強(qiáng)永平 張莉 朱勇軍

（1.上海漕涇熱電有限責(zé)任公司， 上海， 201507； 2.上海電力大學(xué) 上海熱交換系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心， 上海， 200090）

凝汽器壓力是反映汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的綜合指標(biāo)， 往往也作為評價(jià)發(fā)電機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的一級指標(biāo)， 在蒸汽發(fā)電循環(huán)中有著舉足輕重的作用， 凝汽器壓力低則蒸汽發(fā)電循環(huán)經(jīng)濟(jì)性好[1-3]。但是， 目前較多蒸汽發(fā)電機(jī)組普遍存在凝汽器壓力偏高的現(xiàn)象， 影響了發(fā)電機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。 因此， 運(yùn)行人員一直希望了解各因素[4-8]對凝汽器壓力影響的程度， 尤其是與運(yùn)行有關(guān)的因素， 以便在可調(diào)節(jié)的運(yùn)行范圍內(nèi)盡可能地達(dá)到降低凝汽器運(yùn)行壓力的目的。

本文以某燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的軸向排汽式凝汽器為研究對象， 基于其性能測試數(shù)據(jù)， 對影響凝汽器壓力的因素進(jìn)行分析， 獲知影響凝汽器壓力的主要因素， 為運(yùn)行人員優(yōu)化運(yùn)行降低凝汽器壓力提供指導(dǎo)， 同時(shí)也為相關(guān)人員熟悉凝汽器性能影響因素提供有益的參考。

1 研究對象簡介

1.1 凝汽器設(shè)計(jì)參數(shù)

本文的研究對象為某燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的軸向排汽式凝汽器， 該聯(lián)合循環(huán)機(jī)組為熱電機(jī)組， 主要為工業(yè)園區(qū)抽汽供熱。表1 給出了該凝汽器設(shè)計(jì)工況（即100%供汽工況）下的相關(guān)參數(shù)。

表1 某軸向進(jìn)汽凝汽器的設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 凝汽器性能測試數(shù)據(jù)

對上述凝汽器進(jìn)行了性能測試， 測試數(shù)據(jù)見表2。 從表中蒸汽負(fù)荷的數(shù)據(jù)來看， 測試工況下的蒸汽負(fù)荷遠(yuǎn)比設(shè)計(jì)值大， 超過了設(shè)計(jì)工況負(fù)荷的2倍； 凝汽器的循環(huán)水流量低于凝汽器的設(shè)計(jì)工況，僅為設(shè)計(jì)工況水流量的71%； 冷卻水進(jìn)口溫度偏離凝汽器冷卻水進(jìn)口溫度設(shè)計(jì)值較遠(yuǎn)。 與此同時(shí)，冷卻管的清潔系數(shù)也可能與設(shè)計(jì)工況下的0.9 不同。 正是因?yàn)樯鲜龆鄠€(gè)影響因素均偏離了設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致凝汽器壓力也遠(yuǎn)離了設(shè)計(jì)值。

表2 某軸向進(jìn)汽凝汽器性能測試數(shù)據(jù)

2 凝汽器壓力修正計(jì)算的相關(guān)公式

2.1 凝汽器測試時(shí)的熱負(fù)荷

凝汽器的熱負(fù)荷由循環(huán)冷卻水的吸熱量由計(jì)算而得， 見式（1）。

式中：Q為凝汽器熱負(fù)荷， W；cp為冷卻水平均溫度下的比熱， J/（kg·K）；m為冷卻水流量， kg/s；Δt為冷卻水溫升， ℃。

2.2 凝汽器端差

凝汽器端差是指凝汽器內(nèi)蒸汽的飽和溫度與冷卻水出口溫度的溫差。 根據(jù)傳熱學(xué)知識， 凝汽器端差與冷卻水的溫升存在的關(guān)系見式（2～3）[9]。

式中：δt為凝汽器端差， ℃；A為凝汽器換熱面積， m2；k為凝汽器傳熱系數(shù)， W/（m2·℃）。

2.3 對數(shù)平均溫差

根據(jù)傳熱學(xué)[10]知識， 凝汽器內(nèi)蒸汽與冷卻水之間傳熱的對數(shù)平均溫差的計(jì)算見式（4）。

式中：ts為凝汽器壓力下的飽和蒸汽溫度， ℃；t1為冷卻水進(jìn)口溫度， ℃；t2為冷卻水出口溫度， ℃；LMTD為對數(shù)平均溫差， ℃。

2.4 測試工況下傳熱系數(shù)的計(jì)算式

根據(jù)傳熱學(xué)知識， 測試工況下凝汽器內(nèi)蒸汽與冷卻水之間傳熱的傳熱系數(shù)的計(jì)算見式（5）。

式中：kT為測試工況下的總傳熱系數(shù)， W/（m2·℃）。

2.5 HEI 標(biāo)準(zhǔn)中傳熱系數(shù)的計(jì)算式

凝汽器的HEI 標(biāo)準(zhǔn)[11]中給出了在一定冷卻水流速、 冷卻水進(jìn)口水溫以及冷卻管規(guī)格條件下的凝汽器傳熱系數(shù)計(jì)算見式（6）。

式中：k0為基本傳熱系數(shù)， W/（m2·K）， 根據(jù)冷卻水設(shè)計(jì)流速查??；βt為冷卻水進(jìn)口溫度修正系數(shù)，根據(jù)冷卻水進(jìn)口溫度查?。沪耺為冷卻管管材和壁厚修正系數(shù)， 根據(jù)管材和壁厚查??；βc為凝汽器清潔系數(shù)， 根據(jù)管材選取， 取值為1 時(shí)表示冷卻管絕對清潔。

2.6 清潔系數(shù)的計(jì)算

凝汽器現(xiàn)場測試所得的傳熱系數(shù)與由凝汽器HEI 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出的冷卻管絕對清潔時(shí)的傳熱熱系數(shù)之比即為凝汽器冷卻水管的清潔系數(shù)， 計(jì)算見式（7）。

式中：kclear為冷卻管絕對清潔時(shí)的傳熱系數(shù)， W/（m2·℃）；βcT為凝汽器試驗(yàn)清潔系數(shù)。

2.7 凝汽器傳熱系數(shù)的修正

因?yàn)槟鞯臏y試工況不是設(shè)計(jì)工況， 為了分析影響因素對凝汽器運(yùn)行壓力的影響， 需要將測試工況下凝汽器壓力的試驗(yàn)值進(jìn)行修正。 其中，首先需要對凝汽器傳熱系數(shù)進(jìn)行修正， 修正包括來自冷卻水流速的修正、 冷卻水進(jìn)口溫度的修正、清潔系數(shù)的修正等方面。

根據(jù)美國傳熱學(xué)會的HEI 標(biāo)準(zhǔn)， 當(dāng)冷卻水流量、 冷卻水進(jìn)口溫度、 清潔系數(shù)偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)，對試驗(yàn)所得的傳熱系數(shù)kT的修正系數(shù)見式（8～10）。

式中：Fν為冷卻水流速修正系數(shù)；Ft為冷卻水水溫修正系數(shù)；Fc為清潔系數(shù)修正系數(shù)。

對某影響因素進(jìn)行修正時(shí)只需乘以該影響因素的修正系數(shù)。 同時(shí)考慮冷卻水流速、 進(jìn)口溫度，清潔系數(shù)等因素后的傳熱系數(shù)見式（11）。

式中：kc為修正后的傳熱系數(shù)， W/（m2·K）

2.8 凝汽器壓力的修正

在對凝汽器傳熱系數(shù)進(jìn)行修正之后， 即可以將凝汽器壓力修正至冷卻水流量、 冷卻水進(jìn)口溫度、 清潔系數(shù)等參數(shù)處于設(shè)計(jì)工況條件下的凝汽器壓力。

首先， 由式（12）確定凝汽器壓力對應(yīng)的飽和溫度， 計(jì)算得到tsc[9]， 然后即可從水蒸氣熱力性質(zhì)表中直接查得凝汽器修正壓力pc。

式中：tsc為凝汽器壓力對應(yīng)的飽和溫度修正值， ℃；t1D為設(shè)計(jì)冷卻水進(jìn)口溫度， ℃； Δtc為傳熱系數(shù)修正后的冷卻水溫升， ℃；δtc為為傳熱系數(shù)修正后的凝汽器端差， ℃；mD為設(shè)計(jì)冷卻水流量， kg/s。

3 凝汽器壓力影響因素分析

3.1 凝汽器清潔系數(shù)的計(jì)算

首先， 基于測試數(shù)據(jù)對測試時(shí)凝汽器的清潔系數(shù)進(jìn)行計(jì)算， 結(jié)果見表3。 從表3 中的分析結(jié)果可以看出， 測試時(shí)凝汽器的清潔系數(shù)為0.832， 說明凝汽器冷卻管清潔系數(shù)低于凝汽器設(shè)計(jì)時(shí)清潔系數(shù)0.9 的取值， 但清潔度尚可。

表3 某軸向進(jìn)汽凝汽器清潔系數(shù)計(jì)算結(jié)果

3.2 凝汽器壓力影響因素分析

表4 首先給出了將蒸汽負(fù)荷、 冷卻水入口水溫、 冷卻水流量和冷卻管清潔系數(shù)4 個(gè)影響因素均修正到設(shè)計(jì)值后凝汽器壓力的修正值， 修正后的凝汽器壓力為3 901 Pa， 與設(shè)計(jì)工況下的凝汽器壓力設(shè)計(jì)值3 884 Pa 相比，凝汽器壓力接近（略高于）凝汽器壓力的設(shè)計(jì)值，表明該凝汽器基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

其次， 表4 分別給出了依次僅考慮冷卻水入口水溫、 冷卻水流量、 清潔系數(shù)和蒸汽負(fù)荷4 個(gè)影響因素中的1 個(gè)影響因素修正后的凝汽器壓力分別為9 995 Pa、 4 813 Pa、 5 463 Pa、 9 283 Pa，與試驗(yàn)工況下的凝汽器壓力9 753 Pa 相比， 蒸汽負(fù)荷修正至設(shè)計(jì)值后凝汽器壓力相比于試驗(yàn)工況下的凝汽器壓力值差別最大， 其次為冷卻水流量的修正， 說明這2 個(gè)因素是導(dǎo)致凝汽器壓力偏離的主要因素。

最后， 表4 中還給出了上述4 個(gè)影響因素中僅不考慮一個(gè)影響因素的修正后的的凝汽器壓力分別為3 912 Pa、 6 895 Pa、 4 507 Pa、 4 030 Pa，與修正后設(shè)計(jì)工況下的凝汽器壓力3 901 Pa 相比，仍然是蒸汽負(fù)荷偏離設(shè)計(jì)值時(shí)后凝汽器壓力與設(shè)計(jì)工況下的凝汽器壓力差別最大， 其次為循環(huán)水流量。

上述2 個(gè)角度的分析均表明， 對于本文研究的凝汽器， 蒸汽負(fù)荷過高和冷卻水流量不足是影響凝汽器壓力偏高的主要因素。

表4 某軸向進(jìn)汽凝汽器壓力影響因素的分析結(jié)果

續(xù)表

4 結(jié)論

論文基于凝汽器性能現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)對凝汽器的性能進(jìn)行評估和影響因素分析， 得到以下結(jié)論：

（1）測試時(shí)凝汽器的清潔系數(shù)為0.83， 說明凝汽器冷卻管清潔系數(shù)低于凝汽器設(shè)計(jì)時(shí)清潔系數(shù)0.9 的取值， 清潔度尚可。

（2）對測試條件修正后的凝汽器壓力為3 901 Pa， 凝汽器壓力接近設(shè)計(jì)值（3 884 Pa），表明該凝汽器基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（3）蒸汽負(fù)荷過高和冷卻水流量不足是影響凝汽器壓力偏高的主要因素。