凝汽器传热端差的计算与分析

凝汽器传热端差的计算与分析

周兰欣1,林　湖1,胡学武2,郭锦鹏1,张淑侠1

(1.华北电力大学动力系,河北　保定　071003;2.大港电厂,天津　300000)

摘　要:对凝汽器传热端差的各个主要影响因素及它们之间的关系进行了分析,解释了有关表达式及相关概念难以理解的问题,利用不同容量级机组的有关参数进行计算,并联系工程实际,进一步验证分析方法及结果的正确性。该结果不仅适用于凝汽器端差的分析,对于其它换热器的传热端差计算同样具有实用意义。关键词:凝汽器;端差;计算;分析

中图分类号:T K 264 文献标识码:B 文章编号:1001-9529(2003)11-0016-03

Calculation and analysis of heat transfer end difference for steam condenser

ZH OU L an -x in 1,L I N H u 1,H U X ue -w u 2,GU O J in -p eng 1,ZH A N G S hu -x ia 1

(1.Dept.of P ow er Eng ineering ,N o rth China Elect ric P ow er U niv.,Baoding 071003,China;

2.T ianjing Dag ang P ow er Plant ,T ianjing 300000,China )

Abstract :T he main fa cto r s a ffecting the heat transfer end differ ence o f a co ndenser w ere ana ly zed as w ell as the r elat ions amo ng them.Some r elat ed ex pr essions and co ncepts which are difficulty to under stand w ere ex -plained.Calculatio ns w er e co nducted using relevant par ameters o f unit s w it h differ ent capacity t o furt her pro ve the cor rectness of the analyzing method and the r esult using actual engineer ing data.T he result is no t only suita ble fo r analy zing the heat tr ansfer end difference of the condenser ,but also suitable to other heat ex chang ers.

Key words :co ndenser ;heat tr ansfer end differ ence,ca lculat ion;ana ly sis

在火电厂中,凝汽器的作用之一是在汽轮机排汽口造成一定的真空,使机组排汽尽可能膨胀做功,减少冷源损失[1]

。因此凝汽器工况是设计和运行时需要考虑的问题。影响凝汽器真空的因素很多,其中传热端差是衡量凝汽器换热性能的重要参数。

1　凝汽器真空的确定[2]

凝汽器压力的确定方法,首先确定凝汽器中主凝结区的温度,再由该温度得出对应的饱和蒸汽压力即为凝汽器的压力。若凝汽器冷却水入口温度为t w 1,出口温度为t w 2,凝汽器的传热端差为D t ,则主凝结区的温度为:

t c =t w 1+$t +D t

(1)

由式(1)从水蒸汽热力性质表查出t c 对应的

饱和压力。各温度值的关系如图1所示。

2　分析凝汽器传热端差的意义

由式(1)可知,凝汽器内排汽压力所对应的饱和温度由冷却水入口温度、冷却水温升、凝汽器传

热端差所决定。其中,冷却水入口温度t W 1是与冷

图1　凝汽器中蒸汽和冷却水温度沿冷却表面的分布

却水的循环方式、电厂的地理位置、季节气候等因素有关的量,在同一时间同一地点该量基本不变,反映不出凝汽器性能的优劣;冷却水温升[3]:

$t =

D c (h s -h c )c w D w =h s -h c c w D w D c

=

$h

c w m

(2)

式中　D C ——汽轮机排汽量;

h s ——排汽比焓;

h c ——凝汽器中凝结水比焓;c w ——冷却水的比热;D w ——冷却水流量;

$h ——蒸汽在凝汽器内凝结时的比焓降;

m ——循环倍率。通常在设计阶段m 就已经确定,

也反映不出凝汽器的性能。

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2003年第11期

端差则反映凝汽器传热性能、真空严密性和冷却水系统的工作状态况等[4],所以,在凝汽设备运行监测中,传热端差是一个非常重要的参数。

在设计阶段,因为减小端差可以提高凝汽器的真空,但要以增大冷却面积和增加冷却水量为代价,所以其值不宜太小。现代大型凝器在设计负荷下所能达到的最小传热端差为1～5℃,一般常在3～10℃之间选取,对多流程凝汽器可取偏小的值,对单流程可取5℃。

3　凝汽器传热端差的计算分析[5]

根据热力学理论,凝汽器作为一种换热器,不考虑与外界大气之间的换热,其热平衡方程为

Q =D c (h s -h c )=K $t m A =D w c w $t

(3)式中　Q ——凝汽器热负荷;

K ——总换热系数;

$t m ——传热学中换热器热力学计算通常使用的对

数平均温差;

A ——凝汽器总换热面积;D w ——冷却水量;

c w ——冷却水比热容。

$t m =

$t ln $t +D t D t =$t

ln 1+

$t D t

(4)由式(3)、式(4)可得凝汽器传热端差

D t =

$t e AK

c w D

w -1

(5)通常情况下A 、c w 变化很小,由式(5)可知:传热端差D t 与冷却水量D w 成正比,当D w 增加时,D t 增大;同时,冷却水量增加,加强了冷却管内表面的对流换热,凝汽器的总体换热系数K 增大,K 与端差D t 成反比;另外,冷却水量增大,冷却水温升减小,由冷却水温升与传热端差成正比可知端差也要减小。也就是说,冷却水量增加导致了这样一个结果:既使得传热端差增大又使其变小。那么最终结果究竟是使得传热端差增大还是减小呢?很久以来,不管是在工程分析还是在教学研究中,该问题经常容易被混淆、误解,但又必须澄清,下面研究D w 、$t 及K 对D t 的影响速率。

式(5)两边由D t 对$t 求偏导数

5(D t )5($t )=1e AK

c w D w -1

(6)

由D t 对D w 求偏导数

由D t 对K 求偏导数

5(D t )5K =-A c w D w

D te AK

c w D

w 1e A K

c w D w -1

(8)

通常冷却水量D w 的值要大于凝汽器总换热

系数K 的值,则K

D

w <1,比较式(7)和式(8),在数

值上5(D t )5K

是一个负数,为便于对上面3个式子

进行分析,比较传热端差对$t 、D w 和K 的变化速率,对其添上负号有

-5(D t )5K >5(D t )

5D w

(9)

在式(8)中,D t 在5℃左右,由工程实际可知,要式(5)有意义必须有e AK

c w D w 只是稍大于2,结

合工程实际中D w 、c w 、A 和K 的值可知1

e AK

c w D w -1

的系数小于1,则在数值上有

5(D t )5($t )>-5(D t )

5K

(10)

由式(9)、式(10)可知在数值上有:

5(D t )

5($t )>

-5(D t )5K >5(D t )5D w

(11)

其物理意义:凝汽器冷却水温升$t 变化及凝汽器总的换热系数K 变化对凝汽器传热端差D t 的影响要比冷却水量D w 变化和对端差D t 的影响要快。冷却水量增加使得传热端差增大,同时使得冷却水温升下降而导致传热端差减小,由于冷却水温升下降使传热端差变小的速率要比冷却水量增大使得端差增大的速率要大,且冷却水量增大使得凝汽器总的换热系数增大而使传热端差减小(减小的速率要大于因冷却水量增加而增大的传热端差的速率),也就是说冷却水量增大最终使得凝汽器的传热端差减小。

通过实例可验证上述的分析。在正常运行中冷却水温升$t 一般要大于传热端差D t (这可由凝汽器变工况试验结果得到验证,通常0<$t <15℃,0

・℃),冷却面积A =12907m 2

。对应于式(7)、式(8),1/(e AK

c w D w -1)项的系数分别为:

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