630 MW汽輪機凝汽器換管改造

茆亞平

(江蘇國信揚州發電有限責任公司，江蘇 揚州 225001)

1 前言

某公司#1機亞臨界630MW機組于1998年投產，已進入設計壽命后期，整體性能顯現退化衰老。環境條件的變化，惡化了銅管的工作環境，加速了凝汽器工作性能的退化，除空氣冷卻區銅管頻繁出現腐蝕泄漏外，管束周圍的沖擊區和主凝區的管束泄漏也時有發生。銅管泄漏嚴重影響凝結水的品質，臨時性的鋸末堵漏，導致膠球系統不能正常投入在線清洗，加劇了水側傳熱表面玷污、結垢，傳熱端差增大，凝汽器壓力上升，汽輪機有效焓降減小、運行經濟性下降。目前國內新建電廠凝汽器基本上都使用不銹鋼管，同時凝汽器銅管改為不銹鋼管的工程項目也特別多，因此為保證#1機凝汽器的工作性能，將凝汽器銅管改為耐磨損、抗腐蝕、阻垢性強的薄壁不銹鋼管已經成為最佳選擇。

2 #1機凝汽器存在問題

#1機凝汽器設計于20世紀90年代，管束布置、中間管板設置均為當時先進水平，凝汽器的傳熱端差和凝結水的過冷度等性能指標均達優良，但冷卻管材保守地選用傳統的銅管。隨著多年運行，冷卻銅管明顯進入衰老期，泄漏管數逐年增多，并呈現加速上升趨勢。

根據西安熱工研究院對#1機檢修中抽取的4根黃銅管和2個白銅管進行了渦流探傷和掃描電鏡檢測結果：空冷區的白銅管和空冷區下方的黃銅管的腐蝕，其主要特征為點腐蝕和脫鋅腐蝕，其余部位黃銅管的腐蝕主要為均勻性腐蝕減薄，目前剩余壁厚在70%～75%；白銅管的均勻減薄較少，黃銅管的均勻減薄較多。白銅管均勻腐蝕速率為0.009 mm/a，大于標準要求0.005 mm/a；黃銅管均勻腐蝕速率高于0.02 mm/a以上，遠大于標準要求0.005 mm/a[1]。

隨著凝汽器銅管堵管數量的增加使得凝汽器傳熱面積減小，傳熱端差增大，凝汽器壓力升高，機組運行經濟性下降。而且隨著空氣冷卻區白銅管堵管數的增大，該區域冷卻性能下降，使空氣冷卻區外擴，空冷區下方及周邊黃銅管束承擔起空冷區的作用，從而加速這些管束的腐蝕，必然導致泄漏率進一步提高。

3 汽輪機凝汽器技術概況

凝汽器是以蒸汽凝結換熱為主體的表面式熱交換器，在一定凝結蒸汽量和冷卻水量下，凝汽器的真空決定于凝汽器換熱性能。國外凝汽器的設計理念：簡化管束布置，縮短蒸汽凝結行程，直達熱井水面的蒸汽流通通道，使汽輪機的排汽能直接加熱凝結水，順暢的不凝結氣體抽出通道，避免不凝結氣體聚集，減小汽、氣混合物抽出通道的流動阻力。

3.1 汽輪機凝汽器的管束布置幾種型式的比較

目前凝汽器的管束布置主要是ABB公司的教堂窗式管束布置、西門子公司的模塊化式管束布置、日立公司的輻射式管束布置。這3種布置方式中，ABB公司教堂窗式和西門子公司模塊化式凝汽器管束布置代表著凝汽器先進設計的發展方向，簡潔、高窄的管束布置，增大了主凝區的邊界，降低了管束布置的緊密度指數，均衡了整個冷卻管的凝結負荷，充分提高了冷卻管的利用率。同時，又簡化了汽側的蒸汽流程，有效地降低了汽阻，也避免了流動死區的產生。從已有的資料分析，教堂窗式的模塊化式凝汽器的性能理論上最優。

3.2 國內銅管凝汽器的不銹鋼管改造情況

銅導熱性能好，銅離子對微生物有一定毒性，有抵抗生物結垢的能力，故銅合金管廣泛應用于電站凝汽器。然而，銅的抗蝕和抗磨性能較差，易造成銅管泄漏，大多數凝汽器銅管使用10年以上就需進行換管改造。

20世紀90年代初，采用縫薄壁不銹鋼管制造工藝的成熟和制造成本的大幅下降，用不銹鋼管替代黃銅管在經濟上顯示出優勢。國產機組銅管凝汽器的不銹鋼管改造開始于21世紀初，上海汽輪機廠在淮北發電廠125 MW上進行了改造，因選用管壁厚度較大(0.8 mm)，改造后傳熱端差增大，凝汽器壓力升高。2003年徐州發電廠對200 MW機組進行了改造，在東南大學技術支持下，采用0.5 mm薄壁管，取得了與新機一致的優良業績。近年，早期國產引進型300 MW機組，甚至600 MW凝汽器的銅管已到壽命周期，均陸續進行了不銹鋼管改造，如華電望亭、華能太倉、大唐徐塘及陜西韓城等電廠均實施了銅管更換為不銹鋼管的改造，基本達到了預期效果。

4 凝汽器改造的選型設計

4.1 冷卻管材的選擇

銅材因其優良的導熱性能，成為電站凝汽器的傳統管材，故習慣上將凝汽器的冷卻管稱為凝汽器銅管。然而，銅材耐蝕(腐蝕、沖蝕)性能較差，泄漏、結垢等嚴重影響機組運行經濟性和增大發電廠維修費用，用高性能不銹鋼替代傳統銅管已成為電力企業凝汽器改造的技術發展主流趨勢。

表1列出了304不銹鋼與黃銅管的幾項重要性能數據比較，從表中可以看出304不銹鋼管的強度比黃銅管大得多，彈性磨量是黃銅管1.78倍，熱膨脹系統最接近碳鋼(碳鋼熱膨脹系數12×10-6/℃)，導熱系數為黃銅管的14.95%，因此除導熱系數外，其它性能均優于黃銅管[2]。

表1 304不銹鋼與黃銅管性能比較

凝汽器采用薄壁不銹鋼管改造后，冷卻管的質量至少減少1/2，對落地式凝汽器，不產生基礎載荷、支承機械強度等問題。不銹鋼的熱膨脹系統小于銅，并且彈性模量高于銅，故凝汽器改造后的工況適應性更好。

在電站凝汽器中，用不銹鋼管替代銅管，不銹鋼管的壁厚通常為銅管的1/2，故改造后不銹鋼管的導熱熱阻約為原銅管的3.72倍。但通過增大傳熱面積補償因冷卻管導熱性能下降產生的傳熱性能缺失，并且通過優化管束布置，提高傳熱管的利用率，從而使凝汽器改造后的性能可以超過改造前的水平[3]。

4.2 管徑、管數的選擇

國內外電站凝汽器的性能分析，均以對數平均溫差為計算模型，總傳熱量Q計算式為：

(1)

式(1)中，v為冷卻管內水的流速；K1與管徑相關的常數，管徑大，其值小；FW為冷卻水進口溫度修正系數，是溫度的非線性函數，溫度高，其值大；FM為冷卻管材料修正系數，與材料的導熱性能和壁厚有關，導熱性能好、壁厚薄，其值大；FC為清潔系數，與冷卻水的結垢趨勢有關，冷卻水清潔和不易結垢，取大值。

其中，對數平均溫差:

(2)

對于表面式蒸汽凝汽器，有效傳熱面積決定于管徑、管數和有效管長， 即:

Ac=πndl

(3)

式(3)中，n為管數；d為冷卻管的外徑；l為管長。

凝汽器冷卻管內的流速決定于冷卻水的流通截面，而冷卻水的總流通截面決定于管徑、壁厚、管數和冷卻水的流程數，即：

(4)

式(4)中，δ為管壁厚度；p為冷卻水的流程數。DW為冷卻水量。

由(3)和(4)式變換得:

(5)

式(5)給出了凝汽器有效傳熱面積與管徑、有效長度、流程數、總流量、流速的對應關系。在凝汽器改造中，循環冷卻水量一定，在冷卻管長度和流速保持不變條件下增大傳熱面積，可以減小管徑，或增大流程數。

(6)

式(6)顯示，凝汽器的總傳熱量與管數、流程數的平方根成正比，與管徑成反比。考慮到凝汽器改造中，循泵及凝汽器外殼不作改造，因此，在管長和冷卻水量一定時，減小管徑和增加管數，可以增大傳熱量。

在凝汽器不銹鋼管改造中，由于不銹鋼管的表面硬度大，不僅抗磨性能遠優于銅管，而且在冷卻水中泥沙沖刷下也不易產生劃痕，進而在其表面不易形成垢核，因此，不銹鋼管的阻垢性能也優于銅管。在通常凝汽器的清潔系數設計中，銅管取0.85，不銹鋼管取0.9。即在相同流速下，凝汽器的總體傳熱系數，不銹鋼管比銅管高12.5%。

管徑對凝汽器性能的影響，還體現在流動阻力方面。凝汽器的流動阻力主要表現為管端及進、出水室阻力損失和冷卻管的沿程阻力損失。在傳熱面積、管長和循環冷卻水量一定時，減小管徑，將使管程的流動阻力損失增加很大。

#1機組凝汽器不銹鋼管改造的熱力設計，基于循環冷卻水量、管材、壁厚、管長、清潔系數等數據確定后，在循環冷卻水進口溫度為20 ℃時低壓凝汽器壓力為3.86 kPa為設計目標。圖1給出了4種管徑(冷卻管徑25.4 mm為銅管)對應的傳熱面積和水阻。

圖1 凝汽器換管改造不同管徑時的傳熱面積、水阻的比較

由圖1可見：管徑大于Φ22 mm時，需增加較大的傳熱面積才能滿足傳熱性能要求，盡管水阻小于原銅管凝汽器，但冷卻管內水速過低，不利于阻垢的抗腐蝕，故不宜選用；管徑小于Φ21 mm時，增加不多的傳熱面積即可滿足傳熱性能要求，但水阻增加很大，導致循環冷卻水量減少，凝汽器的壓力達不到要求值，加上管徑減少，循環水中的雜質也易堵塞水管，更不宜選用。因此，對于國信揚電#1機組凝汽器的不銹鋼管改造，管徑采用Φ22 mm。

由表2和圖2可見，隨管數和傳熱面積的減少、循環冷卻的流通截面的增大，凝汽器的傳熱端差增大、壓力上升、水阻提高。當總管數減小到59800時，冷卻管內的水速及高、低壓凝汽器壓力接近原凝汽器的水平，水阻高于原銅管凝汽器0.4 m H2O，約為循環水泵揚程的2.4%，由此減小循環冷卻水量約1.56%，折算循環冷卻水溫升0.07 ℃。此方案下凝汽器的性能稍遜于銅管，但差異不顯著，因為不銹鋼管凝汽器計算中，清潔系數取值偏于保守，因此，管徑Φ22 mm時管數59800根作為本次改造方案。

圖2 管徑22 mm時不同管數下凝汽器壓力和水阻的對應關系表2 管徑Φ22 mm時不同管數的熱力與流動性能計算數據

項目低壓側高壓側低壓側高壓側低壓側高壓側低壓側高壓側管數/根3040030400294002940028400284002740027400總傳熱面積/m221933.321933.321211.821211.820490.320490.319768.819768.8冷卻水流速/(m/s)1.8791.8791.9421.9422.0112.0112.0842.084清潔系數0.870.870.870.870.870.870.870.87焓差/(kJ/kg)23832381.22382.82380.92382.62380.72382.42380.7排汽溫度/℃28.332.5828.3932.6628.4932.7628.5932.86排汽壓力/℃3.864.9133.8814.9373.9024.9633.9254.99冷卻水溫升/℃4.474.484.474.484.474.484.474.48傳熱端差/℃3.833.633.923.724.023.814.123.91對數平均溫差/℃5.785.575.8745.6685.9795.7636.0845.868冷卻水水阻/(m H2O)2.7772.7222.9492.89093.1383.0773.3473.281

管束布置是影響凝汽器性能的重要因素。增大管束周界長度，降低蒸汽進入周界沖擊管束區的流速，簡化蒸汽流程，均衡管束區蒸汽流量和凝結負荷分布，直通式汽、氣混合物通道，消除不凝結氣體滯留區，是凝汽器先進管束布置的關鍵要素。

BALCKE-DüRR公司模塊化(如圖3所示)管束布置，具備先進管束布置的技術特征，汽側傳熱與流動性能理論上優于Senior公司模式。B-D模塊化管束布置已在國內大型機組上得到較多應用，且取得很好的應用業績。因此本次凝汽器換管改造中，由于不更換水室及管長，通過采用單模塊X型管束(西安協力公司專利)，該管束是將塔形管束增加布管密度后的改進管束，提高傳熱面的有效利用率，由此補償不銹鋼管導熱性能差對凝汽器性能的影響，從而使改造后的凝汽器的整體性能超過改造前的水平。

圖3 改造后的冷卻水管布置方式

5 改造后經濟效益分析

#1機銅管凝汽器不銹鋼管改造的經濟效益，體現在相對現役凝汽器的性能提高的直接效益方面，以及消除冷卻管泄漏、保證膠球清洗正常投運、維持水側傳熱面優良清潔狀態的間接效益方面。

改造完成后，對#1機凝汽器選取兩組修前、修后參數進行了對比工作，主要結果如表3所示。

從表3數據可知，本次改造達到以下效果。

(1)在額定負荷時，凝汽器壓力每變化1 kPa，影響煤耗率約3 g/(kW·h)[4],由于#1機組凝汽器更換不銹鋼管，在相同循環水溫度、負荷情況下，高、低壓凝汽器排汽壓力修后比修前平均下降0.2～0.3 kPa，排汽溫度下降0.5～1.2 ℃。影響煤耗約0.7 g/(kW·h)，按每臺機組年發電35億kW·h，年節省標煤2450 t。

(2)凝汽器改造前后的通流面積分別為9.79 m2，10.14 m2，改造后循環水通流面積略微增加，循環水阻力變化不大，循泵電流與改造前略微下降。

6 結論與建議

#1機組凝汽器銅管全部更換為304不銹鋼管，取得了較好的結果，凝汽器換管改造后，不僅凝汽器的冷卻水管的強度、抗振性能、耐腐蝕性能比原先的銅管優越，而且消除了原來凝汽器的泄漏問題，更重要是通過合理地選擇冷卻水管的管徑及布置方式，反而提高凝汽器的經濟性能，因此針對凝汽器換管改造中完全可以將銅管改為不銹鋼管。

表3 #1機凝汽器換管前后部分運行數據比較