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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
TURBINE TECHNOLOGY

V01.5l

No.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1

32012)
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
on

文章编号:100l-5884(2009)03-0210-04

Study

the Influence of Condenser Cooling Water Temperature and F10W Rate
on

Condensate Sub—cooling Degree

LI Yong.UU Ning—ning

(School

of Energy and Mechanical Engineering,Northeast Dianli University,Jilin great impacts
on

132012,China)

Abstract:Condensate sub—cooling degree has
8re

the economy and security of steam turbine operation.There
water

few

literatures about the influence mechanism of condenser cooling

temperature
as an

and

flow

rate

on

condensate sub-

cooling degree.In the paper,the condenser for a 300MW steam turbine is taken
nalysis
on

example,by means of

quantitative a-

the effects of cooling

water

temperature and

flow

rate rate

on

steam resistance and condensate layer in condenser, condensate

mechanism of influence of ical foundation is laid Key
to

cooling

water

temperature and flow

on

sub—cooling degree is studied.The theoret-

reduce and control condensate

sub-cooling

degree in operation.

words:steam turbine;condenser;condensate sub?cooling degree

上述这些产生过冷度的正常原因一般对过冷度的影响

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

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。

璺的平均温度低于水膜外表面的蒸汽凝结温度。
收稿日期:2008—10-01 基金项目:吉林省科技发展计划项目(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 姜 ~
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
囡 虻 椎 虻 爨

,n厂、2
△p。=1.6×10{f兰!丛生l …



、她石,

(1)

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
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。

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。


R 出 稚 j|亡 舞

生 、
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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

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。

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,

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

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212

汽轮机技术

第5l卷

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?℃);

重 、
蛊 《 稚 《 嶷

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
冷却水流量/(x103t/h)

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。

p 越 佥 翅 《 姆 繇

冷却水流量/(x10"eh)

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。

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。 而 +(2)

觚2毒2毒
‘,一£砬

扛i互蕊1

a*






(3)






a。=。.023Re08Pr04鲁
将式(3)代入式(2),并令g=罟,得

蒸汽负荷,%

(4)

亡=了Atm一(a1。Ⅱd2。一+鲁ln百d2)
n-
Ⅱl

z^

(5)

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d2
故,水膜的平均温度为

ln鲁)(6)
蒸汽负荷,% 对数平均温差与冷却水温度及蒸汽负荷关系

t,=卜芋
一t,一爿蛾一口(亡鲁+去tn鲁)】c7,

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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

;,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

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。
图1


冷却水流置/(×103“h)

凝结水膜内外温差与水量及蒸汽负荷关系

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

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
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damp-

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labyrinth seal with and

shunt

injection

and



honeycomb

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