电站凝汽器改造后性能评价方法研究

程东涛，邹 洋，马汀山，居文平

(西安西热节能技术有限公司，西安 710054)



电站凝汽器改造后性能评价方法研究

程东涛，邹 洋，马汀山，居文平

(西安西热节能技术有限公司，西安 710054)

为弥补传统凝汽器性能评价方法的不足，采用考虑水阻变化的凝汽器性能评价方法，以某电站凝汽器改造方案决策为例，对比分析各改造方案对应的凝汽器改造前后水阻变化量，分析计算凝汽器水阻变化对冷却水体积流量和循环水泵耗功的影响，进而计算其对凝汽器整体性能的影响，最终评价出最优改造方案.结果表明：考虑水阻变化的凝汽器性能评价方法更合理、更具有实际意义，为凝汽器改造方案决策工作和凝汽器改造后性能评价工作提供了更科学的评价依据.

凝汽器； 改造； 水阻； 性能评价

传统凝汽器性能评价方法[1-2]是严格按照凝汽器性能试验规程[3]，把凝汽器性能试验结果修正到设计热负荷、设计冷却水进口温度和设计冷却水质量流量条件下核算凝汽器压力是否达到设计保证值.该方法较适合于新设备考核试验，对于改造设备来说，由于改造后凝汽器水阻可能会发生明显变化，按照传统凝汽器性能评价方法容易忽略凝汽器水阻变化对冷却水质量流量的影响和对凝汽器总体性能[4-5]的影响.凝汽器改造前，在评价多种可选改造方案时，是否考虑凝汽器水阻变化会直接影响最优方案的评定结果.

1 传统凝汽器性能评价方法

凝汽器性能评价指标[6]主要包括在设计边界条件(凝汽器设计热负荷、设计冷却水进口温度和设计冷却水质量流量)下的凝汽器压力、凝汽器传热端差、凝汽器水阻、凝汽器汽阻和凝结水过冷度.其中设计边界条件下的凝汽器压力和凝汽器传热端差是凝汽器传热性能的直接体现，也是最受关注的凝汽器性能指标.

1.1 凝汽器性能计算方法

1.1.1 对数平均温差

(1)

式中：TD为对数平均温差，K；ts为凝汽器压力下的饱和蒸汽温度，℃；t1为冷却水进口温度，℃；t2为冷却水出口温度，℃；Δt为冷却水温升，K；δt为凝汽器传热端差，K.

1.1.2 凝汽器热负荷

(2)

式中：Q为凝汽器热负荷，W；cp为冷却水平均温度下的比定压热容，J/(kg·K)；qV为冷却水体积流量，m3/h；ρ为冷却水密度，kg/m3.

1.1.3 凝汽器总体传热系数KT

(3)

式中：KT为总体传热系数，W/(m2·K)；A为凝汽器冷却面积，m2.

1.1.4 美国传热学会(HEI)标准中总体传热系数KT的计算公式

KT=K0βtβmβC

(4)

(5)

式中：K0为基本传热系数，W/(m2·K)；βt为冷却水进口温度修正系数；βm为冷却管管材和壁厚修正系数；βC为凝汽器清洁系数；c1为冷却管外径系数；v为冷却管管内冷却水平均流速，m/s.

1.2 凝汽器性能修正计算方法

试验工况下凝汽器热负荷、冷却水进口温度、冷却水体积流量等参数与其设计值可能会有偏差，评价凝汽器性能时需修正到设计参数条件下.

1.2.1 总体传热系数修正计算

根据美国传热学会(HEI)标准，考虑冷却水体积流量和冷却水进口温度与设计值的偏差后，总体传热系数(KT)的修正计算公式为

KD=KT×Fv×Ft

(6)

(7)

(8)

式中：KD为修正后的总体传热系数，W/(m2·K)；Fv为流量修正系数；vD为设计冷却水平均流速，m/s；vT为试验冷却水平均流速，m/s；βt,D为设计冷却水进口温度修正系数；βt,T为试验冷却水进口温度修正系数；Ft为水温修正系数.

1.2.2 凝汽器压力的修正

式中：tsc为凝汽器压力对应的饱和温度修正值，℃；t1D为设计冷却水进口温度，℃；Δtc为修正至设计冷却水进口温度和体积流量时的冷却水温升，K；δtc为修正至设计冷却水进口温度和体积流量时的凝汽器传热端差，K；qV，D为设计冷却水体积流量，kg/s；cp，c为修正至设计参数条件下的冷却水比定压热容，J/(kg·K)；x为修正总体传热系数后的对数平均温差系数.

计算得到tsc后，即可从水蒸气热力性质表中直接查得凝汽器修正压力.

2 凝汽器性能评价存在的问题

近年来，越来越多的机组进行或计划进行凝汽器改造，主要是把铜管凝汽器改造为不锈钢管[7]凝汽器，改造前后凝汽器设计热负荷、冷却水进口温度和冷却水体积流量等边界条件往往保持不变.在进行凝汽器性能评价时，一般重点关注凝汽器的传热性能参数，往往忽略凝汽器水阻偏差或水阻变化对凝汽器总体性能的影响.

对于实际改造工程来说，改造后凝汽器冷却管数量、长度和管径等参数都可能发生变化，会导致凝汽器水阻发生变化，进而影响凝汽器冷却水体积流量的变化，但在进行改造后凝汽器性能考核试验或改造前后凝汽器性能对比时，均把凝汽器性能修正至同样边界条件(设计热负荷、冷却水进口温度、冷却水体积流量)下，往往忽略了改造后凝汽器水阻变化对凝汽器总体性能的影响.尽管改造后凝汽器性能指标中也有凝汽器水阻这一项，但一般以小于某一限值为考核方法，不考虑水阻变化导致冷却水体积流量变化进而对凝汽器总体性能的影响，有时甚至不直接对凝汽器水阻进行考核，这样容易造成在评价凝汽器改造效果时存在偏差.

在评价凝汽器改造方案时，如果忽略凝汽器水阻变化的影响，会直接影响最优方案的选择，进而影响改造工程的总体质量.

3 考虑水阻变化的凝汽器性能评价方法

在评价凝汽器改造方案或评价改造后凝汽器性能时，均应考虑凝汽器水阻变化对凝汽器总体性能的影响.凝汽器水阻变化会直接影响凝汽器冷却水体积流量和循环水泵耗功变化，循环水泵耗功变化相对较小且较直观，凝汽器冷却水体积流量的变化可通过修正边界条件(即修正至设计冷却水体积流量下)体现其对凝汽器总体性能的影响.在凝汽器设计热负荷、冷却水进口温度不变的基础上，如果改造后凝汽器水阻增大，凝汽器冷却水体积流量会相对减小，则改造后凝汽器设计冷却水体积流量应减去水阻增大导致的冷却水体积流量减小量；如果改造后凝汽器水阻减小，凝汽器冷却水体积流量会相对增大，则改造后凝汽器设计冷却水体积流量应加上水阻减小导致的冷却水体积流量增加量.

凝汽器水阻主要由凝汽器冷却管沿程阻力、冷却管端部阻力、水室进口阻力和水室出口阻力组成.凝汽器水阻大小与凝汽器冷却管长度、冷却水流速和冷却管内径直接相关，美国传热学会(HEI)标准中有较详细的计算方法.

凝汽器改造前评价凝汽器改造方案时，可参考以下修正计算公式计算不同改造方案对应的凝汽器水阻.

(11)

式中：ΔPT、ΔPD分别为改造前、后凝汽器水阻，kPa；LT、LD分别为改造前、后凝汽器冷却管实际长度，m；vT、vD分别为改造前、后凝汽器冷却管内冷却水平均流速，m/s；dT、dD分别为改造前、后凝汽器冷却管内径，mm.

式(11)中vD的大小应考虑冷却水体积流量和水阻变化的相互影响，实际计算中可通过迭代计算的方法得出.

以上关于凝汽器水阻的修正计算公式是一种简化分析方法，凝汽器改造前分析改造方案时可参考使用，在凝汽器实施改造后评价凝汽器性能时，应根据实测凝汽器水阻与改造前凝汽器水阻的偏差直接计算凝汽器水阻变化对凝汽器整体性能的影响.

凝汽器水阻变化对凝汽器冷却水体积流量的影响可根据循环水泵性能曲线得出，循环水泵性能曲线可根据循环水泵性能试验结果绘制或参考循环水泵设计性能曲线.

4 实例分析

4.1 原凝汽器设计技术规范

某300 MW汽轮机凝汽器为N-17990型单背压、单壳体、双流程、表面式凝汽器.凝汽器设计技术规范见表1.

表1 凝汽器设计技术规范Tab.1 Design parameters of the condenser

4.2 凝汽器改造方案

该机组已投运约20年，凝汽器冷却管存在脏污和泄漏问题，凝汽器传热性能较设计值偏差较多，拟对凝汽器进行整体改造，将凝汽器冷却管由铜管更换为不锈钢管，并对布管方式进行优化设计，改造后凝汽器总体性能要达到改造前凝汽器设计性能.

针对改造要求，不同凝汽器改造厂家制定了3种可选改造方案，其具体规范见表2.

4.3 凝汽器改造方案评价

以各改造方案给出的凝汽器设备规范和边界条件为基础，按照传统凝汽器性能评价方法核算凝汽器传热性能,结果见表3.

由表3可以看出，按照传统凝汽器性能评价方法，将凝汽器传热性能(即凝汽器压力)均修正到统一边界条件(即设计热负荷、设计冷却水进口温度和设计冷却水体积流量)下，边界条件一般与改造前保持一致，核算出改造方案一和改造方案三对应的凝汽器压力基本一致，改造方案二的凝汽器压力相对较高.

然而传统凝汽器性能评价方法忽略了改造后凝汽器水阻变化对冷却水体积流量的影响.对于已进行过改造的凝汽器，改造后凝汽器水阻的变化可根据改造前、后凝汽器水阻实测值计算得出；对于尚未进行改造的凝汽器，可根据改造前、后凝汽器冷却管通流面积、冷却管长度和冷却管内径等参数核算凝汽器水阻的变化量.凝汽器水阻变化时冷却水体积流量的变化量可根据循环水泵性能曲线查得.

表2 改造方案对应的设备规范Tab.2 Technical parameters adopted in various retrofit schemes

该机组配备2台72LKXA-26B型立式斜流循环水泵，根据循环水泵已有性能试验结果[8]，循环水泵体积流量-扬程曲线见图1.

考虑改造后凝汽器水阻变化对冷却水体积流量的影响，重新核算凝汽器整体性能，结果见表4. 由表4可以看出，相比改造前凝汽器水阻设计值，改造后3种方案对应的凝汽器水阻分别增加14.7 kPa、3.4 kPa和10.5 kPa，影响凝汽器冷却水体积流量

表3 凝汽器传热性能核算结果Tab.3 Calculation results of heat transfer performance of the condenser

图1 循环水泵体积流量-扬程曲线Fig.1 Flow-head curve of the circulating water pump

由设计值(33 800 m3/h)分别变为31 052 m3/h、33 178 m3/h和31 847 m3/h.考虑凝汽器冷却水体积流量变化后，在新的边界条件下3种方案对应的凝汽器压力分别为5.075 kPa、4.959 kPa和4.999 kPa，方案二相对优于方案一和方案三.

在凝汽器改造前评价改造方案优劣时，凝汽器水阻变化对凝汽器整体传热性能的影响会直接影响评价结果.同样，对改造后凝汽器进行性能试验时，是否考虑凝汽器水阻变化对凝汽器整体传热性能的影响也将影响性能试验结果.凝汽器水阻变化直接影响的是凝汽器冷却水体积流量，其影响关系还与循环水泵体积流量-扬程曲线有关，对于循环水泵体积流量-扬程曲线较平缓的设备来说，较小的水阻变化会引起相对大的冷却水体积流量变化，在进行凝汽器性能评价时更应该重视凝汽器水阻变化的影响.

表4 考虑凝汽器水阻影响的凝汽器整体性能核算结果Tab.4 Calculation results of overall condenser performance considering water resistance

5 结 论

(1)凝汽器改造前后水阻变化直接影响凝汽器冷却水体积流量和循环水泵耗功变化，进而影响凝汽器整体性能.

(2)利用考虑水阻变化的凝汽器性能评价方法可分析凝汽器水阻变化对凝汽器整体性能的影响，得出的凝汽器性能评价结果更合理、更客观.

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MA Tingshan，CHENG Dongtao，XU Pengjiang，etal． Diagnostic analysis on insufficient output of circulating water pumps for a 300 MW unit[J]． Electric Power，2015，48(1)：37-39．

Performance Evaluation of Power Plant Condensers After Retrofit

CHENGDongtao,ZOUYang,MATingshan,JUWenping

(Xi'an TPRI Energy Conservation Technology Co., Ltd., Xi'an 710054, China)

To overcome the deficiency of traditional performance evaluation method for power plant condensers, a new method was proposed considering the water resistance. Based on the retrofit schemes for a certain power plant condenser, comparative analysis was conducted on the variation of water resistance before and after retrofit among various schemes, while the effects of water resistance variation were studied on the cooling water flow, circulating pump's power consumption, and then on the overall performance of the condenser, so as to find out the optimum retrofit scheme. Results show that the performance evaluation method for condensers considering water resistance is more reasonable and practicable, which therefore may serve as a reference for the decision of optimal retrofit scheme and for the follow up performance evaluation of condensers.

condenser; retrofit; water resistance; performance evaluation

2015-12-15

2016-01-17

中国华能集团公司科学技术资助项目(HNKJ12-H02，HNKJ15-H09)

程东涛(1985-)，男，河南许昌人，工程师，硕士研究生，主要从事汽轮机热力系统、冷端系统及其他辅机的性能诊断、优化、节能以及火电厂水平衡试验和节水方面的研究.电话(Tel．)：13572122695；E-mail：chengdongtao@tpri.com.cn．

1674-7607(2016)11-0889-05

TK264.1

A 学科分类号：470.30