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對在役機組及新設計的凝汽器采用不銹鋼管進行了技術和經濟上的可行性分析。

目前國內的凝汽器所用的傳熱管材絕大多數為銅管,主要是H68、HSn70-1等。銅管雖有較高的抗蝕能力,但由于冷卻水的水質較差,一般均為河水、地下水或海水等,所以仍有腐蝕產生而使銅管遭到損壞;另外由于銅管與碳鋼管板僅為脹接,時常發生泄漏。由于泄漏使凝汽器殼程真空下降和凝結水水質變壞,導致汽輪機效率下降,增加凝結水處理設備。特別是對亞臨界和超臨界機組,為減少給水對碳鋼材料的沖蝕,往往對電廠汽水回路中的水進行處理,并加氨提高給水的pH值,這樣就導致對銅管的沖蝕,使銅管在高壓高溫水中與水中的氨作用而溶解于水中,并會析出附著于汽輪機葉片等重要部件上,引起汽水回路中銅的沉積,所以對于大容量和高參數機組的凝汽器管也很少用銅及銅合金管。

近年來國外普遍開始采用不銹鋼管的凝汽器,據國外資料介紹,采用奧氏體不銹鋼VLX316可以克服一般冷卻水水質的腐蝕問題,可用到氯離子含量小于500 mg/L的冷卻水,如用VLX290Mo鋼可用到氯離子含量小于10 000 mg/L。且由于采用不銹鋼管,與管板連接可為輕脹接后再加焊接。這樣既可解決銅管的腐蝕問題,又可使不銹鋼管與管板的連接處不產生泄漏。所以不銹鋼管的凝汽器既可確保不產生泄漏,省去了換管和維護等問題,又可延長使用壽命,一般可達30年左右。

80年代法國的瓦林諾克斯焊接鋼管公司(VALINOX WELDED)已研制成針對應用于汽輪機系統的焊接不銹鋼管,如凝汽器、給水加熱器和汽水分離再熱器等。用到凝汽器上的有VLX304、VLX316、VLX290Mo等。且由于焊接管質量的提高,已達到了無縫管的質量標準,成本又遠低于無縫管。這樣在國外被廣泛應用,依據冷卻水的水質的不同可分別采用VLX304、VLX316和VLX290Mo等。

為此,本文提出在凝汽器上采用焊接的有縫不銹鋼管以取代銅管,分為兩種形式:一種是對在役機組的凝汽器,在更換傳熱管時用不銹鋼管更換銅管,且可直接脹于管板上;另一種是新設計的直接采用不銹鋼管的方案。為在技術和經濟上的可行性,作如下分析。

1可行性技術分析

1.1不銹鋼管與碳素鋼管板的連接

對于在役機組的凝汽器,其傳熱管一般為HSn70-1Φ25,厚1 mm的銅管,管板為碳素鋼材料;如更換不銹鋼管可用VLX304、VLX316或VLX290Mo等管材,規格為Φ25,厚0.5 mm。這時的連接可直接采用管端脹接、焊接或脹接加焊接等三種形式均可。對新設計的可采用脹接加焊接的形式,其管板可以采用不銹鋼復合碳鋼板,不銹鋼管經輕度脹接于管板上后,再在覆層上作TIG焊接。

對于僅采用脹接的,很難做到連接處的不泄漏,所以對于銅管的凝汽器,不銹鋼管與管板的脹接處不能做到不泄漏,只是泄漏的多少問題;如采用不銹鋼管既可做到脹接,又可焊接,從而可以達到其連接處不泄漏,省掉了銅管凝汽器的經常換管和檢修維護工作。

1.2傳熱性能

對于銅管的凝汽器,當管材為H68或HSn70-1,規格為Φ25,厚1 mm時,其傳熱系數一般為2 906～3 487 W/(m 2・K);如采用VLX304、VLX316或VLX290Mo、規格為Φ25,厚0.5 mm不銹鋼管更換銅管時其傳熱系數變化為:此時傳熱管兩側的放熱條件無變化,僅為傳熱管變化引起管壁熱阻變化,由于不銹鋼的導熱系數低于銅管,所以其管壁熱阻增大,不銹鋼管兩側的放熱熱阻不變,則傳熱系數下降。對銅管的傳熱系數K=2 906～3 487 W/(m 2・K),不銹鋼管為Φ25,厚1 mm導熱系數λ=104.6 W/(m・K),則其總熱阻R t=1K=0.000 34～0.000 29(m 2・K)/W,管壁熱阻為R tt=δλ=0.001104.6=9.6×10-6(m2・K)/W;當更換為Φ25,厚0.5 mm不銹鋼管時,其導熱系數λ=16.3 W/(m・K),管壁熱阻R tg=δλ=0.000 516.3=0.000 031(m 2・K)/W,則管壁增加的熱阻ΔR t=R tg-R tt=0.000 021 4(m 2・K)/W,總熱阻R g=R t+ΔR t=0.000 361 4～0.000 311 4(m 2・K)/W,傳熱系數K g=1R g=2 767～3 211 W/(m 2・K);傳熱能力下降約6%。

這樣對于在役的凝汽器或新設計的凝汽器用不銹鋼管取代銅管時,傳熱能力下降6%,但影響不大,因一般銅管凝汽器都有近5%～10%的余量,允許堵5%～10%的不銹鋼管,采用不銹鋼管由于不存在泄漏問題,可不考慮余量。

1.3管束振動

當用薄壁不銹鋼管取代銅管時,由于管壁減薄,且密度又比銅小,所以其管束的固有頻率將會下降,即有產生振動的可能,為此應經振動校核計算,估計對在役凝汽器有可能要適當增加隔板。

對判斷凝汽器管束是否產生振動破壞,推薦三種校核方法,第一種是共振理論,即流體流經凝汽器產生各種激振頻率不與管束固有頻率相重合,而不產生共振,則不會引起產品破壞;第二種是強度理論,即流體流經凝汽器相當于給凝汽器一種作用力—振動力,當這種振動力小于凝汽器管材的許用應力時,凝汽器不會產生破壞;第三種是能量理論或稱阻尼理論,即流體流經凝汽器產生激振力,相當于對凝汽器做功,當做功的能量大于凝汽器本身所具有的阻尼能量時,凝汽器會處于不穩定狀態而引起振動破壞。這三種方法同時滿足要求,方可確保不會產生振動破壞。

1.4抗蝕能力

不銹鋼的耐沖蝕和耐腐蝕性能遠好于銅及銅合金,但不銹鋼抗氯離子(Cl-)腐蝕能力較差,可依據冷卻水中氯離子的含量,選取不同材料的不銹鋼管。對一般冷卻水氯離子含量較低時(小于500 mg/L時)均可采用VLX316鋼。

2可行性經濟分析

2.1管材成本

以1 00MW機組的凝汽器為例,傳熱面積為6 815 m 2;傳熱管材料為HSn70-1,規格Φ25,厚1mm,長度8.4 m,數量10 330根;質量55.6 t。如換成相同傳熱面積的不銹鋼管,其傳熱管為VLX316材料,Φ25,厚0.5 mm,長度8.4 m,數量10 330根,則質量為26.2t。

銅管價格按3.5萬元/t,則銅管總價為194.6萬元;不銹鋼管價格按7萬元/t,則不銹鋼管總價為183.4萬元。如不銹鋼管壁厚取0.6 mm,則質量為31.5 t,總價為220.5萬元,由此可見當不銹鋼管壁厚選0.5 mm～0.6 mm時,其管材成本與銅管的相當。

2.2能杜絕泄漏

對維持凝汽器殼程的真空和殼程的凝結水水質大有好處。

能大大減少維護和更換不銹鋼管的工作量,且能提高使用壽命,與銅管比可提高1倍以上。

制造成本略有增加,因不銹鋼管與管板連接采用脹接加焊接,增加了焊接工序成本。

總之采用不銹鋼管的凝汽器的成本可以做到與銅管成本相當。

根據上述技術和經濟分析,對凝汽器的傳熱管推薦采用薄壁的有縫的焊接不銹鋼管。