某軸向排汽式凝汽器壓力的影響因素分析

強(qiáng)永平 張莉 朱勇軍

（1.上海漕涇熱電有限責(zé)任公司， 上海， 201507； 2.上海電力大學(xué) 上海熱交換系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心， 上海， 200090）

凝汽器壓力是反映汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的綜合指標(biāo)， 往往也作為評價發(fā)電機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的一級指標(biāo)， 在蒸汽發(fā)電循環(huán)中有著舉足輕重的作用， 凝汽器壓力低則蒸汽發(fā)電循環(huán)經(jīng)濟(jì)性好[1-3]。但是， 目前較多蒸汽發(fā)電機(jī)組普遍存在凝汽器壓力偏高的現(xiàn)象， 影響了發(fā)電機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。 因此， 運(yùn)行人員一直希望了解各因素[4-8]對凝汽器壓力影響的程度， 尤其是與運(yùn)行有關(guān)的因素， 以便在可調(diào)節(jié)的運(yùn)行范圍內(nèi)盡可能地達(dá)到降低凝汽器運(yùn)行壓力的目的。

本文以某燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的軸向排汽式凝汽器為研究對象， 基于其性能測試數(shù)據(jù)， 對影響凝汽器壓力的因素進(jìn)行分析， 獲知影響凝汽器壓力的主要因素， 為運(yùn)行人員優(yōu)化運(yùn)行降低凝汽器壓力提供指導(dǎo)， 同時也為相關(guān)人員熟悉凝汽器性能影響因素提供有益的參考。

1 研究對象簡介

1.1 凝汽器設(shè)計參數(shù)

本文的研究對象為某燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的軸向排汽式凝汽器， 該聯(lián)合循環(huán)機(jī)組為熱電機(jī)組， 主要為工業(yè)園區(qū)抽汽供熱。表1 給出了該凝汽器設(shè)計工況（即100%供汽工況）下的相關(guān)參數(shù)。

表1 某軸向進(jìn)汽凝汽器的設(shè)計參數(shù)

1.2 凝汽器性能測試數(shù)據(jù)

對上述凝汽器進(jìn)行了性能測試， 測試數(shù)據(jù)見表2。 從表中蒸汽負(fù)荷的數(shù)據(jù)來看， 測試工況下的蒸汽負(fù)荷遠(yuǎn)比設(shè)計值大， 超過了設(shè)計工況負(fù)荷的2倍； 凝汽器的循環(huán)水流量低于凝汽器的設(shè)計工況，僅為設(shè)計工況水流量的71%； 冷卻水進(jìn)口溫度偏離凝汽器冷卻水進(jìn)口溫度設(shè)計值較遠(yuǎn)。 與此同時，冷卻管的清潔系數(shù)也可能與設(shè)計工況下的0.9 不同。 正是因為上述多個影響因素均偏離了設(shè)計值，導(dǎo)致凝汽器壓力也遠(yuǎn)離了設(shè)計值。

表2 某軸向進(jìn)汽凝汽器性能測試數(shù)據(jù)

2 凝汽器壓力修正計算的相關(guān)公式

2.1 凝汽器測試時的熱負(fù)荷

凝汽器的熱負(fù)荷由循環(huán)冷卻水的吸熱量由計算而得， 見式（1）。

式中：Q為凝汽器熱負(fù)荷， W；cp為冷卻水平均溫度下的比熱， J/（kg·K）；m為冷卻水流量， kg/s；Δt為冷卻水溫升， ℃。

2.2 凝汽器端差

凝汽器端差是指凝汽器內(nèi)蒸汽的飽和溫度與冷卻水出口溫度的溫差。 根據(jù)傳熱學(xué)知識， 凝汽器端差與冷卻水的溫升存在的關(guān)系見式（2～3）[9]。

式中：δt為凝汽器端差， ℃；A為凝汽器換熱面積， m2；k為凝汽器傳熱系數(shù)， W/（m2·℃）。

2.3 對數(shù)平均溫差

根據(jù)傳熱學(xué)[10]知識， 凝汽器內(nèi)蒸汽與冷卻水之間傳熱的對數(shù)平均溫差的計算見式（4）。

式中：ts為凝汽器壓力下的飽和蒸汽溫度， ℃；t1為冷卻水進(jìn)口溫度， ℃；t2為冷卻水出口溫度， ℃；LMTD為對數(shù)平均溫差， ℃。

2.4 測試工況下傳熱系數(shù)的計算式

根據(jù)傳熱學(xué)知識， 測試工況下凝汽器內(nèi)蒸汽與冷卻水之間傳熱的傳熱系數(shù)的計算見式（5）。

式中：kT為測試工況下的總傳熱系數(shù)， W/（m2·℃）。

2.5 HEI 標(biāo)準(zhǔn)中傳熱系數(shù)的計算式

凝汽器的HEI 標(biāo)準(zhǔn)[11]中給出了在一定冷卻水流速、 冷卻水進(jìn)口水溫以及冷卻管規(guī)格條件下的凝汽器傳熱系數(shù)計算見式（6）。

式中：k0為基本傳熱系數(shù)， W/（m2·K）， 根據(jù)冷卻水設(shè)計流速查??；βt為冷卻水進(jìn)口溫度修正系數(shù)，根據(jù)冷卻水進(jìn)口溫度查??；βm為冷卻管管材和壁厚修正系數(shù)， 根據(jù)管材和壁厚查??；βc為凝汽器清潔系數(shù)， 根據(jù)管材選取， 取值為1 時表示冷卻管絕對清潔。

2.6 清潔系數(shù)的計算

凝汽器現(xiàn)場測試所得的傳熱系數(shù)與由凝汽器HEI 標(biāo)準(zhǔn)計算出的冷卻管絕對清潔時的傳熱熱系數(shù)之比即為凝汽器冷卻水管的清潔系數(shù)， 計算見式（7）。

式中：kclear為冷卻管絕對清潔時的傳熱系數(shù)， W/（m2·℃）；βcT為凝汽器試驗清潔系數(shù)。

2.7 凝汽器傳熱系數(shù)的修正

因為凝汽器的測試工況不是設(shè)計工況， 為了分析影響因素對凝汽器運(yùn)行壓力的影響， 需要將測試工況下凝汽器壓力的試驗值進(jìn)行修正。 其中，首先需要對凝汽器傳熱系數(shù)進(jìn)行修正， 修正包括來自冷卻水流速的修正、 冷卻水進(jìn)口溫度的修正、清潔系數(shù)的修正等方面。

根據(jù)美國傳熱學(xué)會的HEI 標(biāo)準(zhǔn)， 當(dāng)冷卻水流量、 冷卻水進(jìn)口溫度、 清潔系數(shù)偏離設(shè)計工況時，對試驗所得的傳熱系數(shù)kT的修正系數(shù)見式（8～10）。

式中：Fν為冷卻水流速修正系數(shù)；Ft為冷卻水水溫修正系數(shù)；Fc為清潔系數(shù)修正系數(shù)。

對某影響因素進(jìn)行修正時只需乘以該影響因素的修正系數(shù)。 同時考慮冷卻水流速、 進(jìn)口溫度，清潔系數(shù)等因素后的傳熱系數(shù)見式（11）。

式中：kc為修正后的傳熱系數(shù)， W/（m2·K）

2.8 凝汽器壓力的修正

在對凝汽器傳熱系數(shù)進(jìn)行修正之后， 即可以將凝汽器壓力修正至冷卻水流量、 冷卻水進(jìn)口溫度、 清潔系數(shù)等參數(shù)處于設(shè)計工況條件下的凝汽器壓力。

首先， 由式（12）確定凝汽器壓力對應(yīng)的飽和溫度， 計算得到tsc[9]， 然后即可從水蒸氣熱力性質(zhì)表中直接查得凝汽器修正壓力pc。

式中：tsc為凝汽器壓力對應(yīng)的飽和溫度修正值， ℃；t1D為設(shè)計冷卻水進(jìn)口溫度， ℃； Δtc為傳熱系數(shù)修正后的冷卻水溫升， ℃；δtc為為傳熱系數(shù)修正后的凝汽器端差， ℃；mD為設(shè)計冷卻水流量， kg/s。

3 凝汽器壓力影響因素分析

3.1 凝汽器清潔系數(shù)的計算

首先， 基于測試數(shù)據(jù)對測試時凝汽器的清潔系數(shù)進(jìn)行計算， 結(jié)果見表3。 從表3 中的分析結(jié)果可以看出， 測試時凝汽器的清潔系數(shù)為0.832， 說明凝汽器冷卻管清潔系數(shù)低于凝汽器設(shè)計時清潔系數(shù)0.9 的取值， 但清潔度尚可。

表3 某軸向進(jìn)汽凝汽器清潔系數(shù)計算結(jié)果

3.2 凝汽器壓力影響因素分析

表4 首先給出了將蒸汽負(fù)荷、 冷卻水入口水溫、 冷卻水流量和冷卻管清潔系數(shù)4 個影響因素均修正到設(shè)計值后凝汽器壓力的修正值， 修正后的凝汽器壓力為3 901 Pa， 與設(shè)計工況下的凝汽器壓力設(shè)計值3 884 Pa 相比，凝汽器壓力接近（略高于）凝汽器壓力的設(shè)計值，表明該凝汽器基本達(dá)到設(shè)計要求。

其次， 表4 分別給出了依次僅考慮冷卻水入口水溫、 冷卻水流量、 清潔系數(shù)和蒸汽負(fù)荷4 個影響因素中的1 個影響因素修正后的凝汽器壓力分別為9 995 Pa、 4 813 Pa、 5 463 Pa、 9 283 Pa，與試驗工況下的凝汽器壓力9 753 Pa 相比， 蒸汽負(fù)荷修正至設(shè)計值后凝汽器壓力相比于試驗工況下的凝汽器壓力值差別最大， 其次為冷卻水流量的修正， 說明這2 個因素是導(dǎo)致凝汽器壓力偏離的主要因素。

最后， 表4 中還給出了上述4 個影響因素中僅不考慮一個影響因素的修正后的的凝汽器壓力分別為3 912 Pa、 6 895 Pa、 4 507 Pa、 4 030 Pa，與修正后設(shè)計工況下的凝汽器壓力3 901 Pa 相比，仍然是蒸汽負(fù)荷偏離設(shè)計值時后凝汽器壓力與設(shè)計工況下的凝汽器壓力差別最大， 其次為循環(huán)水流量。

上述2 個角度的分析均表明， 對于本文研究的凝汽器， 蒸汽負(fù)荷過高和冷卻水流量不足是影響凝汽器壓力偏高的主要因素。

表4 某軸向進(jìn)汽凝汽器壓力影響因素的分析結(jié)果

續(xù)表

4 結(jié)論

論文基于凝汽器性能現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)對凝汽器的性能進(jìn)行評估和影響因素分析， 得到以下結(jié)論：

（1）測試時凝汽器的清潔系數(shù)為0.83， 說明凝汽器冷卻管清潔系數(shù)低于凝汽器設(shè)計時清潔系數(shù)0.9 的取值， 清潔度尚可。

（2）對測試條件修正后的凝汽器壓力為3 901 Pa， 凝汽器壓力接近設(shè)計值（3 884 Pa），表明該凝汽器基本達(dá)到設(shè)計要求。

（3）蒸汽負(fù)荷過高和冷卻水流量不足是影響凝汽器壓力偏高的主要因素。