒸汽需有更高的過熱度，如果高品質的蒸汽，沒有被用以加熱溫度更高的蒸冷器給水，而是加熱溫度較低的3號高加的給水，將會造成更多不可逆的熱損失。

比對各項工程中的汽機熱平衡圖，在目前的設計方案中，對蒸冷器下端差的設定，有著很大的差別，通常設定為10～15℃，也有設定40℃左右的較高端差。隨著我國節能減排指標的提高，機組的運行參數越來越高，蒸冷器下端差的設定值越來越低，有時甚至設定為5℃。這樣就對蒸冷器的設計方案提出了更高要求。根據蒸冷器為5℃的下端差，若仍然采用圖3所示的順逆混合布置，欲保證蒸汽出口溫度高于給水的出口溫度，那么蒸冷器就要采用全流量設計，這是不可取的，而且，采用順逆混合方式，將使蒸冷器的換熱面積增大。

換熱器的換熱量計算公式[2]：

式（2）中：F—對數溫差校正系數。

順逆混合的換熱面積A的計算：

由于對數溫差校正系數F為小于1的正數，所以，如采用圖3所示的布置，將使換熱面積更大，造成浪費。因此，蒸冷器最好選擇順流或者逆流。

蒸汽在換熱過程中不斷被降溫，給水就在換熱管內升溫。采用較高溫度的蒸汽，在給水出口處加熱較高溫度的給水，用較低溫度的蒸汽，加熱給水入口處較低溫度的給水，即為蒸冷器的全逆流的布置。這是在蒸冷器的內部設計中再一次利用了卡諾循環，降低了換熱過程中不可逆的熱損失。蒸冷器的全逆流布置，如圖4所示。

圖4 蒸冷器的全逆流布置

這種純逆流結構在計算換熱面積時，可避免引入對數溫差矯正系數F，降低了換熱面積。逆流布置的蒸冷器的換熱面積A，按公式（3）進行計算：

這種方式布置設計的蒸冷器，不僅換熱面積小，還因為蒸汽是純逆流，不必擔心給水出口溫度高于蒸汽出口溫度，從而獲得更小的蒸冷分流量，同時，也能降低設備的重量。

2 高加的設計優化

系統增設了蒸冷器后，提高了高加系統（尤其是3號高加）運行的安全性。通常情況下，高加管板與換熱管的連接，采用焊接加脹接的連接方式。對于管端焊縫，需進行100%無損檢測和氦檢漏。盡管如此，運行中的高加，在換熱管與管板的連接焊縫處，還是很容易出現泄漏現象。

據統計，3號高加的換熱管比1號、2號高加更容易發生泄漏。泄漏位置常位于高加給水出口處的換熱管與管板的連接焊縫，此處與高加的過熱段較近。引起高加泄漏的原因很多，比如3號高加抽汽溫度與給水溫度相差較大，換熱管兩側的壓差大，高加過熱段靠近管板，3號高加過熱段內的蒸汽流速過快，蒸汽在過熱段內沖刷換熱管，引發振動。因此，在設計高加時，計算和校核蒸汽在過熱段內的流速，選擇合適的蒸汽與換熱管的對流傳熱系數[3]。

傳熱系數按式（4）計算：

式（4）中：（Rex）—以x為特征長度的雷諾數，

由式（4）可知，蒸汽的流速越快，對流傳熱系數就越大，所需的換熱面積越小。但是，過高的蒸汽流速，可能引發換熱管的振動。在管殼式換熱器內，當流體橫向流過管束時，流體誘發振動的主要成因有[2]：

（1）卡門漩渦激振（有聲振動或無聲振動）。

（2）湍流抖振（有聲振動或無聲振動）。

（3）流體彈性不穩定。

誘發振動的機理多樣而復雜，但都與蒸汽流速有直接關系。以誘發振動的卡門漩渦激振為例，當流體橫向流經管子時，在管子背面的尾流處，將產生卡門漩渦。當漩渦從換熱器管子的兩側周期性交替脫離時，便在管子上產生周期性的升力和阻力。這種流線譜的變化，引起了壓力分布的變化，使作用在換熱器管子上的流體壓力的大小和方向發生變化，最后引起管子的振動[5]。設計高加時，在確保換熱管不產生振動的同時，盡量選擇較大的蒸汽流速。由漩渦脫落引起的振幅，在一定范圍內是可以接受的，但不得超過規定的限值范圍，應控制振幅Y≤0.02D[5]，其中D為換熱管的外徑。

振幅Y的計算公式為：

式（5）中：V—蒸汽橫掠管子的流速，m/s。

計算蒸汽橫掠管子的流速公式為：

式（6）中：V—蒸汽流速，m/s；

Q—體積流量，m3/s；

G—蒸汽流量，kg/s；

v—蒸汽比容，m3/kg；

A—流道面積（與管束的布置形式有關），m2。

從式（6）可知，蒸汽橫掠管子的流速與體積流量成正比。以表1所示的工程為例，3號高加的蒸汽體積流量Q，分別是1號、2號高加的4.6和2.2倍，在同等的流道面積下，其蒸汽流速更快，而振幅與蒸汽流速的平方成正比，所以，3號高加的振幅比1號、2號高加的振幅更大，更接近允許振幅的上限。

設計高加時，通過對管束的合理布置，將換熱管的振幅控制在標準要求的限徝內。因此，很少出現高加換熱管在過熱段內因振動而被破壞的情況。被破壞的換熱管，常出現在靠近過熱段一側管子管板的焊縫連接處，此焊接處往往是結構的薄弱區域，因連接處的結構發生了突變，容易出現應力集中現象。同時，3號高加換熱管內外壁的壓差，比1號、2號高加的壓差大，焊接處的拉應力也大于1號、2號高加。換熱管承受的振動能量，將以機械波的形式，通過換熱管傳遞至管子管板的連接焊縫。高加長期運行后，管子管板的連接焊縫會出現疲勞損傷，從而導致換熱管的泄漏。

3號高加過熱段內的蒸汽流速過快，將造成換熱管被破壞，太慢，又將影響高加的換熱效率。增設蒸冷器后，減少了3號高加管端處的泄漏。在設計3號高加時，不再設置過熱段，通過降低蒸冷器的下端差，使進入3號高加蒸汽的過熱度降低。蒸汽進入3號高加后，可直接進入凝結段。在凝結換熱過程中，表面傳熱系數與蒸汽流速無關，不需要增加流速以提高傳熱系數，因流速不高，故不存在蒸汽因折流而導致管束振動。當蒸汽充滿殼側后，將以較慢的流速，從換熱管束的外圍向管束的中心流動并凝結。整個凝結過程中，高加無振動，所以，高加的運行將更安全。

3 結 語

設定了合理的蒸冷器下端差，優化了蒸冷器設計，并改進了3號高加的殼程布置形式。蒸冷器的純逆流布置結構，可滿足下端差較小的運行工況，利用更高溫度的蒸汽，加熱較高溫度的蒸冷器給水，可提高機組的熱效率。同時，因蒸汽的過熱度被降低，所以，在設計3號高加時，可取消殼程中的過熱段，使高加的運行更安全。

[1]嚴家碌.工程熱力學[M].北京：高等教育出版社.2006.

[2]GB/T151-2014，熱交換器[S].

[3]鄧元望，袁茂強，劉長青.傳熱學[Z].北京：中國水利水電出版社.2010.

[4]錢頌文.換熱器流體誘導振動基礎[M].武漢：華中工學院出版社.1988.

[5]錢頌文.換熱器設計手冊[M].北京：北京化工出版社.1988.

A Brief Analysis for the Steam Cooler's DCA Influence on Design and System Optimization

ZANG Chuan-qi，SHI Qian-yu，JIANG Yu
（Harbin boiler Co.Ltd.，Harbin 150046，Heilongjiang，China）

Part steam of the turbine shall be flew into high pressure heater No.3（HP-3）after through the external steam cooler of high pressure heater No.3（HP-3），which can increase the efficiency of heat transfer.The temperature of Steam flows out of the steam cooler has a great effect on the design of steam cooler and HP-3，so a reasonable temperature and well design of steam cooler and HP can make the HP system safe and economic.

steam；cooler；DCA；Carnot Cycle；Countercurrent；Leakage；Vibration；optimization

TK264 69

A

1672-0210（2016）02-0001-03

2016-02-04

臧傳奇（1988-），男，畢業于哈爾濱工程大學，從事電站輔機設備的設計工作。