有限空間內(nèi)凝汽器管束的優(yōu)化

張?jiān)录t， 修亞男， 劉杰

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱150046）

0 引言

通常，大型電站中凝汽器布置在運(yùn)轉(zhuǎn)層下，喉部接頸與汽機(jī)低壓缸在運(yùn)轉(zhuǎn)層靠下處連接，下部基礎(chǔ)在0 m層以下。由于現(xiàn)場(chǎng)穿管和檢修換管的需要，凝汽器管束最底排換熱管標(biāo)高一般要求大于等于0 m，這樣凝汽器的高度一般變化不大。而隨著設(shè)備廠家長時(shí)間的分析應(yīng)用，基于機(jī)組容量，一般都有慣用的管束型式，因此，大型電站凝汽器的寬度方向尺寸也趨于定型。

一般來說，不同機(jī)型的常規(guī)土建設(shè)計(jì)可以匹配凝汽器的外形設(shè)計(jì)，但近年來，機(jī)組要求趨于多樣化，非常規(guī)設(shè)計(jì)越來越多，這對(duì)設(shè)計(jì)人員提出了更高的要求。以下僅就有限空間內(nèi)凝汽器的布管優(yōu)化思路進(jìn)行探討。

1 凝汽器管束設(shè)計(jì)的基本原理

管束是凝汽器的核心組成部分。管束設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是將熱力計(jì)算得出的一定數(shù)量的冷卻管，在殼體空間范圍內(nèi)合理地優(yōu)化排列和組合，構(gòu)成一定形狀的管束，確保凝汽器運(yùn)行時(shí)達(dá)到熱力設(shè)計(jì)的各項(xiàng)指標(biāo)（如傳熱量、真空度、凝結(jié)水的過冷度及含氧量等）。

1）合理設(shè)計(jì)管束的基本原則。a.汽輪機(jī)排汽應(yīng)均勻地流入管束各區(qū)段，確保汽流通道設(shè)計(jì)合理，在各種運(yùn)行條件下有較佳的汽流分配、降低汽阻和保證凝結(jié)水有小的過冷度。b.管束各區(qū)段均應(yīng)避免產(chǎn)生渦流現(xiàn)象；管束設(shè)計(jì)應(yīng)同殼體及其內(nèi)部構(gòu)件設(shè)計(jì)密切配合，防止汽流在殼體空間內(nèi)發(fā)生短路，即避免新蒸汽未凝結(jié)或未充分凝結(jié)便流向空氣冷卻區(qū)。c.管束中應(yīng)保證有適當(dāng)?shù)囊徊糠中抡羝苯恿飨驘峋哪Y(jié)水表面，把凝結(jié)水過冷度降低到最低限度。

2）管束排列的準(zhǔn)則。a.蒸汽向抽氣口運(yùn)動(dòng)的路徑應(yīng)短而直；b.蒸汽通向熱井應(yīng)有自由通道，以便回?zé)崮Y(jié)水；c.在開始的幾排管束之間應(yīng)有足夠的通道截面，這里的蒸汽速度一般不超過50 m/s；d.要求有分開的空氣冷卻區(qū)，一般占整個(gè)凝汽器面積的7%～10%，在空冷區(qū)里蒸汽空氣混合物的速度應(yīng)設(shè)計(jì)得較高，以提高傳熱效率；e.引水板的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮汽流方向，同時(shí)應(yīng)少而精。

凝汽器最常采用的冷卻管排列方式如圖1所示的錯(cuò)列排列（也稱為三角形排列）。

圖1 三角形布管方式

2 案例分析

以30萬kW等級(jí)伊春項(xiàng)目凝汽器為例，其設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。表1中管板尺寸基于哈汽在30萬kW級(jí)機(jī)組中形成的系列化數(shù)據(jù)。

1）土建要求為：常規(guī)350 MW機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)層標(biāo)高為+12.6 m，中間層標(biāo)高為+6.3 m。而伊春項(xiàng)目更改為運(yùn)轉(zhuǎn)層標(biāo)高為+11.6 m，中間層標(biāo)高為+5.6 m。伊春項(xiàng)目運(yùn)轉(zhuǎn)層標(biāo)高降1 m，并且保證凝汽器最底排冷卻水管在0 m層以上，所以導(dǎo)致凝汽器管板高度方向無法增加尺寸；凝汽器管板的寬度（即增加凝汽器外形寬度）又受土建基礎(chǔ)立柱限制。

2）管束的設(shè)計(jì)。目前常規(guī)30萬kW級(jí)機(jī)組凝汽器布管方式多采用的是汽流向心式外圍帶狀管束的布管方式（見圖2）。就運(yùn)行情況來說，此管束型式是比較可靠，性能優(yōu)良的。但對(duì)于伊春項(xiàng)目來說，由于計(jì)算管子根數(shù)較多，應(yīng)用向心式管束的弊端就是管區(qū)比較厚重，導(dǎo)致凝汽器換熱效率不高，氣阻大，不凝氣體多，過冷度大。因此有必要進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

表1 30萬kW等級(jí)伊春項(xiàng)目凝汽器設(shè)計(jì)參數(shù)

3 管束優(yōu)化

經(jīng)過長時(shí)間的發(fā)展，現(xiàn)在的凝汽器管束的型式可謂種類繁多。從類型上可以分為帶狀管束、外圍帶狀管束、教堂窗管束、島狀管束。在國內(nèi)電站中應(yīng)用較多的是帶狀管束和外圍帶狀管束。如圖2的向心式管束就屬于外圍帶狀管束的一種。

對(duì)于伊春項(xiàng)目凝汽器的管束優(yōu)化，決定采用哈汽今年應(yīng)用較多，反饋良好的管束型式進(jìn)行。

方案1：雙山峰排管，在135 MW機(jī)組、300MW機(jī)組改造、600 MW機(jī)組均有此種布管結(jié)構(gòu)（見圖3、圖4）。

雙山峰型管束換熱效果優(yōu)秀，但布管能力有限。對(duì)于伊春項(xiàng)目來說，計(jì)算的22 308根冷卻水管在給定的管板尺寸上布置不下。

由于伊春項(xiàng)目運(yùn)轉(zhuǎn)層標(biāo)高降1 m，并且保證凝汽器最底排冷卻水管在0 m層以上，所以導(dǎo)致凝汽器管板高度方向無法增加尺寸。

要想采用雙山峰布管結(jié)構(gòu)管束有2種方案：1）增加凝汽器管板的寬度。但由于土建狀態(tài)的限制，無法實(shí)現(xiàn)。2）如果凝汽器設(shè)計(jì)參數(shù)都不改變，只有增加凝汽器冷卻水管設(shè)計(jì)水速（約2.6 m/s）可以減少凝汽器管子根數(shù)，增加冷卻水管有效長度，管板尺寸可以布置下。堵管時(shí)冷卻水管水速約為2.75 m/s。對(duì)于不銹鋼管來說，這樣的水速偏大，此外，還帶來凝汽器水阻大、增加循環(huán)水泵功率、耗電量大等缺點(diǎn)。

綜上所述，不宜采用雙山峰管束布置。

方案 2：“UT”管束（見圖 5）

圖3 雙山峰型管束

圖4 雙山峰型管束

圖5“UT”型管束

本方案選用韓國斗山（DOOSAN）項(xiàng)目、美國西圖（WDES）項(xiàng)目經(jīng)典管束形式基礎(chǔ)上優(yōu)化改進(jìn)的“UT”型管束。在管板尺寸相同的前提下，“UT”型管束較之其他型式的管束布管能力強(qiáng)，經(jīng)過實(shí)際排列，可以布下22 308根管子；并且已經(jīng)實(shí)際運(yùn)行項(xiàng)目的結(jié)果驗(yàn)證，“UT”管束具有較高的凝縮力，蒸汽分布均勻，汽阻小，傳熱效率高，除氧的效果佳，無空氣聚集。高效的管束排列使蒸汽均勻分布，達(dá)到最佳的蒸汽流速，使得排汽阻力小，傳熱效率高，同時(shí)蒸汽可以一直排向下部，直接充分地接觸加熱凝結(jié)水，使凝結(jié)水不致過冷，從而達(dá)到除氧效果。

該管束已廣泛應(yīng)用于各類型電站，對(duì)于凝汽器性能，用戶的反饋良好。因此，傾向于采用此管束。

為了進(jìn)一步論證管束的合理性，進(jìn)行了一系列分析（如圖6～圖10）。管束排列首先采用管束參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行初步排列，再利用STAR-CD、CFX流場(chǎng)分析軟件，完成汽側(cè)流場(chǎng)中壓力、空氣濃度、速度等參數(shù)的解析，調(diào)整凝汽器管束的排列，完成管束優(yōu)化工作，使蒸汽均勻分布到管束中，以達(dá)到最理想的換熱效果。

對(duì)凝汽器不同運(yùn)行工況、不同材料及規(guī)格下的換熱管跨距進(jìn)行振動(dòng)分析計(jì)算。并計(jì)算校核凝汽器管板支點(diǎn)間冷卻管的振動(dòng)頻率、凝汽器管束和管板由于蒸汽流動(dòng)激發(fā)的振動(dòng)頻率，并保證任何階次自振頻率避開汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速和其他可能成為主要振源的機(jī)械轉(zhuǎn)速的±20%，以便選取最佳管板及中間管板跨距。

因此，在分析報(bào)告的支持下，表明伊春項(xiàng)目凝汽器管束布置形式采用“UT”管束是可行的。

圖6 管束內(nèi)蒸汽流動(dòng)示意圖

圖7 管束流場(chǎng)分析圖

圖8 管束換熱效率分析示意圖

圖9 管束振動(dòng)分析模式示意圖

圖10 管束振動(dòng)分析限制曲線

此外，為了滿足管束能在0 m層檢修的要求，相應(yīng)地對(duì)凝汽器喉部高度也進(jìn)行了調(diào)整。

4 結(jié)語

通過以上的分析論證過程，還原了凝汽器管束選型的基本思路和方法。對(duì)實(shí)例的分析，也側(cè)面說明了電站凝汽器設(shè)計(jì)在當(dāng)前日益多樣化的電站土建設(shè)計(jì)中遇到的挑戰(zhàn)。當(dāng)買方從經(jīng)濟(jì)性上進(jìn)行更精益求精的設(shè)計(jì)時(shí)，就要求凝汽器能夠盡可能去匹配這種設(shè)計(jì)。作為凝汽器設(shè)計(jì)者，在遇到涉及管束型式選擇的時(shí)候，需要結(jié)合具體的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，選擇最適合的管束型式。

［1］ 張卓澄.大型電站凝汽器［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

［2］ 中國動(dòng)力工程學(xué)會(huì).火力發(fā)電設(shè)備技術(shù)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002