凝汽器冷却用管——铜管和不锈钢管的性能比较与探讨 condenser cooling pipe the performance comparing and discussing for copper pipe and stainless steel pipe.pdf

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  第35卷第3期 热力透平 V01．35No．3 1111圭!笪 !竺竺竺竺 量皇笪!!!! 凝汽器冷却用管——铜管和不锈钢管 的性能比较与探讨 苏伟峰，湛维涛，徐志渠 (武汉三维汽轮电机股份有限责任公司供热汽机研究所，湖北省武汉市430074) 摘 要： 旨在对各类凝汽器冷却用管性能进行深入比较与探讨，提出并推荐可以替代传统冷却用管——铜 管的替代产品不锈钢波螺管。通过一系列分析表明。在汽轮发电机组凝汽器冷却管中用不锈钢波螺管替代铜管是 可行的选择。 关键词： 凝汽器；冷却管；性能比较与探讨 中图分类号：TK264．1 文献标识码：A 文章编号：1672—5549(2006)03一0165—04 Condenser Performanceand CoolingPipe：the Comparing for andStainlessSteel Pipe DiscussingCopper Pipe SU WPi一知咒g。Z．HANW音i一￡口o。XUZ^i—q“ SteamTurbineResearch 3-DTurbine&GeneralorLld Hubei (HeatSuppIying Instilule，Wuhan Co．。wuhan430074。Chjna) Abstract： and the featuresofvarious itisrecommended Bycomparingdiscussingcoolingpipe condensers。 to theconventional thestainlesssteel the itisfeasible replace coolingpipesby pipes．Thr。ughanalysis， to thestainlesssteel insteadoftheconventionalonesincondenser ofturbine apply pipe coolingpipes unit． —generator words： and Key condenser；coolingpipe；performancecomparingdiscussing 发展。从近期的汽轮发电机组招、投标及用户反 0 前言 馈的信息来看，人们对铜管的替代品…一不锈钢冷 却管褒贬不一，本文旨在对两种管材的各方面性 凝汽器是汽轮发电机组的重要辅机之一，它 能作比较，并愿与同行业人士探讨。 的性能好坏直接影响机组的运行。而它的主要传 热组件——冷却管是凝汽器的最重要部分，其选 1凝汽器用不锈钢管的化学成分及 材和选型直接影响凝汽器的性能，进而影响整个 机械性能 汽轮发电机组的效率，因此冷却管的选材和选型 是凝汽器设计的关键。 几种典型的不锈钢管材化学成分、管材性能 长期以来国内运行的汽轮发电机组凝汽器冷 见表1、表2。 却管采用不一样的适用不同水质的各类铜管，如 表1几种不锈钢管材化学成分如下表 H68、HSn70—1、HAl77—1、B30等，而对其它管材 认识不广泛，但随着近几年我国电力事业建设步 序号材质—1_——爵——雨i——F——!笋坠堕堡需}————1_———T 2 删L≤n035≤n75≤互oo≤0．035≤0．03&00～12．oo18．oo～2n00 伐的加快，铜管需求量增加及价格的大幅上扬，市 3 0310．oo～14．0016．00～1&002．00～&00 1R16≤O．08≤O．75≤2．00≤0．035≤n 4TP316L≤O．035≤O．75≤2．00≤吼035≤吼0310．∞～14．oo16．oo～1&002．00～3．00 场上已供不应求，严重地影响了我国电力事业的 收稿日期：2005—11—14 作者简介：苏伟峰(1968一)，男，工程师，1989年进入武汉汽轮发电机厂设计研究所，主要是做汽轮机调节系统、控制管理系统、辅机等研究设 计工作。 万方数据 166 凝汽器冷却用管——铜管和不锈钢管的性能比较与探讨 表2 几种不锈钢管材性能如下表 (2)换热管内外壁的导热 由导热微分方程导出通过圆筒的热量计 算式：Q一裂 应用牛顿冷却公式 Q=F△￡一口毛7rrL(￡1～￡2) 2 以铜管作为凝汽器换热管的传热 联立以上两式得： 效果比较 ‰一赢W／(m2．oC)(2) 不锈钢管因导热系数小于铜管，理论上总体 (3)管子内壁与水的强制对流换热 传热系数比铜管小6％，普通不锈钢管很难成为 由迪图斯——贝尔特公式 铜管的替代品，但通过华南理工大学热工研究所 R，，一型 的研制，优化出系列冷却管型线而推出的不锈钢 。 r￡ 波螺焊管能很好地弥补其导热系数比铜管小的缺 N玎一o．023R》8乡劳4 点，通过下面的分析，显而易见不锈钢波螺焊管完 口。一笪N。 (3) 全能成为铜管的替代品。 我们大家都知道热量传递有三种基本方式：导热、对 对于波螺焊管而言，由于循环水在管内的流 流和热辐射，凝汽器传热包括下列几个相互串联 动产生了边界层分离，加快了冷热水之间的混和， 的换热方式： 提高了换热性能。 蒸汽邃堡垫垫管子外壁昱塾垫垫管子内壁盟堕塑垫水 管内对流换热系数与光管之比为 口也／口打一1+13(^／s)+94(矗／s)2 口。为凝结换热系数，口。为导热换热系数，口i 为对流换热系数，那么凝汽器传热系数为： 式中矗——螺纹深mm，本例取o．5mm s——螺纹螺距mm，本例取8mm K—I南w／cm2·℃， e— 以上不锈钢波螺管(串20×o．7P一8 o．5)和HSn70一1光管计算结果见表3： 下面对每一个过程进行计算： 表3铜管与不锈钢波螺管性能比较 (1)蒸汽在管子外壁的凝结换热 凝结换热有两种方式：膜状凝结和珠状凝结。 膜状凝结时，壁面总是被一层液膜覆盖着，凝 结放出的潜热必须穿过液膜才能传到冷却壁面上 从以上分析能够准确的看出： 去，这时液膜层就成为换热的主要热阻；珠状凝结 (1)不锈钢波螺焊管凝结换热系数比铜管有 时的蒸汽与冷却壁面之间没有液膜阻离，热阻大 所提高。 为减小，换热系数可达到膜状凝结时的5到10 (2)由于不锈钢的导热性能低于铜，但其传 倍。管子与液体之间的润湿能力的强弱，决定了 是膜状凝结还是珠状凝结。实验查明工业凝汽器 热能力与壁厚有关，采用薄壁管来弥补这一缺陷， 能大大的提升不锈钢管的导热能力。 中都得到的是膜状凝结，而对于管子外壁光滑润 湿力小的不锈钢波螺焊管，同时存在少量的珠状 (3)对不锈钢波螺焊管而言，其最大的作用 是以强化管内水的对流换热系数为主，强化效果 凝结，其凝结换热系数为铜管的1．25～1．35倍。 对于单根横管外的膜状凝结，努谢尔特用图解积 通常为光管的1．77～2．73倍，且循环水在管内的 分的方法求得平均换热系数的理论计算式为： 流动产生了边界层分离，加快了冷热水之间的混 4 和，来提升了换热性能，但波螺焊管在其管外几 a。一o．725 w／(mz．℃)(1) j煞l 乎没有强化作用。 万方数据 第3期 热力透平 167 在相同运行条件下，不锈钢波螺管比铜管抗结 3 水阻计算 垢性能好。一种解释是：由于循环水在管内的高速 流动产生了边界层分离流，不存在沿管壁低流速 根据华南理工大学热工研究所综合国内外研 层，污垢难以附着在管内壁面。另一种解释是，由 究结果及推荐采用的关联式： 于污垢层与不锈钢波螺管的热胀系数差别很大，当 它们受热时，紧贴在一起的两层由于型线× 不等而自动脱离在高速水的冲击下，污垢层早已不 (趴)0 存在。另外，不锈钢波螺管，对有机悬浮物及一般 5肿)114exp(黼秽) 性腐蚀具有很强的抵抗作用。因此，它可直接用于 △Po一4，一亨·券 利用城市污脏水作为循环冷却水的场合。 综上所述，不锈钢波螺管因抗腐蚀性强，使寿 Re—v。·d／y 命大大延长，通常用寿命大于20年不可能会出现任 按以上公式计算，凝汽器采取不锈钢波螺焊 何问题，而相同情况下铜基合金管子的寿命相对 管，水阻值为o．05MPa～0．08MPa。 短一些。 表4 典型冷却管材耐腐蚀和抗老化性能比较 4抗腐蚀和抗老化性能分析 (1)冲击腐蚀 由于不锈钢的强度和表面硬度都高于铜管， 不论是汽侧的高速蒸汽及水滴，还是水侧的泥沙 污垢及入口端流，都不可能对不锈钢管形成冲蚀， 因此，它更能适应于江、河等含砂污垢水质条件， 及排汽温度比较高的循环水供热场合。 (2)氨腐蚀 注：表中数值1～6表示耐腐蚀级别分类，6最好，1 通常氨腐蚀易发生在凝汽器管束中的空气 最差。 冷却区，此区积集了一些非凝结气体，氨气、二氧 化碳、氧等，而铜管对氨的应力腐蚀尤为敏感，而 工艺性能及其维护 不锈钢管对氨并不敏感，因此，化工厂、化肥厂的 自备电厂，使用不锈钢管是再好不过的事情了。 不锈钢波螺焊管是钢带材经卷制、焊接、探 (3)振动和结垢 伤、热处理、压波纹、气密试验等工艺制造而成，焊 汽轮机的高速蒸汽和水滴将是产生凝汽管子 缝金相组织与母材一样，强度等机械性能略好。 振动的大多数来自，涉及到引起振动的原因很多，诸 由于带材厚薄均匀，表面十分光滑平整，其质量确比同 如：凝汽器管子排列设计、管子的支撑和跨度、管子 种材质的冷拨、热轧无缝不锈钢管好。延伸率大 与隔板孔间环形间隙、隔板排列趋势、变工况的速 于35％，并且硬度小，易于胀接。目前国内大型 率等，由流体旋涡脱落，湍流抖振和流体弹性，这些 机组一般都会采用与同种材料管板的胀接+密封焊。 都会引发管子产生振动。不一样的材质的杨氏模量和 凝汽器由于长时间运行而轻微结垢。经过优化 管子壁厚决定管子的刚度和管束对蒸汽激振的敏 感性，而不锈钢管的弹性模量、惯性矩和振动阻尼 清洗即可。 的数值均大于相同外径的铜管和钛管的值，薄壁通 过高的杨氏模量获得补偿，所以一般经计算后，支 撑板的间距可以相对取大一点。也能这样讲，不 当管内水速长期过低，容易形成麻点，故循环水速 锈钢管的抗振性在相同条件下相对要好一点。 一般应大于2m／s；最好是运行在2．3～2．5m／s， 万方数据 168 凝汽器冷却用管——铜管和不锈钢管的性能比较与探讨 既防腐又防垢。长期停运前，应用清洁水冲洗水 机组凝汽器可节约60～100万元材料费用。 室及管子，并打开水室盖板风干两天，以免水滴蒸 发后C1一浓度过高而产生点蚀。 7 结束语 6冷却管选型的经济分析 通过以上分析，不锈钢波螺管由于具有比较强 的抗汽侧带水滴汽流的汽蚀、抗氨腐蚀及具有较 由于不锈钢波螺管是在原光管的基础上，压 强的抗冲刷能力，汽轮发电机组凝汽器冷却管采 制而成内凸外凹的波纹型线，外径与光管外径相 用不锈钢波螺管是可完全替代铜管的，这为我 同，胀管部分留50mm～100mm光管段，换管胀们在凝汽器冷却管的选择上增加了更多的途径， 管与铜管一样方便。以前的老机组凝汽器，由于 也能为电厂带来可观的经济效益。 运行时间长，加上铜管因氨气，泥砂冲蚀等不同程 参考文献： 度上要求改造。如70～80年代出厂的100多台 [1]蔡颐年，王壁玉编著．汽轮机装置(修订本)[M]．西安交通 国产200Mw凝汽器存在的问题就有：(1)运行 大学，1988年． 背压不理想，凝结水过冷度大含氧量高；(2)冷却 [2]中华人民共和国经济贸易委员会编著．中华人民共和国电 管腐蚀破坏严重，堵管频繁泄漏严重；(3)冷却管 力行业手册(火力发电厂凝汽器管材选材导则)[M]．2001年 因振动而断裂等严重影响电厂的正常运行和经济 1月1日． 效益。为此，各大汽轮机厂家提出了各具特色的 [3]齐复东，等编著．电站凝汽设备和冷却系统[M]．水利电力 改造方案，如东汽的方案是：BD模块优化排管+ 出版社，1990年． [4]张卓澄编著．大型电站凝汽器[M]．机械工业出版社，1998 加大面积的不锈钢光管及管板更换(或改造水泵 年． 提高水速2．3～3．5m／s)+弧形水室与防腐措施。 [5]王加璇编著．热力发电厂系统模块设计与运行[M]．中国电力出 凝汽器选用不锈钢波螺管效果非常明显，价格适 版社，1997年10月． 中，并且造价比铜管便宜10％左右，一台300Mw (上接第164页) 流部分优化、汽轮机轴系、本体部分汽缸、隔板、轴 正车调节汽阀阀前蒸汽压力 承座等优化设计，以及汽封、疏水、油系统和控制 (MPa(a))0．08～0．09 系统的改进等。通过以上设计的具体方案、结构特点以 (2)机组振动采用测试仪器为BENTLY公 及改造后运作情况的详细介绍，能够准确的看出此次改 司的TK81便携式测振仪对机组的7个部位进行 造是非常成功的。 振动监测。在整个升速过程，以及3000r／min和机组改造后极大提高了今后大型转子的动平 3600r／min时各瓦瓦振均小于20弘m，振动优良， 衡能力，解决了STC一大生产瓶颈。目前本机组 瓦温正常。 已正式投人使用，工作状况良好，已成功完成了数 (3)汽水及油系统测量数据表明3000r／min 10根大型转子的动平衡任务。 各油温不超过67℃，最高3750r／min各油温不超 过73℃；润滑油压、汽封压力等也均正常；排汽线]中国动力工程学会主编．火力发电设备技术手册(第二卷汽 空为一O．074～一o．089等均在正常范围以内，达 到设计的基本要求。 轮机)[M]．机械工业出版社，1998年12月． [2]张军辉．使用有限元方法实现动平衡机轴承摆架的模态分 析[J]．热力透平，2006，35(2)：113～115． 6 结束语 本次动平衡系统汽轮机的改造最重要的包含：通 万方数据

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