疏水端差过大解决办法.pdf

；高 流 糕 炭 3 8 高压加热器疏水端差问题 的研究 V o 1 1 0，No 4 高压加热器疏水端 差 问题 的研究 莲堡 (华东工业 大学)摘 要 r 牛、7 本文对上海 电站辅 机厂 生产 的高压给 水加热器存在的疏水 端差过 大问 题进行 了研 究，提 出了 问题的所在 有关影响因素及解决 问题的方法。并根 据分 析结果提 出了实验测量 系统 的方案 一问题 的提 出 高压给 水加热器是热 力发电厂中广泛应用的节能设备之一 1 ，它利用汽轮机抽汽 回热加热锅 炉给水 提高给水温度，以达到节能的 目的 上海 电站辅机 厂应 用美国福斯特惠勒动力公司高压加热器专利技术，设计生产了 多台高压 加热 器，在 生产 中取得 了很 好的效 果 俎在应用 中发现普遍存在着疏水端差(疏水 出 口温度 一给水进 口温度)过 大的 问题，不能 达到设 计 求 一般超过设计值的 1 7 C。疏水端差过大会导致 以下三方 面的问题：一是高压加热 器的实际换热量降低；二是疏水端差过 大意 味着疏水温度 过高 因此 疏水温 度更接 近饱和温 度，在 传 输时容易产生汽化，给运行的安 全性，可靠性带来 危害；三是 疏水 温度 过 高会 加重下级 高加的工 作 负荷，造成下级疏水端差进一步增大。因此本课题的任务就 是要 找出导致疏水端差过大 的原因，并 通过 对高 压加热器 流动状 况及结构的改进来解决这一问题。二疏水端差过大问题原因的初步分析 对特定的热 交换 器，在换热介质 换热器材料一定时，其传 热特 性主要受流动状 况、换热器结构 形式的影响 所以在分析问题时应特别注意这两 方面的情 况。高压给水加热 器是 一种 比较复杂的热 交换器 内部传 热过程包 括汽一一 液传 热，冷 凝传热和液一一液传 热。结 构按 三段式设计，即过热蒸 汽冷却段、蒸汽凝结 段和疏水冷却 段。如图 1 所示：上袅琉柬入 口 蒸汽斗奇段 蒸汽入 口 碧束出口 图 1 高加结构图 口 维普资讯 第九卷第五期 能源研究与信息 在过热蒸汽冷却段进行 的是 汽一一液热交换，按设 计 过热蒸 汽在此段 内被 给水 冷却至饱 和蒸 汽；在蒸汽凝 结段进行 的是冷凝传 热，按设计 过 热蒸汽冷却段进 入的饱 和蒸汽 在此段 内全部被给 水冷凝 成饱 和水 另外许多 高压 加热器在此段 内还有上级高压加热器 的疏 水加人，此 段的作用 因此 还应把这部分疏水冷却到当地压力的饱和水；疏水冷却段进行的是液一一液传热，按设计，蒸汽凝 结段 的饱和水(疏 水)在此 段 内被给 水冷 却成过冷 水。疏水 端差 过大，亦 即疏水 出 口温度过高，使高 压加热 器的运行达 不到设计 指标，降低 了换 热器 的效率，同时也使疏 水传输 时易 产生汽化，影 响设 备的安 全运行。因此必须 找出疏水端差过大的原 因，在设计 中加 以解决。因此我们参 阅了上海 电站 辅机厂高压给水 加热器的设计 资料，经分析，我们认 为原 因不是单一的，而是多 方面的。首先，疏冷 段是问题的 关键 这是 由它 在高加 中的作用 所决 定；其次，由于 疏冷 段是整个高加的 一部分，它的运 行情况必然会受 它上游的另外两部分换 热段运 行情 况的影响，如果 上两部分 的运行 达不到设计 要 求，疏冷 段将会 受到影 响 而达不 到设计 要求；第 三，在 三段 换热器 中，疏 冷段 的 热 负荷最 小(例 如 6 6 6 0 7 Y型高加、蒸冷段、冷凝 段、疏冷段的热 负荷 的 比为 3 5：2 3 2：1)，在实际 运行 中很难使换 热 器 完全符 合设计要求 因此 一但存在差异，疏冷段所 受影 响是 最大的，最 易偏 离设计要求。下面把 找们认 为可影响疏水端差过大 问题 的具体原 因介绍一下：1 过热蒸汽冷却段 对疏水端差 的影响 如果在此段 内实际运 行效果偏离设计要 求，将会对其后的冷 凝段和疏 冷段 的运行情 况造 成影 响。因为换热器是按每段应传递的热负荷 来设计的 f 如图 2)假如 老J 琉】段 岭 凝 段 蒸 辛 段 j _ f I A l，设计琉木靖盖 图 2温 差 图 维普资讯 4 0 高压加热器疏水端 差问题 的研究 V o 1 1 0，N o 4 在此段 的设计 上存在着某些 问题，如在结构上有过多 的死 区而热 力计 算没考虑。污垢热 阻的选取是 否代表 实际情 况等，将使此段在实 际运行时 完不 成该段所要传递 的热负荷，从而使该段 出 口处 的蒸 汽还 有一 定的过热 度，那将加大下一 阶段的热 负荷，而这部分增加 的热 负荷是 下一段一 一凝结段热 力计 算 中所没 考虑的，因而将使其传热受到影 响。但 由于蒸冷段 的热负荷 与冷凝段 相 比是 比较小 的，所 以估计不会造成过大的影响。这 个问题可 以通过对流动情况 的比较准 确的数值计算而进行定 量分析。同时可 以配 以实际测量的温度分布值 进行 比较。2 冷凝段 对疏 水端 差的影响 A疏水过冷度 的影响 按照设计 此段出 口的水是饱和 的。但实 际上很难保证 出 口处 的水是饱 和水。它很有可能是具 有一定过冷度 的过冷水。冷凝段的传 热及 流动情 况如图 3所示，饱和 蒸汽 在管外作横掠圆管冷凝 图 3蔫 冷段凝结过程示意 图 放热，管 内是 给水。根据传热学原理，蒸汽在管外凝 结时会在管外壁产 生液膜，蒸 汽实际上是在液膜 上凝结的，因而液膜的外表面处于饱和温度，而其 内部则必然是过冷的。对高加来讲，越是下排的管 子，液膜越厚，因而过冷度越大，当液膜落至冷凝 段底部时形成疏水，此处 的疏水应该 是具有一定过 冷度的过冷水，这 一点与设 计时认为的饱 和水是不同的。过冷度 的大小 与冷凝 段 内给水温度，流动 维普资讯 第十卷第四期 能源研究与信 息 的扰动，管排 布置及底部疏水与蒸汽 的接触等情况有关。过冷度 的存在有利于 降低疏 水端差，这是 毫 无疑 问的只是 它的大小 在热 力计算 中并无论述，因此应该进行定量分析，可以利用有关 的管外凝 结换热机理及公 式进行理论分析。通过 实测疏 水温度进行对 比。B 疏 水过 热的影响 对有上级疏 水加人的高压加热器，由于从上级加热器 进人冷凝 段的上级 疏水温 度一般 大于本 级 冷凝段 内的饱 和温度(t=5 6 C)，而且从结构上看，这部分疏水没有进 行很 好的换热，几乎直 接进人 冷凝 段的疏 水 中。这部分疏 水的主要换热有这样几部分：闪发：由于上级疏 水的压力大于本 级 饱和压力，所 以在进人 冷凝段 时有一部分疏水 闪发 为蒸汽；掺混：当较热 的上 级疏水进人本级疏 水中时，会发生掺混换热，使疏 水温 度有所上 升；汽化：进人疏水 中的过热上 级疏水，在一定条件下 可将部 分疏水加热 至汽化，当汽化速 度和 向疏 水外部传热速度 较小 时，也 可能使疏 水过热，从而使 高加的工作状态偏离设计值，增加 了疏冷段的热 负荷，使疏水端差 增加。上级疏水加人时对疏水端 差 的影响可 以通 过热平衡来进行定量分析。这一 影响与疏 水过冷的影响是相反 的，疏水温度是这两 个因素综 合作用的结果。C 疏水带汽的影响 在冷凝段 内 当冷凝 水从冷凝 管上掉至底部 时将会 对疏水产生 冲击 扰动。这 种扰动往往会使部 分蒸汽披夹带于饱和水 中，产 生水 中带汽 的现象。对有上级疏水加人 的高加，疏 水带汽现象将 更为 严重。因 为这一疏水量较大，不仅 冲击扰动很大温度也 高，在与本级高加的疏 水混合 时将 有部分汽 化，由于汽化而产生的蒸 汽有一部分来不及排 出疏水或 披冷 凝，而 披疏 水夹 带进人 疏冷段，进人疏 冷段的疏水如果 带汽，将会 对疏水端差造成较大 的影响。以 6 6 6 0 7 Y型高 加为例，当疏 水 中质量含 汽率在 0 1 时，疏 冷段 的热 负荷将增 加 2 2 。从 实际运行情 况看，疏水带汽确 实存在，因为在运 行过的高加疏冷段 人 口管子上发现了汽蚀现象。带汽量的多少要通过实验测 量或 热力计算 来确 定，实验测量 应更 加准确。3 疏冷段对疏水端差 的影响 结构的影响 由于疏冷段是包 在整 个高加中的，它的结构受布置条件的限铜，存在相当的不合理性。以 6 6 6 0 7 Y型高加疏 冷段 为例(见图 d)。维普资讯 高压加热器疏水端 差问题 的研 究 Vo I 1 0，N o 4 图 4疏冷段流动结构示意 图 疏水 人口在底部正 中间，疏 水 由下 向上流进疏 冷器，然后 向一侧转弯，流进下一个 间隔。从 图中 可以看出 第一 个间隔 几乎有一半的空间是死 区，这部分 的换 热面、授有 得到 充分的利 用，而 在高加 的设计 中并没有 考虑这部分的特殊情 况，把它仍按其它两 个正 常的 间隔看待。这必 然导 致疏冷段 的 换热能力达不到换热要求，无法承受设计 的热负荷，因而也是导致疏水端差过大的原因。在本倒中，死角区的传热面积超过整个疏冷段换热面积的 1 6，因而对疏水端差的影响是很大的。由于在其它 间隔 中也 存在着死角区 设计时 已扣除，因而第一 间隔的死角区也 被扣除了一部分。所 以该死 角区 的影 响还要进行具 体计 算才能确定。另外，间 隔的大小，隔板缺 口的高低 等结构因素也会 对疏水端 差 产生影响，也应进行具体分析。B 沿程压降的影 响 疏水在进入疏冷段时及在其 内流动时，会产生局部和沿程压 降，该压 降的大小 将在一定程度上 对疏冷段的传热造成影响。如果压降过大，使疏水有部分汽化，将严重影响热交换器的传热情况，导 致疏水端差的变化。通过数值计算来确定疏冷段内的流体温度及压力分布，对比相应的饱和压力及 温度，即可 以了解到是否会使疏水 由于碱压而引起汽化 C 包汽 加热的影 响 由于疏 冷段 被饱 和蒸汽包 围着，所以饱和蒸汽通过疏冷段 包壳对疏水进行再 加热，虽然这部分 加热在设计时 已考虑到，并进行 了修 正，但 由于没有仔细 考虑疏水的 流动在 各个部位 的差 异 各段 内温度变化情况，所以修正可能是不准确的，应重新计算。D短路问题的影响 维普资讯 第十卷第四期 能源研究与信息 4 3 由于在加工、安装方面存在着误差，以及 热膨 胀的不均匀性，在疏 冷段 内管子与隔板，隔板 与包 壳之 间不可避免地存在 着缝 隙，一部分 流体 将通过这些缝 隙直接进人 下一 间 隔，形 成流体 的短路。这样，这 部分短路 的流体没有参与正 常的换 热，使 得疏 冷段 的实际换热 能力 下降，造成疏水端 差增 大。短路 流体 的多少取决于 缝隙的大小及缝隙两边 的压 降，要对实际产 品的有 关尺寸及流动情 况有 确切的 了解 才能确定。4 非设计 工况对疏 水端 差的影响 当高加 的实际运行 工况与设 计工 况不 同时，其换 热能力将受到影响。因而疏水端差 也会受到影 响 影响的大小可 以通过对 不同工 况重新进行热 力计算 或实验测定来确定 三解决 问题的基本思路 在上 一部分 中 我们 对可能影 响疏水端差 的诸 因素作 了比较详细的分析，讨 论 了它们对疏水端 差的影响方式，并简单介绍 了定量确定这些 影响的方法。由于 高压加热器 内部的流动及传热是相 当 复杂的。所 以必须采取理论分析、热力计算、数值计算及 实验测 量相 结合 的办 法才能给出定量的结 果。通过对这些结果 的分析，即可 以找到解决问题 的办法 根据一 般的传热原理，换热器设计制造 技术 以及考虑具体高加及其疏冷段，可以有 以下 几类方法来解决疏水端 差问题：1 改进结构：疏水端差过大，归根 到底是换 热量 的 不足，结构 的不合 理因 素是 造成换 热器效 率降低的一个重要原因。因此对不合理的结构进行改进必然会使换热量增加，从而降低疏水端差。2 增加换 热面：有时结构的 不合理受加工、安装、运行等 条件 的限制而无法改进，因而换热量 的增加只能靠换热面 的增加来 实现，这是 降低疏 水端差最有效 的办法。但 这会使换热器 的体积、重 量及造 价等都有所提高。3 提高制造、安装精度：制造、安装误差不仅会 使结构之 间缝 隙增大，带 来短路 问题，也会 改变 流体流动状态，使换热器效 率降低。因此，提高制造、安 装精 度也可 以达到减少 疏水端差的 目的。4 合理布置流动：根据换热 原理，合理设计 流动 状态，提高冲刷性能，将有 利于增 强传 热能力，减 少疏水端 差。例如在冷凝段 内加人 的上级疏水 的流动就 不很合 理，没有经 过较 好的换热就进人 了 疏水 区 这必然会 对疏水端差造 成影 响。实际上，以上的措施可 以综合应用，这要视 具体情况而定。四实 验 系统 为了对影 响 因素进行 准确 的定量分析，实际测量运行 中的高压加 热器 的有关参 数是 十分必要 的。下面 介绍 一下我们 对实验工作的初步设想：1 需 要了解的参数：根据 对可能影 响疏 水端 差的因素 的分析，我们认为应通过实验测定 以下参数：1)加热器 各段进出 口处的温度、压力；2)上级疏水的温度、压 力及 流量；3)给水流量及进出 口温度、压力；4)疏 水进 入疏冷段时的含汽率；维普资讯 高压加热器疏水端差 问题 的研究 V o 1 i 0，N o 4 5)条件许 可的话 测量疏冷段 内的 温度、压力分布；6)疏冷段压 降。2 实验测量 系统及测 点布置 方案 根据所要考虑的影 响因素及所需测量 的参数，我 们初 步设计 了实验测 量系统及 测量布置 方案 如图 5。实验应该在高压加热器实际运行时进行，即实验最好是 现场实验。图 5实验 系统 及测 点布 置 参考文献 是美 中、王 中锋，热交换器原理及设 计，东南 大学 出版社，1 9 8 9年。平吁电厂 6 0万千瓦汽轮机组 高压 加热器性 能考 核试 验报 告，华东 电力试验 所、上海 电站辅机 厂、淮 南平 吁电厂。电站用高压 加热器设 计说 明书，上海 电站辅机厂。维普资讯