沿海電廠凝汽器鈦管改造

梁海山，牛全興

（1.國投北部灣發(fā)電有限公司，廣西 北海 356000；2.西安協(xié)力動力科技與限公司，陜西 西安 710119）

沿海電廠凝汽器鈦管改造

梁海山1，牛全興2

（1.國投北部灣發(fā)電有限公司，廣西 北海 356000；2.西安協(xié)力動力科技與限公司，陜西 西安 710119）

沿海電廠凝汽器一般選用鈦管來降低海水對換熱管的腐蝕。論述了凝汽器改造涉及的內容，通過加強流程控制的方法，保證項目的順利實施。對項目實施過程進行參與，有利于電廠專業(yè)人員熟悉設備性能，便于后期維護。項目實施后，凝汽器運行真空提高0.6 kPa，經濟效益顯著。

復合管板；凝汽器；焊接工藝評定；襯膠；陰極保護

0 引言

國投北部灣發(fā)電有限公司一期建設2臺320 MW燃煤發(fā)電機組，分別于2004年12月和2005年3月投產發(fā)電。機組配備哈爾濱汽輪機廠制造的N-17400-1型單背壓、單殼體、雙流程、表面式凝汽器。

凝汽器經過十余年的運行，性能出現不同程度的下降，配合機組通流改造的需求，電廠對2號機組凝汽器進行升級改造。

1 改造范圍

經過多方考察，收集改造資料，結合電廠實際，最終確定凝汽器改造內容是：增加換熱面積10%，優(yōu)化管束布置，更換弧形水室，優(yōu)化喉部排汽通道，增加喉部補水霧化系統(tǒng)。

改造前后凝汽器技術參數見表1。

表1 改造前后凝汽器技術參數

2 改造過程

2.1 管束布置方案優(yōu)化

原凝汽器屬哈汽公司73型系列產品，該型號一直采用均勻向心式管束；此管束布置適合汽側空間較大（凝汽器寬度9 m以上）、蒸汽通道大的凝汽器，而2號機凝汽器在寬度方向上僅為7.98 m，因此原管束布置的優(yōu)勢未能充分發(fā)揮，影響了凝汽器的換熱性能。

原凝汽器管束布置的計算機模擬結果見圖1。

圖1 原凝汽器管束布置的計算機模擬結果

根據數值分析圖1，發(fā)現原凝汽器由于沒有明顯區(qū)分開來的空冷區(qū)，導致空氣抽出口空氣濃度較小，抽出的混合物質量流量大，增加了抽氣設備的負荷；且原管束的整體壓降較大，壓損主要在兩側通道最窄處，造成從兩側進入管束區(qū)的蒸汽量減少。

因此，要求總承包單位用水流模擬汽側蒸汽流動狀態(tài)。根據幾何相似和雷諾數相似制作的水模型試驗平臺，試驗結果見圖2。

圖2 原管束水模型模擬分區(qū)

通水模型試驗顯示，圖2中管束的蒸汽流動滯止點在EG區(qū)連線的右側約100 mm（模型中的尺寸）處和J區(qū)右下方約100 mm處；而水流在管束內有兩個靜止區(qū)，分別是F區(qū)左側分支和L區(qū)右上部分支。

水位落差顯示：D區(qū)比B區(qū)水位低20 mm，M區(qū)比H區(qū)水位低12 mm，H區(qū)比B區(qū)水位低10 mm，顯示水流穿越管束的阻力較大。同時，A區(qū)與側壁間、C區(qū)與中間網架之間有較大壓力降，說明A、C區(qū)管束布置較密，水流穿過的阻力較大。通水模型試驗進一步驗證了數值模擬分析結果。

在鈦管數量確定后，管束布置方式的優(yōu)劣直接影響到凝汽器傳熱性能的好壞以及不凝結氣體的收集和抽出。

本次改造采用優(yōu)化后的塔型排列管束，管束的數值分析結果見圖3。

圖3 新管束布置的計算機模擬結果

根據圖3所示模擬結果，新管束的蒸汽通道增大，有利于一部分蒸汽引至凝汽器的下方直達熱井水面，對凝結水進行良好回熱，可以消除過冷度并提高除氧效果。布管方面，蒸汽從管束外圍進入管束，大部分蒸汽在管束區(qū)凝結完畢，剩余的汽氣混合物在管束中部集中匯流進入抽氣管，由于抽空氣區(qū)空氣分壓力高，抽出物中的蒸汽量大大減少。

2.2 復合管板和鈦管焊接

由于凝汽器采用海水冷卻，凝汽器鈦管材和復合管板覆層材質的選擇重點在于材料的耐腐蝕性能和換熱效果［1-2］。

本工程選用TA2+Q235B復合管板，TA2層厚度5 mm，Q235B基板層厚度40 mm。復合管板由太原太鋼大明金屬制品有限公司生產。管板出廠前總承包單位到廠參與了現場檢測，全部項目檢驗合格后發(fā)貨。

結合電廠原有凝汽器換熱管的使用情況，本工程仍選用TA2作為換熱管管材，規(guī)格Ф22 mm×0.5 mm和Ф22 mm×0.7 mm兩種，0.7 mm厚壁管主要布置在管束的迎沖區(qū)和空氣抽出區(qū)。

對鈦管的生產，電廠聯(lián)合總承包單位對鈦管生產進行了駐廠監(jiān)造。對鈦管的外觀 （橢圓度、彎曲度）、物理性能、化學成分、機械性能（壓扁、擴口）、焊接性能進行了分批次抽檢和現場隨機抽檢，確保裝箱的鈦管質量合格。

鈦管與管板之間采用脹管加焊接的連接方式，由于換熱管壁薄，運行中換熱管承受較大的縱向拉力，鈦管與復合管板之間的脹接抗拉脫能力不足。為保證凝汽器管口嚴密性和抗拉脫能力，對換熱管進行脹接的同時采用管口密封焊接技術。

根據GB151相關條文規(guī)定，鈦作為換熱管時的脹度取4%～5%，脹度為

式中：k為以管壁減薄率計算的脹度，% ；d2為換熱管脹后內徑，mm；di為換熱管脹前內徑，mm；b為換熱管與管板管孔的徑向間隙 （管孔直徑減換熱管的外徑），mm；δ為換熱管壁厚，mm。

脹接質量檢查時，根據測量的 di、δ、b、d2，代入式（1）計算出k值。根據k值范圍便可確定脹接質量的好壞，其關鍵是控制好脹管后的鈦管內徑。

現場脹管后，對凝汽器每塊管板按照左上、左下、右上、右下的順序進行分區(qū)，在每個區(qū)域內隨機抽取200根換熱管對管口內直徑進行詳細測量并作記錄。根據式（1）進行計算，發(fā)現左前管板的右下區(qū)域有一根鈦管的脹度超差。隨后通知總承包單位對其進行了更換。

脹管后的焊接也是施工中的關鍵監(jiān)測點。有關單位對鈦管與鈦復合管板的密封焊進行了大量的試驗研究工作，并對運行機組存在的問題進行了針對性分析，試驗驗證了焊接工藝評定和焊接環(huán)境的影響［3-6］。針對這些主要問題的影響因素，制定了針對性的施工方案。

焊接人員方面，協(xié)調參加過凝汽器鈦管改造施工的持證施焊焊工；正式施焊前，對該批焊工進行了焊接交底，并參加在焊接試板上的焊接考試，考試合格的焊工進行管口焊接。焊接過程中，24 h派員跟蹤監(jiān)督，并不定期抽樣分析焊接質量。對抽樣不合格的管口進行修復，修復后進行外觀檢查和無損檢測試驗，合格后予以通過。

焊接工藝方面，根據制造廠提供的焊接試板和管樣，安排焊工進行焊接試驗，根據DL/T 1097—2008《火電廠凝汽器管板焊接技術規(guī)程》相關規(guī)定制定出焊接工藝卡。鈦管板焊接工藝卡見表2。

表2 鈦管板焊接工藝卡

焊接過程控制方面，要求總承包單位嚴格按照焊接工藝卡進行焊接工作。經過13天24 h的連續(xù)焊接，全部52 080個管口自動焊接完成，對焊口進行PT著色探傷檢驗，檢查發(fā)現3個焊接缺陷。經過對缺陷進行檢查分析，根據上述規(guī)程規(guī)定，確定對缺陷進行手工焊接修復。修復前將焊縫采用機械方法清理干凈，調整焊接工藝卡的后保護氬氣流量7 L/min、焊接電流70~90 A后進行焊接作業(yè)，焊后再次PT探傷檢測，驗收合格。

自動焊接成型效果見圖4。

圖4 管口自動焊接成型效果

采用氬弧焊機自動焊接的管口外觀質量好、焊縫質量高，可以作為鈦管板管口焊接的首選工藝。

2.3 水室襯膠及防腐蝕控制

由于海水的腐蝕特性，根據HG/T 20677—2013《橡膠襯里化工設備設計規(guī)范》的選用要求，確定凝汽器水室的襯膠選用3 mm+2 mm兩層氯丁橡膠、蒸汽加熱硫化的方案。

由于凝汽器水室體型較大、結構較為復雜，對橡膠板的襯貼和硫化要求極為嚴格。正式襯貼用橡膠板的理化試驗結果見表3。

表3 襯貼用氯丁橡膠板理化試驗結果

圖5 水室格柵的焊縫打磨修理

圖6 水室格柵及法蘭襯 膠后效果

圖5、圖6所示為對循環(huán)水進水格柵襯膠前的處理和襯膠后的效果。水室襯膠完成后，現場驗證15 000 V電火花檢測，未發(fā)現漏點。

2.4 現場對接管道材質選擇

由于是改造項目，原凝汽器相對位置與土建、管道系統(tǒng)的對接與圖紙不盡相符，針對可能出現的水室進出口與原進出水管道的對接錯口問題，制定了兩種處理預案。一種是采用耐海水腐蝕的管道和法蘭；一種是碳鋼管道和法蘭，使用優(yōu)質的耐海水油漆涂刷內表面。

耐海水腐蝕鋼材的研究國內已經研究很多，00Cr27Ni8Mo3Ti鐵素體時效不銹鋼、10CrMoAl鐵素體不銹鋼、316J1L超低碳奧氏體不銹鋼等均能達到耐海水腐蝕的目的，可以用于該法蘭與管道的制造［7-10］。而新興的重防腐漆，具有高附著力、高棱角保持率，可以在海洋嚴酷的腐蝕環(huán)境下長效防腐使用的特點［11-12］。

經過精確控制，循環(huán)水兩根出水管道定位準確，一次順利安裝完成。兩根進水管道由于軸向錯位，根據施工預案，采用了制作帶法蘭的碳鋼短節(jié)并涂刷耐海水重防腐漆的方案，重防腐漆選用成型質量好、貼合率高的優(yōu)龍漆。

2.5 喉部自動補水系統(tǒng)改造

由于抽汽供熱需求有所增加，本次改造期間，計劃在喉部增加一路25 t/h的除鹽水補水噴淋管道，將補入凝汽器喉部的除鹽水進行霧化后與汽輪機排汽混合換熱。補水量通過調整除鹽水箱液位和補水電動調節(jié)閥進行控制，期間不啟動除鹽水補水泵。

原有補水系統(tǒng)管道接入凝汽器的疏水擴容器，通過小孔以柱狀形式噴出，與擴容器內的高溫疏水進行混合。要將除鹽水自動補入凝汽器喉部并盡可能形成霧狀噴淋，需要核算噴嘴在不同壓力下的霧化效果、核算除鹽水箱到凝汽器喉部的管道阻力和高程差的影響。

按照除鹽水箱正常液位4 m水柱、夏季凝汽器背壓11.8 kPa（冬季凝汽器背壓6.13 kPa）核算，還原除鹽水箱到凝汽器喉部的管道及管件，核算出自動補水的最大流量值。

根據噴嘴在不同壓力下的流量特性曲線，選取3/8英寸螺旋噴嘴（安裝高度5.5 m）后，迭代計算不同補水流量下的沿程阻力，得出該系統(tǒng)最大補水量為33.6 t/h，可以滿足補水需求。

圖7 安裝后的喉部自動補水系統(tǒng)

圖7所示為安裝后的42個噴嘴均勻分布在2根DN100的不銹鋼管上，向上傾斜成45°角，與汽輪機排汽形成逆流布置，有利于混合換熱；所有的管道和噴嘴均采用304不銹鋼材料制作。本補水系統(tǒng)共布置84個噴嘴分布在4根不銹鋼管上。

2.6 鈦管振動預防

由于鈦管彈性模量小、管壁薄，受到蒸汽流動作用時很容易產生振動，這種振動從產生機理上來說是不可避免的。產生振動的原因主要有兩個，一是換熱管固有頻率與汽輪機轉動頻率接近，二是蒸汽對換熱管的高速汽流沖擊產生的誘振。

振動嚴重時會導致管口或隔板支撐處發(fā)生泄漏，是鈦管凝汽器運行中需要密切注意的問題。凝汽器改造設計時可以通過調整隔板最大允許跨距來盡可能減小或避免這種振動的形成。

根據美國傳熱學會（HEI）標準中關于預防汽流激振的經驗公式，計算出汽輪機排汽口蒸汽達到音速時的比容，利用水蒸汽表查出對應的飽和蒸汽壓力，然后通過基本跨距曲線、修正系數表等查找相關參數。

凝汽器改造前后的跨距計算見表4。

表4 凝汽器改造前后的跨距計算

通過表4計算可知，實際跨距取值本身低于按照排汽口蒸汽達到音速計算的跨距，加上實際蒸汽流速在100 m/s以下，安全余量較大，滿足機組運行的要求。

2.7 水室陰極保護

根據外部提供陰極電流的方式不同，陰極保護方法可分為犧牲陽極保護法和外加電流保護法兩種［13-14］，也有采用涂層和電化學陰極保護的聯(lián)合保護法［15］。凝汽器陰極保護采用犧牲陽極法是常見的腐蝕防護措施，該法具有安裝簡便、價格便宜、效果好等優(yōu)點。該公司原先采用犧牲陽極保護法，投運至今水室襯膠層保護良好，陽極的損失占實際布置陽極體積的60%，因此本次改造仍選用安裝鋅塊作為陰極保護措施。

選好陽極材料后，計算出單個水室的被保護區(qū)域面積為 40 m2，設定保護電流密度 3 μA/cm2，計算出所需保護電流為1.06 A，結合保護壽命，計算出所需陽極的數量（塊數）。單個水室實際采用的鋅塊規(guī)格為 500 mm×100 mm×40 mm，數量 7塊。

圖8所示結構考慮鋅塊在水室內受到的循環(huán)水沖擊，并考慮與水室襯膠層結合的嚴密性。316L螺栓的螺紋部分在安裝前涂抹密封膠，確保螺栓與鋅塊支撐板之間不會有海水滲入，對水室襯膠層起到保護作用。

圖8 水室鋅塊安裝

2.8 實施效果

通過對工程實施前、實施中的全過程跟蹤與參與，關鍵設備、零部件的加工質量得到了保證，施工過程的焊接質量得到有效監(jiān)督與控制。現場施工全部完成后，進行整體水壓試驗，全部管口無一泄漏。機組起動后，對自動補水量進行測試，機組背壓6 kPa時自動補水最大達到30 t/h，滿足設計需要。

3 結語

對改造過程的全過程參與，確保設備零部件的加工質量、現場安裝焊接質量和設備性能設計質量。復合管板與鈦管的焊接質量直接影響到凝汽器的安全運行，必須加強對選材與焊接過程的控制。凝汽器運行中，還需要加強循環(huán)水滅藻處理、膠球清洗系統(tǒng)投運等的管理，保證鈦管的清潔度。凝汽器喉部補水的無動力自動補入，可以節(jié)約廠用電。

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Modification of Titanium Tube for Condenser in Coastal Power Plants

LIANG Haishan1，NIU Quanxing2
（1.SDIC Beibuwan Electric Power Co.Ltd.，Beihai 536000,China；2.Xi’an Xieli Power Technology Co.Ltd.，Xi’an 710119，China）

In the coastal power plant，the condenser is usually made of titanium tube to reduce the corrosion of the sea water to the heat-exchange pipe.The contents involved in the retrofit of the condenser are discussed，and the smooth implementation of the project is ensured by strengthening the process control method.To participate in the implementation of the project is conducive to the power plant professionals getting familiar with the equipment performance which facilitate the later maintenance.After the implementation of the project，the vacuum of the condenser is increased by 0.6 kPa，and the economic benefit is remarkable.

composite tubesheet；welding process evaluation；lining rubber；cathodic protection

TK264.1

B

1007－9904（2017）10－0065－06

2017-05-31

梁海山（1976），男，工程師，主要從事熱能與動力設備的節(jié)能減排技術研究工作。