凝汽器端差的计算和实际工程中的应用分析

凝汽器端差的计算和实际工程中的应用分析Abstract:The main factors affecfing the heat transfer end difference of a condenser were analyzed as well as the relations among them.Some related expressions and concepts which are difficult to understand were explaind.Calculations were conducted using relevant parameters of units with different capacity to further prove the correctness of fhe analyzing method and the result using actual engineering data.The result is not only suitable for analyzing the heat transfer end difference of the condenser,but also suitable to other heat exchangers.It put forward some reasons for high end difference of stram condenser and corresponding measures according to the practical conditions in Wanneng Tongling Power.In addition,it gave a detailed analysis about the effects of these measures and economic efficiency resulting from it.Key words:condenser;heat transfer end difference;calculation;analysis;corresponding measure在火力发电厂中,凝汽器的作用之一是在汽轮机排汽口形成一定的真空,使机组排汽尽可能的膨胀做功,减少冷源损失[1]。

因此凝汽器工作情况是设计和运行都需要考虑的问题。

凝汽器真空度对机组运行安全性和热经济性有很大影响。

真空下降使汽轮机排汽缸温度升高,引起汽机轴承中心偏移,严重时还引起汽轮机机组振动。

特别是在夏天真空成为机组稳发,满发的最大制约因素,也造成日常维护工作量增大。

影响凝汽器真空的因素固然很多,但其中传热端差是衡量凝汽器换热性能的一个重要参数。

1 凝汽器真空的确定[2]凝汽器压力的确定方法是首先确定凝汽器中主凝结区的温度,再由该温度得出对应的蒸汽压力即为凝汽器的压力。

若凝汽器冷却水入口温度为tw1,出口温度为tw2,凝汽器传热端差为δt,则主凝结区的温度为:由式(1)从水蒸汽热力性质表查出tC对应的饱和压力。

各温度值的关系如图1所示。

2 分析凝汽器传热端差的意义由式(1)可知,凝汽器内排汽压力所对应的饱和温度由冷却水入口温度、冷却水温升、凝汽器传热端差所决定。

其中冷却水入口温度tw1是与冷却水的循环方式、电厂的地理位置、季节气候等因素有关的量,在同一时间同一地点该量基本不变,反映不出凝汽器性能的优劣;冷却水温升由下式决定[3]:式中:Dc为汽轮机排汽量;hs为排汽比焓;hc为凝汽器中凝结水比焓;cw为冷却水的比热;Dw为冷却水流量;△h为蒸汽在凝汽器内凝结时比焓降,在真空不变化范围内,其变化很小,在计算中可认为是定值。

m为循环倍率。

通常在设计阶段就已经确定。

也反映不出凝汽器的性能。

而端差则反映凝汽器传热性能、真空严密性和冷却水系统的工作状况等[4],为了使凝汽器内获得较高的真空,就要使凝汽器内蒸汽的饱和温度尽量接近冷源(冷却水)的温度。

如果冷却水量和冷却面积均为无穷大,蒸汽和冷却水之间的温差可趋近于零,但是由于实际上冷却水量和冷却面积都是有限的,所以当蒸汽凝结放出的汽化潜热通过管壁传给冷却水时,必然存在传热温差:冷却水在吸热后虽然温度要升高,但总是低于蒸汽的饱和温度。

冷却水同入口温度tw1逐渐吸热上升到出口温度tw2,冷却水温升:△T=tw1－tw2。

蒸汽凝结温度ts与tw2的差为传热端差,以δt表示δt=ts－tw2。

凝汽器的端差是反映凝汽器能耗的重要指标,减小凝汽器端差的手段,也是提高凝汽器真空、达到节能降耗目的的有效手段。

以300MW机组为例,凝汽器端差每减少1℃,将导致热耗减少24kJ/kw·h,煤耗减少0.97g/kw·h[2]。

所以在凝汽设备运行监测中,传热端差是一个非常重要的参数。

在设计阶段,因为减小端差可以提高凝汽器的真空,但是要以增大冷却面积和增加冷却水量为代价,所以其值不宜太小,现代大型凝汽器在设计负荷下所能达到的最小传热端差为1℃～5℃,一般常在3℃～10℃之间选取,对双流程或多流程凝汽器可取偏小值,对单流程可取4℃。

3 凝汽器传热端差的计算分析[5]根据热力学理论,凝汽器作为一种表面式换热器,不考虑与外界大气之间的换热,其热平衡方程为:Q=Dc(hs－hc)=K△tmA=Dwcw△t (3)式中,Q为凝汽器热负荷;K为总换热系数;A为凝汽器总换热面积;Dw为冷却水量;cw为冷却水比热容。

△tm为传热学中换热器热力计算通常使用的对数平均温差即: 由式(3)式(4)可得凝汽器传热端差:通常情况下A,cw变化很小,同由式(5)可知:传热端差δt与冷却水量Dw成正比,当冷却水量Dw增加时,δt增大;同时,冷却水量增加,加强了冷却管内表面的对流换热,凝汽器的总体换热系数K增大,由式可知K与端差δt成反比;另外,冷却水量增大,由冷却水温升与传热端差成正水可知端差也要减小。

也就是说,冷却水量增加导致了这样一个结果:即使得传热端差增大又使其变小。

那么最终结果究竟是使得传热端差增大还是减小呢？很久以来,在工程分析和在教学中,该问题经常容易被混淆、误解,但又必须澄清,下面讨论Dw、△tm及K对δt 的影响速率。

式(5)两边由δt对△tm求偏导数:其物理意义为:凝汽器冷却水温升△tm的变化及凝汽器总的换热系数K变化对凝汽器传热端差δt的影响要比冷却水量Dw变化对端差δt的影响要快。

冷却水量增加使得传热端差增大,同时使得冷水温升下降而导致传热端差减小,由于冷却水温升下降使传热端差变小的速率要比冷却水量增大使得端差增大的速率要大,而且冷却水量增大使得凝汽器总的换热系数增大而使传热端差减小(减小的速率要大于因冷却水量增大而增大的传热端差的速率),也就是说冷却水量增大最终使得凝汽器的传热端差减小。

4 工程实际分析上面分析中,由传热端差δt分别对冷却水量Dw、冷却水温升△tm 和凝汽器总的换热系数K求偏导数时,都是以另外两个参数为定值,根据这个前提,当凝汽器的蒸汽负荷增大时,由于冷却水温升和凝汽器总的换热系数不变,增加冷却水量,根据式(3),平均温差△tm也要增大,由式(4)可知,凝汽器的传热端差也要增大,即冷却水量与端差成正比。

由式(1)可得传热端差的别一种表达式由上式知道,当冷却水温升△t减小时,传热端差δt要增大,而式(5)中△t与δt成正比的,从表面看两式是矛盾的,但实际上,对式(14),在冷却水温升△t减小的同时,由于Dw,K都不变,由式(3),对数平均温差△tm减小,而且变化率是相同的,则由式(4)可知凝汽器主凝结温度tc减小,而且下降的幅度要比冷却水温升下降的幅度大,由式(14),δt与tc成正比,所以冷却水温升下降的结果是使得传热端差减小,也就是说式(5)和式(14)是一致的。

而在实际上参数δt,△t,Dw,K之间是相互联系的,且关系十分复杂,无论是在设计阶段还是在运行阶段,不能孤立地分析其中任何两个参数。

在凝汽器的正常稳定运行条件下,冷却水量增加使得传热端差增大,冷却水温升下降和凝汽器总的换热系数增大,而后两都又使得传热端差减小。

所以说δt与Dw有关,但是受Dw影响不大。

由式(2)分析,冷却水温升一般变化不大,而且降低温升最直接的方法是提高冷却水量,但要受机组经济性要求的限制,所以现场用于降底凝汽器传热端差以提高真空的最有效手段是提高凝汽器总的换热系数,而提高总换热系数的最有效方法是提高冷却管的清洁度和降低漏入真空系统的空气量。

皖能铜陵发电厂#4机320MW机组(原设计容量为300MW后扩容为320MW)的凝汽最佳真空为0.0049Mpa,2009年2～9月份的凝汽器端差如表2所示。

从表2中可知其中有三个月的端差大于9℃,远远高于设计运行标准。

从原始记录可知,机组刚投产运行时端差大多在4℃左右,由此可知只要找出原因,就能把端差控制在5℃以下。

4.1 原因分析凝汽器端差的大小与凝汽器冷却水入口温度、凝汽器单位面积上的蒸气负荷、凝汽器冷凝管的结净程度、凝汽器内漏入的空气量以及冷却水在管内的流速等因素有关。

可见引起凝汽器端差高的因素很多,但在众多的因素中哪些是最关键的因素呢？根据现场调查验证分析如下。

(1)轴封压力没有调好:由现场和历史记录可知,运行人员都在负荷变化时进行了正确的轴封压力调整。

(2)循环水浑浊:#4机组的冷却水塔与其自身的干灰库直线距离只有五十米左右,当风向吹由干灰库吹向冷却水塔时会引起循环水质变差变浑浊,不过循环水浑浊虽然易引起结垢,但是只要进行了有效的清洗,影响不大。

(3)负荷高:历史的负荷曲线可以证明,负荷一直都能维持在规定的范围内。

(4)凝结水不合格:查阅历史记录,表明一直都对水质进行了监测,很少有不合格的时候。

(5)密封不好:由现场可以知道,一旦出现密封不好,会第一时间通知机修,他们很快会处理好。

(6)胶球清洗没有达到效果:凝汽器冷凝管结垢是端差高的主要原因,而除垢的最有效手段是胶球清洗,虽然进行了清洗,但是在循环水质变差后没有达到效果。

由以上分析确定原因是由于循环水质变差而胶球清洗操作还是按照原来的清洗间隔和方法进行,从而无法达到要求的清洗效果是主要原因。

4.2 制定对策凝汽器胶球清洗装置由收球网、二次滤网、装球室、胶球输送泵和电气控制柜等部件组成(如图3所示)。

胶球清洗胶球泵输出的压力水将加装球室内的胶球带出,经注球管注入凝汽器的冷却水进水管,胶球和冷却水一道进入冷却水管。

胶球是一种质地柔软的、且富有弹性的海棉橡胶球,其直径比冷却水管内径大1mm～2mm,在水管中,胶球形状被压缩成卵形,与水管内壁形成整圈的接触面,在胶球行进过程中,通过胶球对水管内壁的挤压和摩擦将壁面的污垢随胶球一起带出管外,当胶球离开水管时,在自身弹力的作用下,突然恢复原状,使胶球表面带出的污垢脱落,并随冷却水排出,胶球被安装在凝汽器冷却水出口管上的胶球网回收,经胶球泵加压后,重新进入装球室循环使用［7］。