余熱發電凝汽器強化換熱機理研究與應用

鄭海生，萬真武

（寶鋼湛江鋼鐵有限公司，廣東湛江 524000）

引言

湛江鋼鐵配備3套容量均為30 MW干熄焦余熱發電機組，配套的凝汽器型號為N-2500-2，冷卻水量為5 840 t/h，冷卻面積為2 500 m2，冷卻管總數量為6 565 根。機組投運后，隨運行時間的增加，凝汽器的管束內部結垢導致凝汽器的傳熱效率下降，機組端差上升、真空下降，從而降低整個機組的發電效率。因此，保證凝汽器良好的傳熱效率，對于機組經濟性運行具有重要意義。

1 凝汽器熱阻研究

1.1 凝汽器熱阻因素分析

根據上海電力學院張莉等人的研究結果，換熱管污垢厚度增加會使得凝汽器的傳熱系數降低，污垢厚度每增加0.05 mm，凝汽器的合理工作區間有所偏移，凝汽器背壓平均抬高約200 Pa 左右，出口端差平均升高約0.8 ℃［1］。凝汽器傳熱總熱阻主要由四部分組成：管內介質對流熱阻、污垢熱阻、管壁傳導熱阻以及管外凝結水膜熱阻。其中，管內介質對流熱阻與污垢熱阻占總熱阻85%以上，是影響傳熱效果的關鍵因素。從凝汽器熱阻分析得知，降低對流熱阻及防止管束結垢對于提高凝汽器的傳熱效率具有重要意義。

1.2 凝汽器對流熱阻分析

流體在管道中流動時，在管道壁附近有層流邊界層，流體主體流動的湍動程度只會改變這一層邊界層的厚度，但這個邊界層始終都會存在，如圖1。湍動程度越大，層流邊界層越薄。根據對流傳熱的原理，熱阻主要集中在層流邊界層，當邊界層越薄，熱阻就越小，傳熱系數就越大，在對流傳熱情況下，湍流狀態的傳熱系數甚至可能比層流狀態的大幾倍，因此湍流強化傳熱在工業上得到廣泛應用［2］。

圖1 管壁附近層流邊界層示意圖

雷諾數是描述流體在運動狀態下的慣性力和黏性力之比的無量綱參數，在工程領域，雷諾數小于2 000 的流體為層流，雷諾數大于4 000 的流體為紊流。介于中間的流體認定為從層流到紊流的過渡階段。根據雷諾數的公式：Re=ρvd/μ，其中v、ρ、μ分別為流體的流速、密度、黏度，d在圓形管道中代表管道直徑，因此可通過增加流速或增加管徑來提高凝汽器的雷諾數，從而降低凝汽器對流熱阻。

1.3 凝汽器結垢分析

凝汽器隨著運行時間延長，由于存在冷卻管水側內壁處水流邊界層，冷卻管水側逐漸形成污垢（水垢、微生物、泥沙等沉淀物）。冷卻管水側結垢對凝汽器傳熱系數影響很大。凝汽器管束結垢是一個非常復雜的問題，結垢的形成過程大致如下：誘導過程→污垢微粒向傳熱表面的遷移過程→污垢微粒在傳熱表面的吸附過程→污垢附著物硬化過程→污垢脫落過程。

國內外研究結果表明，垢的形成過程中，溶液過飽和狀態、結晶的沉淀與溶解（晶體表面自由能）、溶液與表面的接觸時間等是關鍵因素。

通過對凝汽器結垢機理的研究，為延緩凝汽器的管道結垢，可通過破壞結垢的邊界條件來實現，本文從改變流體形態來提高凝汽器的換熱效率及延長管束結垢周期，提升余熱發電機組能效。

2 RCCS裝置介紹

2.1 RCCS技術原理

凝汽器強化換熱系統（簡稱RCCS）由螺旋紐帶、陶瓷軸承、特種鋼支架組成。在凝汽器換熱管內安裝RCCS，無需外加動力，利用循環水自身的流速驅動，以300～1 800 r/min的速度快速旋轉，強化管內流體的旋轉流動，破壞水垢的形成機理，擺脫了傳統的被動清洗除垢概念，變被動除垢為主動防垢。通過對比凝汽器管RCCS 裝置安裝前后管內流場變化的情況可知，管內流場從層流變化為紊流，如圖2、圖3。首先在起始階段破壞污垢微晶團，減少污垢的形成；其次通過強化擾流和對管壁不規則刮掃，減少垢的析出并阻止附著，加快垢的剝蝕［3］。

圖2 未加裝RCCS前管內呈層流狀

圖3 加裝RCCS后管內呈紊流狀

機組的排汽溫度等于循環水入口水溫、循環水溫升與端差的總和。降低凝汽器端差δt是降低排汽溫度的主要途徑，降低排汽問題有利于提高凝汽器真空度，從而提高機組發電效率。實驗證明，凝汽器安裝RCCS裝置后，可提高換熱器的換熱系數K值20%以上（見圖4），能夠有效降低機組的排汽溫度及壓力。

圖4 加裝RCCS前后凝汽器換熱系數變化對比

2.2 RCCS裝置實施邊界條件

RCCS 裝置依靠循環水的流速進行驅動以及本身存在阻損，因此RCCS 裝置實施需要一定的邊界條件，邊界條件有兩個。

（1）管內水流速：要使RCCS 裝置正常運轉，應保證凝汽器管內循環冷卻水的流速≥1.2 m/s；

（2）管內水阻力：加裝RCCS 后給凝汽器水阻增加約20 kPa。

湛江鋼鐵CDQ 余熱發電機組的凝汽器管內循環冷卻水流速大于1.4 m/s，同時機組循環冷卻水壓力完全可以克服加裝RCCS 所帶來的水阻，具備加裝RCCS 裝置的條件，另外RCCS 裝置布置在凝汽器的換熱管內部，不占現場空間且安裝方便，不需要新增任何能介。

3 RCCS裝置應用效果

3.1 機組運行參數對比

對機組安裝RCCS 裝置前后的運行參數進行記錄對比，詳見表1、表2。通過對比發現，機組安裝RCCS 裝置后，機組的排汽溫度、背壓以及端差都得到改善，機組排汽溫度降低2.1 ℃、汽輪機背壓提高1.0 kPa、凝汽器端差降低2.0 ℃。在真空系統同等運行工況下，降低了排汽壓力、提高了機組發電量。

表1 CDQ機組安裝RCCS裝置前后運行數據

表2 CDQ機組安裝RCCS裝置前后平均運行數據匯總

3.2 運行維護情況

RCCS 裝置自2019 年上機運行至今，運行情況良好，凝汽器的各項運行參數未出現明顯的變化。每兩年主機年修期間，對凝汽器RCCS 裝置進行檢查處理。2022 年主機年修期間對凝汽器進行檢查，凝汽器未出現結垢現象，且RCCS 損壞率低于1%。從RCCS 裝置實際運行情況分析，RCCS 裝置除主機檢修期間對損壞的RCCS 進行了更換，日常免維護，同時實現了防止凝汽器結垢的目的。

3.3 經濟效益分析

安裝RCCS 后，機組除了直接增加發電效益外，還有以下間接的經濟效益：

（1）至少5 年內不需再對凝汽器清洗維護。機組每年至少可節約5 萬元以上的清洗維護費用（凝汽器按每年只清洗一次計算）。

（2）可避免機組因對凝汽器清洗而停機的發電損失（電價按0.5 元/kWh 計算，機組每停一天，損失約30 萬元以上）；避免化學清洗或機械清洗造成的的損傷及腐蝕，延長凝汽器壽命。

綜上所述，單臺CDQ 余熱發電機組安裝RCCS后，年可增加發電量約164 萬kWh。同時每年可節約停機損失95 萬元以上（按機組每年停機3 天對凝汽器進行清洗計算）。單臺CDQ 機組的經濟指標見表3。

表3 單臺CDQ機組的經濟指標

4 結語

基于余熱發電凝汽器強化換熱機理研究，通過探索降低凝汽器對流熱阻與污垢熱阻影響關鍵因素，應用RCCS 裝置實現湛江鋼鐵CDQ 發電機組凝汽器在線清洗及強化換熱，改變流體形態來提高凝汽器的換熱效率及延長管束結垢周期，提升余熱發電機組能效并取得良好經濟效益。