『分享』 高效不锈钢波螺管及凝汽器简介

高效不锈钢波螺管及凝汽器简介

一、 不锈钢管凝汽器的发展及其趋势

凝汽器是汽轮发电机组的重要辅机之一，它的性能好坏直接影响机组的运行。而它的主要传热组件——冷却管是凝汽器的最重要部分，价格占其总价的一半以上，因此，冷却管的选材和选型是凝汽器的设计关键。

早在1958年7月，美国西弗吉河谷电站投运了世界上第一台冷却面积为5109m²的不锈钢管凝汽器，随后日本、欧洲等主要的制造商也开始仿效，根据不同水质及含CL^—-浓度不同，采用了不同牌号的不锈钢管作为凝汽器的冷却管。据介绍1965年至1971年安装和订货的凝汽器，在江湖塔式冷却系统中，采用不锈钢管材占20.9%。此后，传统上广泛使用的海军铜管从50%比例降至30%左右。国内大型机组大规模发展在80年代末，许多电厂开始安装在300MW机组上。如，上安电厂、邯郸电厂和七台河电厂等。

由于我国使用不锈钢管凝汽器起步比国外晚了30年左右，人们对此的认识也不广泛，尽管不锈钢管材以其抗腐性能强，使用寿命长等优点为实践所证实，但其因导热系数小于铜管而使理论总体传热系数比铜管小了6%（实际上长期运行的总体传热系数优于铜管），加之人们对胀管及保养知之不多，以及进口管材价格太高，很少有人愿意冒险使用它。因此，到目前为止，除了少数300MW机组采用外，绝大多数300MW机组及几乎所有50MW、100MW、125MW、200MW机组仍然采用的是铜管，少量采用钛管。那么，人们自然会联想，有没有一种冷却管，它既有抗腐蚀性能强，使用寿命长的优点，又有传热系数高，安装方便可靠的优点，并且造价与铜管相近或略低。

自90年代初，我们就开始在这方面研究和试验，从理论上，我们与国家传热重点实验室——华南理工大学化学所联合，应用其螺旋槽管传热理论，结合具体情况，反复论证和试验，优化出系列冷却管型线来适应于各种不同的场合。理想的冷却管凝汽器——高效不锈钢波螺焊管凝汽器应运而生，其无法比拟的优越性能被实践广泛的证实，用户反映普遍较好，现我公司已成批生产投入运行六十余台套。

二、 不锈钢波螺焊管与铜管作为凝汽器换热管的传热效果比较

我们知道热量传递有三种基本方式：导热，对流和热辐射，凝汽器传热包括下列几个相互串联的换热方式：

凝结换热系数为a₀，导热换热系数为 a_m，对流换热系数为a_i，那么凝汽器传热系数为

K= W/（m² • ℃）

下面我们对每一个过程进行计算：

1.蒸汽在管子外壁的凝结换热：

凝结换热有两种方式：膜状凝结和珠状凝结。

膜状凝结时，壁面总是被一层液膜覆盖着，凝结放出的潜热必须穿过液膜才能传到冷却壁面上去，这时液膜层就成为换热的主要热阻；珠状凝结时的蒸汽与冷却壁面之间没有液膜阻离，热阻大为减小，换热系数可达到膜状凝结时的5到10倍。管子与液体之间的润湿能力的强弱，决定了是膜状凝结还是珠状凝结。实验查明工业凝汽器中都得到的是膜状凝结，而对于管子外壁光滑润湿力小的不锈钢波螺焊管，同时存在少量的珠状凝结，其凝结换热系数为铜管的1.25～1.35倍。

对于单根横管外的膜状凝结，努谢尔特用图解积分的方法求得平均换热系数的理论计算式为：

a₀=0.725 W/(m²·℃) (1)

2.换热管内外壁的导热：

由导热微分方程导出通过圆筒的热量计算式：

Q=

应用牛顿冷却公式Q = F△t= a_m2πrL(t₁—t₂)

联立以上两式得：

a_m= /（m²·℃） (2)

3.管子内壁与水的强制对流换热

由迪图斯——贝尔特公式

(3)

对于波螺焊管而言，由于循环水在管内的流动产生了边界层分离，加快了冷热水之间的混和，提高了换热性能。

管内对流换热系数与光管之比为

式中：h——螺纹深 mm. 本例取0.8 mm

s——螺纹螺距 mm. 本例取 8 mm

以上不锈钢波螺管（Φ20×0.7 P = 8 e = 0.8）和Hsn 70—1光管计算结果如下：

在工程计算中：

选用本公司生产的不锈钢强化换热管、其凝汽器换热特性可按下述公式计算：

K= K₀β₃β_tβ_mβ₀ [W/m²·K]

K₀= [W/m²·K]

K₀ — 基本传热系数[W/m²·K]

C₁ — 系数

Vw — 循环水管内流速 m/s

β₃ — 清洁系数

β_t — 冷却水温度系数

β_m — 管材及壁厚修正系数

β₀ — 管型修正系数，对于浅波螺管 β₀ = 1.25

水阻计算：

根据华南理工大学热工研究所综合国内外研究结果，推荐采用下面的关联式：

由此可见，本公司研制而成的不锈钢波螺焊管比铜管的总体传热系数提高25～30%,在新疆石河子市东热电厂、天津静海电厂的实际运行当中，当保持真空度不变的情况下，循环水量比原铜管少20%;当循环水量不变时，真空度提高5%以上。

三、 抗腐蚀性能分析

1、冲击腐蚀

由于不锈钢的强度和表面硬度都高于铜管，不论是汽侧的高速蒸汽及水滴，还是水侧的泥沙污垢及入口端流，都不可能对不锈钢管形成冲蚀，因此，它更能适应于江、河等含砂污垢水质条件，及排汽温度较高的循环水供热场合。

2、氨腐蚀

通常氨腐蚀容易发生在凝汽器管束中的空气冷却区，此区积集了一些非凝结气体，氨气、二氧化碳、氧等，而铜管对氨的应力腐蚀尤为敏感，而不锈钢管对氨并不敏感，因此，化工厂、化肥厂的自备电厂，使用不锈钢管是再好不过的事情了。

3、振动和结垢

汽轮机的高速蒸汽和水滴将是产生凝汽管子振动的主要来源，涉及到引起振动的原因很多，凝汽器管子排列设计、管子的支撑和跨度、管子与隔板孔间环形间隙、隔板排列趋势、变工况的速率等，由流体旋涡脱落，湍流抖振和流体弹性，这些都会引发管子产生振动。不同材质的杨氏模量和管子壁厚决定管子的刚度和管束对蒸汽激振的敏感性，而不锈钢管的弹性模量、惯性矩和振动阻尼的数值均大于相同外径的铜管和钛管的值，薄壁通过高的杨氏模量获得补偿，所以一般经计算后，支撑板的间距可以相对取大一点。也可以这样讲，不锈钢管的抗振性在相同条件下相对要好一点。

优选型线时，在传热性能差别不大的情况下，我们做了多种管型的强化结垢试验，寻找出最难结垢的型线。在实际运行中，出乎电厂运行人员意料的是，没有结垢情况。一种解释是：由于循环水在管内的流动产生了边界层分离流，不存在沿管壁低流速层，污垢难以附着在管内壁面。另一种解释是，由于污垢层与不锈钢波螺管的热胀系数差别很大，当它们受热时，紧贴在一起的两层由于型线曲率变化不等而自动脱离在高速水的冲击下，污垢层早已不存在。

另外，不锈钢波螺管，对有机悬浮物及一般性腐蚀具有很强的抵抗作用。因此，它可直接用于利用城市污脏水作为循环冷却水的场合。

综合以上，不锈钢波螺管因抗腐蚀性强，使寿命大大延长，一般使用寿命大于20年不会出现任何问题，而铜基合金管子的寿命在10年左右就出现了问题。

四、 工艺性能及其维护

不锈钢波螺焊管是引进进口制管设备，由进口钢带材经卷制、焊接、探伤、热处理、压波纹、气密试验等工艺制造而成，符合有关标准厂标及订货技术条件，质量与进口管材相当或略强，焊缝金相组织与母材一样，强度等机械性能略好。由于带材厚薄均匀，表面光滑平整，其质量确比同种材质的冷拨、热轧无缝不锈钢管好。延伸率大于35%，并且硬度小，易于胀接。我们用Φ20×0.5,304 焊管与厚20mm、Q235—A板做胀管试验和拉脱力试验，单根拉脱力大于12000N，远远大于设计值。目前国内大型机组一般采用与同种材料管板的胀接 + 密封焊，而我公司则采取专用胀管技术和胀管设备，只胀不焊，且管板材料可为碳钢，（水室采用喷铝 + 涂环氧煤沥青防腐），一次胀管成功，胀好率100%.

有些人担心该凝汽器由于长期运行而轻微结垢。请放心，我们优化设计的波纹深度 e = 0.5～0.8mm，一般胶球清洗即可，酸洗处理年费用小于3万元。

在运行维护中，要注意不锈钢对CL^--的敏感性，尽管304管材在CL^-- <100mg/kg，316管材在CL^--< 500mg/kg水质中是安全的，但当长期管内水速度过低，容易形成麻点，故循环水速一般应大于1.2m/s；最好是运行在1.5～2.0m/s,既防腐又防垢。长期停运前，应用清洁水冲洗水室及管子，并打开水室盖板风干两天，以免水滴蒸发后CL^--浓度过高而产生点蚀。

五、老机组的改造及其经济分析

由于我公司不锈钢波螺管是在原光管的基础上，压制而成内凸外凹的波纹型线，外径与光管外径相同，胀管部分留50～100mm光管段，可直接用于老机组凝汽器的换管改造，换管胀管与铜管一样方便。以前的老机组凝汽器，由于运行时间长，加上铜管因氨气，泥砂冲蚀等不同程度上要求改造。如70～80年代出厂的壹佰多台国产三排汽200MW凝汽器存在的问题就有：① 运行背压不理想，凝结水过冷度大含氧量高 ② 冷却管腐蚀破坏严重，堵管频繁泄漏严重 ③ 冷却管因振动而断裂等严重影响电厂的正常运行和经济效益。为此，各大汽轮机厂家提出了各具特色的改造方案，如东汽的方案是：BD模块优化排管 + 加大面积的不锈钢光管及管板更换（或改造水泵提高水速2.3～3.5m/s）+ 弧形水室与防腐措施。

这种方案虽然理想但并不实际，几乎很少有电厂可以接受这种方案。

首先，改造工程大，几乎是更换了一个凝汽器，同时还要对循环水泵进行改造。

其次，费用高、周期长。一台200MW凝汽器的改造约需800～1000万元资金，时间约需三个月左右，这是电厂无法接受的。

另外，循环水泵功率的加大，提高了自身的耗电量。改造凝汽器而提高的经济效益并不直观，而循环水泵耗电量的增加是直观的。

我们公司的改造方案因有了不锈钢波螺管凝汽器变得简便易行，效果显著而为电厂喜闻乐见。如200MW凝汽器总体改造效果显著：循环水量不变时，真空度提高，真空度不变时，循环水量减少，经济效益和社会效益明显提高。

目前，随着科学技术的进步和发展，我国已能利用进口设备及技术，用进口带材自行生产不锈钢波螺焊管，有的质量已赶超外国先进水平，而价格适中，并且造价比铜管便宜10%左右，一台300MW机组凝汽器可节约60～100万元材料费用。