某轴向排汽式凝汽器压力的影响因素分析

强永平 张莉 朱勇军

（1.上海漕泾热电有限责任公司， 上海， 201507； 2.上海电力大学 上海热交换系统节能工程技术研究中心， 上海， 200090）

凝汽器压力是反映汽轮机冷端系统经济运行的综合指标， 往往也作为评价发电机组经济性的一级指标， 在蒸汽发电循环中有着举足轻重的作用， 凝汽器压力低则蒸汽发电循环经济性好[1-3]。但是， 目前较多蒸汽发电机组普遍存在凝汽器压力偏高的现象， 影响了发电机组经济性。 因此， 运行人员一直希望了解各因素[4-8]对凝汽器压力影响的程度， 尤其是与运行有关的因素， 以便在可调节的运行范围内尽可能地达到降低凝汽器运行压力的目的。

本文以某燃气-蒸汽联合循环机组的轴向排汽式凝汽器为研究对象， 基于其性能测试数据， 对影响凝汽器压力的因素进行分析， 获知影响凝汽器压力的主要因素， 为运行人员优化运行降低凝汽器压力提供指导， 同时也为相关人员熟悉凝汽器性能影响因素提供有益的参考。

1 研究对象简介

1.1 凝汽器设计参数

本文的研究对象为某燃气-蒸汽联合循环机组的轴向排汽式凝汽器， 该联合循环机组为热电机组， 主要为工业园区抽汽供热。表1 给出了该凝汽器设计工况（即100%供汽工况）下的相关参数。

表1 某轴向进汽凝汽器的设计参数

1.2 凝汽器性能测试数据

对上述凝汽器进行了性能测试， 测试数据见表2。 从表中蒸汽负荷的数据来看， 测试工况下的蒸汽负荷远比设计值大， 超过了设计工况负荷的2倍； 凝汽器的循环水流量低于凝汽器的设计工况，仅为设计工况水流量的71%； 冷却水进口温度偏离凝汽器冷却水进口温度设计值较远。 与此同时，冷却管的清洁系数也可能与设计工况下的0.9 不同。 正是因为上述多个影响因素均偏离了设计值，导致凝汽器压力也远离了设计值。

表2 某轴向进汽凝汽器性能测试数据

2 凝汽器压力修正计算的相关公式

2.1 凝汽器测试时的热负荷

凝汽器的热负荷由循环冷却水的吸热量由计算而得， 见式（1）。

式中：Q为凝汽器热负荷， W；cp为冷却水平均温度下的比热， J/（kg·K）；m为冷却水流量， kg/s；Δt为冷却水温升， ℃。

2.2 凝汽器端差

凝汽器端差是指凝汽器内蒸汽的饱和温度与冷却水出口温度的温差。 根据传热学知识， 凝汽器端差与冷却水的温升存在的关系见式（2～3）[9]。

式中：δt为凝汽器端差， ℃；A为凝汽器换热面积， m2；k为凝汽器传热系数， W/（m2·℃）。

2.3 对数平均温差

根据传热学[10]知识， 凝汽器内蒸汽与冷却水之间传热的对数平均温差的计算见式（4）。

式中：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， ℃；LMTD为对数平均温差， ℃。

2.4 测试工况下传热系数的计算式

根据传热学知识， 测试工况下凝汽器内蒸汽与冷却水之间传热的传热系数的计算见式（5）。

式中：kT为测试工况下的总传热系数， W/（m2·℃）。

2.5 HEI 标准中传热系数的计算式

凝汽器的HEI 标准[11]中给出了在一定冷却水流速、 冷却水进口水温以及冷却管规格条件下的凝汽器传热系数计算见式（6）。

式中：k0为基本传热系数， W/（m2·K）， 根据冷却水设计流速查取；βt为冷却水进口温度修正系数，根据冷却水进口温度查取；βm为冷却管管材和壁厚修正系数， 根据管材和壁厚查取；βc为凝汽器清洁系数， 根据管材选取， 取值为1 时表示冷却管绝对清洁。

2.6 清洁系数的计算

凝汽器现场测试所得的传热系数与由凝汽器HEI 标准计算出的冷却管绝对清洁时的传热热系数之比即为凝汽器冷却水管的清洁系数， 计算见式（7）。

式中：kclear为冷却管绝对清洁时的传热系数， W/（m2·℃）；βcT为凝汽器试验清洁系数。

2.7 凝汽器传热系数的修正

因为凝汽器的测试工况不是设计工况， 为了分析影响因素对凝汽器运行压力的影响， 需要将测试工况下凝汽器压力的试验值进行修正。 其中，首先需要对凝汽器传热系数进行修正， 修正包括来自冷却水流速的修正、 冷却水进口温度的修正、清洁系数的修正等方面。

根据美国传热学会的HEI 标准， 当冷却水流量、 冷却水进口温度、 清洁系数偏离设计工况时，对试验所得的传热系数kT的修正系数见式（8～10）。

式中：Fν为冷却水流速修正系数；Ft为冷却水水温修正系数；Fc为清洁系数修正系数。

对某影响因素进行修正时只需乘以该影响因素的修正系数。 同时考虑冷却水流速、 进口温度，清洁系数等因素后的传热系数见式（11）。

式中：kc为修正后的传热系数， W/（m2·K）

2.8 凝汽器压力的修正

在对凝汽器传热系数进行修正之后， 即可以将凝汽器压力修正至冷却水流量、 冷却水进口温度、 清洁系数等参数处于设计工况条件下的凝汽器压力。

首先， 由式（12）确定凝汽器压力对应的饱和温度， 计算得到tsc[9]， 然后即可从水蒸气热力性质表中直接查得凝汽器修正压力pc。

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为传热系数修正后的冷却水温升， ℃；δtc为为传热系数修正后的凝汽器端差， ℃；mD为设计冷却水流量， kg/s。

3 凝汽器压力影响因素分析

3.1 凝汽器清洁系数的计算

首先， 基于测试数据对测试时凝汽器的清洁系数进行计算， 结果见表3。 从表3 中的分析结果可以看出， 测试时凝汽器的清洁系数为0.832， 说明凝汽器冷却管清洁系数低于凝汽器设计时清洁系数0.9 的取值， 但清洁度尚可。

表3 某轴向进汽凝汽器清洁系数计算结果

3.2 凝汽器压力影响因素分析

表4 首先给出了将蒸汽负荷、 冷却水入口水温、 冷却水流量和冷却管清洁系数4 个影响因素均修正到设计值后凝汽器压力的修正值， 修正后的凝汽器压力为3 901 Pa， 与设计工况下的凝汽器压力设计值3 884 Pa 相比，凝汽器压力接近（略高于）凝汽器压力的设计值，表明该凝汽器基本达到设计要求。

其次， 表4 分别给出了依次仅考虑冷却水入口水温、 冷却水流量、 清洁系数和蒸汽负荷4 个影响因素中的1 个影响因素修正后的凝汽器压力分别为9 995 Pa、 4 813 Pa、 5 463 Pa、 9 283 Pa，与试验工况下的凝汽器压力9 753 Pa 相比， 蒸汽负荷修正至设计值后凝汽器压力相比于试验工况下的凝汽器压力值差别最大， 其次为冷却水流量的修正， 说明这2 个因素是导致凝汽器压力偏离的主要因素。

最后， 表4 中还给出了上述4 个影响因素中仅不考虑一个影响因素的修正后的的凝汽器压力分别为3 912 Pa、 6 895 Pa、 4 507 Pa、 4 030 Pa，与修正后设计工况下的凝汽器压力3 901 Pa 相比，仍然是蒸汽负荷偏离设计值时后凝汽器压力与设计工况下的凝汽器压力差别最大， 其次为循环水流量。

上述2 个角度的分析均表明， 对于本文研究的凝汽器， 蒸汽负荷过高和冷却水流量不足是影响凝汽器压力偏高的主要因素。

表4 某轴向进汽凝汽器压力影响因素的分析结果

续表

4 结论

论文基于凝汽器性能现场测试数据对凝汽器的性能进行评估和影响因素分析， 得到以下结论：

（1）测试时凝汽器的清洁系数为0.83， 说明凝汽器冷却管清洁系数低于凝汽器设计时清洁系数0.9 的取值， 清洁度尚可。

（2）对测试条件修正后的凝汽器压力为3 901 Pa， 凝汽器压力接近设计值（3 884 Pa），表明该凝汽器基本达到设计要求。

（3）蒸汽负荷过高和冷却水流量不足是影响凝汽器压力偏高的主要因素。