基于凝汽器强化传热技术的循环水系统节水研究

第21卷第5期能力程Vol.21 ,No.52006年9月JOURNAL OF ENGINEERING FOR THERMAL ENERGY AND POWERSep. , 2006文章编号:1001 - 2060( 2006 )05 - 0512 -04基于凝汽器强化传热技术的循环水系统节水研究王伟,孙奉仲高明，王凯(山东大学能源与动力工程学院,山东济南250061 )摘要:从提高凝汽器换热系数出发 ,在保证真空不变的前由于冷却水在循环利用过程中水分不断蒸发,提下引出临界污垢热阻的概念通过分析临界污垢热阻和水中难溶盐离子浓度不断增加,逐渐达到过饱和状循环浓缩倍率的关系将强化传热和循环水节水问题结合起态从水中析出成垢11%。污垢热阻的存在导致凝汽来研究并通过实例计算出相应的节水量。研究表明在凝器换热系数降低。如果采用强化传热技术弥补由于汽器真空和其它换热条件不变时增大凝汽器换热管汽侧换污垢热阻的存在而减小的换热系数,则可保证凝汽热系数可以增大临界污垢热阻,从而提高循环水的浓缩倍器的总换热系数不变。如将能够实现滴状冷凝的换率达到循环水系统节水的目的并且带来可观的节水效益和环保效益。文中分析了某300MW机组凝汽器采用强化热管应用于凝汽器可大幅度提高管外换热系数达传热管后汽侧换热系数显著增大在达到原设计真空下，该到提高凝汽器总换热系数的目的[7-10。因此在换机组每年因此可以节水约86.9x 10*t。热效果不变的前提下强化换热管所允许的污垢热关键词循环水系统节水凝汽器强化传热;临界污垢阻肯定大于普通换热管。这意味着,前者对循环水热阻浓缩倍率水质的要求比后者低,此时可适当提高前者所对应的循环水浓缩倍率，达到节约循环水的目的。由于中图分类号:TK124.7 TK212.2文献标识码:A循环水补水量减少,用于水质处理的药剂量相应减1引言少,同时为维持循环水系统总流量不变系统排污量也相应减少。这样,就从节能的角度不仅实现了节火力发电厂是耗能和耗水大户,随着能源意识水的目的还降低了药剂处理费用减小了污水排放和节水环保意识的增强,人们已经开展了电站节能对环境造成的污染达到一举数得的效果。和节水工作的研究[1-2]并且都在各自的领域取得本文基于上述思路把节能和节水的研究工作统了显著成效。一起 来。电站中的节能工作开展的比较早人们尝试使用各种方法提高换热系数,如新型换热管件的引入2临界污垢热阻及其影响因素和各种强化换热管的使用[3-6]。值得一提的是,目前电站普遍使用的凝汽器换热管其汽侧换热方式2.1定义为膜状冷凝然而现在国内外已有关于凝汽器换热在汽轮机排汽参数和凝汽器结构一定以及抽气管珠状冷凝的研究[7-9]，并将此项技术应用于实际设备正常工作的前提下,凝汽器达到规定的真空度运行汽侧换热系数将提高5~ 10倍10]。这样凝汽所允许的水侧污垢热阻的最大值定义为临界污垢热器即使在相对较差的换热条件下也可以维持规定的阻,记为Re。水侧污垢热阻超过该值时凝汽器真真空度。如机组夏季运行时凝汽器入口的循环水空将低于规定值。温度比较高导致凝汽器真空度下降,-般情况下,清洁的凝汽器一般能满足真空的要求,随着运.现场通过增大循环水流量来维持凝汽器中一定的真行时间的增加水侧污垢逐渐增加换热管的换热效空度这不仅增加了系统水耗而且也增加了循环水果降中国煤化工降低。当水侧污垢增泵电耗,大大提高了运行成本。如果将强化换热管大到|Y片CNMH G可以满足要求但如果.引入凝汽器就可以在运行成本基本不变的情况下再增加真空就达不到规定值。保证凝汽器规定的真空度。收稿日期2006 -02-27 ;修订日期2006 -05 -24作者简介王保插_ ),女,山东聊城人山东大学硕士研究生现在山东电力研究院工作.第5期王伟等基于凝汽器强化传热技术的循环水系统节水研究513.2.2临界污垢热阻与汽侧换热系数的关系为讨论汽侧换热系数与水侧污垢热阻之间的关Cp~ P2+ P3系，认为凝汽器换热管汽侧是洁净的。凝汽器总换其中:Q- _循环冷却水总流量(假定为常数),/h;热系数表达式可表示为:p-补水率,即:补充水量占循环水总流量的百分K°Kσ+Kx+°+Rf(1)数,%;P-蒸发损失率,即:单位时间的蒸发损失占循环水总流量的百分数,% ;P,- -风吹泄漏损失水侧污垢热阻增大到临界污垢热阻时的凝汽器率即:单位时间的风吹泄漏损失量占循环水总流量总换热系数定义为临界换热系数,记为K。其物理的百分数,%;Pz--排污率,即:排污水量占循环水意义为:在汽轮机排汽参数和凝汽器结构一定以及总流量的百分数,% ;Cg- 补充水的盐浓度;C,- -循抽气设备正常工作的前提下,只要凝汽器换热管的环水的盐浓度;k-浓缩倍率。总换热系数大于该临界值凝汽器真空就可以满足Rj随水质的变化而变化[14] ,在其它条件不变.规定值的要求。临界换热系数的表达式为:时,且把R/看成浓缩倍率的函数并忽略循环水水(2)质对时间常数的影响15。对应浓缩倍率为kq 和h2 .当凝汽器汽侧换热系数增加为K汽' ,水侧换热的循环水系统其渐近污垢热阻模型分别为:Ry= R*( hqI 1-e-b0](9)系数保持不变时,为保证规定的真空度要求临界换R'= R}( k2I1-e-6]( 10)热系数不变。其表达式变为:假定运行相同的时间θ。，两种循环浓缩倍率对下。“K离+K水+元+Ry'(3)应的污垢热阻都达到临界污垢热阻,此时可计算出式2)与式(3)相减并令K汽'/K汽=a得:浓缩倍率增量的最大值。R;'- Rje=( a-1 )/aK汽(4)R,= Rj( kI1-e-bo](11 )上式说明凝汽器换热管汽侧换热系数增大时Re'= Rj(k2I1-e-6:]( 12)所对应的临界污垢热阻增加。即:此时适当增加水两式相减并将式(4)代入得:侧的污垢热阻不会影响换热管的换热效果,凝汽器[ Rj(k2)- R*(h)I1-e-0o]=qx(13)真空仍能满足规定的要求。aK汽为描述方便,定义函数:f( k)= Rj( k),则式2.3临界污垢热阻与循环浓缩倍率的关系在清洗周期相同的条件下,-定的污垢热阻对( 13 )可以表示为:应一定的循环水浓缩倍率,它们之间是一一对应的(h)-(h)= :aK;汽[1-e-b0o]( 14)关系。当允许的污垢热阻值增大时其对应的浓缩等式两端同除以( k2-k),得:倍率也相应增加,即:此时可以适当降低对循环水水1( k2)-f( k)a- 1质的要求。h2- hyaK汽[1-e-0I k2-h)(15)研究表明,绝大部分的污垢热阻随时间增长都在k和k.2相差不大的情况下,等式左端可以属于渐近型[12]。根据污垢热阻这一特点,污垢热阻看成函数I(h)在k=k时的斜率,记为m。其物理与时间的关系可用公式表示为:意义为:循环浓缩倍率为kt时渐近污垢热阻随循Ry= R*[1-e-](5)环水浓缩倍率的变化率。由此可得:其中:R*-渐近污垢热阻( m2 K)/W ;1/b- -时间a-( hz- h)=.( 16)常数,h;θ一时间,hoaK汽[ 1-e-b。]m循环水系统内存在下述平衡关系[13]:在函数j(k)已知的情况下根据式(16)计算出水量平衡在不影响凝汽器换热效果时,因 提高凝汽器汽侧换Qx P= Qx( P1+ P2+ P3)(6)热系中国煤化工率的增量。盐量平衡YHCNMHGQx Px Cg=Qx( P2+ P3)x C,(7)3节水分析由式( 7)得:Px Cg=( P2+ P3)x C。(8)定义浓缩倍库数据3.1 浓缩倍率与节水的关系514.热能动力工程2006年根据相关文献[ 16 ]所列蒸发损失率和风吹泄漏已知数据凝汽器汽侧换热系数K汽=4 833 W/损失率的计算式取P=1.3%和P,=0. 1%进行分(m2 K) ,循环水总流量Q=31 770 t/h污垢热阻渐C_P近值R; =2.5x10-(m2 K)/W清洗周期θo=5h,析。根据浓缩倍率的定义:h =Cp P2+ P3将上述时间常数1/b=45h。文献[6]指出通过实验验证P和P2的取值代入得:a可以达到13 ,文中取a=5进行分析。将已知数1.3+ P3( 17据代入式(16)和式(22),并取运行中的循环浓缩倍0.1 + P33.8x 10-4Pr并由此推出补水率P与浓缩倍率的关系:率h=3进行分析，得:Pr-P%, =二2m+5.84x10p_1.3h( 18)上式表明:当蒸发损失率P,确定后,节水率仅是m排污率P;与浓缩倍率的关系:的函数。图1给出了当P,= 1.3%时,循环水系统节水率与m之间的变化关系曲线。p,=1.4-0.1h( 19)k:- 1以上两式表明:当风吹泄漏损失率和蒸发损失0.70率确定后循环水补水量和排污量只取决于浓缩倍率并且随浓缩倍率的增大而减小。这意味着增大0.50浓缩倍率可以减少循环水补水量和排污量从而达到节水和降低排放污染的目的。0.30 t3.2节水量0.20上述分析充分说明:当凝汽器汽侧换热系数增0.10 5加时,在不影响凝汽器换热效果的前提下适当增加0.000.0000 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.0010水侧的临界污垢热阻可以达到节水和降低排放污染的目的。由式( 18)可知:当浓缩倍率为k, 时,补水率表示为:图1P1=1.3%时循环水系统节水率1.3k1随m变化的关系曲线(20 )当浓缩倍率为k2时补水率表示为:从图1可以看出随着m的减小,节水量呈增_1.3h2 .(21 )大的趋势，并且m在较小的基础上减小时,节水量2= k2-1增加幅度更明显。由m的定义知其取值与循环水两式相减即得节水率:水质有关,当水质变化时,m的取值也相应发生变1.3x( k2- k)Pa1-Ph2=(h1-1Xk2-1)(22 )化。如前所述,由式( 16 )可计算出( k2-k1)。由于这表明对于不同的循环水水质凝汽器强化传实际运行中h;是已知的，进而可以得到h2将计算热技术所带来的循环水系统节水量是不同的。实际结果代入式(22)即可得所对应的节水率。应用中,可以根据不同的循环水浓缩倍率和水质特同理将浓缩倍率分别为k\和k2所对应的排征查图1得出节水量占循环水总量的百分比然后污率相减,即可得此时减少的排污率为:根据循环水总流量计算出节水量。例如,根据实际1.3x( k2-h1)运行中的水质特征,当m=2x10-4时查图1可得( P3)1-( P3)a=j(23 )(h-1Xh2-1)节水率为0.38%。已知循环水总流量Q=31 770 t/对比式( 22 )和式( 23 )可得,节水率和减少的排h因此节水量为31 770t/hx0.38%= 120.7 t/h机污率是相等的。组年中国煤化工则年节约补水量86.9x 10:YHC NM H G应减少86.9x 10t。3.3实例计算4结论利用上述分析结果,以文献[ 17 ]给出的某300MW机组凝汽器参数并参考文献[ 18 ]中有关的污垢本文给出了循环水系统节水的一种新思路,即热阻试验数据为捌进行计算。在不影响机组安全性和经济性的前提下”,牺牲”一第5期王伟等:基于凝汽器强化传热技术的循环水系统节水研究515-部分强化传热的效果达到节约循环水的目的。从[5]谭羽非陈家新.新型不锈钢波纹管性能及强化传热的实验研理论上建立了各物理量之间的关系,通过实例计算究J].热能动力工程2003 18 1)47-49.6]姚寿广朱德书.针肋套管换热元件的传热及阻力性能试验研出相应的节水量。通过分析得出下列结论:究与分析J].中国电机工程学报2000 20( 10)71-74.( 1 )将强化传热技术应用于凝汽器换热管,不[7]马学虎徐敦颀.实现水蒸气滴状凝结传热表面的研究[J].大仅可以提高其换热效果而且对循环水系统节水有重连理工大学学报,1994 34(6) 660 - 666.要贡献。. [8] SUGAWARA s ,KATSUTA K. Fundamental study of dropwise conden-(2)为了把凝汽器的强化传热技术和循环水系satior[ J ]. Proc Third Int Heat Transfer Conference ,1966 2 354 -统节水问题结合起来,引入临界污垢热阻的概念是[9]黄明全李增印.发展中的滴状冷凝强化换热研究J].舰船科36非常必要的。学技术2002 24(4):52 -56.(3)在换热效果和换热条件不变的前提下,增[10]王乃华李淑英.镍基渗层管表面实现珠状凝结的研究[J].动大凝汽器换热管汽侧换热系数可使临界污垢热阻增力工程2002 22( 3):1804- 1807.大进而可以相应地提高循环水的浓缩倍率达到循[11]周利民循环冷却水系统碳酸钙垢的形成及控制研究[J].工业用水与废水2005 30 1):19-31.环水系统节水的目的。(4)从节水的长远目标看,在不影响机组安全[12] 杨善让,徐志明,换热设备的污垢与对策[ M].(第二版).北京科学出版社2004.性和经济性的前提下凝汽器带垢运行”是值得考[13]杨继广.循环冷却水高浓缩倍率运行的实例分析[J].工业水虑和实践的。处理2004 24(7)56 - 59.[14]刘金平刘雪峰.凝汽器冷却水污垢热阻的研究[J].中国电机参考文献:工程学报,2005 25( 15):100- 105.[1]陈国慧,林万超,邢秦安等.改变补水方式的节能效益解析[15]张琳.模拟凝汽器管侧微粒污垢的实验研究[J].东北电力技术,1997 12 24-26.[J].热能动力工程2000 15(1)69-70.[2]李勇董玉亮.考虑节水因素的凝汽器最佳真空的确定方法[16] 陈爱民循环冷却水零排污”运行方案研究[ A].2001全国水处理技术研讨会论文集[ C].重庆:中国化工学会，2001.123 -[J]动力工程2001 21(4)1338- 1341.128.[3]高虹曾丹苓.自激振荡脉冲射流强化换热实验研究[J].热[17]张卓澄.大型电站凝汽器[M].北京机械工业出版社,1993.能动力工程2003 ,18 4)349 - 351.[4] 吴慧英,帅志明.凝结换热器采用螺旋槽管的强化传热研究[18]董东华.污垢对电厂凝汽器的影响及凝汽器胶球清洗装置的最优运行工况[D]广州华南理工大学2002.[J].化工学报1997 48(5) 626 - 630.(辉编辑)新技术新产品出曲线形叶片喷嘴叶栅的试验研究《TenulosHeprerHka)2005年11月号介绍了在具有径向叶片、镰刀形叶片和马刀形叶片的跨音速导向器叶栅内气体流动情况的叶型损失和二次流损失比较性试验研究的结果。在具有镰刀形叶片(叶片中心线向叶背一侧凸起)的喷嘴叶栅产生强烈的二次流动其方向从叶片间通路的端部表面流向中间截面增加了中间截面内流动的气动力收敛性,并略微减小了叶型损失(与径向叶片时的叶型损失比较),此时二次流动和损失明显增加(一直到气流从端部表面分离为止),叶栅内总损失约增加0.02。.在具有马刀形叶片(叶片的中心线向叶盆一侧凸起)的叶栅内,正好相反强烈的二次流动从中间截面流向叶片间通路的端部表面减小了中间截面内的气动力收敛度并略微增加了叶型损失。但是这时二次流动和损失明显减少并在超音速流动情况下实际上消失总损先约保护气在经自时比中的一样。试验结果与利用三维粘性流动模型的计算数据的定性和中国煤化工这证实了由IIHAM(俄罗斯中央航空发动机制造研究所)制定的计算方法和模型的重MHCNMHG结果表明通过合理地选择叶片的曲线形中心线的形状可以优化喷嘴叶栅。(吉桂明 供稿)