薛 旻

（華潤電力（常熟）有限公司，江蘇常熟 215536）

0 引言

在火力發(fā)電廠中，凝汽器的換熱效率對汽輪發(fā)電機組的發(fā)電效率影響較大，統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，熱力發(fā)電機組真空度每降低1%，機組熱耗約增加1.5%。同時，如果凝汽器換熱效率嚴重低于設計值，會引起汽輪機排汽溫度升高，長期運行會導致汽輪機軸向位移發(fā)生變化，嚴重時甚至會使汽輪機產(chǎn)生附加振動，影響機組的安全運行。因此，盡可能的提高凝汽器的傳熱效率是火電機組節(jié)能降耗的重要手段。

凝汽器的傳熱效率有較多的評判指標，可以從凝汽器端差、凝結(jié)水過冷度、傳熱系數(shù)等參數(shù)進行評價，本文從理論上分析凝汽器的傳熱熱阻，找到影響凝汽器傳熱熱阻的因素，并提出改進措施。

1 傳熱熱阻影響因素分析

傳熱熱阻的定義，是指熱流量在通過物體時，在物體兩端形成的溫度差。熱阻反應的是導熱材料對熱流傳導的阻礙能力，導熱材料的熱阻越大，對熱傳導的阻礙能力越強。提高火力發(fā)電廠凝汽器的換熱效率，就要盡可能地降低凝汽器的傳熱熱阻。

1.1 凝汽器傳熱過程分析

在理想工況下，如果不考慮蒸汽與換熱管間輻射傳熱，火力發(fā)電廠中最常見的表面式凝汽器的總傳熱熱阻由冷卻水與換熱管內(nèi)壁的對流換熱熱阻、換熱管內(nèi)外管壁間的純導熱熱阻和蒸汽與換熱管外壁的對流換熱熱阻3部分組成，總熱阻值的計算見式（1）

式中l(wèi)——換熱管長度

λ——換熱管管壁導熱系數(shù)

d，d0——換熱管內(nèi)徑、外徑

α1，α2——換熱管水側(cè)和汽側(cè)的對流換熱系數(shù)

火電機組實際運行工況下，凝汽器的運行受到外界多種因素的影響，加上凝汽器多年運行的累積效應，實際的凝汽器換熱過程，還存在另外附加的傳熱熱阻，這些附加的熱阻可能是設計熱阻值的數(shù)倍，這將極大降低凝汽器的傳熱系數(shù) ，影響機組運行的經(jīng)濟性。因此，需要對這些附加熱阻進行細化分析，并采取措施，降低附加的傳熱熱阻。

根據(jù)凝汽器熱量傳遞流程，蒸汽在凝汽器內(nèi)部是一個等壓冷凝的過程，在理想狀態(tài)下，蒸汽從汽輪機末級葉片排出后，在凝汽器冷卻水管外壁冷凝，冷凝過程需要通過對流換熱將熱量傳遞給外側(cè)管壁。但在實際過程中，并不是簡單的蒸汽與冷卻水管壁的對流換熱，存在2個主要的附加因素干擾：①冷凝水不會立即離開換熱管表面，而會聚集于換熱管表面，演變?yōu)樗?，蒸汽必須先和這層水膜進行換熱，然后通過水膜將熱量傳遞給管壁，其間增加了一個換熱熱阻；②真空狀態(tài)下的凝汽器不可避免的存在一些不凝結(jié)氣體，這些氣體在蒸汽冷凝時聚集在液膜附近，形成一層氣膜，使蒸汽凝結(jié)過程增加了一個氣相傳熱熱阻。

熱量通過凝汽器換熱管內(nèi)外壁的熱傳導后需要將熱量傳導給冷卻水，但在實際的運行過程中，隨著凝汽器的長期運行，換熱管內(nèi)壁會存在一些污垢，增加導熱熱阻。

因此，實際的凝汽器運行過程，存在不凝結(jié)氣體的熱阻，汽側(cè)水膜的熱阻，水側(cè)污垢的熱阻，3個附加熱阻影響凝汽器的傳熱效率，是機組運行中必須想辦法盡量降低的熱阻。實際的凝汽器熱阻可用式（2）表示。

式中R1——不凝結(jié)氣體熱阻

R2——汽側(cè)凝結(jié)液膜熱阻

R3——水側(cè)污垢熱阻

1.2 不凝結(jié)氣體熱阻的影響分析

凝汽器汽側(cè)的不凝結(jié)氣體通過兩種方式進入凝汽器。①本身溶解在凝結(jié)水中，通過蒸汽攜帶進入凝汽器，②通過機組負壓系統(tǒng)的不嚴密處漏入凝汽器。前者占比極少，約為凝汽器不凝結(jié)氣體總量的1%，大部分不凝結(jié)氣體通過機組負壓狀態(tài)下的不嚴密處漏入。

當蒸汽在凝汽器中凝結(jié)時，凝汽器內(nèi)部的不凝結(jié)氣體在蒸汽的氣流作用下，聚集在換熱管外壁液膜附近，在換熱管外形成一層氣膜，汽輪機排出的蒸汽要達到凝汽器換熱管進行冷凝，就必須穿過這層氣膜，使蒸汽在冷凝換熱過程中增加了一個氣相傳熱熱阻。實驗表明，當不凝結(jié)氣體含量占總蒸汽量的1%時，凝汽器換熱系數(shù)只達到純凈蒸汽的50%左右，嚴重降低凝汽器運行的經(jīng)濟性。

1.3 汽側(cè)凝結(jié)液膜熱阻的影響分析

火力發(fā)電廠一般采用表面式凝汽器，表面式凝汽器的換熱按照膜狀凝結(jié)進行設計和計算。從汽輪機排出的蒸汽遇到溫度較低的凝汽器換熱管外壁，放出汽化潛熱，蒸汽凝結(jié)成水，凝結(jié)水自身重力小于換熱管表面的吸附力，不能立即離開換熱管表面，會在換熱管表面形成一層液膜，不斷凝結(jié)的蒸汽必須先與這層液膜進行換熱，然后才能將熱量傳遞給換熱管外壁，因此，在凝汽器換熱管的傳熱過程中又附加了液膜的熱阻，降低了總傳熱系數(shù)。液膜熱阻可近似表示為式（3）。

式中d0——換熱管管道外徑

l——換熱管管道長度

λ2——液膜導熱系數(shù)

W2——液膜厚度

從式（3）可以看出，液膜厚度越厚，對凝汽器傳熱的影響越大，減小液膜熱阻，需要減薄液膜厚度或阻止液膜的生成。

1.4 凝汽器水側(cè)污垢熱阻的影響分析

火力發(fā)電廠一般采用開式循環(huán)水或閉式循環(huán)水，但無論是開式循環(huán)還是閉式循環(huán)，凝汽器冷卻水都直接與外界環(huán)境接觸，使冷卻水攜帶一些雜質(zhì)和微生物，水質(zhì)較差，特別是采用開式循環(huán)水的機組，大多采用長江水或者海水，水的硬度較高，含泥沙、水生物較多，經(jīng)長時間循環(huán)后很容易在管道內(nèi)壁上結(jié)垢、結(jié)污，使冷卻水不能與換熱管內(nèi)壁直接接觸，增加導熱熱阻。污垢的導熱熱阻表示為式（4）。

式中d——管道內(nèi)徑

l——管道長度

λ3——污垢導熱系數(shù)

W3——污垢層厚度

從式（4）可以看出，隨著污垢厚度的增大，污垢的傳熱熱阻逐漸增大，由于污垢的導熱系數(shù)比換熱管管壁導熱系數(shù)小得多，因此，該項導熱熱阻比管壁的熱阻大很多，會大幅降低凝汽器傳熱系數(shù)。同時，污垢長期附著于換熱管內(nèi)壁，還會產(chǎn)生垢下腐蝕，機組長期運行后容易引發(fā)管道泄漏，直接影響進入鍋爐的水質(zhì)和汽機通流部分的清潔度，危及機組的安全運行。

2 降低凝汽器傳熱熱阻的措施

2.1 提高凝汽器負壓系統(tǒng)的嚴密性

（1）機組調(diào)?；驒z修時，采用凝汽器高位灌水的方式，對凝汽器喉部以下區(qū)域及機組負壓系統(tǒng)進行灌水查漏，消除凝汽器焊縫、負壓系統(tǒng)法蘭等區(qū)域的漏點。

（2）機組運行時，定期對機組負壓系統(tǒng)進行查漏，可以采用聲波查漏儀、氦質(zhì)譜檢測儀等先進設備進行查漏。

（3）機組正常升降負荷時，根據(jù)負荷的變化，及時調(diào)整汽輪機軸封供汽壓力，確保汽輪機軸封系統(tǒng)的嚴密性。

2.2 保持凝汽器換熱管管壁清潔

為了維持凝汽器換熱管管壁的清潔，必須經(jīng)常對凝汽器換熱管管壁進行清洗，早些年，火力發(fā)電廠常在機組停運時采用人工清洗、刷子清洗或者化學清洗等方法進行清洗，不僅人員勞動強度大，而且效果不佳。近幾年，隨著人們對電廠凝汽器沖洗的逐漸重視，凝汽器管壁沖洗的方法越來越高效便捷。凝汽器沖洗主要分為在線沖洗和停機沖洗。在線沖洗最大的優(yōu)點是可以不停機進行清洗，并且可以節(jié)省人力，國內(nèi)現(xiàn)在主流的在線清洗方式有在線膠球清洗和在線“水蜘蛛”清洗兩種方式。膠球清洗是采用密度與水相近的海綿膠球作為介質(zhì)，在膠球泵的作用下隨水流進入換熱管，膠球可有效清除換熱管表面的泥垢，但對鈣、鎂等無機鹽形成的硬垢沖洗效果不佳。而“水蜘蛛”在線清洗是利用水蜘蛛仿生技術，讓高壓水通過供水機構(gòu)經(jīng)噴嘴噴出，高壓水進入換熱管后形成高速噴射水流，沖走管壁內(nèi)的泥垢。在機組停運時候，通常采用“子彈”高壓水沖洗的方式，利用“塑料子彈”作為沖洗介質(zhì)，在壓縮空氣和高壓水的雙重作用下，“塑料子彈”以旋轉(zhuǎn)切削的方式通過換熱管，達到較好的沖洗效果。此外，火電廠還需要定期監(jiān)測冷卻水的水質(zhì)，在泥沙含量較多、微生物易生成的季節(jié)，盡量提高冷卻水流速，增加換熱管沖洗頻次，減緩污垢生成的速率。

2.3 減薄凝結(jié)水液膜厚度

（1）改進換熱管結(jié)構(gòu)。目前，國際上較為先進的技術是采用強化換熱管。強化換熱管表面采用特殊的材料或形式，使得管外壁的摩擦系數(shù)較低，液滴較易滴落。例如，在火力發(fā)電廠中應用較多的螺紋槽管，其管壁內(nèi)外均為節(jié)距較大的螺紋形狀，使得蒸汽凝結(jié)液流向螺紋溝內(nèi)，這種設計可以破壞換熱管外壁的液膜，大大提高了換熱管外壁的換熱系數(shù)。同時，從換熱角度來講，這種結(jié)構(gòu)既增強了換熱管外壁的蒸汽換熱，又強化了換熱管內(nèi)壁的冷卻水換熱。實驗表明，在相同的運行參數(shù)下，螺紋槽管的總傳熱系數(shù)要比光管高40%。單這種結(jié)構(gòu)的換熱管容易導致冷卻水側(cè)的污垢沉積，因此，采用此種結(jié)構(gòu)的強化換熱管時需要保證冷卻水的水質(zhì)，也需要經(jīng)常對換熱管進行沖洗。

（2）變膜狀凝結(jié)為珠狀凝結(jié)。 目前，火電廠凝汽器的換熱是以膜狀凝結(jié)換熱為主，設計時也是按照膜狀凝結(jié)進行設計。然而，從傳熱學角度來講，珠狀凝結(jié)比膜狀凝結(jié)更為高效。實驗證明，珠狀凝結(jié)的換熱系數(shù)要比膜狀凝結(jié)的換熱系數(shù)高一個數(shù)量級，如果火電廠凝汽器能充分利用珠狀凝結(jié)，將大大提高凝汽器的換熱性能。珠狀凝結(jié)的機理是利用液滴自重，不斷攜帶其他液滴分離換熱管，從而破壞換熱管外壁液膜的形成，保持蒸汽與換熱管外壁的直接接觸，因此，珠狀凝結(jié)的換熱系數(shù)較大。然而，現(xiàn)階段珠狀凝結(jié)還未得到推廣，主要是由于這種凝結(jié)方式不易長時間保持。如果可以改善珠狀凝結(jié)實現(xiàn)的條件，例如研制出一種親水性較差的材料，將大大提高凝汽器的換熱系數(shù)。實驗表明，等離子換熱管是一種很好的珠狀凝結(jié)換熱管，相較于黃銅換熱管，等離子管材具有更低的表面自由能，基本可以實現(xiàn)珠狀凝結(jié)。

3 結(jié)語

通過理論分析，說明火電廠凝汽器的傳熱必須經(jīng)過不凝結(jié)氣體層、凝結(jié)液膜層和水側(cè)污垢層，這將大大增加凝汽器的傳熱熱阻。降低凝汽器的傳熱熱阻，可以在設計時選擇更合理的換熱管形狀和更優(yōu)化的結(jié)構(gòu)或采用更先進的管材，提高凝汽器的傳熱系數(shù)；同時，在凝汽器運行中注意冷卻水的水質(zhì)，加強膠球清洗或“水蜘蛛”在線清洗裝置的可靠性，定期對凝汽器進行停機沖洗，盡量維持凝汽器換熱管的清潔；還要定期對真空系統(tǒng)進行查漏，保證凝汽器真空系統(tǒng)的嚴密性；這些措施對降低凝汽器的傳熱熱阻尤為重要。