浅谈汽轮机冷凝器节能技术改造
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作者: 王伟锋
摘 要：针对现行汽轮机冷凝器存在的换热效率低、耐腐蚀性差、抗振性差、抗结垢性差、维修困难、购置成本高等问题，提出可行的改造方案，并进行通过分析、比较给予论证。
关键词：汽轮机 冷凝器 节能 改造
前言：湛江冠龙纸业有限公司是广东冠豪高新技术股份有限公司一全资子公司，其热电站现运行三台3MW的汽轮机组，冷凝器都是典型的传统铜光管结构，自2000年投入运行以来，一直存在着以下几方面的问题，影响汽轮机组的经济性。1、换热效率差，汽轮机真空度偏低，机组带不满负荷；2、耐腐蚀性差，冷凝器铜管容易受腐蚀发生渗漏现象，造成冷凝水硬度超标，不能回收到锅炉使用；3、抗振性差，汽轮机是高速运转设备，发生振动在所难免，特别是在汽轮机启动和停机过程中，都必须经过共振期，振动更为明显，受振动的影响，造成冷凝器铜管胀接口松动渗漏，同样会使得冷凝水硬度超标；4、抗结垢性差，冷凝器铜管内壁容易结垢，结垢到一定程度，冷凝器的换热效率将明显下降，同样会影响到汽轮机带负荷能力；5、清洗维护困难，汽轮机运行过程中常用的胶球清冼方法，不但除去污垢效果很差，且经常发生卡球现象，造成铜管堵塞；6、购置成本高，由于铜金属价格贵，因此，购置铜管冷凝成本很高。
为解决上述问题，经多次考察论证，采用不锈钢波螺管替换铜管进行热交换，效果比较明显。下面是有关不锈钢波螺管与铜管的比较分析。
1.不锈钢波螺管示意图：
不锈钢波螺管
2.高效性：
2.1管壁导热换热分析
冷凝器的传热阻力主要由四部分构成：对流放热热阻＋污垢热阻＋管壁导热热阻＋凝结放热热阻，而管壁导热热阻仅占5%左右，起决定性作用的是污垢热阻、对流放热热阻和凝结热阻（见图解）。
在冷凝器中采用强化传热手段应当选择冷凝器两侧流体中热阻较大、对总传热系数起控制作用的一侧来实施。不锈钢波螺管使冷凝器中占主导作用的三大热阻显著降低，与铜管相比，总体传热系数得到大幅提升，电厂冷凝器现场检测数据计算表明传热系数比铜管提高22%以上。
2.2．管外凝结换热分析
凝结换热有两种方式：
珠状凝结时的蒸汽与冷却壁面之间没有液膜阻隔，热阻大为减小，换热系数可达到膜状凝结时的5至10倍！
不锈钢波螺管螺旋根部凝结液体的表面张力作用可使其上形成的凝结液膜变薄，或形成珠状凝结，减小热阻；同时加强了液膜扰动，增大了换热面积。另外，由于螺旋槽道的作用，管壁上的凝结液体会迅速顺着螺旋槽脱离冷却壁面，有利于凝结换热。实验数据表明：波螺管凝结换热系数较光管高50%～100%！
2.3管内对流换热分析
波螺管强化管内单相介质流动换热的主要原因是在管子的内壁面产生螺旋流和边界层分离流。对流动沸腾而言，螺旋流所引起的离心力使蒸汽中夹带的液滴容易返回液膜，从而推迟壁面干涸的出现。分离流的主要作用是扰动边界层的流体，使该处流体径向混合较均匀，从而增强换热。
另外螺旋流使液体沿管周分布趋于均匀，因而，层状流的现象不易发生，故对水平流动沸腾特别有效。
2.4换热效果计算实例
对Hsn70-1A铜光管、不锈钢光管、不锈钢波螺焊管（螺纹深＝0.8mm；螺距＝10mm）进行计算。
计算选用管材的参数：
计算采用的冷凝器原始数据及条件：
（1）冷凝器蒸汽负荷=260t/h=72.22kg/s
（2）冷凝器压力=4.9kPa
（3）冷却水进口温度=20℃
（4）冷却水进口温度=28.35℃
（5）冷却管内水的流速=2m/s
计算结果：
从计算实例可见，不锈钢波螺管总传热系数比铜管高22%！
3.耐腐蚀性
不同材质冷却管耐腐蚀性能（耐蚀性：1最低，6，最高）
从上表可知，不锈钢管的耐蚀性优于Cu及Cu-Ni合金管，仅次于钛管。通常氨腐蚀容易发生在冷凝器管束中的空冷区，此区积集了一些非凝结气体：NH3，CO2，O2等，而铜管对氨的应力腐蚀尤为敏感，而不锈钢管对氨并不敏感，因此，化工厂、化肥厂的自备电厂，使用不锈钢管是再好不过的事情了。
另外，由于不锈钢的强度和表面硬度都高于铜管，不论是汽侧的高速蒸汽及水滴，还是水侧的泥沙污垢及入口端流，都不可能对不锈钢管形成冲蚀，因此，它更能适应于江、河等含砂污垢水质条件，及排汽温度较高的循环水供热场合。
4.抗振性
汽轮机的高速蒸汽和水滴将是产生凝汽管子振动的主要来源，不锈钢管的弹性模量比铜管、钛管高，允许有较大跨距而不振动。经计算在相同条件下，不锈钢管的抗振性相对铜管要好。
5.抗结垢性
某厂运行若干后的不锈钢管冷凝器图
在实际运行中，不锈钢冷凝器没有或者很少结垢。其原因有两个，一是由于循环水在管内的流动产生了边界层分离流，不存在沿管壁低流速层，污垢难以附着在管内壁面。二是由于污垢层与不锈钢波螺管的热胀系数差别很大，当它们受热时，紧贴在一起的两层由于型线曲率变化不等而自动脱离在高速水的冲击下，污垢层早已不存在。
6.易维护性
由于不锈钢波螺管管壁能始终保持极高的光洁度，机械清洗很容易将污垢除掉；此外其它清洗方式，如高压水、塑胶弹、酸洗等对铜管而言具有很大破坏性的清洗方式，对于不锈钢管来说基本上没有伤害，而且免去了铜管需要镀膜之类的麻烦，因此清洗维护比铜管方便得多。
7.低成本
满足同样换热要求的一台设备，不锈钢波螺管的用量只有铜管用量的60%左右，因此一次投入的总价与铜管相比并不高，而且不锈钢强化管的使用寿命是铜管的3倍，加上运行维护费用低，年平均成本只相当于铜管的15%左右。
胶球清洗系统及胶球
某厂大型冷凝器清洗前后对照
8.小结：
经验证，不锈钢波螺管比同种材质的冷拔热轧无缝不锈钢管及铜管好，是冷凝器换热管的最佳选择！
结论：综上所述，采用不锈钢波螺管冷凝器，能够解决现行的光铜管冷凝器普遍存在的缺点，是汽轮机组节能改造的好方法。
参考文献：
[1]杨世铭、陶文铨.《传热学》.高等教育出版社，2006（8）.
[2]黄素逸.《能源与节能技术》.中国电力出版社，2004（8）.
[3]任泽霈、蔡睿贤.《热工手册》.机械工业出版社，2002.
[4]祁义禄.《节能降耗技术手册》.中国电力出版社，1998.
[5]曾楚光.《工程热力学》.高等教育出版社，2002.
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