多向扰流换热管在新建机组凝汽器上应用的探讨

张伟，朱大勇，闫虹，付琼

(神华国华永州发电有限责任公司，湖南永州425000)

多向扰流换热管在新建机组凝汽器上应用的探讨

Application on multidirectional spoiler heat transfer tube in the new power plant condensers

张伟，朱大勇，闫虹，付琼

(神华国华永州发电有限责任公司，湖南永州425000)

本文通过对多向扰流换热管的应用研究，发现在凝汽器上使用多向扰流换热管代替传统的光管，可以强化换热，降低排汽压力，提高机组整体运行经济性。

凝汽器；换热系数；多向扰流换热管；强化；换热；经济

从热力学原理可知，若降低汽轮机排汽压力，须增加循环水在凝汽器中带走的热量，需要强化凝汽器的换热，从传热学中知凝汽器中的传热量可用下式计算，即

Q＝kFΔT

式中 k为换热系数 (W/(m2K))；F为换热面积(m2)；ΔT为冷热液体的平均温差 (K)。

从上式可以看出，欲增加换热器的换热量Q，就必须靠增加k，F或ΔT来实现。

对于凝汽器而言，增加换热面积是增强换热量的有效方法，但会使流动阻力增加，金属消耗增加，工程投资增加，而且凝汽器的换热面积受汽轮机的排汽面积影响，不可能无限制的增加，对于1 000 MW等级的火力发电凝汽式汽轮机，凝汽器面积达到60 000 m2已经几乎达到有效面积的上限。

凝汽器在工程应用上都是采用水作为冷却介质，增加冷热液体的平均温差ΔT就得降低冷却水的温度，但是冷却水温度受环境温度的限制。

提高凝汽器换热系数k是强化换热的最重要的途径，且在换热面积和平均温差给定时，是增加换热量的最有效途径。

1 强化换热管的发展历程

前苏联是世界上最早将螺旋管应用于电厂凝汽器的国家，已经成功应用30余年，未出现大的问题 (图1)。英国对电厂凝汽器中应用螺旋管的机械性能进行了研究，结论是机械完整性等同于光管。美国是对电厂凝汽器使用螺旋管研究最深入的国家，在上世纪八十年代开始对14台机组进行了长达15年的试验，通过对比换热性能、污垢速率等指标的分析得出，螺旋管的换热系数时光管的1.2～1.4倍，污垢速率与光管相当的结论，可以降低机组热耗10.5～30.5 kJ/kWh的结论〔1〕。日本在凝汽器中广泛使用低肋管 (图2)，其换热系数为光管的1.5倍，但是低肋管的管必须增厚，加工的工艺要求高，费用高，在其它国家并未推广使用。日本日立公司开发了一种肋呈锯齿形的冷凝管，其肋高1.22 mm，肋片密度13.8片/cm，错齿凹处深度为肋高的40%，凹槽宽度为肋间距的30%，这种锯齿形肋片管可比普通低肋管的换热系数提高0.5～1.5倍〔2〕。

图1 螺旋槽管

图2 低肋管

在我国有越来越多的机组对凝汽器进行强化换热管的改造，最常见的就是使用不锈钢多向扰流螺旋管 (图3)。

图3 多向扰流换热管外观图

2 强化换热管的特点

2.1 提高换热系数

通常水在光滑管壁的管中流动时，靠近管中心的水流流速较高，高到一定速度时会形成紊流，水流越靠近管壁流速越低，最靠近管壁的水流会附着在管壁上，形成层流底层，流速越高附面层越薄，反之越厚。如果管壁上存在凸起的螺旋线，水在其中流动时，靠近管壁的水流会沿螺旋方向产生旋转运动。旋转能减薄层流底层，加快管壁与水流之间的热交换，同时水流还在螺旋凸起附近产生涡流，涡流能加快管壁附近水流与管中心水流之间的热量交换，漩流和涡流共同作用产生换热强化作用。

2.2 多向扰流不锈钢螺纹管防结垢

1)多向扰流不锈钢螺纹管通过管壁的左右螺旋交叉形成的菱形花纹对污垢形成鳞片状分割，从交叉点产生冲蚀，使得污垢在水流作用下自动清除。多向扰流换热管的扰流结构相对于水流而言是粗糙的，而相对于污垢而言是光滑的，污垢的沉着与管壁附面层厚度和温度有关，三维扰流结构彻底破坏了附面层，加上扰流管高效的换热能力，能大幅降低汽轮机的排汽温度，因而管壁温度也得到降低。

2)多向扰流不锈钢螺纹管高效换热特性能有效地降低汽轮机的排汽温度，因此冷凝管壁温也相应降低。冷凝管结垢最可怕的是碳酸钙垢，而碳酸钙的溶解度是随温度的降低而升高的，因此冷凝管壁温度的降低能有效地防止碳酸钙垢的沉积。

3)多向扰流不锈钢螺纹管交叉的凸筋能在管子的中部形成类似的入口效应，彻底破坏管壁静止的附面层，水在流动过程中比光管更有利于冲走沉积物。

2.3 换热管安全可靠

多向扰流换热管壁薄、槽浅，不会造成应力腐蚀，不会产生冷加工应力。多向扰流换热管抗振性能好，由于左右螺旋交叉成网状，对管子的轴向和径向刚度都起到了加强作用。而且换热管的腐蚀相对较轻，主要是因为抗垢特性使得垢下腐蚀减轻或不复存在，不锈钢材料良好的抗腐蚀性能和耐冲蚀能力能使不锈钢多向扰流强化换热管的抗蚀能力大大提升。

2.4 多向扰流不锈钢螺纹管易维护

由于多向扰流不锈钢螺纹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，优化设计的波纹深度为0.3～0.6 mm，螺距为8～10 mm，采用软胶球清洗，由于胶球具有弹性，可充分填充在设计合理的多向扰流不锈钢螺纹管的螺旋槽中，所以可清理凝汽器长期运行而产生的污垢。

2.5 多向扰流换热管增加流动阻力

由于多向扰流换热管的特殊结构，对流体的流动产生干扰，相应的增加了流动阻力，根据西安热工院在华润徐州电厂的测试结果计算得出，在其它条件不变的情况下用多向扰流换热管替换光管，水阻增加约4%〔3〕。对于百万机组凝汽器采用多向扰流换热管比光管的流动阻力增加不到6 kPa左右，相应增加循环水泵总功率不到200 kW。

3 强化换热管的应用

目前，欧、美、日等发达国家在凝汽器中普遍采用强化换热管来提高凝汽器的换热性能达到降低机组排汽压力，提高机组运行经济性的目的〔4〕。在我国也有许多机组对凝汽器进行改造应用，都取得了良好的效益。

3.1 华润唐山热电厂

唐山热电厂200 MW机组自2009年底改造以来，凝汽器管未见明显结垢，未进行过高压清洗，在正常运行期间投运胶球系统，以保证管内清洁，图4为唐山电厂凝汽器改造并运行1年后检查情况，内壁非常清洁。

图4 运行1年后管内壁情况

唐山热电厂改造后运行5年，凝汽器曾发生过由于凝汽器管胀口施工质量不良导致的漏泄事件，但未发生过由于凝汽器管材原因导致的漏泄事件，说明在使用安全上是有保障的。表1为改造前后运行参数对比情况，从数据上看经济性有明显提高，但是唐山热电厂未对凝汽器进行性能测试，只能定性的说明扰流管改造对经济性提高有促进作用。

表1 机组运行参数对比表

3.2 华润铜山电厂

华润铜山电厂1号机组额定容量300 MW，在2007年对1号机组凝汽器更换2 000根多向扰流换热管，经过4年的观察未发生安全事件，于2011年对剩余管材全部更换，在2012年10月，经实际测试性能与计算性能对比，得出多向扰流换热管对凝汽器压力有降低作用的结论，即增强了凝汽器的换热能力，见表2。

表2 电厂改造后对凝汽器换热管实测性能测试与对光管的计算数据对比变化 kPa

通过上面数据可以看出，在凝汽器内因使用多向扰流换热管增强了换热能力，每年可以带来的发电煤耗效益在约0.3～0.4 g/kWh。

3.3 广东韶关电厂

韶关电厂300 MW机组在2012年11月至2013年1月进行大修工作，在此次大修中实施了凝结器更换多向扰流不锈钢管的项目，机组改造后，在相同的循环水温度下，由于增强了凝汽器换热能力，机组真空提高了0.23 kPa，由于多向扰流换热管的特殊结构外形，能够缩短水膜挂壁时间，凝结成的水降落到热水井的时间缩短，减少了凝结水与冷源的接触时间，使得凝结水过冷度降低了0.55℃。

4 结束语

凝汽器采用多向扰流不锈钢螺纹管，能够显著提高管内外的传热系数，强化换热，将普通管内壁形成的连续污垢变为鳞片状污垢，由水流的冲蚀产生自洁作用，有效降低凝汽器的热阻，大幅提高总体换热系数。在300 MW机组上已经有数十台机组进行改造使用，未出现安全问题，经济效益明显。在新建1 000 MW等级机组的凝汽器应用多向扰流换热管，每台机组增加投资约70万元，但年均可以降低供电煤耗约 0.2 g/kWh，回收年限不到1年。

〔1〕张正国，林培森，王世平.国外电厂凝汽器中强化管的应用及管型选择〔J〕.电站辅机，1999(1):15-16，33.

〔2〕黄素逸.强化传热技术进展〔C〕.//中国石油和化工勘察设计协会热工委员会、全国化工热工设计技术中心站2004年年会论文汇编.2004:41-52.

〔3〕程东涛，马汀山.华润 (徐州)电力有限公司1号机组凝汽器性能试验报告〔R〕.西安热工研究院有限公司，2012.

〔4〕钱颂温，朱冬生，李庆领，等.管壳式换热器强化换热技术〔M〕.北京:化学工业出版社，2003.

〔5〕西安热工研究院有限公司.华润 (徐州)电力有限公司1号机组凝汽器性能试验报告〔R〕.2012.

TK264.11

B

1008-0198(2015)06-0061-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.06.017

张伟(1975)，男，辽宁省建昌县人，高级工程师，工学学士，从事火力发电厂生产管理工作。

2015-04-20 改回日期:2015-06-09