水冷式冷凝器换热列管更换方法及运行评估

2019-12-31

四川化工 2019年5期

(河南能源化工集团中原大化公司,河南濮阳,457000)

1 概述

凝汽设备是凝汽式汽轮机组的重要基本组成部分，凝汽式汽轮机和背压式汽轮机的差别之一就是具有凝汽器。凝汽设备的运行效果直接影响整个汽轮机装置的功率、热效率和运行可靠性。凝气设备主要作用:在排汽口形成并且保持规定的真空度;回收汽轮机排汽的凝结水,以干净的冷凝液作为锅炉给水供给锅炉。所谓凝水是蒸汽冷凝下来的水,是质量最好的锅炉给水,对保证锅炉的正常运行和提高运行的经济性有重要意义。

冷凝器按照排汽凝结方式的不同，可以分为混合式冷凝器和表面式冷凝器。混合式冷凝器是将冷却水喷入冷凝器中,直接与汽轮机的排汽相接触混合。使排汽凝结成水,然后与冷却水一起排走.混合式冷凝器的优点在于设备构造简单、制作成本低，且混合冷凝器建立真空以及维持真空度的能力比较高，所谓的真空就是所测设备内的压强低于标准大气压，真空度即是设备内所测压强与标准大气压的差值。混合式冷凝器最大的缺点是冷凝液和不干净的冷却水相混合，使混合的冷凝液水质变差，故不能直接供给锅炉使用，所以混合式冷凝器已经不再应用于现代汽轮机装置中。相反的，表面冷凝器的冷却工质和蒸汽被冷却表面分隔开来，互不接触。用空气作为冷却工质的称为空气冷凝器;用水作为冷却工质的称为表面冷凝器。空气冷凝器因为空气的传热系数很低,为了凝结一定数量的蒸汽就需要很大的冷却表面使得结构很笨重。空气冷凝器的传热系数要比表面式冷凝器的差很多，能够保证冷凝器维持高度的真空和获得清洁的、氧含量极少的且过冷度极低的冷凝液，过冷度是指在一定压力下冷凝水的温度低于相应压力下饱和温度的差值。故现代汽轮机装置大多应用表面式冷凝器，我厂应用的就是列管式水冷凝器，如图1所示。

图1 工艺流程图

2 生产过程中常见事故分析与处理

2.1 生产过程中常见事故探讨

2016年9月15日至2016年12月5日，循环水温度由32℃逐渐降低到25℃，发现蒸汽透平01MT01和07MT01的真空压力不降反而持续上涨，真空度由0.025MPa上升至0.038MPa，和以往数据对比后发现真空系统异常升高，且07E001在2016年2月份大修时清洗过，对真空系统的严密性进行了详细的检查和维护。

我们首先将系统进行了全面优化，另一方面则对真空系统导淋排污管线进行筛查，没有发现任何漏点，真空系统一切正常。同时联系供水厂，协调供水厂尽可能降低循环水温度，避免因循环水温度高，使表面冷凝器换热效果变差致使真空继续升高。并对循环水经过冷凝器07E001的每台热交换器进出口氨氮含量取样分析，以确定前系统是否存在问题(其中循环水系统流程如图2所示)，分析结果表明设备(09E005)入口、出口指标正常，换热器09E002A/B入口指标合格，但出口分析结果为563mg/l，而泠凝器07E001上水侧与出水侧温差减小且进出口氨氮指标严重超标，对冷凝器(07E001)循环水进出口取样分析氨含量均为344mg/l，但合理值应是小于2 mg/l，是日常生产时的170倍。因为氨氮指标不断升高，导致冷凝器铜管管束内壁结垢，而设备进出口温差明显减小，说明设备因结垢导致换热效果不好。因此，我们针对换热器09E002A/B进行堵漏，多方筹措严格控制氨氮含量。而换热器07E001从建厂到2016年已使用24年，冷却器2070根管已堵238根，管壁由原先1mm磨损至0.55mm(管子拆除后测量)，对07E001除垢清洗不再有实际意义。故决定对07E001进行列管更换。

图2 循环水流程简图

2.2 水冷式冷凝器列管材料对比

九十年代应用最广泛的冷却水管材料是铜合金。淡水工作的冷凝器,常采用铜锌合金,铜63%,锌37%。但黄铜的抗腐蚀性能较差,故本厂用含铝1.5%铝铜管C6870T-0。

铝管代替铜管的研究在国内也取得一定成果,但铝管的抗腐蚀能力较差。我厂循环水有过氨泄漏的例子,故不能采用。

近年来在国外,应用不锈钢管做冷却水管趋势迅猛发展。不锈钢管有良好的抗腐蚀性，特别在超高参数机组中更有优越性。现代高压锅炉对给水的质量要求很高，要求严格控制给水中金属离子数量，采用铜管会使水中含有过量的铜离子而使水受到污染。从金属导热率来看,不锈钢的导热性能较铜管差些。但是冷却水管的管壁热阻仅占冷却面传热总热阻的2%左右,对传热性能的影响不大,且考虑冷却水积垢及腐蚀对传热的不良影响,不锈钢的传热性能高于黄铜管,且不锈钢管近年造价也低于铜管。本次采用TP3161不锈钢管。

2.3 水冷式冷凝器列管更换方法

冷凝器列管与管板连接有两种:填料垫紧法和胀管法。填料垫紧法是在管子周围用垫料填满并用螺帽压紧,防止冷却水漏入蒸汽空间。其允许水管在受热后能够自由膨胀,检修时拆换很方便。缺点是结构复杂,成本较高,且长期运行后因垫料变质,严密性较差,不易保证凝结水质量。胀管法是用扩大器扩大管子的直径使它产生变形和管板紧密接触而将管子固定在管板上。胀管法结构简单,制作工艺方便,且在运行时能保证连接处有高度严密性,我厂采用此法。

胀管法连接时,铜管和管板之间固紧,不能自由移动，为了补偿铜管在运行时的热变形,在冷凝器内部就设有若干块中间隔板,将管子略微向上抬,产生一个预弯曲,管子抬起的最大挠度可达3-7mm。中间隔板用螺栓连接或焊接在冷凝器外壳的支耳上。故此列管拆出时不能在中间截断，且在拆前要先将其膨胀力卸除。

水冷式冷凝器列管更换方法如图3，将膨胀节两边用固定板焊接固定。目的是：防止膨胀节自由膨胀，在吊装过程中倾斜造成膨胀节损坏，缩口受力避免膨胀节受力不均而产生变形。封头用支撑托架支撑住，封头拆卸固定螺丝后防止封头下沉压坏膨胀节。在封头拆卸后，将铜管口打成喇叭口，让膨胀力卸出。再将喇叭口打开一个小口，用专用小铲打入两侧管壁中，将管口打扁进行缩口处理后，将管子打入其中一侧管板中，在另一侧用夹子夹住管口利用滑轮将管子拉出。

图3 07E001

2.4 更换列管后的效果

换热器传热系数及传热面积大小对换热器温度端差、换热器工况影响较大。换热器的工作过程基本上是蒸汽空气混合物沿着冷却管束流动时产生的凝结放热过程。热量从热质到冷质的传递过程共经三个阶段，它就是由蒸汽空气混合物向冷却水管壁的传热、管壁本身的传热和管壁向冷却水的传热。因此，换热器传热过程中的热阻是由三部分组成的，即水侧的放热热阻、管壁的热阻以及汽侧的放热热阻。冷凝器的列管，水侧无垢，水侧热阻会降低。管壁的接触面积变大，管壁的热阻变小。总阻变小，传热系数变大。换热器温度端差也将会大幅变大，冷凝器温度端差的变大，势必将提高换热器的换热效果，换热器换热效果的好坏直接影响到蒸汽透平的真空，也影响到蒸汽透平对蒸汽消耗和对凝汽式汽轮机的工作性能。换热器中真空的形成是由于汽轮机的排汽被凝结成水，其比容急剧缩小。如蒸汽在绝对压力4 kPa时，蒸汽的体积比水容积大3万多倍。当排汽凝结成水后，体积会缩小很多，使凝汽器汽侧形成高度真空，它是汽水系统完成循环的必要条件。凝汽式汽轮机凝汽器真空的下降，真空度的增加，不仅仅增加了汽轮机的蒸汽消耗和机组出力，更加降低了汽轮机的工作性能。通过对水冷式冷凝器07E001列管原有铜管更换不锈钢管，凝汽器的真空度得到了显著的变化，如表1。由最高时的0.035 MPa(真空度)下降至0.015MPa(真空度)左右，即真空上升了近0.020MPa，蒸汽透平01MT01的蒸汽消耗F01006也由24.36 t/h下降至20.13 t/h，蒸汽透平07MT01的蒸汽消耗F07005也由44.37 t/h下降至40.12t/h，机组消耗降低近8吨/h，每天能够为公司降低3.5万元左右的蒸汽消耗投入，压缩机蒸汽消耗的降低增加了设备的使用寿命，更加改善了整个机组以及真空系统工况，实现了设备“安稳、长满、优”的生产目标。