凝汽器管束布置方式優化及應用效果分析

曹榮，寧玉琴，胡清

(1.華電電力科學研究院，杭州 310030；2.杭州華電能源工程有限公司，杭州 310030)

凝汽器管束布置方式優化及應用效果分析

曹榮1,2，寧玉琴1,2，胡清1,2

(1.華電電力科學研究院，杭州 310030；2.杭州華電能源工程有限公司，杭州 310030)

為解決火力發電廠凝汽器壓力不達標的問題，提出了凝汽器管束采用新型仿生布管形式，并用不銹鋼管替代銅管的優化措施。系統投運測試表明：通過優化凝汽器管束布置方式，凝汽器壓力降低了0.88 kPa，過冷度小于0.5 ℃，凝汽器熱力特性得到很大改善，主凝結區不存在渦流和空氣積聚現象，機組可節約標準煤耗2.64 g/(kW·h)，經濟效益和環保效益顯著。

火力發電廠；凝汽器；管束布置；仿生布管形式

0 引言

凝汽器作為火力發電廠冷端系統的核心設備，其壓力高低對整個機組經濟運行至關重要。凝汽器壓力與冷卻水入口溫度、凝汽器熱負荷、冷卻水量、凝汽器傳熱系數、換熱面積、冷卻水管清潔程度、真空系統嚴密程度、抽氣器工作狀態等因素緊密相關。針對凝汽器傳熱系數，國內外普遍采用美國傳熱協會(HEI)表面式凝汽器標準，該標準考慮了冷卻水入口溫度，冷卻水流速，冷卻管直徑、壁厚，管材導熱系數，管子清潔度等因素對傳熱性能的影響，卻未涉及冷卻水管的布管形式。在實際設計過程中，設計人員通常針對具體機組參數要求，按HEI標準計算出凝汽器換熱面積、冷卻管規格和數量等，再依據實際工程經驗進行凝汽器冷卻水管的布管設計，由于設計水平不一，設計問題層出不窮。

管束布置不合理，必然造成蒸汽流場不合理、熱負荷分布不均勻、局部空氣積聚、流動阻力過大、凝結水過冷度大、不同凝結程度的汽流相互摻和甚至漏汽等。因此，合理布置凝汽器管束是凝汽器優化的重要內容，是凝汽器性能的根本保證。

國外機組凝汽器常用的管束布置形式主要包括[1-2]：法國ALSTOM公司的“將軍帽”型、ABB公司的“教堂窗”型、西門子公司的“山峰”型、意大利的“山字”型、德國B-D公司的“雙山”型和“島狀”型。每種管束布置形式各有其優點，國內機組普遍借鑒國外凝汽器管束布置技術，管束布置不合理，導致凝汽器實際真空度與按HEI標準計算的真空度相差1 kPa以上，對機組的能耗影響顯著。

本文針對凝汽器壓力不達標的問題，提出了一種凝汽器管束布置優化方法：在凝汽器外殼及其支承方式不變、與低壓缸排氣口的連接方式不變以及凝汽器中心位置不變的條件下，重新布置凝汽器的內部結構，更換冷卻水管材質并對管束的排列方式進行優化，從而形成性能更好的高效凝汽器。

1 設備概況

本文所研究的凝汽器為某電廠#6凝汽式機組的配套凝汽器，為東方汽輪機廠制造的N-36000型雙殼體、雙流程、雙背壓、表面式凝汽器，采用循環供水冷卻方式，冷卻水系統配套3臺循環水泵+1臺輔助循環水泵，凝汽器抽真空系統配套2臺水環真空泵，機組正常運行時1運1備。原凝汽器設計參數見表1。

表1 原凝汽器設計參數

凝汽器管束采用銅管，為德國B-D公司“雙山”型布管方式，是目前國內普遍采用的布管設計之一。

截至目前，該機組已運行17a，對原凝汽器結構進行數值模擬發現，蒸汽流動存在壓力梯度場和流速分布不均勻現象，特別是存在漏汽現象，在凝汽器氣密性中等的情況下，計算傳熱系數比HEI標準低20%以上。實際運行過程中，凝汽器壓力為5.5 kPa，達不到設計要求，影響了機組經濟性。

2 凝汽器管束布置優化方案

(1)凝汽器管束材質更換為不銹鋼管。銅管的導熱性能優于不銹鋼管，但易結垢且耐磨損、耐沖刷能力較弱。不銹鋼管具有強度高、耐磨損、耐沖擊、抗振性能較高等優點，因此相較于銅管可采用較薄管壁的管束。原凝汽器銅管規格為?25 mm×1.0 mm，改造后的不銹鋼管規格為?25 mm×0.5 mm/0.7 mm。壁厚減薄使冷卻水流速從2.00 m/s降至1.75 m/s，從而降低了凝汽器管側水阻。此外，不銹鋼管不容易結垢，可有效保證凝汽器管內的清潔系數，提高凝汽器熱力性能。

(2)凝汽器管束采用新型仿生布管形式。基于先進的“場協同理論”和仿真優化技術而形成的新型仿生型布管形式，通過合理設計主凝結區和空冷區的管子布置結構，優化了進汽通道和排汽通道，平衡了蒸汽流場，減小了管束汽阻，更有利于凝汽器內多組分流體的流動與傳熱。在凝汽器外殼及其支承方式不變、與低壓缸排汽口的連接方式不變以及凝汽器中心位置不變的條件下，采用新型仿生布管形式替代原機組的“雙山”型布管形式，使凝汽器換熱性能提高10%以上，管束汽阻降低20%以上。

改造后凝汽器設計參數見表2。

3 應用效果分析

3.1凝汽器改造后熱力特性效果

凝汽器改造安裝完成后，#6機組順利啟動投運，于2015年4月17日至19日對#6機組凝汽器進行了性能試驗，分析其熱力特性。

圖1為3組額定出力(THA)工況下的實測數據。測試時對應的凝汽器實際進水溫度分別為22.69，22.74，21.94 ℃，對應的實際循環水流量分別為67 556，67 556，53 990 m3/h。以凝汽器壓力和凝汽器過冷度表征凝汽器熱力特性。從圖1可以看出，在THA工況下，改造后平均凝汽器壓力為6.0～6.5 kPa。為了與設計值對標，在THA工況下，修正到設計進口水溫、設計循環水流量和低壓凝汽器清潔系數為 0.85 時的平均凝汽器壓力為4.62 kPa左右，比設計保證值低0.28 kPa，比改造前平均凝汽器壓力低0.88 kPa。在THA工況下，改造后凝汽器過冷度為0.35～0.50 ℃，優于設計值。測試表明，凝汽器管束布置優化后，加強了凝汽器傳熱，改善了凝汽器熱力特性。

表2 改造后凝汽器設計參數

圖1 改造后凝汽器壓力和過冷度情況

3.2凝汽器改造后流動與傳熱特性模擬結果[3-4]

圖2和圖3為新型仿生布管方式的速度場和空氣濃度場分布情況。整個主凝結區基本不存在渦流，保證在主凝結區不會發生局部空氣積聚現象。管束布置區域內的蒸汽流場分布比較均勻，有效改善了凝汽器的傳熱性能。管束外圍蒸汽流速為50～100 m/s，管束之間蒸汽流速基本小于50 m/s，有效降低了管束汽阻。高濃度的空氣區域基本處于空冷區范圍，空氣濃度最大處在空冷區的抽氣口處，表明在主凝結區不存在局部空氣積聚現象。

3.3機組負荷對凝汽器熱力特性的影響

表3為3種負荷工況下的實測數據，反映了不同負荷下凝汽器的熱力特性規律。在632，500，370 MW負荷工況下，修正到設計進口水溫、設計循環水流量和低壓凝汽器清潔系數為0.85時的平均凝汽器壓力分別為4.62，4.23，3.70 kPa，表明隨著機組負荷的降低，凝汽器壓力也相應降低。因為機組負荷降低，凝汽器的排汽量將減小，在凝汽器冷卻水進口水溫、凝汽器循環水量以及凝汽器管束清潔系數相同的情況下，根據凝汽器壓力計算公式[5]和HEI標準中的傳熱系數計算公式可知，凝汽器壓力的高低主要取決于進入凝汽器的排汽量，排汽量越小，凝汽器壓力對應的飽和溫度越低，凝汽器壓力也越低。

圖2 速度場分布

圖3 空氣濃度場分布

3.4凝汽器改造后經濟效益分析

以凝汽器壓力每降低1 kPa，節約標準煤耗3.00 g/(kW·h)計算，在THA工況下，改造后修正平均凝汽器壓力為4.62 kPa左右，比改造前平均壓力低0.88 kPa，即可節約標準煤耗2.64 g/(kW·h)。按照年利用小時數為4 500計算，該機組每年可節約標準煤7 128 t。標準煤價格按600元/t計算，則該機組每年可創造經濟效益428萬元；同時，由于發電煤耗降低，有效減少了機組二氧化硫、二氧化碳、氮氧化物以及粉塵的排放量，環保效益也十分可觀。

表3 不同負荷工況下系統實測數據

4 結論

(1)凝汽器管束布置方式優化后，凝汽器壓力降低了0.88 kPa，凝汽器過冷度小于0.5 ℃，凝汽器熱力特性得到很大改善。

(2)通過數值模擬發現，該新型仿生布管方式使得凝汽器內蒸汽流場更均勻，主凝結區基本不存在渦流和空氣積聚現象。

(3)隨著機組負荷的降低，凝汽器排汽量減小，凝汽器壓力相應降低。

(4)凝汽器管束布置方式優化后，機組可節約標準煤耗2.64 g/(kW·h)，每年創造經濟效益428萬元，經濟效益和社會環保效益顯著。

[1]吳春燕．大型電站凝汽器管束排列方式優化計算及分析[D]．上海：上海交通大學，2010．

[2]曾碩．核電站凝汽器管束布置優化及研究[D]．上海：上海交通大學，2010．

[3]王學棟，欒濤，曲建麗，等．改造前后凝汽器性能的數值模擬與分析[J]．動力工程，2009，29(4)：320-325．

[4]楊文娟，孫奉仲，黃新元，等．300 MW機組凝汽器汽側換熱性能的數值模擬與分析[J]．中國動力工程學報，2005，25(2)：174-178．

[5]呂宏．大型凝汽式電站冷端運行優化的研究[D]．保定：華北電力大學，2008．

(本文責編：劉芳)

2017-05-04；

：2017-05-25

TK 264.11

：A

：1674-1951(2017)06-0017-03

曹榮(1982—)，男，浙江紹興人，工程師，工學碩士，從事火電廠節能及環保方面的研究(E-mail:rong-cao@chder.com)。