雙溫區凝汽器設計計算方法探討

顏強 陽歐 鞏昌強 姬艷云 高曉亮

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000）

0 引言

凝汽器內的冷卻介質通常都為同一介質， 節能改造或增加功能需要在凝汽器內同時接入兩股不同的冷卻水。 兩股水的流量、 溫度均有很大差別且在凝汽器內共同換熱， 因不同冷源的換熱相互影響， 熱負荷分配難以確定， 雙溫區凝汽器的設計難度較大。 為了確定此種凝汽器中的不同冷源的各自換熱面積和管束結構參數， 本文對這種不同參數的兩股冷卻水源同時進入凝汽器的情況進行分析推導。

1 基本思路

由于兩股冷卻介質的參數不同， 但均處于同一凝汽器內， 相互影響的因素很多， 處于不同冷卻介質的換熱管束熱負荷分配、 背壓、 冷卻水出口溫度等都難以確定。 計算過程應盡量減少變量，采用了下述辦法：

（1）采用校核模式。 根據工程經驗對凝汽器的部分管束結構參數進行假定， 相比設計模式， 變量更少， 更利于數值計算， 校核基于假定的管束結構數據可以大致計算得出其他初始值， 該初始值可能不夠準確， 可在計算中進行相應調整， 多次計算， 不斷完善。

（2）采用HEI[1]凝汽器計算方法。 該計算方法中的過程變量較為獨立， 在調整迭代的過程中可以對多個變量進行假定， 從而簡化計算過程。

2 公式推導

2.1 推導過程

單一冷卻水介質的凝汽器飽和溫度推導為：

由式（1）可知：

由于是校核計算， 換熱管內流速、 換熱管材質和規格、 冷卻水進水溫度和清潔系數均為定值，故可對特定結構條件下通過計算對換熱系數K求取， 進而計算確定面積A。 冷卻水進口溫度t1、 流量ω、 比熱C、 熱負荷Q為已知參數， 故飽和溫度Ts只與冷卻水出口溫度t2相關。

對于單一冷卻水介質，t2很容易計算， 但是在兩股不同進水介質下， 確定t2還需要更多條件。

為了區分， 代號下標最后的數字1、 2 代表兩股不同流體：

由式（1）可得：流體一：

流體二：

同理， 式（6） 中換熱系數K1、2是定值， 面積A1、2是定值； 冷卻水進口溫度t11、12、 流量ω1、2、 比熱C1、2、 總熱負荷Q總為已知參數。故式（3）、式（6）里有3 個未知數Ts1、Ts2和t21。

由于兩股冷卻水在凝汽器內共同換熱， 背壓（飽和溫度） 相等， 即可再消去1 個未知數， 聯立式（3）、 式（6）可得：

通過式（7）即可計算出t21， 從而得到Ts2， 同時得到總的計算飽和溫度Ts（Ts=Ts1=Ts2）。

上述過程計算得到的Ts是基于假定結構條件下的， 假定的結構是否滿足要求， 還需要對Ts與要求的設計背壓對應的飽和溫度Td進行比較：

當Ts＞Td時， 說明假定的面積不夠； 當Ts＜Td時， 說明假定的面積偏大； 當Ts＜Td且接近Td時對應的面積及管束結構參數即滿足設計要求， 確定凝汽器計算方案。 當不滿足條件時， 需要根據變化趨勢， 相應調整管束結構參數重新計算新的Ts， 一般經過多次計算后即可符合要求。

2.2 推導過程分析

（1）本計算方法提出的條件是要求兩股冷卻下各自管束計算的背壓（飽和溫度）相等并且不大于總的凝汽器背壓（飽和溫度）， 當三者相等時取得的凝汽器面積即為本算法下的最小所需面積， 由此得到確定的其他各項參數。

（2）推導過程未限定兩股冷卻管束上換熱管的數量、 規格、 長度、 必須相等， 冷卻水也沒有限定是淡水還是海水， 故2 股冷卻水的管束可以有不同的換熱管規格和冷卻水類型。

（3）計算基于HEI 的計算方法， HEI 算法各個參數關聯度不大， 同時采用校核計算方式， 假定結構參數為已知數參與計算， 總體計算涉及的變量較少， 便于分析計算。

（4）本計算方法對設計經驗有一定要求， 具備較豐富的設計經驗， 可以快速求取換熱面積和管束關鍵結構參數。

3 實例計算

表1 為某300 MW 等級濕冷機組凝汽器按照本文所述方法算得的數據。 由于是凝汽器改造，為盡量保持與原結構上的一致性， 兩股流體按各占一半管束（面積相等）進行設計。

表1 凝汽器相關數據及計算結果

4 結語

凝汽器的節能改造近些年迅速發展， 改造方案也在不斷探索中， 尋求在凝汽器換熱性能和適用條件上的新突破。 本文所述凝汽器就是根據電廠利用不同冷卻水源的要求， 在一臺凝汽器里通入兩種不同參數的冷卻介質， 在面積及結構參數計算上頗有難度， 針對這種型式的凝汽器推導出了一種面積及結構參數計算方法， 具有計算快速、準確的特點， 并可推廣到多種冷源的情況， 具有重要的設計參考價值。