1电站凝汽器的管束布置与热力性
能以及与管束改造
上海交通大学汪国山
gswang@https://www.doczj.com/doc/c714720330.html, Tel: 0086-21-24285619
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提纲
一、提高凝汽器工作性能的意义二、凝汽器工程设计方法
三、凝汽器热力性能的数值评估四、国内外主流凝汽器部分研究结果五、凝汽器管束缺陷及其改造
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经济性
我国600MW 以下热力发电机组与工业发达国家同类机组相比，普遍存在真空度偏低、凝结水过冷度偏大、热耗率偏高等现象，降低了发电机组运行的经济性和出力。比如国产200MW 火力发电机组的真空度大都不能满足机组运行要求，而国产引进型300MW 发电机组，约半数以上机组运行真空度低于设计值(1~2)kPa ，至于热电联产机组，其真空度就更差。热力发电机组的真空度每降低1%，热耗约增加0.5~1%，比如国产超高压200MW 机组，若凝汽器真空下降0.98kPa ，则机组热耗约上升63 kJ/(kWh)。
安全性
真空度偏低还会影响到机组运行的安全可靠性。据统计，600MW 以上机组，由于凝汽设备故障直接导致整个机组可用
率降低3.8%。
一、提高凝汽器工作性能的意义
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5某600MW 机组铜管凝汽器装配好后无水时的重量达1120吨，其中冷却管材就重约400多吨。凝汽器冷却管长13m ，管子总根数28300根，冷却面积约36000m 2，每个凝汽器的外壳尺寸约为18m ×18m ×14m 。
可以降低凝汽器的制造成本。
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二、凝汽器工程设计方法(HEI)
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()21s
w pw w w m Q M m c t t k t A A γΔ==?=?&&&设计方法的根本缺陷：
没有考虑管束型式、蒸汽通道位置和尺寸、凝结水溢流、挡汽板和集水板、汽侧压力损失、蒸汽负荷、非凝结性气体负荷和抽气口位置等因素的影响，因此不能保证设计出性能优良的凝汽器。
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1
2
ln w w m s w s w t t t t t t t Δ?=
??9三、凝汽器热力性能数值评估方法
因此，要设计出性能优良的凝汽器，就必须有办法
预测凝汽器中各点的传热系数和热负荷的分布，并据以分析凝汽器中管束结构、抽气口位置和蒸汽通道布置的合理性。而这又有赖于能够预知凝汽器壳侧的蒸汽速度、压力、空气相对含量、温度和水侧的流速等参数的分布。
3.1 凝汽器中壳侧实际物理过程
多维性流动；
多相同时伴有相变（气、液相共存并有蒸汽凝结）； 多组分工质（水和蒸汽、不凝结气体）； 空间内各区域性质不同（钢板、汽流、热井）； 尺寸日益巨大。
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3.2 凝汽器内参数获取方法
?试验研究
?水模拟：事前，不准确（其实只能用水阻模拟汽阻，而不能反映空气聚集问题）；
?全尺寸试验：事后，费时、费钱，由于测点有限而不一定能发现问题。?数值模拟
模拟能力强（能够模拟各种工况），数据完整； 经济性好； 周期短。
11二维控制容积示意图
3.4.1 多孔介质物理模型
3.4 PPOC 凝汽器工作性能数值模拟软件简介
3.3 凝汽器数值模拟软件
?一维：CONE
?二维、准三维专业软件：PPOC(汪国山), EPOC(CEGB)?全三维商业软件: FLUENT, PHOENIX, CFX （自编接口软件，供专业人员使用）
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3.4.2 简化和假设：
–在各个汽室中看作二维流动–空气与蒸汽均匀混合–主流蒸汽处处饱和
–除了凝结热，忽略其它热量释放
这样，把凝汽器壳侧蒸汽流动及凝结换热过程这一复杂问题转化成为在凝汽器各个汽室内的壳侧蒸汽空气混合物在多孔介质中的单相二维流动这一数学上可以求解的问题，并对这一物理模型进行数学描述。
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3.4.3 控制微分方程组
φ
φ
ΓS φ
m
?eff
μu m F x p
u ?????ββeff
μv m F y
p
v ?????ββ
a
x ct
eff S μ0
空气浓度方程
v
y 方向动量方程u x 方向动量方程－
1连续方程控制方程153.4.4 凝汽器热力性能数值模拟软件功能和用途
功能：可直接用来预测凝汽器壳侧汽相流场与传热
图像，得到壳侧汽相的速度、压力、温度、空气质量百分比浓度、管束区传热系数和热负荷以及管侧冷却水温度等热力参数的分布。 用途：既可用于新型凝汽器的排管优化设计，也可
用于对现役凝汽器的技术改造。
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3.5.1 验证算例1
3.5 软件验证算例
17试验结果（管束区）
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数值模拟结果
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壳侧汽相速率分布(m/s)
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壳侧汽相压降分布(Pa)
极低压区与空气聚集点不是同一位置！说明空气聚集和壳侧汽阻是两个不同的问题！因此，用水模拟试验台不一定能正确反映空气聚集点。21
3.5.2 算例2卵形管束
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卵形管束
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卵形管束
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卵形管束
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卵形管束
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卵形管束
27热负荷/传热系数试验结果（相对值）
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3.5.3 算例3 蛇形带状管束
29热负荷试验结果（相对值）
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3.5.4 算例4 教堂床管束
3132
由于采用了正确的管束分布阻力和热阻模型，所
以可以准确地预测管束区的空气聚集点、涡流区和高速点。
经优化后，可以确保在凝汽器管束内不出现明显的空气聚集点，在可能出现的高速点采取预防汽流激振的措施。
对于多管束凝汽器，经优化后可以确保凝汽器的汽阻在0.2kPa 以下，凝结水过冷度小于0.5℃。
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?该软件包的不同版本已先后提供东汽、上汽、北重、南汽、703所、上海辅机厂、哈汽、东方电气河南辅机、华东电力集团等国内凝汽器的设计生产厂家。?涉及的管束类型有：卵形管束、B-D 管束、蛇形带状管束、平衡降流式管束、掌形管束、岛状管束、教堂窗管束、将军帽管束、山字型管束、Foster Wheeler 、Senior 管束等。
?凝汽器管束类型除了国产，还有来自德国B-D 和KWU 、ABB 、法国阿尔斯通、日本、美国、前苏联、意大利等。
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将军帽带状管束
四、国内外主流凝汽器部分计算结果
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岛形带状管束
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平衡降流式管束
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Foster Wheeler 管束
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山字形管束
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B-D 管束
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管束区传热系数分布
西门子大型带状管束
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五、凝汽器管束缺陷及其改造
1.单管束本身有缺陷：
①山字形管束，管束厚薄不当。②岛状管束，流场偏离预想。
③蛇形带状管束，在管束底部没有布置主蒸汽通道回热凝结水。
④另有管束抽气口布置不合理。2.在凝汽器壳体内布置有缺陷的：
①单壳体内布置单个管束，凝汽器入口汽阻大。如东方200MW 三壳体凝汽器以及众多小型工业凝汽器。
42凝汽器管束缺陷和改造
1.
2.在凝汽器壳体内布置有缺陷的：①
②单个管束由上、下两部分组合而成，但下部或上部的管束部分不理想。如北重自阿尔斯通引进的200MW 双流程凝汽器。
③凝汽器壳体内布置多个相似的管束。单个管束由上、下两部分组合而成，但在两个管束之间的水平主蒸汽通道却没有设置挡汽板。如广泛应用于300MW 和600MW 的平衡降流式管束。
④上下双流程凝汽器，冷却水流径不当。前苏联和欧美不同，前者下进上出，后者上进下出，其实不同冷却
水流径必须要适合具体的管束布置方式。
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N-11300-1
44问与答
1. 如何有效减小壳侧汽阻？
——单壳体内垂直进汽方向并列布置多个管束模块；
——在凝汽器管束进口前的蒸汽进入通道应当足够长，或者在喉部采取导流措施。2. 如何减轻空气聚集？——正确布置抽气口；——减少空气漏入。3. 如何避免汽流激振？
——在高速区加装小隔板；
——在高速点采用厚壁冷却管。
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包括老式汽轮机凝汽器在内的许多凝汽器真空
度差，主要存在以下问题：
气密性差或抽真空系统问题
闭式冷却的冷却塔效率低，冷却水质恶劣 排汽缸与凝汽器喉部结构不匹配 排管布置设计落后
六、凝汽器改造
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针对改造措施
查堵漏或抽气系统改造 循环冷却水系统改造
凝汽器喉部或排汽缸加装导流装置 管束以及支撑隔板改造
其它：降低冷源损失，用于供热。
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管束节能改造措施：
管束改造
Z 管束内部加装导流板；Z 重置抽气口；
Z 支撑隔板改造防止汽流激振。
目前，在保持凝汽器壳体尺寸和外部连接不变的情况下整体置换管束，这是目前普遍采用的方法，此法成本高。如果采用以上的管束局部改造办法，将大大降低改造成本。48
凝汽器技术改造新方法
通过对现有凝汽器热力性能的数值仿真，得到其内
部的流场、温度、传热系数、热负荷、空气浓度等
参数的分布，经分析确定管束布置缺陷，然后对症下药地提出简单改造措施——设置导流板或重置抽气口，对凝汽器内流场加以引导和管理，从而组织起合理的流场以改善凝汽器热力性能，经工程核算后最终确定技改措施。
此法与管系整体置换或以旧换新相比，工作量和成本要小得多，效费比高。
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与汽轮机本体相比，与其配套的凝汽器长期以来没
有得到人们应有的重视，其研究工作开展得非常少，技术发展滞后，因此提高其经济性的潜力反而比汽轮机大。改革开放后，国内大中型凝汽器生产厂陆续从国外引进大型凝汽器产品技术，但很少对这些技术进行消化和吸收，因而并不掌握核心技术。事实表明，即使是从国外引进的凝汽器，其热力性能不一定都好，比如配套200MW 、300MW 和600MW 热力发电机组凝汽器。另外，我国中小型的电站凝汽器基本都是老旧产品，技术更落后，从而就形成了这样一种局面：凝汽器越小，其型号越老旧，热力性能就越差。
采用本文介绍的电站凝汽器技改措施，视各电站凝汽器的具体情况，一般可以提高发电机组真空度0.4~4kPa ，降低煤耗约0.3~3.0%。
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原抽气口设置不当
案例1：重置抽气口
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改造前技术状态
N6-35-II 汽轮机组的某国产N-560-I 型凝汽器设计工
作压力为20kPa 。该凝汽器自1987年投运后，真空度长期不达标，导致汽轮机在夏秋季只能带4.5MW 的负荷。1998年通过采取清洗凝汽器、真空系统堵漏、对循环水系统的沟管路和冷却塔喷嘴进行技术改造等措施后，凝汽器背压达到27kPa ，夏秋季汽轮机可以带5.5MW 的负荷，但凝汽器的端差仍达21℃。如果按照HEI 标准设计计算，该凝汽器只需要传热面积260m 2，但尽管实际传热面积为560m 2，比计算面积增加了一倍多，真空度和端差却还是不达标。由此，说明该凝汽器的结构必定存在问题。
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抽气口重新布置
53改造后效果
该凝汽器经改造投运后，汽轮机组负荷在主蒸汽参
数基本不变的情况下，可维持在6000kW 左右，凝汽器压力降低了4kPa 。凝汽器的改造费用只需数万元，改造后却可年节省标准煤1632多吨。
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案例2 国产300MW 机组凝汽器
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改造前技术状态
这种汽轮机所配套的凝汽器采用平衡降流式管束，
设计背压5.4kPa 。凝汽器投运后，其运行的真空度很差。虽然国内电厂将凝汽器面积从15770m 2增加到16000m 2，后又增加到19000m 2，但真空问题依然没有得到彻底解决。文献报道铁岭电厂和淮北电厂在对这种凝汽器的喉部加装导流板改造后，凝汽器喉部的出口蒸汽流场的均匀性得到改善，使汽轮机组的真空度提高几百帕斯卡，但仍然与设计真空有1kPa 以上的差距。
其实更重要的原因是管束自身存在问题。
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A C
B
A
C
壳侧气相速度矢量(m/s)
57壳侧气相空气浓度分布
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管束区传热系数分布(W/m 2·℃)
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方案I ：设置垂直挡汽板方案II ：设置水平集水板
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方案I 的壳侧气相空气浓度分布
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方案I I 的壳侧气相空气浓度分布
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改善
改善
-空气聚集情况
131126200壳侧汽阻（Pa ）252214抽气口空气浓度(%)9599107汽侧最高速度（m/s ）方案II 方案I 原设计项目
数值计算结果汇总表
仅此简单的措施，凝汽器的真空度就会比原来可以提高数百帕斯卡。
63案例3：卵形管束三壳体单背压双流程，每个壳体中单管束。共5块支承隔板，支承隔板间距约1400 mm ，水室为矩形。
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存在的主要问题：
有明显的空气聚集现象，冷却管外侧存在氨腐蚀。同时，由于循环水质恶劣，水中泥沙含量大，氧离子含量高，冷却管严重腐蚀，造成堵管频繁，并有管子断裂现象。
真空较差，凝汽器性能甚至不能满足正常生产及机组满负荷运行需要。
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不变
不变
不变
－
空气聚集点位置
139344204492壳侧汽阻（Pa ）65.363.564.862.2抽气口空气浓度(%)72.4
82.890.2102.8蒸汽通道最大速度（m/s ）36.936.943.143.1蒸汽进口速度（m/s ）方案三方案二方案一原设计项目
(I) 将凝汽器管束上侧的入口段长度加长300mm ；
(II) 将凝汽器管束左右两侧的蒸汽通道均加宽200mm ；
(III) 采取联合措施，在将管束左右两侧的蒸汽通道各加宽200mm 的同时，将管束顶部的蒸汽通道加长300mm ，底部的蒸汽通道加宽200mm 。
改造方案探讨一：不改管束结构，只改蒸汽通道尺寸和凝汽器尺寸
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改造方案探讨：不改蒸汽通道尺寸和凝汽器尺寸，只改管束结构
剖分管束后对置
取消所有集水板
下移下集水板
/改造措施
30/22
6/不明显
28/不明显
16/16
空冷区两侧和挡汽板下的空气浓度(%)
100491564504壳侧汽阻(Pa)
65.762.261.262.1抽气口空气浓度(%)95.8103.7101.7103.4汽侧最高速度(m/s)方案IV 方案II 方案I 原设计项目此例进一步反映了空气聚集和壳侧汽阻是两个不同的问题！
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由于原管束不可小改，故只有采用整体管系置换法改造
表200MW 机组凝汽器改造前后结构性能对比项目改造前改造后冷却面积/m 211220 11220冷却管管径/mm 25 25冷却管材料HSn70-1(加砷) HSn70-B+TP316冷却管壁厚/mm 1, 2两种1, 0.7两种冷却管数量/根17 010 17 010中间支撑管板间距/mm 1403 950端管板型式Q235-B Q235-B 管子与管板连接方式胀管胀管冷却管排列方式卵形B-D 管子节距/mm 32 33冷却水进口温度/℃20 20保证背压/kPa 5.2 4.85
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1、2号机凝汽器改造在一个大修周期内完成后，运行状况良好。
改造后凝汽器真空比旧凝汽器真空历史最好时期提高2kPa ，功率增加了3300kW ，相当于热耗下降137.2kJ/(kW·h) 。由计算可知，新排管使凝汽器总体传热系数提高20%以上。
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问题：
损坏部位集中在上管束的左右边缘处，而在有半支承隔板的区域和下管束没有损坏管。
案例4 某350MW 机组凝汽器改造
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壳侧气相无量纲速率分布(m/s)
1——2.0722——1.3373——1.0194——0.9445——0.6606——0.3187——0.0328——0001
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凝汽器中间截面隔板跨距分布
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由于不同的位置的汽流速度不同，所以对于跨距的要求各处是不一样的。原跨距为0.919m ，不足以防止汽流激振。因此，在损坏冷却管附近加装局部支承隔板，再未出现事故。
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强烈建议
在对电站凝汽器作管系置换改造之前进行评估，以探明是否可以在凝汽器壳体内通过简单的导流等措施提升凝汽器热力性能！
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谢谢！