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對在役機組及新設(shè)計的凝汽器采用不銹鋼管進行了技術(shù)和經(jīng)濟上的可行性分析。

目前國內(nèi)的凝汽器所用的傳熱管材絕大多數(shù)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(zhì)較差,一般均為河水、地下水或海水等,所以仍有腐蝕產(chǎn)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(fā)生泄漏。由于泄漏使凝汽器殼程真空下降和凝結(jié)水水質(zhì)變壞,導致汽輪機效率下降,增加凝結(jié)水處理設(shè)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(shù)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(jù)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(zhì)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(chǎn)生泄漏。所以不銹鋼管的凝汽器既可確保不產(chǎn)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(tǒng)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(zhì)量的提高,已達到了無縫管的質(zhì)量標準,成本又遠低于無縫管。這樣在國外被廣泛應用,依據(jù)冷卻水的水質(zhì)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(shè)計的直接采用不銹鋼管的方案。為在技術(shù)和經(jīng)濟上的可行性,作如下分析。

1可行性技術(shù)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(guī)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(shè)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(jīng)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(jīng)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(guī)格為Φ25,厚1 mm時,其傳熱系數(shù)一般為2 906～3 487 W/(m 2・K);如采用VLX304、VLX316或VLX290Mo、規(guī)格為Φ25,厚0.5 mm不銹鋼管更換銅管時其傳熱系數(shù)變化為:此時傳熱管兩側(cè)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(shù)低于銅管,所以其管壁熱阻增大,不銹鋼管兩側(cè)的放熱熱阻不變,則傳熱系數(shù)下降。對銅管的傳熱系數(shù)K=2 906～3 487 W/(m 2・K),不銹鋼管為Φ25,厚1 mm導熱系數(shù)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(shù)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(shù)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(shè)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(chǎn)生振動的可能,為此應經(jīng)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(chǎn)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(jīng)凝汽器產(chǎn)生各種激振頻率不與管束固有頻率相重合,而不產(chǎn)生共振,則不會引起產(chǎn)品破壞;第二種是強度理論,即流體流經(jīng)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(chǎn)生破壞;第三種是能量理論或稱阻尼理論,即流體流經(jīng)凝汽器產(chǎn)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(wěn)定狀態(tài)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(chǎn)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(jù)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(jīng)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(guī)格Φ25,厚1mm,長度8.4 m,數(shù)量10 330根;質(zhì)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(shù)量10 330根,則質(zhì)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(zhì)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(jié)水水質(zhì)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(jù)上述技術(shù)和經(jīng)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。