凝汽器強化傳熱研究

薛倩

摘? ? ? 要：介紹凝汽設備的組成和目前火電廠常用的凝汽器的類型，分析造成凝汽器效率下降的原因，并根據不同原因介紹目前國內外電廠中對凝汽器采用的改進和優化的措施，主要有降低凝汽器的熱負荷、增加凝汽器的傳熱系數、改變冷卻管管束的布置、降低凝汽器的過冷度以及采用不易腐蝕的管材等措施，從而提高了凝汽器的傳熱效率，達到節能的效果。

關? 鍵? 詞：電廠;凝汽器;節能

中圖分類號：TE626? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2020）09-2037-04

Abstract： The composition of the condenser equipment and the types of condensers commonly used in thermal power plants were mainly introduced. The reasons for low efficiency of the condenser were analyzed， and the improvement measures of the condensers used in power plants were introduced， including reducing the heat load of the condenser， increasing the heat transfer coefficient of the condenser， changing the arrangement of the cooling tube bundle， reducing the supercooling degree of the condenser， and adopting non-corrosive pipes.

Keyword： Power plant; Condenser; Energy saving

火電廠發電的基礎循環為朗肯循環（Rankine Cycle）。循環介質為水，首先水在鍋爐中被加熱成高溫水蒸氣，其次高溫高壓的水蒸氣帶動汽輪機做功，隨后汽輪機推動發電機發電[1]。圖1為最簡單的凝汽設備示意圖，采用水為冷卻介質，通常包含有凝汽器、凝結水泵、循環水泵、抽氣設備以及連接管道和附屬的動力機械設施。循環水泵將冷卻水不斷地送入凝汽器的冷卻水管中，蒸汽在汽輪機做完功后排入凝汽器中，在冷卻管外發生相變凝結成水，冷卻水將氣體凝結中放出的熱量帶走。凝結水泵將凝結水從凝汽器的熱井中抽出后作為鍋爐給水再次利用，在凝汽器中的不凝結的空氣由抽氣設備抽出，從而使凝汽器保持需要的真空。

為了提高汽輪機裝置的經濟性，對現代凝汽設備提出了如下要求：①應具有較高的傳熱系數;②對凝結水有較好的回熱作用;③蒸汽通過凝汽器冷卻管的流動阻力要小;④冷卻水在凝汽器中的流動阻力要小;⑤具有良好的除氧性能;⑥有較大的穩定工作范圍;⑦氣密性高，減少空氣漏入量。

目前，汽輪機凝汽器的真空度偏低和嚴密性差是火電廠機組運行中最普遍存在的問題。凝汽器的真空度偏低對整個機組的經濟效益和穩定運行有較大的影響，真空低會產生以下問題：①汽輪機的末級焓降減少，反動度增大，導致引起軸向推力增大;②排汽溫度升高，導致低壓缸變形從而引起機組振動超標;③機組的能耗增加導致經濟效益降低;④如果因漏氣導致真空偏低，這樣會引起凝結水的含氧量升高，造成設備腐蝕與破壞。

凝汽器運行性能的優劣直接影響電廠的經濟效益和運行的可靠性，因此本文主要對近年研究廣泛的改善凝汽器工作性能的研究進展進行系統綜述，并分析了改進措施的應用前景。

1? 凝汽器的節能研究

目前凝汽器按照蒸汽凝結方式分成兩種：表面式凝汽器和混合式凝汽器。

混合式凝汽器中排汽和冷卻水接觸混合后被凝結。圖2是兩類混合式凝汽器，但是現在較少采用，因為它的凝結水和冷卻水是直接接觸混合，所以凝結水不能作為現代鍋爐的給水。

現代大多數發電廠中采用的是表面式冷凝器，因為表面式凝汽器中，冷卻水和蒸汽不是通過接觸冷卻，而是通過在冷卻管的表面換熱冷卻，這樣就能得到達標的凝結水作為鍋爐的給水，結構如圖3所示。

1.1? 降低凝汽器的熱負荷

為了提高汽輪機的熱效率和降低凝汽器的熱負荷，可以通過在冷凝器的喉部增設一個霧化式噴頭，改善傳熱方式，通過直接混合接觸傳熱可吸收一部分蒸汽的凝結熱，通過補充的除鹽水就能在凝汽器內形成混合式凝汽器，因此降低了凝汽器的熱負荷，還提高了真空度。石河子的天富南熱電有限公司、杭州的輕華熱電公司以及唐山的開灤熱電有限公司均采用此裝置[2-4]。

安婭琳等為了使機組的真空度保持在較高的水平，通過采用真空泵制冷裝置，即通過降低水環式真空泵的工作溫度來改善機組的工作效率。結果表明，采用該方式，能夠使機組保持較高的真空，一臺1 000 MW機組每年可以節省407萬元[5]。

謝尉揚等人為了提高凝汽器的效率，對凝汽器的真空系統進行了改造，分別考察了3種措施，即凝汽器嚴密性、機組負荷率和循環水進水溫度對凝汽器真空系統的影響。結果表明，3種方案各有優勢，并給出了對3種節能改造方案進行優選的方法，為凝汽器抽真空改造提供了參考[6]。

1.2? 增加凝汽器的傳熱系數

凝汽器中管壁兩側的熱阻非常小，管壁自身產生的熱阻就可以忽略不計。冷卻水一般都不經過處理，因此容易在管壁上結污垢，此時管壁上的污垢就成為換熱過程的主要阻力，降低了凝汽器的傳熱系數，而且罐內的水流速率較慢，一般呈層流狀態，也導致凝汽器傳熱效率低。常采用的措施有：

1）運行過程中，可以通過清洗凝汽器管道中的污垢，來提高凝汽器的傳熱效率，目前比較普遍采用的方法有超聲波、高壓水和膠球等清洗，當凝汽器的管壁結垢較多，也可以采用化學或機械清? ? 洗[7-9]。

2）通過在凝汽器管內加裝自動除垢強化換熱裝置，能夠有效減小傳熱端差，增加了蒸汽在汽輪機的可用比焓降，提高循環熱效率。自動除垢強化換熱裝置如圖4所示，在機組運行時，利用水的流速驅動螺旋的葉片快速轉動，強化換熱，同時使管內水流呈現紊流狀態，采用安裝自動除垢裝置能夠破壞了污垢的沉積。安裝的螺旋葉片和水的密度基本相同，所以螺旋葉片能夠浮在管的中心位置，從而保證了在運行過程中不與金屬管壁相撞，保證了除垢過程的均一，防止金屬表面的氧化膜破壞。王人杰等人指出：60 MW凝汽器，如果采用螺旋紐帶自動除垢裝置，年平均端差可降低5 ℃，年創效可達400萬元[10]。濟鋼燃氣發電一期工程和新礦集團協莊煤礦的自備電廠都采用了此種技術[11-14]。

1.3? 改變冷卻管管束的布置

凝汽器冷卻管管束的布置的合理與否對蒸汽凝結過程有重要的影響，并對其換熱性能以及機組的能耗有較大的影響。管束布置不合理將造成蒸汽流場的不合理，由此帶來熱負荷分布不均勻、局部空氣積聚、流動阻力過大、過冷度大、不同凝結程度的氣流相互摻和甚至漏氣等[15]。合理的管束布置是凝汽器性能保證的基礎。目前廣泛應用的教堂窗式管束布置形式和將軍帽形等管束布置形式，存在渦流死區，有些殼側流阻過大和過冷度大，并且傳熱系數比按HEI標準設計要低。針對上述問題，曾輝發明了一種管束氣流流場均勻無渦流、殼側氣阻小、熱負荷分布均勻、凝結水過冷度小、凝結傳熱系數和運行真空度都較高的仿生雙連樹形布置形式，如圖5所示。河北西柏坡電廠和山東萊城發電廠2號機組均采用此種管束。

當汽輪機排氣經接頸進入凝汽器后，如圖6a所示，蒸汽從仿生樹形管束的最外圍換熱管管間進入管束，蒸汽在最外圍的換熱管區域即仿生疏松樹枝區被冷卻而冷凝，使得蒸汽流速迅速下降，然后在樹形管束區的密集管束區繼續被冷卻而冷凝，再經中心抽氣區即仿生樹的樹干形抽氣區匯集，然后流向空冷區進一步被冷卻。由于管束區的外輪廓長度是普通管束的3～6倍，蒸汽進入管束的氣阻是普通管束的30%～50%，其殼側氣阻明顯小于普通管束。仿生樹管束氣流流場均勻無渦流、無漏氣、無跨區流動，也沒有空氣聚集區，因此熱負荷分布比較均勻，如圖6b所示。總換熱系數整體比較均勻，并明顯高于普通管束，如圖6d所示，可比普通管束的換熱系數提高20%～30%。同時它較普通的管束，其管束布置得更為緊湊，使得它們互相之間蒸汽暢通地流向管束底部和熱井，因而凝結水過冷度小于甚至接近于零[16-18]。

曹榮等[19]為了實現發電廠中凝汽器壓力達到規定值，設計了一種新型的仿生布管的凝汽器管束布置方案，并且將管束中的銅管采用不銹鋼管代替。結果表明，通過采用仿生布管的凝汽器管束布置方案，凝汽器過冷度小于0.5 ℃，壓力降低了0.88 kPa，改進了凝汽器熱力循環，增強了凝汽器傳熱效率，經濟和環保效益非常顯著。

1.4? 降低凝汽器的過冷度

凝結水過冷卻，雖然不影響真空度，但對發電廠的經濟運行是不利的。如果凝結水過冷卻，不僅會導致凝結水面上蒸汽分壓降低，而且還會導致氣體分壓增高，從而使溶解于水中的氧增加。并且凝結水過冷還影響機組的熱經濟性。田松峰等發明的發電站凝汽器凝結水節能裝置如圖7所示，此裝置不僅在凝汽器的喉部設有噴水裝置，并且該裝置還設有凝結水部分再循環支路，所述凝結水部分在循環支路的進口聯通凝結水泵出口母管，凝結水部分再循環支路的出口與凝汽器喉部噴水裝置連通，凝結水部分再循環支路設有并聯的再循環換熱器和再循環旁路。它使一部分具有過冷度的凝結水，通過噴水裝置噴入凝汽器喉部，然后回到熱井中，降低了凝結水過冷度。并且通過再循環噴入凝汽器后，被汽輪機排氣加熱后，溫度升高，除氧效果好;并且可使進入凝汽器空氣冷卻區的氣量減少，可以提高凝汽器的真空度[20]。

陳開峰等提出對末級低壓加熱器正常疏水進行回熱利用，降低凝結水的過冷度，回收了末級低壓正常疏水的能量，該方法能夠使凝汽器的凝結水過冷度下降1～2 ℃，提高了機組運行的經濟性[21]。

王剛等人分析了目前凝汽器真空度偏低時的判定依據，并根據實際情況提出了兩個概念，即極限和最佳真空度，用于指導汽輪機組的高效運行[22]。

1.5? 其他

管道材料也對凝汽器換熱性能有著至關重要的影響。目前多采用鈦管等作為傳熱管，主要由于鈦管具有特殊的凝結表面，使傳熱管不容易被腐蝕。并且這種特殊的表面能夠有效地增加水滴的滴落，能夠形成薄薄的液膜，增加了傳熱效率[7，15]。

2? 結 論

節約能源是我國的一項基本國策。凝汽器設備作為熱力循環的“冷端”，在火力發電站凝汽器式汽輪機組中起著重要的作用。其中凝汽器的真空度是汽輪機最為關注的經濟指標，其工作性能直接關系著汽輪機的效率和熱經濟性。凝汽器運行性能的優劣，主要表現在凝汽器壓力（真空）、凝結水過冷度和凝結水品質等幾個方面。采用降低凝汽器的熱負荷、增加熱傳遞系數、改變冷卻管的布置等方法來改變凝汽器的工作性能，能使其達到最佳的運行效果。

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