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1、http:/ - 1 -定量分析双背压凝汽器冷却水管结垢定量分析双背压凝汽器冷却水管结垢 对机组经济性的影响对机组经济性的影响 肖国俊 （华中科技大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430074） 摘摘 要：要：以热力学第一定律为基础，应用传热学原理，定量分析了双背压凝汽器冷却水管结垢对凝汽器真空、 机组功率以及机组热耗率的影响。 研究成果对提高电厂机组运行的经济性有着重要的现实意义。 关键词：关键词：定量分析；双背压凝汽器；冷却水管；结垢；经济性 E-mail: 0 前前 言言 凝汽器是凝汽式机组的重要组成部分， 其工作状况的好坏， 直接影响着整个机组运行的安全性和经济性。 由于双背压凝
2、汽器相对于单压凝汽器具有更均匀的热负荷分布、 更好的冷却效果及更优的经济性，因而得到了广泛的应用。同时我国 300 MW 以上大容量机组的开始不断普及 ，这些大容量机组的汽轮机一般设计成 2 个低压缸(4 个排汽口)，这也为采用双背压凝汽器来提高机组热效率创造了条件。 凝汽器真空是评价凝汽器运行状态优劣和运行检测中的一个很重要的指标。 凝汽器真空过低会严重影响电厂机组的安全经济运行， 而造成凝汽器真空过低的一个重要原因就是凝汽器冷却水管结垢1。双背压凝汽器的设计和分析计算基本上仍然采用单压凝汽器的那一套理论方法， 因此双背压凝汽器冷却水管的污染程度仍然沿用凝汽器清洁系数这一抽象概念来衡量。 但
3、是如何定量计算双背压凝汽器冷却水管结垢后对机组经济性的影响， 从而更有针对性地指导机组的运行和检修决策，这个问题至今仍没得到解决。正是基于这种现实情况，本文提出了一套定量分析双背压凝汽器冷却水管结垢对机组经济性的影响的计算方法。 1 双背压凝汽器冷却水管结垢定量分析的基本原理和步骤双背压凝汽器冷却水管结垢定量分析的基本原理和步骤 1.1 基本原理基本原理 如图 1 所示，将整台机组取为一个热力系2，根据热力学第一定律3，外界输人锅炉的有效利用热量 Q1，应等于为凝汽器的放热量 Q2、各项散热损失 Q3与汽轮发电机组对外输出功率 N 三者之和。既 Q1=Q2+Q3+N。 在相同的工况下，假设冷凝
4、器铜管结了一层水垢，这样，冷凝器热阻增如，使得排汽压力升高，输出功率减少，热耗率增加。在 Q1和 Q3不变的情况下，汽轮发电机组对外输出功率 N 所少消耗的热能，应等于循环水多带出的热量， 即2NQ= http:/ - 2 -图 1 机组热力系简图 1.2 定量分析计算的基本步骤定量分析计算的基本步骤 （1）根据上述原理，计算双背压凝汽器的总放热量 Q2； （2）在冷却水管清洁的条件下，根据传热方程、准则方程、传热系数等计算式分别计算低压、高压凝汽器的传热系数 klp、khp，冷却水量 Dw，冷却水流速 uw，水侧放热系数 wlp、whp及汽侧放热系数 slp、shp。 （3）在相同工况下，冷
5、却水管结垢将使汽轮机排汽温度升高。因此先分别假设低、高压凝汽器的凝结水温 tlp1、thp1，查饱和水物理性质表得到与之对应的低、高压凝汽器压力分别为 plp1、php1，再根据凝汽器通用修正曲线拟和成的公式计算出机组功率减少值N。根据上述原理，凝汽器的放热量将变为 Q2+N。然后再分别计算低压、高压凝汽器的冷却水出口水温 tw12、tw2，水侧放热系数 wlp1、whp1，传热系数 klp1、khp1及其放热量 Qlp、Qhp 。一般情况下可近似认为高 、低 压凝汽器的换热量相等。那么若已满足下式要求，则说明假定的排汽温度正确，否则重新假定 tlp1、thp1的值，重复上述计算步骤，直至满足
6、要求。 26226226210210210lphplphpQQQQQQQQQQ 104，处于旺盛紊流区。则有： 0.80.4Nu0.023RePr309.432lplplp= 水侧放热系数： 2Nu 7579.8W/(m) lplp wlpd=i 汽侧放热系数： ()1222ln126958.2W/(m)2lplps wdddd kd+=i （2）高压凝汽器侧 传热系数： 1221ln3310W/(m)hpwlp hp hphpwlphptttQkF ttttt = i 冷却水平均温度： http:/ - 5 -1131.7752hpwlpwlphp ftttttt+ + + = 以此平均温度
7、为定性温度，查表得：冷却水密度 hp=994.9kg/m3；导热系数 hp= 0. 621W/(m) ；动力粘度 hp=7.79110-7 m2/s；普朗特数 Prhp=5.223。 冷却水流量和冷却水流速与低压侧相同。雷诺数： Re =66181.5w hp hpu d = 由于 Rehp104，处于旺盛紊流区。则有： 0.80.4Nu0.023RePr320.247hphphp= 水侧放热系数： 2Nu 7954.9W/(m) hphp whpd=i 汽侧放热系数： ()1222ln127134W/(m)2hphps wdddd kd+=i 2.2.3 冷却水管结垢时的计算冷却水管结垢时的
8、计算 该电厂冷却水采用地下水。水垢的成份主要是 CaCO3和 MgCO3，其导热系数 sc= 0.621W/(m) 。 利用计算机程序将凝汽器真空通用曲线拟合成下式： 114708000.3 (0.006)2lphpppN+= 现假定冷却水管内壁结了sc0.3mm厚的水垢，导致低、高压凝汽器凝结水温分别变为tlp137.4767和thp142.0647，与之对应的低、高压凝汽器压力分别变为plp10.0067Mpa和php10.0085MPa，就有机组的功率减少： 4708000.3 (0.006)=7572.3kWcNp= 此时双背压凝汽器的总放热量应为： 22677067.9kWQQN =
9、+= （1）低压凝汽器侧 低压侧出口水温： 2 12129.47682 lpww pwQttcD=+= 冷却水平均温度： 111227.08842lpww fttt+= 以此平均温度为定性温度， 查表得： 冷却水密度 lp1=996.1kg/m3； 导热系数 lp1= 0.6121W/ (m) ；动力粘度 lp1=8.83510-7 m2/s；普朗特数 Prlp1=5.9778。 http:/ - 6 -此时，冷却水管内径为 d24.4mm，以上述同样的方法可计算出：冷却水流速uw1=2.1658m/s，雷诺数 Relp1= 59814，努谢尔特数 Nulp1311.7347，水侧放热系数 w
10、hp17819.7W/(m2) 。则低压侧传热系数4： ()112 12ln2ln2122074.4W/(m)22 lplpsc lp swscdddddddkd +=+= i 低压侧放热量为： ()112111112338533.75kW2lnlpww lp lpwlpwk F ttQtttt= （2）高压凝汽器侧 高压侧出口水温： 2 21234.25362 hpww pwQttcD=+= 冷却水平均温度： 112231.86522hpww fttt+= 以此平均温度为定性温度，查表得：冷却水密度 hp1=994.6kg/m3；导热系数 hp1= 0.6207W/ (m) ；动力粘度 hp
11、1=8.022910-7 m2/s；普朗特数 Pr hp1=5.3306。 此时，冷却水管内径为 d24.4mm，以上述方法可计算出：雷诺数 Re hp1= 65868，努谢尔特数 Nu hp1321.6441，水侧放热系数 whp18181.6W/(m2) 。则传热系数4： ()112 12ln2ln2122114.8W/(m)22 hphpsc hp swscdddddddkd +=+= i 高压侧放热量为： ()121211212338533.79kW2lnhpww hp hpwhpwkF ttQtttt= 由下式成立，说明假设的低、高压凝汽器凝结水温正确。 2762276227625.
12、32 101025.93 101024.86 1010lphplphpQQQQQQQQQQ = = =2.3 冷却水管结垢对凝汽器真空、机组热耗率的影响计算冷却水管结垢对凝汽器真空、机组热耗率的影响计算 http:/ - 7 -冷却水管清洁时低、高凝汽器的真空及机组的热耗率： 1 095.74kPa94.26kPa36007759.3kJ/(kW h)clpalpchpahpHPpHPpQqN=i冷却水管结垢 0.3mm 时低压、高压凝汽器的真空及机组的热耗率： 111 094.3kPa92.5kPa36007855.2kJ/(kW h)clpalpchpahpHPpHPpQqNN = =i冷
13、却水管结垢 0.3mm 时使低压、高压凝汽器的真空下降： 1.44kPa1.76kPaclpclpclpclpchpchpHHHHHH=冷却水管结垢 0.3mm 时使机组的热耗率增加： 00095.91kJ/(kW h)qqq=i 为了快速准确地定量分析双背压凝汽器冷却水管结垢对机组经济性的影响，借助计算机编程来完成上述计算过程，计算程序框图见附图 1。 3 结结 论论 上述定量分析计算结果表明， 冷却水管结垢会严重影响着凝汽器真空及机组运行的经济性。冷却水管结垢 0.3mm 时，使凝汽器真空下降 1.6kPa，使机组的功率减少 7572.304kW，使机组的热耗率增加 95.91 kJ/ (
14、kWh)。 为了进一步说明问题， 在这里还以同样的方法计算了不同污垢层厚度对双背压凝汽器真空及机组经济性的影响数据，如表 3 所示。 表 3 双背压凝汽器冷却水管结垢有关计算结果汇总 垢层厚度，mm 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 低压凝汽器凝结水温， 34.9873 36.1537 37.3457 38.5616 39.8006 高压凝汽器凝结水温， 39.5434 40.7246 41.9322 43.1643 44.4201 低压凝汽器压力，MPa 0.0057 0.0062 0.0067 0.0071 0.0076 高压凝汽器压力，MPa 0.0075 0.0080 0.008
15、5 0.0090 0.0095 低压凝汽器水侧放热系数，W/(m2) 7592.9 7705 7819.6 7936.9 8057.0 高压凝汽器水侧放热系数，W/(m2) 7941.7 8060.2 8181.4 8305.5 8432.5 低压凝汽器传热系数，W/(m2) 2704.6 2349.3 2074.4 1855.4 1676.8 高压凝汽器传热系数，W/(m2) 2774.6 2401.5 2114.8 1887.4 1702.7 凝汽器总放热量，kW 672354 674567 677068 679126 681472 低压凝汽器真空，kPa 95.3 94.8 94.3 93.9 93.4 高压凝汽器真空，kPa 93.5
