凝汽器冷却水温度和流量对凝结水过冷度影响的研究

第5l卷第3期 2009年6月 汽轮机技术 TURBINETECHNOLOGY V01．5lNo．3 Jan．2009 凝汽器冷却水温度和流量对凝结． 水过冷度影响的研究 李 勇，刘宁宁 (东北电力大学能源与机械工程学院，吉林132012) 摘要：凝结水过冷度对汽轮机运行的经济性和安全性均产生很大影响，但目前还很少有文献进行冷却水温度和流 量对凝结水过冷度影响机理的研究。以某300MW汽轮机所配凝汽器为例，通过定量分析冷却水温度和冷却水流 量对凝汽器汽阻和凝汽器凝结水膜的影响，研究了冷却水温度和流量对凝结水过冷度的影响机理，为运行中减小 和控制凝结水过冷度奠定了理论基础。 关键词：汽轮机：凝汽器；凝结水过冷度 分类号：TK264．1+1文献标识码：A 文章编号：100l-5884(2009)03-0210-04 StudyontheInfluenceofCondenserCoolingWaterTemperatureand F10WRateonCondensateSub—coolingDegree LIYong．UUNing—ning (SchoolofEnergyandMechanicalEngineering，NortheastDianliUniversity，Jilin132012，China) Abstract：Condensatesub—coolingdegreehasgreatimpactsontheeconomyandsecurityofsteamturbineoperation．There 8refewliteraturesabouttheinfluencemechanismofcondensercoolingwatertemperatureandflowrateoncondensatesub- coolingdegree．Inthepaper，thecondenserfora300MWsteamturbineistakenasanexample，bymeansofquantitativea- nalysisontheeffectsofcoolingwatertemperatureandflowrateonsteamresistanceandcondensatelayerincondenser， mechanismofinfluenceofcoolingwatertemperatureandflowrateoncondensatesub—coolingdegreeisstudied．Thetheoret- icalfoundationislaidtoreduceandcontrolcondensatesub-coolingdegreeinoperation． Keywords：steamturbine；condenser；condensatesub·coolingdegree O前言 凝汽器是凝汽式汽轮机的主要辅助设备。凝结水过冷度 的大小是反映凝汽器运行状态的一个重要指标。凝结水的 过冷度越大，说明被冷却水额外带走的热量越多，而这部分 热损失要靠锅炉多燃烧燃料来弥补。从而导致系统热经济性 的降低。而且过冷度越大，凝结水中的含氧量也越多，从而 加速了相关管道、设备的腐蚀速度⋯。对某300MW汽轮机 实际计算结果表明，当凝结水过冷度增加2。C时，汽轮机循环 热效率相对降低0．038％，机组发电 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 煤耗率增加0．309 s／(kW·h)[21。 文献[3]给出了影响凝结水过冷度的正常原因。所谓正 常原因是指蒸汽在凝汽器内凝结时必然存在的，与凝汽器设 计及运行状态是否正常关系不大。这些正常原因包括： (1)凝汽器冷却管外表面蒸汽分压力低于管束之间平均 蒸汽分压力，使蒸汽凝结温度低于管束之间汽流的凝结温度； (2)冷却管外表面的水膜，受冷却管内冷却水冷却，使水 璺的平均温度低于水膜外表面的蒸汽凝结温度。 上述这些产生过冷度的正常原因一般对过冷度的影响 比较小，尤其是对予现代回热式凝汽器，其设计工况下的过 冷度几乎为零。 · 实际运行中，过冷度的产生原因主要是由下列不正常原 因引起的¨J： (1)凝汽器管束布置不合理； (2)漏入凝汽器的空气过多或抽气设备工作不正常，使 空气分压力增大； (3)凝汽器热井水位过高，淹没冷却管，使凝结水被进一 步冷却。 上述这些产生过冷度的原因是由于凝汽器设计不合理 或运行过程中状态失常所造成的，也就是说通过采取一定措 施是可以避免的。 但是。运行中发现H“】，即使在上述产生过冷度不正常 原因不存在的情况下，当冷却水温度较低或冷却水流量较大 时，仍然存在凝结水过冷度增大的现象。而对于这种现象， 目前还很少有文献对其产生机理进行分析和研究。本文从 凝汽器汽阻角度和传热角度对冷却水温和冷却水量对凝结 水过冷度的影响机理进行了分析。 收稿日期：2008—10-01 基金项目：吉林省科技发展 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 项目(20080523)的资助。 作者简介：李勇(1964．)，男，教授，工学博士，从事汽轮机运行性能诊断、优化运行技术研究。 万方数据 第3期 李勇等：凝汽器冷却水温度和流量对凝结水过冷度影响的研究 21l 1冷却水温和流量对凝汽器汽阻和过冷度 的影响 1．1凝汽器汽阻的计算方法分析 凝汽器的汽阻主要由3部分组成：管束进口截面处的阻 力，主管束区阻力和空气冷却区的阻力∞1。由于汽阻与多种 因素有关，目前尚没有一种能被人们普遍接受的计算方法。 这里，采用大部分文献所采用的凝汽器汽阻的估算公式¨1 ，n厂、25 △p。=1．6×10{f兰!丛生l (1)⋯ 、她石， 式中，D。为凝汽器入口蒸汽流量，kg／h；口。为凝汽器入口蒸 汽的比容，n13／kg；L为冷却水管有效长度，nl；d2为凝汽器冷 却水管的外径，mm；rt为冷却水管的总数目。 式(1)估算的凝汽器特别是大型凝汽器的汽阻是偏高 的，应把它看作是最高限值。 由于汽阻的存在，蒸汽在凝结终了时的压力低于进口处 压力，凝汽器压力的降低与蒸汽温度的降低是相对应的，最 终蒸汽在较低的温度下凝结，凝结水的温度与进口饱和蒸汽 温度相比有一个温度差，这就是过冷度。 由式(1)知，对于给定的凝汽器，当蒸汽负荷一定时，凝 汽器汽阻大小取决于蒸汽的比容。 汽轮机运行过程中，冷却水量、冷却水进口温度变化时， 引起凝汽器压力变化，蒸汽的比容随之改变，最终使凝汽器 汽阻随之发生变化，从而引起凝结水过冷度的变化。 1．2冷却水温度对凝结水过冷度影响分析 为了定苣说明冷却水温度对凝汽器汽阻及过冷度的影 响，以某300MW汽轮机所配凝汽器为例，对凝汽器进行了计 算，所得结果如图1、图2和图3所示。 鱼 R 出 稚 j|亡 舞 蒸汽负荷，％ 图1 凝汽器压力与冷却水温度及蒸汽负荷的关系 由图1、图2和图3可以发现，在冷却水流量及凝汽器蒸 汽负荷一定的条件下，随着冷却水温度的降低，凝汽器压力 逐渐降低，使得汽轮机排汽比容增大，引起凝汽器汽阻的增 大，从而引起凝结水过冷度的增大。而且，所对应的凝汽器 蒸汽负荷越大，冷却水温度变化对凝汽器压力、凝汽器汽阻 及凝结水过冷度的影响越明显。 同时，由图1、图2和图3可以发现，在冷却水温度、冷却 水流量一定的条件下，随着凝汽器蒸汽负荷的增大，凝汽器 压力逐渐增大，汽轮机排汽比容逐渐减小。但由式(1)可见， 姜 ～ 囡 虻 椎 虻 爨 蒸汽负荷，％ 图3凝结水过冷度与冷却水温度及蒸汽负荷的关系 凝汽器蒸汽负荷对汽阻的影响程度大于排汽比容对汽阻的 影响，故随着凝汽器蒸汽负荷的增大，凝汽器汽阻增大，引起 过冷度的增大。 1．3冷却水流量对凝结水过冷度影响分析 通过对某1300MW汽轮机所配凝汽器的计算，得到冷却 水流量对凝汽器压力、凝汽器汽阻及凝结水过冷度的影响如 图4、图5和图6所示。 生、 R 出 椎 《 葵 图4凝汽器压力与冷却水流景及蒸汽负荷的关系 由图4、图5和图6同样可以发现，随着冷却水流量的增 大，凝汽器压力逐渐降低，使得汽轮机排汽比容增大，引起凝 汽器汽阻的增大，从而引起凝结水过冷度的增大。 2冷却水温度和流量对凝结液膜及过冷度 影响分析 2．1凝汽器凝结液膜内外温差分析 从传热学角度分析，凝结水过冷度是必然会产生的。因 为在蒸汽凝结过程中，在冷却水管的外表面形成水膜，水膜 万方数据 212 汽轮机技术 第5l卷 重 、 蛊 《 稚 《 嶷 p 越 佥 翅 《 姆 繇 冷却水流量／(x103t／h) 冷却水流量／(x10"eh) 图6凝结水过冷度与冷却水流量及蒸汽负荷的关系 外表面的温度是所处压力下的饱和温度，而水膜内表面处的 温度可视为水管内冷却水的温度，显然它总是要低于所处压 力下的饱和温度。 由凝汽器的热平衡，有 Q=kAAt。 +(2) 而 扛i互蕊1 (3) 觚2毒2毒‘，一￡砬 况 a。=。．023Re08Pr04鲁(4) 将式(3)代入式(2)，并令g=罟，得 亡=了Atm一(a1。Ⅱd2。一+鲁ln百d2)(5)n- q a*Ⅱl z^ a1 又由于q=a。(t，一f。)，故，蒸汽与冷却管表面温度之 差，即凝结水膜内外平均温差为 加叫‘2寺2织一g(百1百d2+百d2ln鲁)(6) 故，水膜的平均温度为 t，=卜芋 一t，一爿蛾一口(亡鲁+去tn鲁)】c7， 上述诸式中，Q为凝汽器热负荷，W；k为总传热系数， w／(m2·℃)；A为凝汽器冷却面积，m2；At。为凝汽器对数 平均温差，oc；a。为冷却水侧对流放热系数，w／(n12·℃)； d。为冷却水管内径，nl；d2为冷却水管外径，m；a。为蒸汽侧 对流放热系数，W／(n12·℃)；A为冷却管导热系数， W／(in·cc)；lit。为冷却水温升，℃；t．为凝汽器中蒸汽温 度，℃；￡。为冷却水入口温度，℃；t以为冷却水出口温度，℃； &为凝汽器端差，℃；Re为冷却水雷诺数；Pr为冷却水普朗 特数；A。为冷却水导热系数，w／(In·℃)；q为凝汽器比热 负荷，w／m2；￡。为凝汽器蒸汽温度，℃；t。为冷却管外表面温 度，℃；“为水膜平均温度，℃。 显然，凝结水膜的平均温度总是要低于蒸汽的凝结温 度，从而导致凝结水温度低于相应凝汽器压力下的饱和水温 度，产生过冷度。 2．2冷却水温度对凝结液膜内外温差影响分析 仍以某300MW汽轮机所配凝汽器为例，对其进行计算， 所得结果如图7、图8和图9所示。 由图7、图8和图9并结合式(6)可以看出，在冷却水流 量及凝汽器蒸汽负荷一定的条件下，随着冷却水温度的降 低，凝汽器水侧对流放热系数减小，对数平均温差因凝汽器 端差的增大而增大，从而使得凝汽器凝结水膜内外平均温差 增大。 同时，由图7、图8和图9并结合式(6)还可以发现，在冷 却水流量及冷却水温度一定的条件下，随着凝汽器蒸汽负荷 的增大，凝汽器水侧对流放热系数增大，对数平均温差增大， 从而使得凝汽器凝结水膜内外平均温差增大。 5 0 点 堇 毒 蒸汽负荷，％ 蒸汽负荷，％ 对数平均温差与冷却水温度及蒸汽负荷关系 万方数据 第3期 李勇等：凝汽器冷却水温度和流量对凝结水过冷度影响的研究 213 p 怠 蒸汽负衙，％ 图9凝结水膜内外温差与冷却水温及蒸汽负荷关系 另外，由式(6)也可以看出，凝汽器水侧对流放热系数的 变化对凝结水膜内外平均温差的影响不大。因此，凝结水膜 内外平均温差大小主要取决于对数平均温差的大小。 2．3冷却水流量对凝结液膜内外温差影响分析 以某300MW汽轮机所配凝汽器为例进行计算，所得结 果如图lO、图1l所示。 由图10、图11并结合式(6)可以看出，在冷却水温度及 凝汽器蒸汽负荷一定的条件下，随着冷却水流量的增大，对 数平均温差减小，从而使得凝汽器凝结水膜内外平均温差减 小。但由图11可见，随着冷却水流量的增大，凝结水膜内外 平均温差的减小值很小，也就是说冷却水流量变化对凝结水 膜内外温差的影响不大。 3结论 (1)汽轮机运行过程中，除了凝汽器管束布置不合理、凝 汽器汽侧积聚空气以及凝汽器热井水位过高淹没冷却管使 过冷度增大外，冷却水温低、冷却水流量大也是造成凝结水 过冷度增大的主要原因。 (2)冷却水温度低时，一方面由于凝汽器真空提高，凝汽 器汽阻增大，使凝结水过冷度增大；另外一方面，凝结水膜内 外温差增大，也使过冷度增大。 (3)冷却水流量大时，虽然会使凝结水膜内外温差略有 减小，使过冷度略微减小，但同时也使凝汽器真空提高，凝汽 器汽阻增大，爆终导致凝结水过冷度增大。 (4)本文通过对冷却水温度和冷却水流量对凝结水过冷 ；,争却水igf／(xltPtth) 图lo对数平均温差与冷却水流量及蒸汽负荷关系 冷却水流置／(×103“h) 图11 凝结水膜内外温差与水量及蒸汽负荷关系 度影响机理的研究，为运行中有效减小凝结水的过冷度奠定 了理论基础。 参考文献 [1]肖国俊，包正强．凝结水过冷度产生的原因及消除对策[J]． 热力透平，2006．35(3)：175—179． [2]崔修强．火电厂凝结水过冷度产生的原因分析及对策[J]．江 西电力，2006，30(1)：26—52． [3]沈士一，等．汽轮机原理[M]．北京：中国电力出版社，1992． [4]B．3．卡别洛维奇著，任曙译．汽轮机设备的运行【M]．北京： 水利电力出版社，1988． [5]张卓澄．大型电站凝汽器[M]．北京：机械工业出版社，1993． [6]齐复东，等．电站凝汽设备和冷却系统[M]．北京：水利电力 出版社。1990． (上接第197页) 的流体必然产生阻滞作用；在密封间隙处，由于轴的高速旋 转而产生一层气膜，这两者的综合阻尼就有效地阻滞了气体 的轴向泄漏。 参考文献 [1]李金波，何立东．蜂窝密封流场旋涡能量耗散的数值研究[J]． 中国电机工程学报，2007，(27)32：67—71． [2]李军。邓清华，丰镇平．蜂窝汽封和迷宫式汽封流动性能比 较的数值研究[J]．中国电机工程学报，2005。(25)16． 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