凝汽器清洁程度监测方法研究与应用(修改稿)4.0.doc

凝汽器清洁程度监测方法研究与应用杨家技 黄汝广 全华强（深圳南天电力有限公司，广东 深圳 518040）摘要：研究了凝汽器清洁程度的监测方法，通过excel表格在运行中加以应用，达到了节能降耗的目的，取得了较好的效果。关键词：凝汽器；清洁程度；监测；数学模型 0 前言凝汽器是电厂热力循环中的重要设备,它的运行状态直接影响整个机组的经济性，一直以来，研究凝汽器的优化运行、如何提高汽轮机的出力都是十分重要的课题。在电厂运行中，对凝汽器运行状态进行监测的常规方法是：计算冷却水温升、凝汽器端差和过冷度等指标，或是绘制凝汽器运行特性监督曲线，以此来判断凝汽器的工作情况。但这种方法只能给出定性的参考意见，无法做到准确定量分析。特别是凝汽器水侧一般都存在着不同程度的污垢,导致凝汽器换热性能下降，进而降低了机组的运行经济性。虽然运行人员定期投入胶球清洗，但由于缺少一个合适的凝汽器水侧污垢监测模型，投入胶球清洗在一定程度上具有盲目性。本文根据传热学原理，建立了凝汽器清洁程度监测模型，提出用“凝汽器清洁程度百分数”和“凝汽器管壁污垢热阻”两个参数来评价凝汽器的清洁情况。模型所需的原始参数都是现有的，计算方法经过简化，计算过程不再繁琐，可在excel 表格中编辑公式进行计算，大大方便了监测的实施。根据计算结果，准确确定凝汽器清洗周期和清洗时间，优化运行，实现了节能降耗的目的。1 电厂汽轮机介绍某电厂6汽轮机为单缸、单进汽、反动、凝汽式汽轮机，额定出力71MW，设计参数为：主汽温度510、主汽压力4.3 MPa、主汽流量231 t/h，背压8kPa(a)，凝汽器材料为钛管，总数6520 根，管径240.5mm，凝汽器面积4395 m2，设计循环水流量3400kg/s，温升9.9。目前6汽轮机运行数据为：出力62MW，主汽温度500、压力4MPa、流量207t/h；排汽压力7 kPa(a)，排汽温度43；循环水进水温度32，循环水出水温度40。本文以该汽轮机为例，建立凝汽器清洁程度监测的数学模型。2 凝汽器清洁程度监测的数学模型 文中公式引用的符号名称及单位说明见表1：表1 本文公式引用的符号名称及单位h1 汽轮机进汽焓，kJ/kghs 汽轮机排汽焓，kJ/kgN 汽轮机轴耗功， kWt 汽轮发电机效率，%P 汽轮发电机出力，kWGs 凝汽器的蒸汽流量，kg/shc 凝结水焓,kJ/kgGw 凝汽器冷却水流量，kg/sCp 水的比热容，取值4.178, kJ/(kg.)tw1 凝汽器冷却水入口温度，tw2 凝汽器冷却水出口温度，K 凝汽器总传热系数，kW/m2.F 凝汽器传热面积，m2tc 凝结水温度，ts 凝汽器压力对应的饱和温度，Q 凝汽器热负荷，kWtm 凝汽器传热对数温差，t 循环水温升， v 管束中循环水流速，m/s 凝汽器端差，d1 凝汽器管子外径，m d2 凝汽器管子内径，m 凝汽器钛管导热系数，kW/m. 凝汽器水侧对流放热系数，kW/(m2.) 凝汽器汽侧蒸汽凝结放热系数，kW/(m2.)Rf 凝汽器管壁污垢热阻， m2./kWK0 凝汽器管束基本传热系数，kW/(m2.) t 循环水入口温度修正系数，无量纲m 管材、管壁厚度修正系数，无量纲c 管壁清洁系数，无量纲监测凝汽器的清洁程度，核心问题在于计算出凝汽器的理论传热系数、实际运行传热系数和凝汽器管壁污垢热阻。根据传热学理论，凝汽器总传热系数计算公式为1： （1）根据上公式，要计算出凝汽器总传热系数，必须要先计算凝汽器水侧对流放热系数aw，凝汽器汽侧凝结放热系数as等，这个计算过程十分繁杂，不予推荐，本文采用一种较简单的计算处理方法。在凝汽器与真空系统运行维护导则DL/T 932-2005中，凝汽器总传热系数采用以下公式计算2: （2）导则中给出了相关数据的查询图表，使用起来十分方便。为方便计算，我们采用最小二乘法将图表中数据拟合成数学公式。凝汽器管束基本传热系数K0与管径和管内水流速有关，根据导则中给出了凝汽器管束基本传热系数取值表，针对24mm的钛管，用最小二乘法拟合其曲线方程为：，最大误差0.1。循环水入口温度修正系数t的拟合计算公式：管材、管壁厚度修正系数m 取值0.952。管壁清洁系数c ，对于清洁的管子，取值0.9。凝汽器热平衡方程为： (3)汽轮机能量平衡方程为： （4）凝汽器传热对数温差计算公式： （5）根据式（3）（4）（5），依次计算汽机排汽焓、凝汽器的热负荷、循环水流量、凝汽器总传热系数。将计算结果代入式（2）中，可反算出管壁清洁系数c。凝汽器清洁程度百分数按下式计算： （6）清洁程度百分数值在80以上为良好，在70以下为较脏，应投入胶球清洗。这样就建立起了以凝汽器清洁程度百分数为标准分定量评价凝汽器清洁程度的模型。同时，我们也可用凝汽器管壁污垢热阻来衡量凝汽器的污染情况，计算公式如下： （7） 一般的，污垢热阻小于0.065 m2./kW 认为是较清洁，大于0.100 m2./kW 认为是较脏。3 凝汽器清洁程度在线监测数学模型的应用 在excel表格中编辑计算公式，只需输入相关运行数据，便可自动计算出凝汽器清洁程度百分数和凝汽器管壁污垢热阻值，见表2：表2 凝汽器清洁程度百分数和凝汽器管壁污垢热阻值日期3月27日3月27日3月28日3月28日3月28日3月28日时间15:4121:3012:1214:4016:1820:54汽机负荷MW63.37963.21863.1162.89659.67363.003进汽压力MPa4.00394.00784.00783.99613.77344.0078进汽温度500.68498.63500.09501.27515.33500.68主汽流量t/h206.8206.8206.29206.68191.57206.42凝结水温38.57438.03739.69740.28338.96539.746循环水入口温度27.46626.6628.63829.29728.49128.418循环水出口温度35.08334.49736.40137.06135.88936.475进汽焓kJ/kg3447.343442.63445.953448.83483.5253447.298计算排汽焓kJ/kg2320.872318.972321.462330.22338.2732325.416凝汽器热负荷kW123990124010123449124044115697.8123741.9传热对数端差8.683968.606548.239548.08117.9044638.200755计算实际传热系数kW/(m2 . )3.248713.278463.408993.49263.330383.433238计算冷却水流量kg/s3786.773752.433735.683718.73688.3523692.723计算循环水流速m/s2.780632.780632.738282.73832.738282.73828计算基本传热系数kW/(m2 . )4.475734.475734.445224.44524.4452164.445216冷却水温修正系数1.042621.037741.051841.05621.0510191.051563计算清洁系数73.13%74.14%76.59%78.14%74.88%77.15%清洁程度百分比81.25%82.38%85.10%86.82%83.20%85.72%计算水侧污垢热阻m2.K/kW0.058 0.054 0.044 0.038 0.050 0.042 应用此方法，运行人员对凝汽器的运行情况有十分准确的把握。目前6机凝汽器的清洁百分数保持在80以上，情况良好，并通过监视清洁程度百分数来定期投入胶球清洗，取得了较好的效果，既节省了厂用电，又维持了凝汽器的清洁干净。胶球清洗投入前后凝汽器清洁程度百分数的变化情况见图1：图1 胶球清洗投入前后凝汽器清洁程度百分数的变化在此基础上，电厂为节约循环水，将循环水硬度指标由3mmol/L提高至4mmol/L，同时在线监测凝汽器清洁程度百分数，防止发生结垢，也取得了较好的效果。4凝汽器清洁程度对运行工况的影响研究以6汽机为例，研究凝汽器清洁程度对凝汽器运行工况和汽机负荷的影响。假定：循环水流量3700 kg/s，循环水进水温度24，计算结果表2：表2 凝汽器清洁程度对凝汽器运行工况和汽机负荷的影响凝汽器清洁程度3040%50%60%70%80%90%100%管壁污垢热阻m2./kW0.602 0.387 0.258 0.172 0.111 0.065 0.029 0.000 汽机负荷MW61.74 62.39 62.78 63.04 63.22 63.36 63.46 63.54 排汽温度52.07 46.30 42.83 40.53 38.89 37.68 36.76 36.03 排汽压力kPa12.8 10.1 8.6 7.7 7.0 6.6 6.3 6.0 循环水出口温度31.90 31.95 31.97 31.99 32.01 32.02 32.02 32.03 循环水温升7.90 7.95 7.97 7.99 8.01 8.02 8.02 8.03 端差20.17 14.35 10.85 8.53 6.89 5.67 4.73 4.00 汽机负荷减少量kW-1804.1 -1155.0 -765.0 -506.1 -322.6 -186.5 -82.2 0.0 热耗率kJ/kW.h11553.5 11433.3 11362.3 11315.6 11282.8 11258.5 11240.0 11225.5 发电标准煤耗g/kW.h394.2 390.1 387.7 386.1 385.0 384.2 383.5 383.0 凝汽器清洁程度百分数每下降10，汽机出力最少减少约100 kW，随着脏污程度的加剧，汽轮机发电热耗率急剧上升。汽轮机发电煤耗与凝汽器清洁程度的关系见图2。图2 凝汽器清洁程度百分数对汽轮机发电煤耗的影响5结论本文提出了一种凝汽器清洁程度监测模型，并在此基础上在excel表格中编写公式进行计算加以应用，为运行人员进行凝汽器清洗提供了依据，计算模型所需要的参数都是电厂现有的，大大方便了实时进行凝汽器清洁程度的监测。根据污垢热阻监测结果，可得到最佳清洗时间及最佳清洗周期，实现凝汽器的优化清洗。根据长时间的运行实践和跟踪分析，用该模型分析凝汽器运行过程和清洗过程中凝汽器污垢热阻的变化趋势