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1、全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 汽机 163 发电厂凝汽器换热静态特性的研究 王纪军 孙清杰 （菏泽发电厂 山东 菏泽） 【摘 要】本文在分析凝汽器换热特性的基础上，根据稳定工况下传热平衡原理，建立了凝汽器静态传热数 学模型，编制了凝汽器静态性能评价程序。并以某机组凝汽器为例，定性定量的分析了冷却水进口温度、冷却水流 量、汽轮机排汽量变化以及冷却管内表面结垢时对凝汽器压力、传热系数和传热端差等凝汽器性能参数的影响，得 出各影响因素与凝汽器压力的变化关系，做出稳定工况下凝汽器的静态特性曲线，得到真空开始恶化时各影响因素 的变化极限。计算发现，当冷却水进口温度升至
2、 26、冷却水流量降为额定水量的 49%、蒸汽负荷增为额定负荷的 160%、冷却管内表面污垢厚度达 0.7mm 时，凝汽器真空开始恶化。 【关键词】凝汽器 静态特性 真空 1 概述 凝汽器正常运行时的一些主要参数大多偏离凝汽器设计参数的给定值，这时凝汽器总是在偏离 设计工况下做变工况运行。影响凝汽器工作的因素比较复杂，包括凝汽器的热负荷、清洁系数、冷 却水量、冷却水温度、空气漏入等。这些因素都从不同的方面影响着凝汽器的传热特性，从而影响 凝汽器的真空。当凝汽器真空恶化时，判断影响真空恶化的因素就成为及时调整凝汽器运行工况的 重要关键。做到及时、准确地判断真空恶化的根本原因是困难的，要做到这一点
3、，就必须从分析和 研究凝汽器的静态和动态特性着手。 随着计算机应用的日益广泛，开发凝汽器的换热数学模型，对凝汽器的静态特性进行分析和研 究，既能实现凝汽器的最优化操作，又能得出凝汽器实际运行过程中性能参数变化的整个过程，对 凝汽设备的经济运行具有普遍的指导意义。 2 国内外发展 由于凝汽器在火电厂中起着重要作用，对其静态特性进行研究不仅可以为凝汽器的设计提供依 据，而且对凝汽器的经济运行和诊断也有很重要的意义。因此研究很多研究者对于凝汽器的性能进 行了研究探讨。 文献4以传统的变工况计算方法为分析基准， 提出了凝汽器在非设计工况下运行时压力应达值 的概念。并从理论和试验两方面讨论了凝汽器校核计
4、算中传热系数的计算方法，提出了一种符合具 体机组实际运行工况的传热系数计算方法。利用这种方法进行凝汽器校核计算时，做出的凝汽器变 工况特性曲线反映了具体机组的凝汽器结构和管束布置特点。 文献5论述了机组运行参数变化对凝汽器性能的影响,指出了主要参数（热负荷、冷却水速、 真空系统严密性等）对凝汽器真空、换热系数、传热端差的影响以及抽气设备对凝汽器工作的影响, 并做出了凝汽器变工况特性曲线，利于指导运行人员监视凝汽器的运行。 全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 汽机 164 Zhang 和黄兴华考虑到凝汽器中流动和传热的三维因素，提出准三维模拟方法，该方法对凝汽 器的
5、各个汽室建立二维模型，各汽室内的流场通过冷却水的温度相互联系，通过对各汽室一系列二 维计算来达到对凝汽器的准三维模拟。Zhang 用准三维方法模拟一模型凝汽器，研究了不同冷凝传 热系数和淹没修正因子对凝汽器性能预测的影响。黄兴华对 Zhang 的方法进行了改进，在准三维数 值模拟的基础上，采用不同的分布阻力关系式，研究了分布阻力对凝汽器壳侧进口压力、压降、换 热系数及热流密度分布的影响。 文献9采用 Kern-Seaton 渐近模型预测了换热器污垢的生长规律。以换热器传热机理为基础, 提出了一项反映污垢对换热器传热性能影响大小的指标,即结垢前后换热器传热有效度之比,讨论了 结垢时间及表面温度等
6、参数对结垢前后换热器传热有效度之比的影响。 文献10通过真空系统严密性试验的模拟计算,指出真空下降速度并不是漏入凝汽器空气量的 单值函数,汽轮机负荷、冷却水流量、冷却水入口温度以及凝汽器管材等对真空下降速度均有不同程 度的影响,并详细分析了这些参数对真空下降速度的影响,所得结论对于更准确地评价汽轮机真空系 统严密性具有参考价值。 文献11针对不同火电厂中凝汽器铜管发生的均匀腐蚀和局部腐蚀情况，配备专门研制的腐蚀 测量传感器，采用腐蚀在线监测技术，对其腐蚀速率进行实时有效的在线监测，并根据监测结果判 断凝汽器铜管的腐蚀情况和防止腐蚀效果。介绍腐蚀在线监测技术在国内火电厂凝汽器铜管上进行 的相关试
7、验研究，研究结果表明该技术可有效地在循环冷却水运行方式（如浓缩倍率、缓蚀剂投加 情况等）改变和凝汽器铜管表面进行预处理（如进行表面镀膜处理）后，对凝汽器铜管的均匀腐蚀 和局部腐蚀情况进行及时有效的监侧。 从现有研究可以看出，对于凝汽器模型的研究，还只是理论的模型比较多，很少有涉及针对影 响凝汽器真空变化的因素，建立模型，从而再反过来确定实际运行时影响真空变化的因素。这就本 文的着重点。 3 凝汽器传热平衡方程 对于凝汽器冷却管上微元换热面积dA，其传热方程为： = cxx dQKt dA （1） 式中： c dQ蒸汽通过微元面积dA传给冷却水的热量； x K微元换热面积dA上的传热系数； x
8、t微元换热面积dA上的传热温差。 在微元换热面积dA上，蒸汽的凝结放热量 s dQ为： ()= sssc dQdD hh （2） 式中： s dQ微元换热面积上的蒸汽负荷； 全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 汽机 165 s h凝汽器壳侧蒸汽比焓，/J kg； c h凝结水比焓，/J kg； 在微元换热面积dA上，水侧循环冷却水的吸热量 w dQ为： = wwpw dQD C dt （3） 式中： w D循环冷却水流量，/kg s； p C循环冷却水比热容，/()JkgC； w dt通过微元换热面上冷却水的温升，C。 假设凝汽器整个换热面上，蒸汽的压力、温度处处
9、相等，且沿整个换热面保持为常数。对（1） （2） （3）式在整个冷却面上进行积分得： = cm QKtA （4） ()= sssc QDhh （5） 21 ()= wwpww QDCtt （6） 当凝汽器处于平衡状态时，如果忽略蒸汽通过凝汽器外壳向周围环境的散热损失，忽略被抽气 器抽出的汽气混合物所带走的热量（这对于工程计算是完全容许的） ，则凝汽器壳侧蒸汽的凝结放热 量、冷却管的传热量和循环冷却水的吸热量是相等的，可以得到凝汽器中的热平衡方程式为： 21 ()()= sscmwpww QDhhK AtDCtt （7） 式中：Q凝汽器热负荷，W； s D凝汽器蒸汽负荷，即进入凝汽器的蒸汽量，/
10、kg s； s h凝汽器壳侧蒸汽比焓，/J kg； c h凝结水比焓， /J kg； K总体传热系数， 2 /()WmC m t对数平均温差，C，为按整个换热面计算的平均传热温差； A换热面积， 2 m, 1 =AdL N Z； 全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 汽机 166 1 d冷却管外径，m； L冷却管有效管长，m； N冷却管根数； Z循环冷却水流程数； w D循环冷却水流量，/kg s； p C循环冷却水比热容，/()JkgC； 2w t冷却水出口温度，C； 1w t冷却水进口温度，C。 4 换热特性分析 根据上述所建立的凝汽器传热方程式，以及基本的凝汽
11、器内部压力的确定方法，现以某类型机 组作为例子，进行凝汽器的静态特性的变工况分析。 4.1 已知参数 已知参数见表 1. 表 1 已知凝汽器设计参数 参数 数值 凝汽器压力/kPa 4.4 蒸汽负荷/kg s 175 排汽湿度 0.93 冷却水流量/ t h 31770 冷却水进口温度/C 15 冷却水出口温度/C 25.7 流程数 2 冷却管材料 B5 冷却管导热系数/ 2 /()WmC 29.1 冷却管密度/ 3 /kg m 8900 全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 汽机 167 参数 数值 冷却管比热容/()JkgC 410 冷却管有效长度/m 10.6
12、2 冷却管外径/mm 28 冷却管内径/mm 26 冷却管根数/根 16650 凝汽器换热面积/ 2 m 15510 4.2 循环水进口温度的影响 冷却水进口温度一方面直接影响凝汽器的真空，另一方面通过影响凝汽器的总体传热系数而影 响到凝汽器的传热端差，并由此间接地对凝汽器真空产生影响。影响规律如图 1 所示。 5101520253035 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 循环水进口水温 (oC) 总体传热系数(103W/(m2.oC) 传热端差(oC) 凝汽器压力(kPa) 数值 图 1 冷却水进口温度对凝汽器压力的影响 由图 1 可知，当冷却水进口温度逐渐升高时，总体传热系数随水
13、温的升高而升高。传热端差随 冷却水进口温度的升高而降低，但是传热端差降低的幅值小于冷却水进口水温升高的幅值，所以凝 汽器饱和温度升高，对应的蒸汽压力升高，真空降低。 4.3 循环水量的影响 运行过程中循环水量发生变化时对于凝汽器压力以及传热端差和总体传热系数的影响如图 2 所 示。 全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 汽机 168 405060708090100 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 数值 运行循环水量与额定循环水量百分比（%） 总体传热系数（103
14、W/(m2.oC)） 传热端差（oC） 凝汽器压力（kPa） 图 2 冷却水量对凝汽器压力的影响 由图 2 可以看出，当运行冷却水量为额定冷却水量时，凝汽器真空为设计值-97kPa。随着冷 却水流量的减少，总体传热系数和传热端差随之减少，凝汽器的压力有较大幅度的升高。当冷却水 量降为额定水量的 49%时，凝汽器总体传热系数由设计工况下的 2.7441 2 /()KWmC 降为 2.1921 2 /()KWmC ，传热端差由设计工况下的 4.9降为 3.9。但是，冷却水量的减少使循环 冷却水温升增加，且冷却水温升的幅值大于传热端差降低的幅值，因而凝汽器饱和温度升高，对应 的压力上升，真空由设计工
15、况下的-97kPa降至-94kPa，真空开始恶化。因此，当运行中需要降低 冷却水量时，应相应降低凝汽器的蒸汽负荷以保证最有利真空。 4.4 蒸汽热负荷的影响 当冷却水量不变时，冷却水温升和凝汽器蒸汽负荷成正比。根据的别尔曼公式和传热端差的关 系式：当凝汽器蒸汽负荷变化时，总体传热系数随之改变，所以传热端差与蒸汽负荷的变化关系比 较复杂。许多试验资料表明：当蒸汽负荷变化不大时，总体传热系数几乎不变，若蒸汽负荷小于额 定值较大时，总体传热系数的变化较大。 全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 汽机 169 406080100120140160 2 3 4 5 6 7 8
16、 数值 运行蒸汽负荷与额定蒸汽负荷百分比（%） 总体传热系数（103W/(m2.oC)） 传热端差（oC） 凝汽器压力（kPa） 图 3 蒸汽负荷对凝汽器压力的影响 由图 3 可知，当凝汽器蒸汽负荷 s D 下降时，冷却水温升 2 1 t 将随之减小，而总体传热系数在 蒸汽负荷下降不多时几乎不变，所以传热端差随温升的减少而减小，因而蒸汽饱和温度 s t 下降，即 凝汽器压力随着蒸汽负荷的下降而下降，真空升高。 当凝汽器蒸汽负荷 s D 增加时， 凝汽器压力呈线性增加。 当凝汽器蒸汽负荷为额定工况下的 160% 时，凝汽器总体传热系数由设计工况下的 2.7441 2 /()KWmC 增加到 2.
17、8012 2 /()KWmC ，传 热端差由设计工况下的 4.9升高到 7.7，凝汽器饱和温度增加，压力上升，真空由设计工况下的 -97kPa降至-94kPa，真空开始恶化。 4.5 管壁结垢的影响 0.00.20.40.60.81.0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 数值 垢 层 厚 度 mm 总 体 传 热 系 数 （ 10 3W/(m2.oC)） 凝 汽 器 压 力 （ kPa） 污 垢 热 阻 （ 10-4(m2.oC)/W） 图 4 冷却水管壁结垢对凝汽器压力的影响 全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 汽机 170 由图 4 可见，随着凝汽器内表
18、面垢层厚度的增加，冷却水与蒸汽的换热热阻由于污垢热阻的增 加而迅速增加，凝汽器的总体传热系数下降，凝汽器压力随垢层厚度的增加而升高，真空降低。 在设计工况下， 冷却水管壁清洁， 凝汽器的设计压力为 4.4kPa， 真空为-97kPa。 运行过程中， 由于水质变差或水中的污垢等引起铜管内表面积垢或脏污。由图可知，当冷却管内表面污垢厚度达 0.7mm时， 凝汽器总体传热系数由设计工况下的 2.7441 2 /()KWmC 降为 1.3356 2 /()KWmC ， 凝汽器压力由设计工况下的 4.4kPa增加到 7.3kPa， 真空降为-94kPa。 即当冷却水管内表面积垢 厚度达 0.7mm时，真
19、空开始恶化。 5 结论 基于凝汽器的静态换热特性，建立了凝汽器静态传热数学模型。分析了冷却水水温、冷却水流 量、汽轮机排汽量、铜管清洁系数等因素变化时对凝汽器压力、传热系数和传热端差等凝汽器性能 参数的影响，并可以做出稳定工况下凝汽器的静态特性曲线。根据该曲线不仅可以定性定量的计算 出各影响因素与凝汽器压力的关系，而且可以得出真空开始恶化时各因素的变化极限。对于凝汽器 的性能预测具有较大的工程意义。 参考文献： 1 杨善让汽轮机凝汽设备及运行管理M北京：水利电力出版社，1993 2 丁燕凝汽器动态数学模型及故障诊断系统研究D武汉大学硕士学位论文，2005 3 董冲热电站凝汽器性能评价与预测研究
20、D山东大学硕士学位论文，2004 4 陈煜博凝汽器静态特性及其动静态特性线的研究D东北大学硕士学位论文，2001 5 朱玉娜凝汽器变工况核算及其传热系数的确定方法J，Power System Engineering, Nov. 1998 911 6 Chilholm D., Mcfarlane M.W. The prediction of Condenser Performance Using a Digital ComputerJ, NEL Report 161, 1964. 7 黄兴华等管束阻力对凝汽器流动和传热性能的影响J上海交通大学学报，Vol.37，No.7，Jul.2003 8 吴双应等污垢对换热器传热性能影响J石油化工设备，Vol.29, No.1. Jan.2000 9 李勇等汽轮机真空系统严密性试验的静态模拟计算J热能动力工程，第 16 卷（总第 95 期） ，2001 年 9 月 10 周兰欣等凝汽器运行性能的综合评判模型J电力情报，No.1. 2001 11 邓宇强等腐蚀在线监测技术在火电厂凝汽器铜管上的应用J中国电力，Vol.39, No.5. May. 2006 作者简介： 王纪军（1973 ） ，男，从事汽轮机专业检修技术工作，山东菏泽发电厂，山东省菏泽市牡丹区光明路 1 号， 274032