电站凝汽器节能改造

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一、提高凝汽器工作性能的意义
我国600MW以下热力发电机组与工业发达国家同 类机组相比，普遍存在真空度偏低、凝结水过冷度偏 大、热耗率偏高等现象，这不仅降低了发电机组运行 的经济性和出力，还会影响到机组运行的安全可靠性。 比如国产引进型300MW发电机组真空度普遍在 91%~94%之间，比设计值低3~6个百分点，使机组供电 煤耗增加8.16g/(kWh)；至于容量较小的热力发电机组， 其真空度就更差。统计数据表明，热力发电机组的真 空度每降低1%，热耗约增加0.5%~1%。
3.2 凝汽器管束区汽流参数获取方法

试验研究 水模拟：缺点是不准确（其实只能用水阻模拟汽阻， 但不能反映空气聚集问题，而这才是关键！）； 全尺寸试验：缺点是事后，费时、费钱，由于布置 测点有限而不一定能发现问题，至少应当与数值计 算相结合才更为有效。 数值模拟 模拟能力强（能够模拟各种工况），数据完整； 经济性好； 周期短。 自主开发凝汽器热力性能数值仿真（ PPOC）软件包， 由前处理（划分计算网格、计算物性参数）、数值计 算（求解非线性方程组）以及后处理（将海量的计算 数据用图线显示）模块组成。 12
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图3.3 壳侧汽相速度矢量 (m/s)
图3.6 管束区传热系数分布 (W/m2· ℃)
图3.7 管束区热负荷分布 (kW/m2)
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表3.1 错排管束膜状凝结实验数据和数值计算结果
工况数据 进口温度1，℃ 进口压力2，Pa 进口速度1，m/s 汽 出口温度，℃ 侧 出口压力2，Pa 汽阻，Pa 凝结量，g/s 散热量，kW 进口温度1，℃ 速度1，m/s 水 侧 出口温度，℃ 吸热量，kW 散热量/吸热量
电站凝汽器节能改造
上海交通大学 上海埃易能源科技有限公司 ieshanghai_2012@ Tel: 021-64052150
提
纲
一．提高凝汽器工作性能的意义 二．现有凝汽器工程设计方法缺陷 三．凝汽器内流场与传热的数值仿真方法 四．凝汽器的节能改造 1. 管束结构缺陷及改造 ① 整体管系置换（大改） ② 管束内局部导流改造（小改） 2. 喉部导流改造 3. 冷却水流径改造 4. 双压凝汽器改造（另文） 5. 废热利用改造 五．建议
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当前电站凝汽器存在的问题与现有技改方法
发电机组真空度不达标，除了真空严密性差、冷却管
清洁度低、抽真空系统不正常、热负荷偏大、冷却管 破损、凝汽器满水等常规原因外，凝汽器设计技术落 后是导致热力性能较差的一个重要原因。对于前几种 常规情况，电厂可以自行解决；而对于凝汽器结构缺 陷，则发电厂只能请凝汽器改造厂商进行凝汽器管束 整体置换（即在保留凝汽器外壳、保持外部连接和支 承不变的情况下，整体置换凝汽器管束与相应的管隔 板）。现代电厂凝汽器价格昂贵，整体置换的成本很 高，比如更换一台300MW机组的电站凝汽器，其价格 约千万元人民币。即便如此，改造后的凝汽器乃至新 型凝汽器可能仍有提高真空度的余地。 5
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三、凝汽器内流场与传热的数值仿真方法
3.1 凝汽器中壳侧实际物理过程
多维性流动；
多相同时伴有相变（气、液相共存并有蒸汽凝结）； 多组分工质（水和蒸汽、不凝结气体）； 空间内各区域性质不同（钢板、汽流、热井）。
实际上凝汽器中的物理现象远比汽轮机中的复杂！
因此，要设计出热力性能优良的凝汽器，就 必须有办法获知凝汽器中各点的传热系数、 热负荷、壳侧流场、空气相对含量、温度 等参数的分布，并据以分析凝汽器中管束 结构、抽气口位置和蒸汽通道布置的合理 11 性。
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四、凝汽器节能改造
4.1 管束结构缺陷及改造
1. 单个管束本身有缺陷： ① 山字形管束，管束厚薄不当。 ② 岛状管束，流场偏离预想。 ③ 蛇形带状管束，没有在管束底部布置主蒸汽通道 回热凝结水，小机组中居多。 ④ Foster Wheeler管束，存在严重的空气聚集，上海 辅机厂引进； ⑤ 管束内部没有独立隔开的空冷区（平衡降流式）； ⑥ 另有管束抽气口位置不合理。 2. 在凝汽器壳体内布置有缺陷的： ① 在一个壳体中布置单个管束，汽阻大。如东方 200MW三壳体凝汽器以及众多小型工业凝汽器。 36
工况12 实验值 计算值 26.22 26.22 3407.7 3407.7 16.88 16.88 26.01 25.81 3366 3334.7 42 73.0 4.587 4.587 11.189 11.186 7.7 7.7 0.634 0.634 11.36 11.00 12.406 11.186 0.902 1 工况14 实验值 计算值 31.90 31.90 4732 4732.4 27.26 27.26 31.22 31.00 4553 4499.1 179 233.3 10.10 9.28 24.496 22.499 8.01 8.01 1.186 1.186 11.91 11.56 24.727 22.499 0.991 1
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①
凝汽器大改案例1：卵形管束
三壳体单背压双流 程，每个壳体中单 管束。共 5块支承 隔板，支承隔板间 距约1400 mm，水 室为矩形。
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存在的主要问题：
有明显的空气聚集现象，冷却管外侧存在氨腐蚀。 同时，由于循环水质恶劣，水中泥沙含量大，氧离子 含量高，冷却管严重腐蚀，造成堵管频繁，并有管子 断裂现象。 真空较差，凝汽器性能甚至不能满足正常生产及 机组满负荷运行需要。
自1993年始，历经17 年的研究成果。
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商业计算软件
全三维商业软件：FLUENT, PHOENIX, CFX（自编接 口软件，供专业人员使用）
• 小知识：商业软件实际上是提供一个空间造型方法、划分网格、 求解非线性方程组、数据处理功能的软件平台。包括边界条件、 初始条件、各种经验计算关系式和工质物性计算程序在内还是要 人工编程，因此并不具有通用性。
以可以准确地预测管束区的空气聚集点和高速点。 经优化后，可以确保在凝汽器管束内不出现明显 的空气聚集区，在可能出现的高速点采取预防汽 流激振的措施。 对于多管束凝汽器，经优化后可以确保凝汽器的 汽阻在0.2kPa以下，凝结水过冷度小于0.5℃。
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3.4 PPOC软件的应用
该软件包的不同版本已先后提供东汽、上汽、北重、 南汽、703所、上海电站辅机厂、哈汽辅机、东方电气 河南辅机等单位使用。 涉及的管束类型有：传统卵形管束、B-D管束、蛇形 带状管束、平衡降流式管束、掌形管束、岛状管束、 教堂窗管束、将军帽管束、山字型管束、 Foster Wheeler管束等国内外所有主流管束。
凝汽器管束缺陷
2. 在凝汽器壳体内布置有缺陷的： ① ② 单个管束由上、下两部分组合而成，但下部或上部 的管束不理想。如自阿尔斯通引进的200MW双流程 凝汽器。 ③ 凝汽器壳体内布置多个相似的管束。单个管束由上、 下两部分组合而成，但在垂直于来流方向的两管束 之间的主蒸汽通道中没有设置挡汽板。如广泛应用 于300MW和600MW的平衡降流式管束。
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凝汽器管束改造方法
如上所述，许多机组的真空度差，是因为较差的机组进 行调研，筛选出有明显管束设计缺陷的凝汽器。 通过对现有凝汽器热力性能的数值仿真，得到其内 部的流场、温度、传热系数、热负荷、空气浓度等 参数的分布，经分析确定管束布置缺陷，然后对症 下药地提出改造措施： 对于一部分凝汽器，可以通过在凝汽器管束区 设置导流板、重置抽气口等小改措施，可以明显 改善凝汽器热力性能； 对于另一部分凝汽器，在确定无法通过小改措 施来大幅提升热力性能后，则采取管束整体置换 的大改办法。
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管束布置是凝汽器设计的关键。从理论上讲， 凝汽器热力性能的好坏主要取决于冷热流体在其内 部的流动和换热情况，特别是由乏汽和漏入空气组 成的汽气混合物在凝汽器壳侧的凝结换热特性。要 保证凝汽器达到热负荷高、汽阻小、凝结水过冷度 低等要求，冷却管束的布置就必须适应壳侧汽气混 合物凝结换热规律。如果凝汽器的壳侧汽相流场不 合理，就会引起局部空气的聚集，导致凝汽器中有 限的冷却面积不能得到充分利用，从而令凝汽器的 热力性能恶化，汽轮机组真空降低。
PPOC软件包功能和用途
功能：可直接用来预测凝汽器壳侧汽相流场与传热
图像，得到壳侧汽相的速度、压力、温度、空气质 量百分比浓度、管束区传热系数和热负荷以及管侧 冷却水温度等热力参数的分布。
用途：既可用于新型凝汽器的排管优化设计，也可
用于对现役凝汽器的技术改造。
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3.3 软件验证算例
3.3.1 验证算例1
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改造方案探讨一：不改凝汽器管束结构，只改蒸汽通道尺寸和凝汽 器尺寸，可在设计时进行。
(I) 将凝汽器管束上侧的入口段长度加长300mm； (II) 将凝汽器管束左右两侧的蒸汽通道均加宽200mm； (III) 采取联合措施，在将管束左右两侧的蒸汽通道各加宽200mm的同时， 将管束顶部的蒸汽通道加长300mm，底部的蒸汽通道加宽200mm。 项 目 蒸汽进口速度（m/s） 蒸汽通道最大速度（m/s） 抽气口空气浓度(%) 壳侧汽阻（Pa） 原设计 方案一 43.1 102.8 62.2 492 43.1 90.2 64.8 204 方案二 36.9 82.8 63.5 344 方案三 36.9 72.4 65.3 139
凝汽器设计的核心技术是管束布置！
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设计方法的根本缺陷：
HEI规范在估算凝汽器整体传热系数时虽然考 虑了冷却水速度、冷却水进口初温、冷却管规格和 清洁系数等少数因素，但没有考虑管束型式、蒸汽 通道位置与尺寸、凝结水溢流、汽阻、蒸汽负荷、 不凝结性气体含量、抽气口位置以及凝汽器喉部出 口流场等大多数因素的影响，因此传热系数计算公 式在凝汽器设计过程中难免会出现较大的误差。 据美国 EPI 统计，现有电站凝汽器的总体传热 系数的设计估算值与已发表的试验值之间存在着较 大的差别。
Warning：
目前自编的“凝汽器热力性能数值仿真软件”
具有自主知识产权，国内来源都是由交通大 学课题组负责开发的，只提供给国内的一些 合作单位使用权。 无论是用商业软件，还是使用我方提供给相 关用户的不同版本软件，目前计算得相对比 较准确的只独此一家——属于国内凝汽器热 力性能数值仿真的开创者！
3.3.3 算例3
卵形管束（返回）
空气聚集点
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卵形管束
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卵形管束
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卵形管束
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热负荷/传热系数试验 结果（相对值）
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3.3.4 算例4 蛇形带状管束（返回）
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热负荷试验结 果（相对值）
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3.3.4 算例5
教堂床管束
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由于采用了正确的管束分布阻力和热阻模型，所
二、现有凝汽器工程设计方法缺陷 (HEI)
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然后根据经验或已有管束进行管 束排列设计，强度校核。
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某600MW机组铜管凝汽器装配好 后无水时的重量达1120吨，其 中冷却管材就重约400多吨。凝 对这么大的一台凝汽 汽器冷却管长13m，管子总根数 器，采用HEI规范设计 28300根，冷却面积约36000m2，太简单了！ 每个凝汽器的外壳尺寸约为 18m×18m×14m。
注：上标1－已知数据；上标2－饱和压力，其它数据为实验值或计算值。
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3.3.2 验证算例2
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试验结果（管束区）
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数值模拟结果
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壳侧汽相压降分布 (Pa) 可见：此处极低压区（10区）与空气聚集点（9区）不是同一位置！说明空 气聚集和壳侧汽阻是两个独立的问题！因此，水模拟试验不一定能正确反映 20 空气聚集点。
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当前凝汽器热力性能数值仿真存在的问题
目前有许多单位用商业软件CFX、PHOENIX、FLUENT 对凝汽器的流场和热负荷进行数值计算，但普遍存在以 下重大问题： 对凝汽器管束进行优化的目标按顺序依次是：减轻空气 聚集程度、减小汽阻、避免局部汽流速度过高。但从国 内期刊发表的凝汽器流场数值模拟文章看，相关人员还 根本没有此认识。 基本没有对数值计算方法和结果经过严肃的考核！只有 极个别人员进行过简单的“考核”，但考核的方法不对、 算例不够（只一个）；比如：仅仅将测试点的传热系数， 或热负荷，或总汽阻，或总的凝结率与实际数据相比较， 就认为考核通过了！其实应当按照上述优化目标针对不 同的管束类型进行多算例的验证，其中尤其应包含流场 不合理、不对称、存在较严重空气聚集的管束。鉴此， 国内众多期刊上发表的商业软件计算结果基本没有实际 34 价值，甚至会起到误导作用。