火電廠凝汽器性能評價指標分析

【摘 要】本文旨在對影響凝汽器性能的參數進行研究，通過理論分析找到了火電廠監測凝汽器運行狀態的3個重要指標，分別為循環水溫升、傳熱端差、不凝結氣體，通過對指標的進一步分析，找到了改善凝汽器性能的方向和措施。

【關鍵詞】凝汽器;傳熱端差;不凝結氣體

1.概述

凝汽器是火電廠冷端系統中最為重要的設備，其傳熱性能的優劣對火電機組運行經濟性有著較大的影響。在機組正常運行中，需要用一些較為直觀的參數或指標對凝汽器進行性能評判，以便采取相應的措施提高凝汽器性能或確定凝汽器的檢修方案。

2.凝汽器性能評價指標

對于分析管殼式凝汽器的傳熱性能的優劣，需要用一些指標進行評價，考慮到電廠凝汽器運行時參數的方便獲取，通常采用直接可以采集或經過簡單計算可以取得的參數來進行凝汽器傳熱性能優劣的評價。

從理論上對影響凝汽器性能的參數進行研究，將凝汽器中蒸汽的壓力與溫度之間的關系，可以近似的用如下公式進行表示：

從式中可以看出，降低凝汽器壓力的唯一途徑是降低汽輪機排汽溫度，而汽輪機排汽溫度又與循環水入口溫度、溫升及凝汽器傳熱端差相關，下面對這幾個參數進一步分析。

2.1循環水入口溫度

循環水入口溫度與循環水水源特性及當地氣候環境有關，例如冬季水溫較夏季低，表現為冬季火電廠凝汽器真空較好夏季好。因此，循環水入口溫度屬于不可控因素，不對其進行進一步分析。

2.2循環水溫升

指的是凝汽器冷卻水進水與回水溫度差，用公式表征為：

由汽輪機原理，我們可知：

其中，m為凝汽器循環倍率，即循環水流量與蒸汽流量的比值。

從上述公式可以看出，凝汽器循環水溫升的主要影響因素是循環倍率，而循環倍率取決于循環水流量與蒸汽流量的比值。對于已經投運的火電機組，蒸汽流量隨負荷變化而定，不具有調節性，只能對循環水流量進行調節，通常，對于已經投運的機組，采用增開循環水泵的方式來調節循環水流量，但從經濟運行的角度考慮，還需要考慮增開循環帶來的電耗量，因此，不能無限制的提高凝汽器循環倍率。

2.3凝汽器傳熱端差

指的是凝汽器壓力下飽和溫度與循環水出口溫度之差。分別對上述公式中 ， 以及 求導，可以得到如下關系式：

下面對上述求導之后的表達式的理論意義進行分析：

1）當循環水溫升大于傳熱端差時，傳熱端差對于排汽溫度的影響最大。

2）當循環水溫升小于傳熱端差時，循環水溫升對于排汽溫度的影響最大。

通常，對于正常運行的機組，幾乎不可能出現循環水溫升小于傳熱端差的情況。因此，從理論上可以得出，對于正常運行的火電機組，凝汽器傳熱端差對于排汽溫度的影響最為關鍵，傳熱端差是凝汽器傳熱性能最為關鍵的評判指標。

對影響凝汽器傳熱端差的因素進行分析，由凝汽器熱平衡方程式，得到如下關系式：

其中，Q為凝汽器的熱負荷，W;DC為汽輪機排氣量，KG/s;hc為蒸汽的焓，KJ/Kg;hv為凝結水焓，KJ/Kg;K為凝汽器總體傳熱系數，W/（㎡K）;Ac為凝汽器換熱管總面積，㎡; 為凝汽器對數平均傳熱溫差，℃;Cw為冷卻水比熱容，J/（kg.K），一般取值4187;Dw為凝汽器循環水量，KG/s;

由上述兩個公式，可以推導出凝汽器傳熱端差的理論公式：

對于已經投運的機組，Ac和Cw可以認為是常數。因此，由公式中可以看出， 、Dw、K會影響 ，利用求偏導數的方法，對傳熱端差 分別求Dw、 、K的偏導數，可以得出以下不等式：

對上述不等式的物理意義進行解讀，其理論物理意義為：循環水溫升對傳熱端差的影響最大，傳熱系數系數次之，循環水量對傳熱端差影響最小。

但是，由公式（4）可知，循環水溫升又直接受循環水流量的影響，而循環水流量的提升又受到循環水泵電耗的制約，因此，火電廠在通過循環水流量提升溫升的同時需考慮機組運行的經濟性，循環水溫升并不是越高越好。相比之下，提高凝汽器傳熱系數是降低凝汽器傳熱端差的最有效手段。而對于已經投產的火電機組，提高凝汽器傳熱系數最有效的辦法是提高凝汽器換熱管清潔系數（降低循環水污垢熱阻）和降低漏入凝汽器真空系統的不凝結氣體量（降低不凝結氣體熱阻）。

2.4凝結水過冷度

過冷度是指凝汽器壓力下飽和溫度與凝結水溫度之差，用公式表示如下：

其中， 為凝結水過冷度，℃;tc為凝結水溫度，℃。

凝結水過冷度是體現凝汽器工作狀態是否正常的重要指標，在火電廠熱力循環中，蒸汽在凝汽器中凝結后需再進行升溫升壓，進入下一個循環，因此，為了減少機組冷源損失，理論上凝汽器過冷度越低越好。過冷度大，說明循環水帶走的熱量過多，機組冷源損失增大，影響機組經濟性。通常凝汽器過冷度的設計值是0.5℃。而往往在機組運行中，凝汽器的過冷度達不到設計值。據統計數據表明，通常凝汽器過冷度提高1℃，火電廠機組熱耗率將提高0.02%。

3.凝汽器性能改善措施

通過對于凝汽器性能評價指標的分析，我們找出了影響凝汽器性能評價指標的因素，也是影響凝汽器性能的重要因素，對這些因素進行總結和歸納，找到其改善措施和方向。

3.1合理調節循環水流量

雖然增加凝汽器循環水量就可以提高凝汽器的傳熱性能，但在實際的電廠運行中，不可能無限制的提高凝汽器冷卻水的流量，采用大型的凝汽器和循環水管道，會大大增加工程的造價，需要考慮一個最佳的經濟效益比，要確保循環水流量增加所獲得的真空度提升而產生的經濟效益要大于增加水量所消耗的能量。

改善措施：對于已經投產的機組，循環水流量的調節主要依靠循環水泵的啟停來實現，由于循環水量的增加還涉及到機組經濟運行的需求，需要考慮最佳真空的問題，是一個復雜的運行調整過程。目前，多數電廠通過進行不同負荷下的循環水泵調整試驗，來確定不同環境溫度、不同負荷下的循泵啟停的時機。也有火電廠通過先進的數據采集與分析軟件，時時進行真空系統的數據分析，及時提醒運行人員進行循環水泵運行方式的調整

3.2減少不凝結氣體含量

在火電機組正常運行中，由于凝汽器負壓的作用，必然會有不凝結氣體進入凝汽器。不凝結氣體會隨著蒸汽的凝結附著于凝汽器換熱管的表面形成氣阻，增加了換熱熱阻。不凝結氣體對凝汽器換熱的影響較大，在電廠機組運行中，需要想辦法排出凝汽器中的不凝結氣體。通常在凝汽器系統中設置抽真空設備，利用真空泵將凝汽器中不凝結氣體抽出，從而避免凝汽器中不凝結氣體不斷積聚導致的傳熱性能下降。

改善措施：凝汽器中不凝結氣體含量的監測與去除是一個需要長期檢查的過程。在機組正常運行中，通常至少半個月需對凝汽器進行真空嚴密性試驗，當凝汽器嚴密性試驗結果達不到優秀（133Pa/min以下）時，說明機組的真空系統有較為明顯的漏點，需要立即進行真空系統的查漏，查漏時可以采用氦質譜檢測儀、聲波查漏儀等先進設備進行真空系統的查漏;同時，當機組停運時，如具備條件，應進行凝汽器高位灌水查漏。

3.3提高凝汽器清潔系數

凝汽器清潔系數表征的是凝汽器冷卻水管的清潔程度，其理論意義是指凝汽器的實際傳熱系數與凝汽器清潔管的理論傳熱系數之比。因此，凝汽器清潔系數越大越好。通常，工程設計人員在進行凝汽器設計的時候，會考慮一定的設計余量，通常會采用一個清潔系數的推薦值進行凝汽器的設計計算。例如，在設計計算時候，不銹鋼管的清潔系數一般取0.85-0.90。

改善措施：

提高凝汽器的清潔系數，最有效的方法是對凝汽器換熱管進行清洗，即采用合理的除垢技術去除凝汽器管側附著的污垢，凝汽器清洗方式又分為在線清洗和停機清洗。在線清洗指的是在機組運行中對凝汽器換熱管進行清洗，膠球清洗技術是目前較為成熟的在線清洗技術，另外，“水蜘蛛”在線清洗技術也是近幾年發展較快的清洗技術。停機清洗技術則有較多種類，如高壓水射流沖洗、射彈清洗、化學加藥清洗等，每種清洗技術有其各自的特點和適用范圍，火電廠也會根據自身的實際情況進行清洗技術的選擇。

4.結論

對凝汽器進行性能評價是監測凝汽器運行狀態的重要手段，通過對影響凝汽器性能的指標分析，找到了循環水溫升、傳熱端差、凝結水過冷度這3個重要的評價指標，其中傳熱端差是反應凝汽器性能最關鍵的指標。對于提高凝汽器性能的方法，可以從優化循環水流量、減少不凝結氣體含量以及提高清潔系數這3個方面采取措施。

參考文獻：

[1]薛旻.凝汽器傳熱熱阻影響因素分析及改善措施.設備管理與維修.2018（17）：57

[2]陳功.影響凝汽器傳熱效果的因素及分析.節能.2007（3）：19-21

（作者單位：華潤電力（常熟）有限公司）