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文章編號:1001 - 2060( 2006 )05 - 0512 -04基于凝汽器強化傳熱技術的循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)水研究王偉,孫奉仲高明，王凱(山東大學能源與動力工程學院,山東濟南250061 )摘要:從提高凝汽器換熱系數(shù)出發(fā) ,在保證真空不變的前由于冷卻水在循環(huán)利用過程中水分不斷蒸發(fā),提下引出臨界污垢熱阻的概念通過分析臨界污垢熱阻和水中難溶鹽離子濃度不斷增加,逐漸達到過飽和狀循環(huán)濃縮倍率的關系將強化傳熱和循環(huán)水節(jié)水問題結合起態(tài)從水中析出成垢11%。污垢熱阻的存在導致凝汽來研究并通過實例計算出相應的節(jié)水量。研究表明在凝器換熱系數(shù)降低。如果采用強化傳熱技術彌補由于汽器真空和其它換熱條件不變時增大凝汽器換熱管汽側換污垢熱阻的存在而減小的換熱系數(shù),則可保證凝汽熱系數(shù)可以增大臨界污垢熱阻,從而提高循環(huán)水的濃縮倍器的總換熱系數(shù)不變。如將能夠實現(xiàn)滴狀冷凝的換率達到循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)水的目的并且?guī)砜捎^的節(jié)水效益和環(huán)保效益。文中分析了某300MW機組凝汽器采用強化熱管應用于凝汽器可大幅度提高管外換熱系數(shù)達傳熱管后汽側換熱系數(shù)顯著增大在達到原設計真空下，該到提高凝汽器總換熱系數(shù)的目的[7-10。因此在換機組每年因此可以節(jié)水約86.9x 10*t。熱效果不變的前提下強化換熱管所允許的污垢熱關鍵詞循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)水凝汽器強化傳熱;臨界污垢阻肯定大于普通換熱管。這意味著,前者對循環(huán)水熱阻濃縮倍率水質的要求比后者低,此時可適當提高前者所對應的循環(huán)水濃縮倍率，達到節(jié)約循環(huán)水的目的。由于中圖分類號:TK124.7 TK212.2文獻標識碼:A循環(huán)水補水量減少,用于水質處理的藥劑量相應減1引言少,同時為維持循環(huán)水系統(tǒng)總流量不變系統(tǒng)排污量也相應減少。這樣,就從節(jié)能的角度不僅實現(xiàn)了節(jié)火力發(fā)電廠是耗能和耗水大戶,隨著能源意識水的目的還降低了藥劑處理費用減小了污水排放和節(jié)水環(huán)保意識的增強,人們已經開展了電站節(jié)能對環(huán)境造成的污染達到一舉數(shù)得的效果。和節(jié)水工作的研究[1-2]并且都在各自的領域取得本文基于上述思路把節(jié)能和節(jié)水的研究工作統(tǒng)了顯著成效。一起 來。電站中的節(jié)能工作開展的比較早人們嘗試使用各種方法提高換熱系數(shù),如新型換熱管件的引入2臨界污垢熱阻及其影響因素和各種強化換熱管的使用[3-6]。值得一提的是,目前電站普遍使用的凝汽器換熱管其汽側換熱方式2.1定義為膜狀冷凝然而現(xiàn)在國內外已有關于凝汽器換熱在汽輪機排汽參數(shù)和凝汽器結構一定以及抽氣管珠狀冷凝的研究[7-9]，并將此項技術應用于實際設備正常工作的前提下,凝汽器達到規(guī)定的真空度運行汽側換熱系數(shù)將提高5~ 10倍10]。這樣凝汽所允許的水側污垢熱阻的最大值定義為臨界污垢熱器即使在相對較差的換熱條件下也可以維持規(guī)定的阻,記為Re。水側污垢熱阻超過該值時凝汽器真真空度。如機組夏季運行時凝汽器入口的循環(huán)水空將低于規(guī)定值。溫度比較高導致凝汽器真空度下降,-般情況下,清潔的凝汽器一般能滿足真空的要求,隨著運.現(xiàn)場通過增大循環(huán)水流量來維持凝汽器中一定的真行時間的增加水側污垢逐漸增加換熱管的換熱效空度這不僅增加了系統(tǒng)水耗而且也增加了循環(huán)水果降中國煤化工降低。當水側污垢增泵電耗,大大提高了運行成本。如果將強化換熱管大到|Y片CNMH G可以滿足要求但如果.引入凝汽器就可以在運行成本基本不變的情況下再增加真空就達不到規(guī)定值。保證凝汽器規(guī)定的真空度。收稿日期2006 -02-27 ;修訂日期2006 -05 -24作者簡介王保插_ ),女,山東聊城人山東大學碩士研究生現(xiàn)在山東電力研究院工作.第5期王偉等基于凝汽器強化傳熱技術的循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)水研究513.2.2臨界污垢熱阻與汽側換熱系數(shù)的關系為討論汽側換熱系數(shù)與水側污垢熱阻之間的關Cp~ P2+ P3系，認為凝汽器換熱管汽側是潔凈的。凝汽器總換其中:Q- _循環(huán)冷卻水總流量(假定為常數(shù)),/h;熱系數(shù)表達式可表示為:p-補水率,即:補充水量占循環(huán)水總流量的百分K°Kσ+Kx+°+Rf(1)數(shù),%;P-蒸發(fā)損失率,即:單位時間的蒸發(fā)損失占循環(huán)水總流量的百分數(shù),% ;P,- -風吹泄漏損失水側污垢熱阻增大到臨界污垢熱阻時的凝汽器率即:單位時間的風吹泄漏損失量占循環(huán)水總流量總換熱系數(shù)定義為臨界換熱系數(shù),記為K。其物理的百分數(shù),%;Pz--排污率,即:排污水量占循環(huán)水意義為:在汽輪機排汽參數(shù)和凝汽器結構一定以及總流量的百分數(shù),% ;Cg- 補充水的鹽濃度;C,- -循抽氣設備正常工作的前提下,只要凝汽器換熱管的環(huán)水的鹽濃度;k-濃縮倍率?？倱Q熱系數(shù)大于該臨界值凝汽器真空就可以滿足Rj隨水質的變化而變化[14] ,在其它條件不變.規(guī)定值的要求。臨界換熱系數(shù)的表達式為:時,且把R/看成濃縮倍率的函數(shù)并忽略循環(huán)水水(2)質對時間常數(shù)的影響15。對應濃縮倍率為kq 和h2 .當凝汽器汽側換熱系數(shù)增加為K汽' ,水側換熱的循環(huán)水系統(tǒng)其漸近污垢熱阻模型分別為:Ry= R*( hqI 1-e-b0](9)系數(shù)保持不變時,為保證規(guī)定的真空度要求臨界換R'= R}( k2I1-e-6]( 10)熱系數(shù)不變。其表達式變?yōu)?假定運行相同的時間θ。，兩種循環(huán)濃縮倍率對下?！癒離+K水+元+Ry'(3)應的污垢熱阻都達到臨界污垢熱阻,此時可計算出式2)與式(3)相減并令K汽'/K汽=a得:濃縮倍率增量的最大值。R;'- Rje=( a-1 )/aK汽(4)R,= Rj( kI1-e-bo](11 )上式說明凝汽器換熱管汽側換熱系數(shù)增大時Re'= Rj(k2I1-e-6:]( 12)所對應的臨界污垢熱阻增加。即:此時適當增加水兩式相減并將式(4)代入得:側的污垢熱阻不會影響換熱管的換熱效果,凝汽器[ Rj(k2)- R*(h)I1-e-0o]=qx(13)真空仍能滿足規(guī)定的要求。aK汽為描述方便,定義函數(shù):f( k)= Rj( k),則式2.3臨界污垢熱阻與循環(huán)濃縮倍率的關系在清洗周期相同的條件下,-定的污垢熱阻對( 13 )可以表示為:應一定的循環(huán)水濃縮倍率,它們之間是一一對應的(h)-(h)= :aK;汽[1-e-b0o]( 14)關系。當允許的污垢熱阻值增大時其對應的濃縮等式兩端同除以( k2-k),得:倍率也相應增加,即:此時可以適當降低對循環(huán)水水1( k2)-f( k)a- 1質的要求。h2- hyaK汽[1-e-0I k2-h)(15)研究表明,絕大部分的污垢熱阻隨時間增長都在k和k.2相差不大的情況下,等式左端可以屬于漸近型[12]。根據(jù)污垢熱阻這一特點,污垢熱阻看成函數(shù)I(h)在k=k時的斜率,記為m。其物理與時間的關系可用公式表示為:意義為:循環(huán)濃縮倍率為kt時漸近污垢熱阻隨循Ry= R*[1-e-](5)環(huán)水濃縮倍率的變化率。由此可得:其中:R*-漸近污垢熱阻( m2 K)/W ;1/b- -時間a-( hz- h)=.( 16)常數(shù),h;θ一時間,hoaK汽[ 1-e-b。]m循環(huán)水系統(tǒng)內存在下述平衡關系[13]:在函數(shù)j(k)已知的情況下根據(jù)式(16)計算出水量平衡在不影響凝汽器換熱效果時,因 提高凝汽器汽側換Qx P= Qx( P1+ P2+ P3)(6)熱系中國煤化工率的增量。鹽量平衡YHCNMHGQx Px Cg=Qx( P2+ P3)x C,(7)3節(jié)水分析由式( 7)得:Px Cg=( P2+ P3)x C。(8)定義濃縮倍庫數(shù)據(jù)3.1 濃縮倍率與節(jié)水的關系514.熱能動力工程2006年根據(jù)相關文獻[ 16 ]所列蒸發(fā)損失率和風吹泄漏已知數(shù)據(jù)凝汽器汽側換熱系數(shù)K汽=4 833 W/損失率的計算式取P=1.3%和P,=0. 1%進行分(m2 K) ,循環(huán)水總流量Q=31 770 t/h污垢熱阻漸C_P近值R; =2.5x10-(m2 K)/W清洗周期θo=5h,析。根據(jù)濃縮倍率的定義:h =Cp P2+ P3將上述時間常數(shù)1/b=45h。文獻[6]指出通過實驗驗證P和P2的取值代入得:a可以達到13 ,文中取a=5進行分析。將已知數(shù)1.3+ P3( 17據(jù)代入式(16)和式(22),并取運行中的循環(huán)濃縮倍0.1 + P33.8x 10-4Pr并由此推出補水率P與濃縮倍率的關系:率h=3進行分析，得:Pr-P%, =二2m+5.84x10p_1.3h( 18)上式表明:當蒸發(fā)損失率P,確定后,節(jié)水率僅是m排污率P;與濃縮倍率的關系:的函數(shù)。圖1給出了當P,= 1.3%時,循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)水率與m之間的變化關系曲線。p,=1.4-0.1h( 19)k:- 1以上兩式表明:當風吹泄漏損失率和蒸發(fā)損失0.70率確定后循環(huán)水補水量和排污量只取決于濃縮倍率并且隨濃縮倍率的增大而減小。這意味著增大0.50濃縮倍率可以減少循環(huán)水補水量和排污量從而達到節(jié)水和降低排放污染的目的。0.30 t3.2節(jié)水量0.20上述分析充分說明:當凝汽器汽側換熱系數(shù)增0.10 5加時,在不影響凝汽器換熱效果的前提下適當增加0.000.0000 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.0010水側的臨界污垢熱阻可以達到節(jié)水和降低排放污染的目的。由式( 18)可知:當濃縮倍率為k, 時,補水率表示為:圖1P1=1.3%時循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)水率1.3k1隨m變化的關系曲線(20 )當濃縮倍率為k2時補水率表示為:從圖1可以看出隨著m的減小,節(jié)水量呈增_1.3h2 .(21 )大的趨勢，并且m在較小的基礎上減小時,節(jié)水量2= k2-1增加幅度更明顯。由m的定義知其取值與循環(huán)水兩式相減即得節(jié)水率:水質有關,當水質變化時,m的取值也相應發(fā)生變1.3x( k2- k)Pa1-Ph2=(h1-1Xk2-1)(22 )化。如前所述,由式( 16 )可計算出( k2-k1)。由于這表明對于不同的循環(huán)水水質凝汽器強化傳實際運行中h;是已知的，進而可以得到h2將計算熱技術所帶來的循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)水量是不同的。實際結果代入式(22)即可得所對應的節(jié)水率。應用中,可以根據(jù)不同的循環(huán)水濃縮倍率和水質特同理將濃縮倍率分別為k\和k2所對應的排征查圖1得出節(jié)水量占循環(huán)水總量的百分比然后污率相減,即可得此時減少的排污率為:根據(jù)循環(huán)水總流量計算出節(jié)水量。例如,根據(jù)實際1.3x( k2-h1)運行中的水質特征,當m=2x10-4時查圖1可得( P3)1-( P3)a=j(23 )(h-1Xh2-1)節(jié)水率為0.38%。已知循環(huán)水總流量Q=31 770 t/對比式( 22 )和式( 23 )可得,節(jié)水率和減少的排h因此節(jié)水量為31 770t/hx0.38%= 120.7 t/h機污率是相等的。組年中國煤化工則年節(jié)約補水量86.9x 10:YHC NM H G應減少86.9x 10t。3.3實例計算4結論利用上述分析結果,以文獻[ 17 ]給出的某300MW機組凝汽器參數(shù)并參考文獻[ 18 ]中有關的污垢本文給出了循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)水的一種新思路,即熱阻試驗數(shù)據(jù)為捌進行計算。在不影響機組安全性和經濟性的前提下”,犧牲”一第5期王偉等:基于凝汽器強化傳熱技術的循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)水研究515-部分強化傳熱的效果達到節(jié)約循環(huán)水的目的。從[5]譚羽非陳家新.新型不銹鋼波紋管性能及強化傳熱的實驗研理論上建立了各物理量之間的關系,通過實例計算究J].熱能動力工程2003 18 1)47-49.6]姚壽廣朱德書.針肋套管換熱元件的傳熱及阻力性能試驗研出相應的節(jié)水量。通過分析得出下列結論:究與分析J].中國電機工程學報2000 20( 10)71-74.( 1 )將強化傳熱技術應用于凝汽器換熱管,不[7]馬學虎徐敦頎.實現(xiàn)水蒸氣滴狀凝結傳熱表面的研究[J].大僅可以提高其換熱效果而且對循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)水有重連理工大學學報,1994 34(6) 660 - 666.要貢獻。. [8] SUGAWARA s ,KATSUTA K. Fundamental study of dropwise conden-(2)為了把凝汽器的強化傳熱技術和循環(huán)水系satior[ J ]. Proc Third Int Heat Transfer Conference ,1966 2 354 -統(tǒng)節(jié)水問題結合起來,引入臨界污垢熱阻的概念是[9]黃明全李增印.發(fā)展中的滴狀冷凝強化換熱研究J].艦船科36非常必要的。學技術2002 24(4):52 -56.(3)在換熱效果和換熱條件不變的前提下,增[10]王乃華李淑英.鎳基滲層管表面實現(xiàn)珠狀凝結的研究[J].動大凝汽器換熱管汽側換熱系數(shù)可使臨界污垢熱阻增力工程2002 22( 3):1804- 1807.大進而可以相應地提高循環(huán)水的濃縮倍率達到循[11]周利民循環(huán)冷卻水系統(tǒng)碳酸鈣垢的形成及控制研究[J].工業(yè)用水與廢水2005 30 1):19-31.環(huán)水系統(tǒng)節(jié)水的目的。(4)從節(jié)水的長遠目標看,在不影響機組安全[12] 楊善讓,徐志明,換熱設備的污垢與對策[ M].(第二版).北京科學出版社2004.性和經濟性的前提下凝汽器帶垢運行”是值得考[13]楊繼廣.循環(huán)冷卻水高濃縮倍率運行的實例分析[J].工業(yè)水慮和實踐的。處理2004 24(7)56 - 59.[14]劉金平劉雪峰.凝汽器冷卻水污垢熱阻的研究[J].中國電機參考文獻:工程學報,2005 25( 15):100- 105.[1]陳國慧,林萬超,邢秦安等.改變補水方式的節(jié)能效益解析[15]張琳.模擬凝汽器管側微粒污垢的實驗研究[J].東北電力技術,1997 12 24-26.[J].熱能動力工程2000 15(1)69-70.[2]李勇董玉亮.考慮節(jié)水因素的凝汽器最佳真空的確定方法[16] 陳愛民循環(huán)冷卻水零排污”運行方案研究[ A].2001全國水處理技術研討會論文集[ C].重慶:中國化工學會，2001.123 -[J]動力工程2001 21(4)1338- 1341.128.[3]高虹曾丹苓.自激振蕩脈沖射流強化換熱實驗研究[J].熱[17]張卓澄.大型電站凝汽器[M].北京機械工業(yè)出版社,1993.能動力工程2003 ,18 4)349 - 351.[4] 吳慧英,帥志明.凝結換熱器采用螺旋槽管的強化傳熱研究[18]董東華.污垢對電廠凝汽器的影響及凝汽器膠球清洗裝置的最優(yōu)運行工況[D]廣州華南理工大學2002.[J].化工學報1997 48(5) 626 - 630.(輝編輯)新技術新產品出曲線形葉片噴嘴葉柵的試驗研究《TenulosHeprerHka)2005年11月號介紹了在具有徑向葉片、鐮刀形葉片和馬刀形葉片的跨音速導向器葉柵內氣體流動情況的葉型損失和二次流損失比較性試驗研究的結果。在具有鐮刀形葉片(葉片中心線向葉背一側凸起)的噴嘴葉柵產生強烈的二次流動其方向從葉片間通路的端部表面流向中間截面增加了中間截面內流動的氣動力收斂性,并略微減小了葉型損失(與徑向葉片時的葉型損失比較),此時二次流動和損失明顯增加(一直到氣流從端部表面分離為止),葉柵內總損失約增加0.02。.在具有馬刀形葉片(葉片的中心線向葉盆一側凸起)的葉柵內,正好相反強烈的二次流動從中間截面流向葉片間通路的端部表面減小了中間截面內的氣動力收斂度并略微增加了葉型損失。但是這時二次流動和損失明顯減少并在超音速流動情況下實際上消失總損先約保護氣在經自時比中的一樣。試驗結果與利用三維粘性流動模型的計算數(shù)據(jù)的定性和中國煤化工這證實了由IIHAM(俄羅斯中央航空發(fā)動機制造研究所)制定的計算方法和模型的重MHCNMHG結果表明通過合理地選擇葉片的曲線形中心線的形狀可以優(yōu)化噴嘴葉柵。(吉桂明 供稿)