國產200MW火電機組真空系統研究與優化

田志強

【摘 要】針對某火電廠200MW汽輪機組真空度較低、凝汽器換泄漏率較高、換熱效果差、汽輪機背壓較高等問題，進行原因分析，探討技術優化方案，介紹技術改造工藝及技改后性能試驗結果，并對技術改造前、后的經濟性進行對比，為同類型機組真空設備改造提供借鑒和參考。

【關鍵詞】凝汽器；真空；換熱管；腐蝕；節能

【Abstract】Because 200MW turbine unit condenser effect ofheat transfer is poor， leakage rate is higher， turbine backpressure is higher，and so on，this paper analyzes the causes， introduces reformation program， reformation process， and the performance test results of condenser during beforeand after reformation， and compares economy of before andafter reformation， to provide reference for the energy-savingcondenser reformation of same type unit.

【Key words】Condenser； Vacuum； Heat exchangetube； Corrosion； Energy saving

1 設備概況

大唐河北發電有限公司馬頭熱電分公司（簡稱“馬電公司”）8號汽輪機組是東方汽輪機有限公司制造生產的DO9型第54臺機組，型式為一次中間再熱、凝汽式、單軸、三缸、三排汽式汽輪機，型號為N200-130/535/535，于1994年投產，配套的凝汽器為N11220型、表面式、單殼體、雙流程凝汽器。凝汽器主體結構由接頸、殼體、水室、冷卻管束等組成，凝汽器冷卻水系統采用閉式冷卻方式，換熱管材質為HSn701銅管，規格為 Φ25×1×8460mm，數量為17010根，換熱面積為11220m2。

2 凝汽器泄漏情況

馬電公司8號機組自投運至今已運行22年，隨著機組運行時間的增長及國家對節能降耗、對標達設計值等節能工作重視程度的逐步提高，凝汽器冷卻管泄漏情況及換熱效率低等問題逐漸突出。2006-2013年凝汽器泄漏情況統計，見表1。

由于銅管管束泄漏，對凝汽器泄漏管束堵漏后，凝汽器實際換熱面積約為10964m2（堵管387根，堵管率2.28%，其堵管情況如下：甲號凝汽器上115根、31根；乙號凝汽器上96根、下16根；丙號凝汽器上117根、下12根。查閱8號機凝汽器真空、循環水進、出口溫度、凝汽器端差等參數，在循環水進水溫度在20℃時，平均端差為5.17℃。2013年凝汽器運行情況，見表2。

8號機組設計真空值為5.4kPa（設計值對應排汽溫度33.6℃）。根據2013年河北省電力研究院對馬電公司8號機組凝汽器性能試驗報告結果，額定負荷下其試驗真空值為11.97 kPa。將試驗條件下的凝汽器真空按照設計循環水流量和20℃循環水溫度進行修正，修正后的真空值為8.34 kPa，其機組運行真空值遠低于設計值。

3 原因分析

馬電公司經過多年對8號機組凝汽器檢查，發現其泄漏主要是由管板和換熱器的腐蝕引起，部位多集中于凝汽器頂部幾層。凝汽器管板、換熱管存在的主要腐蝕主要有管板腐蝕、選擇性腐蝕、垢下腐蝕、點蝕、氨蝕等，而8號機組凝汽器的氨蝕情況較為嚴重。因此，以下重點分析凝汽器氨蝕的機理。

常溫下氨水溶液中氨的氣液相分配比大約在7～10，即在凝汽器中汽側氨體積分數是凝結水中氨體積分數的7～10倍。加上空抽區局部富集以及隔板處凝結水過冷的影響，空抽區的氨體積分數比主凝結水中的高數十倍或數百倍，特殊情況下可達上千倍。當凝結水pH為9.3時，由NH4OH→NH+4 + OH-的電離平衡可推算出凝結水中氨的質量濃度為0.38mg/L，如果pH控制不當，凝結水pH達9.5時，凝結水中氨質量濃度可達到0.93mg/L，空抽區按濃縮1000倍計算氨的質量濃度分別是380mg/L和930mg/L。在氨的質量濃度高的環境下，凝汽器銅管的氨蝕較嚴重。根據上海吳一平教授研究結果表明，HSn701A黃銅管氨的質量濃度小于100μg/L時，少量的氨會提高溶液的pH，但黃銅表面被覆蓋的氧化物或氫氧化物所保護，腐蝕受到阻滯，氨的質量濃度增大到500μg/L以上時，由于生成可溶性銅氨絡離子，銅的腐蝕速度將迅速劇增[1]。

200 MW機組為盡量降低水汽損失及熱耗，一般采用水力噴射器代替蒸汽噴射器抽凝汽器真空。由于水力噴射器所抽出的空氣-蒸汽混合物不能回收，因而各制造廠盡量使抽出的氣體中蒸汽含量減少，因此，凝汽器在設計上采用矩形，其真空區布置于凝汽器的中部位置。由于位置較高，蒸汽中不帶水滴，氨的體積占比很高時，這種構造的凝汽器發生氨蝕的機會就高，因此造成馬電公司8號機組凝汽器頂部銅管氨蝕非常嚴重。

4 技術改造

由于馬電公司8號機組運行時間較長，對凝汽器的技術改造主要是保留凝汽器殼體，保證外形及接口尺寸不變的情況下，采用對凝汽器內部結構優化、管束材質優化、抽真空部位優化的方式進行技術升級，在實施上，采取將凝汽器換熱管優化為不銹鋼管、改變端板材料、縮短中間管板間距、優化排管方式等措施，解決換熱管（銅管）氨蝕嚴重、泄漏頻繁、換熱效果不佳、運行中振動等問題，以提高凝汽器綜合性能。

4.1 排管方式優化

馬電公司8號機組凝汽器原設計采用的是早期國產卵形排管方式，這種排管方式設計使排汽在部分管束空間內容易出現渦流現象，整個管束熱負荷分布不均，導致總體傳熱系數降低，同時還存在汽阻大、管束振動的問題[2]。

優化后的管束布置采用了B—D模塊式排管方式，氣流阻力小，熱負荷分布均勻，流場平穩，無明顯的熱汽渦流區和空氣積聚區，凝結水基本無過冷度，能保證理想的除氧效果，且由于總體傳熱系數高，這種排管方式還可提高凝汽器運行經濟性。此排管方式具體特點如下：

a.內部抽氣口比改造前凝汽器的抽氣口多一倍，使空氣的流程縮短，同時縮短了空氣在凝汽器中的距離，即停留在凝汽器中的空氣相對減少，有利于換熱管的傳熱。

b.蒸汽的分配量最佳，無渦流存在。蒸汽通道中的蒸汽流速從上部到底部幾乎保持不變，有利于傳熱。

c.凝汽器下半部汽水分流，加上合理的通道和合理的布管，有利于減少凝汽器的汽阻，減小端差。

d.管束、抽空氣通道上窄下寬，并配以空氣冷卻區，避免管束空氣集聚，有利于傳熱系數的提高。

e.擋汽板和凝結水收集板少而精，有利于減小汽阻。

f.底部管束布置有利于加熱凝結水，減小過冷度。

g.空氣冷卻器設計在最佳位置，有利于空氣的抽出。

4.2 換熱管優化

不銹鋼管（TP316L）耐蝕性強，但不銹鋼的導熱系數僅為黃銅管的15%，不銹鋼導熱性差會降低凝汽器的整體換熱效率，使機組熱耗增加、運行經濟性下降。由于凝汽器的傳熱阻力主要由四部分構成：對流放熱熱阻、污垢熱阻、管壁導熱熱阻及凝結放熱熱阻，而管壁導熱熱阻僅占5%左右，起決定作用的是污垢熱阻、對流放熱熱阻和凝結熱阻。不銹鋼的清潔系數是銅管的1.29倍，污垢熱阻大大減小，使凝汽器中占主導作用的壁厚熱阻顯著降低。與銅管相比，總體傳熱熱阻大幅下降[3]。

此外，為了在設計工況下能夠維持凝汽器真空，將不銹鋼管管壁厚度將低至0.5 mm。由于換熱管管壁厚度減薄，凝汽器換熱管剛度會降低，因此在設計上將凝汽器汽側隔板由原來的5道隔板增加為10道隔板，管束穿過隔板后，呈拱形，既增強了管束穩定性，也防止停備保養時管束內積水。

不銹鋼管與端隔板采用脹接—焊接方式，即脹管完畢后采用氬弧焊進行焊接，避免了因脹接工藝不良所帶來的管口滲漏隱患。

4.3 嚴控施工工藝

端管板定位時，采用吊線法找正，垂直度誤差≤5mm；管板裝焊時，邊裝邊找正，管孔同軸度按前后端管板管孔為基準，要求相鄰兩個中間管板同軸度直徑的誤差<1mm，前后端管板管孔同軸度直徑的誤差<2mm，中間管板垂直度<3mm；嚴格控制焊接順序：采用對稱焊接、增設工藝拉筋等方法加以控制焊接變形；管孔軸度整體找正時，用堵頭、1mm鋼絲對端管板、中間管板進行同軸度整體找正，要求相鄰兩管板間管孔同軸度直徑<1mm，整個凝汽器全長管孔同軸度直徑<2mm；為保證脹管質量，在穿管前將端管板、中間管板用丙酮或無水乙醇進行清洗，管束采用壓縮空氣吹掃干凈，并檢查管徑。

5 改造效果及效益分析

根據河北省電力研究院試驗報告，馬電公司8號機組凝汽器技術升級改造前、后，在同樣氣候條件和工況下，凝汽器運行參數比較見表3。

技術改造后，8號機組凝汽器按照設計循環水流量和20℃循環水溫進行修正后，真空壓力為4.99kPa。額定負荷下凝汽器傳熱端差為3.2℃，過冷度為0.08℃，可見改造后，凝汽器的真空狀況得到明顯改善。

6 結束語

馬電公司8號機組通過對凝汽器的技術升級，提高了凝汽器的換熱效果及機組真空度，降低了機組煤耗，同時由于對冷卻水管材質的優化，提高了管束抗振性、抗汽水沖蝕性、耐沖擊、腐蝕性，大大降低了管束泄漏發生率，穩定了機組用水的品質，確保機組能夠長期、穩定、經濟的運行。

【參考文獻】

[1]王九崇，趙東亮.俄制800MW機組凝汽器銅管泄漏原因分析[J].東北電力技術，2009，30（01）：19-21.

[2]沈士一，莊賀慶，康松，等.汽輪機原理[M].北京：中國電力出版社，1992.

[3]孫泓.我國凝汽器換熱管材料的發展趨勢[J].電站輔機，2009，30（02）：1-4.

[責任編輯：楊玉潔]