凝汽器水侧清洁系数的在线计算

第54卷第6期2012年L2月汽轮机技术TURBINETECHNOLOGYVO154NO6DEC2012凝汽器水侧清洁系数的在线计算王建国，汪勇华东北电力大学自动化工程学院，吉林132012摘要分析了别尔曼公式和美国传热学会HEI公式进行凝汽器清洁系数的在线计算的可行性，对HEI公式进行数学分析并对各分量求导，可得变工况下凝汽器管束的传热系数与冷却管内水流速度、冷却水进口温度、管径及壁厚、管束的清洁系数之间的定量关系，并由此得出清洁系数，可为凝汽器清洗提供依据。关键词凝汽器；传热系数；清洁系数；在线计算分类号TK39文献标识码A文章编号10015884201206045503ONLINECALCULATIONOFTHECOEFFICIENTOFTHECONDENSERWATERSIDECLEANING一WANGJIANGUO，WANGYONGHUANORTHEASTDIANLIUNIVERSITY，COLLEGEOFAUTOMATIONENGINEERING，JILIN，132012ABSTRACTTHEEMPIRICALFORMULAOFBERMANANDHEIAREOFTENUSEDTOCALCULATETOTALHEATTRANSFERCOEFFICIENTOFTHECONDENSERINPOWERPLANTTOCOMPARETHESETWOMETHODS，THELATTERISAPPROPRIATEFORONLINECALCULATIONOFTHECOEFFICIENTOFTHECONDENSERWATERSIDECLEANINGACCORDINGTOANALYZETHEHEIFORMULABYMATHEMATICALMETHODANDDERIVATEOFEACHCOMPONENT，WECANGETTHEQUANTITATIVERELATIONSHIPBETWEENHEATTRANSFERCOEFFICIENTOFCONDENSERTUBEBUNDLEANDFLOWRATEOFCOOLINGWATER，INITIALTEMPERATUREOFCOOLINGWATER，PIPEDIAMETERANDTHICKNESS，THECOEFFICIENTOFTHECONDENSERWATERSIDECLEANINGFINALLY，THERESULTOFTHECOEFFICIENTOFTHECONDENSERWATERSIDECLEANINGCANPROVIDEBASISFORCLEANINGTHECONDENSERKEYWORDSCONDENSER；HEATTRANSFERCOEFFICIENT；CLEANNESSCOEFFICIENT；ONLINECALCULATION0前言凝汽器脏污是个缓慢不可观的过程，电厂运行人员一般通过凝汽器端差来判断凝汽器管束脏污的程度。但是端差增大的主要原因有循环水量不足、凝汽器冷却管结垢或汽侧积聚空气。文献1表明，机组正常运行时，单纯因循环水量减少不会对端差造成大的影响，所以根据端差法可以判断凝汽器水侧脏污和汽侧积聚空气程度。如何区分开具体是哪种原因引起的端差增大，文献2中给出了目前电厂的3种解决方法，但这几种方法均不能定量给出水侧脏污和汽侧积聚空气对端差增大的影响，故采用端差法判断凝汽器水侧脏污并非理想手段。美国传热学会HEI公式计算凝汽器总体传热系数时既简单明了，又能达到工业现场的要求。利用这一优势可定量分析出变工况下各因素变化时对总体传热系数的影响，并可计算出凝汽器水侧清洁系数来判断凝汽器是否脏污。该方法易于实现，用计算机编程可实现在线计算。1凝汽器水侧清洁系数的确定11理论依据凝汽器在最勿设让时，会据一些初参数来确定凝汽器收稿日期20120615的总体传热系数，但在实际运行过程中，凝汽器的总体传热系数会发生变化，文献3给出了清洁度定义，即脏污管的传热系数和清洁管的传热系数之比，以此为根据就可计算出清洁系数。12总体传热系数K的计算方法美国传热学会表面式蒸汽凝汽器规程HEI一1995规定，总体传热系数设计按下式计算K卢卢卢1式中，为总体传热系数，WM；为基本传热系数，WMOC，可查表或者查图取得；为冷却水入口温度修正系数，可查表或者查图取得；卢为管材和管壁厚修正系数，可查表取得；为冷凝管清洁系数。根据冷却水水质对冷凝管材料的影响，推荐选取如下数值铜管，080085；钛管，085090；不锈钢管，080090；也可参照表选取。13实际传热系数的计算方法理想情况下，凝汽器与外界大气之间不进行热交换这对于工程计算是完全容许的，根据传热学理论，列其热平衡方程式为QDKH一HATAWCT2一T2N作者简介王建国1963，男，博士，教授，研究方向电厂特殊参数检测及仪表智能化技术。456汽轮机技术第54卷_T2_T14LNT一T2式中，Q为凝汽器热负荷，W；D为凝汽器蒸汽负荷，即汽轮机排汽量，KGS；为汽轮机排汽比焓，KJKG；H为凝结水比焓，KJKG；为实际传热系数，WIN；为对数平均温差，；A为冷却面积，IN；W为冷却水流量，KGS；C为冷却水比热容，JKG；T为冷却水出口温度，OC；T为冷却水进口温度简称冷却水温，OC；T为汽轮机低压缸排汽温度，。14凝汽器水侧清洁系数计算文献4中认为，当机组真空严密性正常时，采用别尔曼公式计算出的总体传热系数与式3实际计算出的传热系数相等，联立等式右边求解方程可得清洁系数，当管束足够清洁时，可求得08。但在凝汽器的设计计算中，考虑脏污可能引起凝汽器性能降低，为保证有些脏污的情况下用别尔曼公式设计的凝汽器仍能达到一定真空，通常取08。文献L5认为凝汽器水侧管壁足够清洁时，直接取清洁系数10，利用别尔曼公式可得清洁状态下的凝汽器总体传热系数，K4070；妒D5将式3、式5两式的比值定义为凝汽器的清洁系数K6此种方法将凝汽器结构的影响、汽侧空气量大小及一些未考虑因素的影响全部认为是凝汽器清洁程度的影响，故在有些机组的计算中，由式6得到的清洁系数有可能大于1。在实际机组运行中，凝汽器的清洁系数还与管束布置系数，汽侧空气量修正系数有关，考虑这些因素提出将清洁系数分解为CC，文献6将式6改为KCC。7式中，为管束布置系数；C为汽侧空气量修正系数；为水侧清洁系数。上述方法都是从整体上算出了凝汽器的总体传热系数来确定凝汽器的水侧清洁系数，但不能定量地分析各个量的变化对传热系数的影响，可能会因为传热系数的降低而误判断成凝汽器脏污。要想对凝汽器运行作出及时准确的判断，必须找出在变工况下传热系数与各个分量之间的数学关系。2影响传热系数相关量的数学推导文献7中指出别尔曼公式中修正系数主要取决于冷却管内流速，但也与冷却管内径D、修正系数及冷却水温T，有关；主要取决于冷却水温T，但也与修正系数及凝汽器比蒸汽负荷有关；主要取决于冷却水流程数，但也与冷却水温T。有关；用于考虑凝汽器变工况计算时蒸汽负荷的修正。美国传热学会HEI公式中各修正系数可以通过查表或者查图得到，当凝汽器型号已知后，凝汽器管材、壁厚等固定参数也已确定。利用最小二乘法原理，可以把式中的参数拟合成某一变量的关系式。故采用美国传热学会HEI公式可以定量地计算出单一参数的变化对传热系数的影响。21数学推导用EXCEL把美国传热学会HEI公式中KO、卢分别拟合成V、T、H的单值函数得KO一15711俨15835V12788一63610一TS97510一T一51310一T88310一T11610一T067469JB一002H01169H一03712H107221O拟合后R的值分别为09999、09997、09999，说明曲线能很好地反映数据的真实值。为了定量分析机组运行中各参数的变化对传热系数的影响，分别对式1各个参量求取偏导数，并将拟合后、的表达式分别代人得素KO3,卢卢1583531422V11蔷音KOOT3,T12音觚R0卢11610一176610一T一153910一T3910一T。一31810一T13蔷音KO3卢一0371202338H一006H14则式1的全微分为DK卢JB1583531422VDVKO3卢KO311610一176610一T一153910一T3910一T一31810一TDKO3J3一0371202338H一006HD15对式15求近似值，则可用增量形式代替ZIK8C8T8M01583531422VAVKO,E88CKO,EC,E11610一176610一T一153910一T3910一T一31810一TTT。卢一0371202338H一006HTH16式16就是变工况下各个物理量变化对传热系数的影响表达式。文献8中给出了运用此法判断凝汽器脏污的一些条件。另外，应用该判断方法之前，应先通过试验确定凝汽器的性能达到设计要求，确定在设计参数下，凝汽器总体传热系数与清洁系数的对应关系和实际数据相符，若不符，还需重新确定设计状态下的实际清洁系数，并予以修正。22应用举例及判断结果国电吉林江南热电机组容量为2330MW，两台机组凝汽器均为N一205004型、单壳体、双流程、表面式凝汽器。冷却管材质采用TP304不锈钢管，主凝结区管束规格为直径担505，设计冷却水流速为22MS，设计冷却水进口温度为20，冷却水流量为38O00TH，则出口温度为2952C，按预计的冷却水平均温度为25C查表得冷却水比热容C第6期王建国等凝汽器水侧清洁系数的在线计算4574179JKG，冷却管束清洁系数的值取为085，确定以上参数后，分别按照式8式10计算，得到CO400129WM，0985，JB0912，由此得K305527WM；汽轮机额定负荷时设计排汽热量为419875MJS，汽轮机设计背压为49KPA,对应的饱和温度为3263C，凝汽器对数平均温差按式4计算，为68，凝汽器的面积按式2计算，为20209M，与设计值20500M存在14的误差，故修正清洁系数的值为0835，代人修正后的值进行计算，设计数据确认与实际数据相符。机组运行一段时间后凝汽器的一些参数发生了变化，冷却水进口温度26，出口温度为36，汽轮机背压为77KPA，冷却管内水流速度为19MS。汽轮机排汽负荷基本不变。受磨蚀影响，凝汽器管束壁厚变为049MM。判断凝汽器是否脏污的步骤为1把上述有关参数代入式4计算出凝汽器传热对数平均温差AT9OL。2把AT90L及凝汽器冷却面积代入式3，得K227322WMOC。3把相关参数代入式16可得每个物理量变化对总体传热系数的影响，并求得0649，清洁系数相对变化3一223。综上所述传热系数总的下降值为78205WMOC，其中冷却水流速下降引起传热系数下降2008W111，冷却水进口温度的上升引起传热系数上升20974WMOC，管束壁厚变薄引起传热系数升高886WMOC，清洁系数下降引起传热系数的下降79985WMOC，凝汽器管束的清洁系数由清洁时的0835下降NO649，下降了0186，下降率为223。一般下降率在5左右时，就认为凝汽器已经脏污。由此判断凝汽器脏污严重，应及时清洗凝汽器。3清洁系数在线计算的软件开发有上述的判断方法作为基础，本文用MATLAB和C“BUILDER混合编程，结合数据库技术，开发出凝汽器清洁系数在线计算的软件。文献9中提到借助第三方软件MATCOM45把MATLAB中的M文件编译成CPP文件，然后加载到C”BUILDER的工程中，由CBUILDER来调用。此种方法结合了MATLAB强大的数值处理功能及CBUILDER友好的人机交互界面功能，可以脱离MATLAB环境运行，既节省了系统资源，又保证了计算效率。清洁系数在线计算具体实现步骤如下1根据现场采集的蒸汽及给水的温度和压力的数据，结合水、水蒸汽热力性质计算和汽水分布矩阵方程求变工况下各级抽汽量及排汽量的方法“J，用MAFLAB编写出计算汽轮机低压缸排汽量的IN文件。2得到汽轮机低压缸排汽量后，根据式3可计算出当前的传热系数。3比较实际传热系数与当前工况下理想传热系数的大小，得出其差值，根据式16各个分量对传热系数的影响计算出清洁系数。凝汽器清洁系数在线计算的软件流程图如图1所示。4结论此软件的编制是根据吉林江南热电N一205004型号的凝汽器而编写的，从DCS数据库中导出计算所需参数的EXCEL表格，再导入到SQL2000，利用CBUILDER调用数据库中的参数进行计算，可以通过实时计算显示清洁系数的变化趋势，可看出在一个清扫周期内清洁系数呈一定的递减趋势，这与实际情况是相符的。但此软件不具有通用性，对于不同机组和不同型号的凝汽器，需要改变其中的某些参数才能使用。I读取数据库机组信息L根据汽水分布矩阵方程，计算出汽轮机低压缸排汽量根据热平衡方程QAT,4，计算出实际传热系数，与当前理想传热系数值比较，得出差值对HEI公式XLXNP戤P中备令量求偏导，得出水速、水温、壁厚变化对传热系数的影响值得出实际清洁系数的值，与设计值比较一给出清洗管束的建议计算结果存数据库图1清洁系数在线计算软件流程图美国传热学会HEI提出的冷却水流速、冷却水进口温度、管子壁厚与传热系数的关系试验数据，是被广泛接受的，并被引用到中华人民共和国电力行业标准。所以用此法来分析各物理量变化对传热系数的影响，从而判断凝汽器是否脏污是合理的。参考文献1苏卡别洛维奇KANEZTOBRIQ，B3，著，任曙，译汽轮机设备的运行M北京水利电力出版社，19882李勇，曹丽华，张欣刚汽轮机凝汽器真空应达值的确定方法及其应用J汽轮机技术，2002，4442072093DLT10782007，表面式凝汽器运行性能试验规程S西安热工研究院有限公司，20074金国华凝汽器清洁特性诊断J汽轮