小型汽輪機冷凝器管材的選用

劉偉東

（東糖集團有限公司三聯熱電廠，廣東東莞 523243）

0 引言

造紙廠、制糖廠等輕工企業的動力車間，均有汽輪發電機組，而冷凝器是凝汽式汽輪機組的一個重要組成部分。現在熱電廠一般采用表面式冷凝器，冷凝器內部空間由換熱水管分隔成2部分：一部分為蒸汽空間，在換熱水管壁外，另一部是冷卻水空間，在換熱水管內。蒸汽在換熱水管外表面接觸，冷卻水與換熱水管內表面接觸，蒸汽放熱經冷卻管傳給冷卻水，使排汽冷卻成為凝結水。

在冷凝器中，蒸汽與冷卻水的熱交換是由換熱水管壁來完成的。如果水管壁受到嚴重腐蝕而穿透，冷卻水就會漏入蒸汽空間，使凝結水質變差，直到不合格。所以，為了使冷凝器在運行中有良好的凝結水質，換熱水管壁不允許有穿孔漏水現象，管子與管板的連接處也不允許有漏水現象。

冷凝器內換熱水管臟污、結垢時，將影響冷凝器的熱交換。冷凝器冷卻面結垢的主要原因是循環水水質不良，當管內壁沉積了硬質的無機垢，將嚴重降低換熱水管的傳熱能力、減少換熱水管的通流面積。

1 存在的問題

東莞市振興造紙廠動力車間的2#汽輪機組，是1臺由其他造紙廠拆遷過來、已經使用過20多年的退役機組，是一次可調整抽汽式汽輪機。機組型號為C3-25/5，額定功率3 MW，進汽壓力2.35 MPa，調整抽汽壓力0.49 MPa。其冷凝器為1臺N-280的、單路雙流程表面式結構，換熱水管規格Ф20 mm×1 mm×3800 mm，冷卻面積 280 m2，換熱水管材料為 H68（銅管），換熱水管1121根，冷卻水質為淡水。

2007年5月開始，2#機組出現凝結水硬度高、不合格現象。經檢查是冷凝器冷卻管束嚴重磨損、穿孔，是大量“生水”混進汽輪機的凝結水所致。采用了堵塞冷卻管的方法處理，但是堵塞了40多條管，仍未能解決凝結水硬度高問題。而且機組已經使用了20多年，冷凝器換熱水管內有結垢，影響其傳熱效果。汽輪機真空性能較差，只能達到-0.88 MPa（表壓）左右。

經觀察，冷凝器內的銅管普遍存在點蝕、沖蝕，而且沉積物下腐蝕，應力腐蝕也很嚴重。鑒于2#機組冷凝器已使用20多年，換熱水管的具體使用時間不明，決定更換冷凝器全部冷卻管，共計1121根。

2 確定改造方案

2.1 銅管與不銹鋼管比較

我國汽輪機冷凝器冷卻水水質為淡水時，常用的換熱水管材質有銅管和不銹鋼管2種。它們的價格、機械性能、傳熱效果等有所不同。

2.1.1 導熱性能比較

鋼的導熱系數36 W/（m·K）比銅的導熱系數111 W/（m·K）低得多，所以鋼光滑管的總換熱系數比銅光滑管低得多。圖1給出了鋼光滑管與銅光滑管2種管子總換熱系數K與管內雷諾數Re的關系。從圖中可以看出，鋼光滑管總換熱系數只有銅光滑管的85%～90%[2]。

圖1 鋼光滑管和銅光滑管總傳熱系數與管內雷諾數的關系

管內流體的雷諾數Re由式（1）計算。

式中 ρ———流體密度，g/cm3

η———動力黏度，N·s/m2

Di——特征長度，此處為管內內徑，mm

vi———管內流速，m/s

ρ和η通過查冷卻水進出口對數平均溫差表求取。總傳熱系數K由傳熱方程求出：

式中Ai———內表面積，m2

Q———總傳熱量，K

Δtm———對數平均溫差，℃

Ai作為計算總傳熱系數的基準；Q以管內冷卻水吸熱量來計算，并以管外蒸汽凝結放熱量考察其可靠性；Δtm由測量的蒸汽溫度與冷卻水的進出口溫度計算。

這當然要影響總體傳熱效果。這也成為不少人對不銹鋼管缺乏興趣主要原因。一般情況下，考慮到銅管因強度及沖蝕、磨損等因素，其管壁厚度≥1 mm，在冷凝器頂部第一層銅管壁厚為1.5 mm，而不銹鋼管的壁厚可以減薄至0.5 mm左右。由于不銹鋼管內、外表面的光潔度明顯高于銅管，因此不容易生成氧化層結垢、產生熱阻，進一步減小了不銹鋼管與銅管的總體傳熱效果差距。

2.1.2 對冷凝器真空影響比較（表1）

表1 不同壁厚的不銹鋼管和銅管的換熱性能對照表[1]

從表1可知，由于不銹鋼管比銅管壁厚減小，管子的平均內徑增大，在其他因素相同的情況下，不銹鋼管流速減小、水阻減小，循環水流量增加，出水溫度降低，進水與出水溫差減小。綜合作用的最終結果是，冷凝器相對真空提高。

2.1.3 循環水流動阻力（水側）阻力比較

影響循環水在凝汽器內流動阻力的因素主要有管束布置、管口形狀和內壁清潔度。在凝汽器管束布置、管口形狀一定的情況下，只比較管束內壁的清潔度。不銹鋼管的質量標準是：管子內外表面應光潔，不得存在有害缺陷，焊接突處的外表面≤0.05 mm，內表面≤0.05 mm。由實物中可知，銅管的內外表面都比不銹鋼管粗糙，不銹鋼管內、外表面光潔度達2B級，光潔度高于銅管。因此，不銹鋼管不容易附著污垢，且附著后也很容易清洗。當冷凝器長時間使用時，不銹鋼管內壁的清潔度應好于銅管，對循環水在凝汽器內流動阻力，不銹鋼管一定小于銅管。而流動阻力的減少，可以使凝汽器管換熱效率提高。

2.1.4 價格比較

從各不銹鋼管和銅管生產廠家的報價可以知道，Ф20 mm×1 mm的銅管（牌號H68）與Ф20 mm×0.7 mm的不銹鋼管（牌號304）價格基本一樣，銅管價格略高一點但相差不多。而且，更換冷凝器全部冷卻管不銹鋼管或銅管的人工費和工時都一樣。所以更換冷凝器冷卻管采用銅管或不銹鋼管，其總費用一樣。

2.2 使用不銹鋼管安全性（表2）

從表2可知，不銹鋼管的抗拉強度和屈服強度均高于銅管，伸長率兩者相差不大，熱脹系數不銹鋼管比銅管低，與冷凝器管板接近，因此，不容易因熱脹冷縮損傷換熱水管或影響脹管口而泄漏。而且脹管口只脹不焊，也不會受熱脹冷縮影響產生泄漏現象，使換管工期和費用增加。但是，不銹鋼管的彈性模量比銅管高很多，表示不銹鋼管的抗彈性變形能力強，具有更高的抗振抗沖擊能力（即不銹鋼管比銅管硬），運行可靠性大大提高。

冷凝器內的換熱水管，在高速蒸汽和水滴的作用下必然會產生振動現象，而不銹鋼管的硬度、抗拉強度和屈服強度都比銅管大很多，可以改善管子的振動特性，不容易斷裂。對蒸汽側的水滴、循環水側泥砂、換熱水管入口湍流等的沖刷性能都大大提高。

經過不少理論研究和電廠的應用實踐，證明不銹鋼管的抗點蝕性能與銅管一樣，其余各項抗腐蝕性能，如一般腐蝕、沖擊腐蝕、氨蝕都比銅管的抗腐蝕性強。有關資料顯示，TP304不銹鋼管在冷凝器不會出現電化學腐蝕，可以在循環水中氯離子達200 mg/L環境中長時間使用。在其他條件一樣的情況下，如果循環水中的氯離子含量相同，不銹鋼管的使用壽命至少是銅管的2倍或以上。

2.3 螺紋管與光滑管比較

不銹鋼管和銅管都有螺紋管與光滑管之分（圖2）。

圖2 螺紋管與光滑管

在冷凝器換熱管數量一定、管子外徑一定的前提下，冷凝器使用螺紋管，其換熱面積大于光滑管。而且，從理論上講，螺紋管通過表面螺紋或花紋破壞凝結水膜，變低效率的膜狀凝結為高效率的珠狀凝結。因此，在管子數量等一定的時候，螺紋管的總換熱效果比光滑管好。

螺紋管在生產的過程中，要在光滑管材料上軋出螺紋，這螺紋處是管子應力集中和最薄弱的地方，所以，在螺紋管中的螺紋處在高速蒸汽的沖擊或振動作用下容易出現穿孔、裂紋等現象。而光滑管則無這種現象的。另外，螺紋管的螺紋處容易形成積垢，影響換熱效果，而且這些積垢不容易清除。

2.4 其他因素

振興造紙廠動力車間的2#汽輪機組冷凝器循環水是直供水，即冷卻水用水泵由河中抽上來供給冷凝器，再排回河中。而現在河水的污染情況比較嚴重，根據DL/T 712—2000《火力發電廠冷凝器管選材導則》第6.8條規定：對確認水質會長期遭受污染或有惡化趨勢而又無法改善時，宜選擇適合水質條件的不銹鋼管或鈦管[3]。

3 方案的分析與確認

（1）將冷凝器冷卻管束更換為不銹鋼或銅管，其材料費、人工費和工時是一樣的。

（2）在相同的條件下，不銹鋼管的使用壽命比銅管長。正常情況下，不銹鋼管使用壽命長達30 a。

（3）與螺紋管相比，光滑管在正常使用過程中不容易穿孔、斷裂。

表2 銅管、不銹鋼管的工程特性比較[1]

（4）不銹鋼管對循環水中的雜質吸附力比銅管小，而且振興造紙廠動力車間的2#汽輪機組沒有安裝膠球清洗裝置。所以使用不銹鋼管比銅管，需要停機清洗冷凝器冷卻管束的時間可以延長。

（5）因為東莞市振興造紙廠附近地區河水污染比較嚴重，根據DL/T 712—2000《火力發電廠冷凝器管選材導則》的規定，冷凝器應選用不銹鋼管。

（6）從收集到的冷凝器用304不銹鋼管樣本，看到不銹鋼管管壁薄、外壁光亮，但此不銹鋼管是接逢管，內壁有一條焊接逢。而H68銅管是無逢管。接縫管與無縫管在使用的過程中的異同，有待觀察、了解。

（7）從更換冷凝器冷卻管束的施工單位解到，因材料的不同，拆冷凝器內不銹鋼管比銅管困難很多。今后再更換管子時，拆管的工作量大、工時長。

（8）當冷凝器不銹鋼管因為各種原因出現泄漏時，可以用錐型銅塞堵塞處理。

綜上所述，應將2#汽輪機冷凝器換熱管的H68普通黃銅管更換為304不銹鋼光滑管。換熱管的規格由原銅管的Ф20 mm×1 mm，改為不銹鋼管的 Ф20 mm×0.7 mm。

4 實踐檢驗

2007年，振興造紙廠決定實施2#汽輪機冷凝器換熱管更換為TP304型不銹鋼管方案。共更換不銹鋼管1127條，規格Ф20 mm×0.7 mm×3800 mm。

7月1日上午，打開冷凝器兩側的大端蓋，開始拆除冷凝器的舊銅管。7月2日，冷凝器的舊銅管拆除完畢。7月3日，開始安裝新的不銹鋼管，于當天23：00左右安裝工作完成。冷凝器汽側灌水試靜壓。7月4日凌晨，復裝冷凝器兩側的大端蓋，2#汽輪機啟動。14：00，16：00 兩次化驗結果顯示，凝結水合格。換管工程結束。

機組從2007年運行至今，已有10 a時間，冷凝器換熱管未發現穿、漏等異常情況，冷凝器真空、機組汽耗等參數與換管前相比，也無變化。2012年初，曾經發現有凝結水硬度高、不合格現象。檢查后發現是冷凝器冷卻管有2處脹管口泄漏引起的。經過堵塞處理后，凝結水不合格現象消失。

2008年5月，振興造紙廠將1#汽輪機冷凝器也更換為TP304型不銹鋼管。這2臺汽輪機冷凝器更換不銹鋼管至今，未發生不銹鋼管穿管、斷裂現象，運行情況良好。

實踐證明，冷凝器換管工程達到了預期的效果。