水冷式冷凝器換熱列管更換方法及運行評估

(河南能源化工集團中原大化公司,河南濮陽,457000)

1 概述

凝汽設備是凝汽式汽輪機組的重要基本組成部分，凝汽式汽輪機和背壓式汽輪機的差別之一就是具有凝汽器。凝汽設備的運行效果直接影響整個汽輪機裝置的功率、熱效率和運行可靠性。凝氣設備主要作用:在排汽口形成并且保持規定的真空度;回收汽輪機排汽的凝結水,以干凈的冷凝液作為鍋爐給水供給鍋爐。所謂凝水是蒸汽冷凝下來的水,是質量最好的鍋爐給水,對保證鍋爐的正常運行和提高運行的經濟性有重要意義。

冷凝器按照排汽凝結方式的不同，可以分為混合式冷凝器和表面式冷凝器?；旌鲜嚼淠魇菍⒗鋮s水噴入冷凝器中,直接與汽輪機的排汽相接觸混合。使排汽凝結成水,然后與冷卻水一起排走.混合式冷凝器的優點在于設備構造簡單、制作成本低，且混合冷凝器建立真空以及維持真空度的能力比較高，所謂的真空就是所測設備內的壓強低于標準大氣壓，真空度即是設備內所測壓強與標準大氣壓的差值?；旌鲜嚼淠髯畲蟮娜秉c是冷凝液和不干凈的冷卻水相混合，使混合的冷凝液水質變差，故不能直接供給鍋爐使用，所以混合式冷凝器已經不再應用于現代汽輪機裝置中。相反的，表面冷凝器的冷卻工質和蒸汽被冷卻表面分隔開來，互不接觸。用空氣作為冷卻工質的稱為空氣冷凝器;用水作為冷卻工質的稱為表面冷凝器?？諝饫淠饕驗榭諝獾膫鳠嵯禂岛艿?為了凝結一定數量的蒸汽就需要很大的冷卻表面使得結構很笨重?？諝饫淠鞯膫鳠嵯禂狄缺砻媸嚼淠鞯牟詈芏?，能夠保證冷凝器維持高度的真空和獲得清潔的、氧含量極少的且過冷度極低的冷凝液，過冷度是指在一定壓力下冷凝水的溫度低于相應壓力下飽和溫度的差值。故現代汽輪機裝置大多應用表面式冷凝器，我廠應用的就是列管式水冷凝器，如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

2 生產過程中常見事故分析與處理

2.1 生產過程中常見事故探討

2016年9月15日至2016年12月5日，循環水溫度由32℃逐漸降低到25℃，發現蒸汽透平01MT01和07MT01的真空壓力不降反而持續上漲，真空度由0.025MPa上升至0.038MPa，和以往數據對比后發現真空系統異常升高，且07E001在2016年2月份大修時清洗過，對真空系統的嚴密性進行了詳細的檢查和維護。

我們首先將系統進行了全面優化，另一方面則對真空系統導淋排污管線進行篩查，沒有發現任何漏點，真空系統一切正常。同時聯系供水廠，協調供水廠盡可能降低循環水溫度，避免因循環水溫度高，使表面冷凝器換熱效果變差致使真空繼續升高。并對循環水經過冷凝器07E001的每臺熱交換器進出口氨氮含量取樣分析，以確定前系統是否存在問題(其中循環水系統流程如圖2所示)，分析結果表明設備(09E005)入口、出口指標正常，換熱器09E002A/B入口指標合格，但出口分析結果為563mg/l，而泠凝器07E001上水側與出水側溫差減小且進出口氨氮指標嚴重超標，對冷凝器(07E001)循環水進出口取樣分析氨含量均為344mg/l，但合理值應是小于2 mg/l，是日常生產時的170倍。因為氨氮指標不斷升高，導致冷凝器銅管管束內壁結垢，而設備進出口溫差明顯減小，說明設備因結垢導致換熱效果不好。因此，我們針對換熱器09E002A/B進行堵漏，多方籌措嚴格控制氨氮含量。而換熱器07E001從建廠到2016年已使用24年，冷卻器2070根管已堵238根，管壁由原先1mm磨損至0.55mm(管子拆除后測量)，對07E001除垢清洗不再有實際意義。故決定對07E001進行列管更換。

圖2 循環水流程簡圖

2.2 水冷式冷凝器列管材料對比

九十年代應用最廣泛的冷卻水管材料是銅合金。淡水工作的冷凝器,常采用銅鋅合金,銅63%,鋅37%。但黃銅的抗腐蝕性能較差,故本廠用含鋁1.5%鋁銅管C6870T-0。

鋁管代替銅管的研究在國內也取得一定成果,但鋁管的抗腐蝕能力較差。我廠循環水有過氨泄漏的例子,故不能采用。

近年來在國外,應用不銹鋼管做冷卻水管趨勢迅猛發展。不銹鋼管有良好的抗腐蝕性，特別在超高參數機組中更有優越性?，F代高壓鍋爐對給水的質量要求很高，要求嚴格控制給水中金屬離子數量，采用銅管會使水中含有過量的銅離子而使水受到污染。從金屬導熱率來看,不銹鋼的導熱性能較銅管差些。但是冷卻水管的管壁熱阻僅占冷卻面傳熱總熱阻的2%左右,對傳熱性能的影響不大,且考慮冷卻水積垢及腐蝕對傳熱的不良影響,不銹鋼的傳熱性能高于黃銅管,且不銹鋼管近年造價也低于銅管。本次采用TP3161不銹鋼管。

2.3 水冷式冷凝器列管更換方法

冷凝器列管與管板連接有兩種:填料墊緊法和脹管法。填料墊緊法是在管子周圍用墊料填滿并用螺帽壓緊,防止冷卻水漏入蒸汽空間。其允許水管在受熱后能夠自由膨脹,檢修時拆換很方便。缺點是結構復雜,成本較高,且長期運行后因墊料變質,嚴密性較差,不易保證凝結水質量。脹管法是用擴大器擴大管子的直徑使它產生變形和管板緊密接觸而將管子固定在管板上。脹管法結構簡單,制作工藝方便,且在運行時能保證連接處有高度嚴密性,我廠采用此法。

脹管法連接時,銅管和管板之間固緊,不能自由移動，為了補償銅管在運行時的熱變形,在冷凝器內部就設有若干塊中間隔板,將管子略微向上抬,產生一個預彎曲,管子抬起的最大撓度可達3-7mm。中間隔板用螺栓連接或焊接在冷凝器外殼的支耳上。故此列管拆出時不能在中間截斷，且在拆前要先將其膨脹力卸除。

水冷式冷凝器列管更換方法如圖3，將膨脹節兩邊用固定板焊接固定。目的是：防止膨脹節自由膨脹，在吊裝過程中傾斜造成膨脹節損壞，縮口受力避免膨脹節受力不均而產生變形。封頭用支撐托架支撐住，封頭拆卸固定螺絲后防止封頭下沉壓壞膨脹節。在封頭拆卸后，將銅管口打成喇叭口，讓膨脹力卸出。再將喇叭口打開一個小口，用專用小鏟打入兩側管壁中，將管口打扁進行縮口處理后，將管子打入其中一側管板中，在另一側用夾子夾住管口利用滑輪將管子拉出。

圖3 07E001

2.4 更換列管后的效果

換熱器傳熱系數及傳熱面積大小對換熱器溫度端差、換熱器工況影響較大。換熱器的工作過程基本上是蒸汽空氣混合物沿著冷卻管束流動時產生的凝結放熱過程。熱量從熱質到冷質的傳遞過程共經三個階段，它就是由蒸汽空氣混合物向冷卻水管壁的傳熱、管壁本身的傳熱和管壁向冷卻水的傳熱。因此，換熱器傳熱過程中的熱阻是由三部分組成的，即水側的放熱熱阻、管壁的熱阻以及汽側的放熱熱阻。冷凝器的列管，水側無垢，水側熱阻會降低。管壁的接觸面積變大，管壁的熱阻變小。總阻變小，傳熱系數變大。換熱器溫度端差也將會大幅變大，冷凝器溫度端差的變大，勢必將提高換熱器的換熱效果，換熱器換熱效果的好壞直接影響到蒸汽透平的真空，也影響到蒸汽透平對蒸汽消耗和對凝汽式汽輪機的工作性能。換熱器中真空的形成是由于汽輪機的排汽被凝結成水，其比容急劇縮小。如蒸汽在絕對壓力4 kPa時，蒸汽的體積比水容積大3萬多倍。當排汽凝結成水后，體積會縮小很多，使凝汽器汽側形成高度真空，它是汽水系統完成循環的必要條件。凝汽式汽輪機凝汽器真空的下降，真空度的增加，不僅僅增加了汽輪機的蒸汽消耗和機組出力，更加降低了汽輪機的工作性能。通過對水冷式冷凝器07E001列管原有銅管更換不銹鋼管，凝汽器的真空度得到了顯著的變化，如表1。由最高時的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，機組消耗降低近8噸/h，每天能夠為公司降低3.5萬元左右的蒸汽消耗投入，壓縮機蒸汽消耗的降低增加了設備的使用壽命，更加改善了整個機組以及真空系統工況，實現了設備“安穩、長滿、優”的生產目標。

表1 冷凝器更換前后真空采集點

3 結束語

冷凝器換熱列管的更換是提高表面冷凝器換熱效率的一種快捷、簡單有效的辦法。特別是用不銹鋼管替代銅管，使設備成本大幅降低；冷凝水水質有顯著的提高；凝汽器真空大幅度提升。真空度下降，機組綜合能耗大幅度下降，提高了機組的做功效率，保證了整個機組安全、穩定運行，大大提高了做功效率，降低了機組能耗。