（热能工程专业论文）板式凝汽器在火电机组冷端系统的应用研究.pdf

华北电力大学硕士论文 摘要 本文根据火电机组冷端系统实际运行需要，鉴于板式换热器紧凑、高效的特点， 提出了在火电机组冷端系统中采用板式凝汽器替代传统管壳式凝汽器的设想。论文 从两个层次展开研究，第一个层次从板式凝汽器单体设计优化的角度入手，针对南 屯电厂5 0 m w 机组具体情况，提出了板式凝汽器设计方案，对板式换热器结构进行 了优化，并用传热特性和阻力特性褶结合的评价指标来比较它和管壳式凝汽器的性 能优劣。第二个层次从冷端系统的角度考虑板式凝汽器的变工况运行对于整个 3 0 0 m w 机组经济性的影响，并在论文的结尾部分运用技术经济性比较方法论证了 冷端系统采用板式凝汽器的优势。为以后板式凝汽器在火电机组的应用提供了参 考。 关键词：板式凝汽器火电机组冷端系统 应用 a b s t r a c t t h i sp a p e rb a s e do nt h en e e d so ft h eo p e r a t i o no ft h ec o l d - c o n d e n s e r - s y s t e m ，i nt h e l i g h to ft h ep l a t eh e a te x c h a n g e r ss o m ef e a t u r e s ，s u c ha sc o m p a c t ，e f f i c i e n te t c u s i n gt h e p l a t ec o n d e n s e ri n s t e a do ft h et u b e c o n d e n s e rw a sp r o p o s e d t h i sp a p e rw a sr e a s e a r c h e d f r o mt w od i f f e r e n tl e v e l s f i r s tl e v e lw a ss t u d i e df r o mt h ed e s i g no p t i m i z a t i o no ft h e p l a t e c o n d e n s e r a g a i n i s tt h es p e c i f i cc i r c u m s t a n c e so ft h en a n t u n5 0 m wp o w e rp l a n t u n i t ，p u tf o r w o r dad e s i g nb l u ep r i n ta b o u tt h ep l a t e - c o n d e n s e r ，t h ep l a t eh e a te x c h a n g e r s t r u c t u r e - h a sb e e no p t i m i z e d a tt h es a m et i m et h ep e r f o r m a n c eo ft h et w od i f f e r e n th e a t e x c h a n g e r sw e r ee v a l u a t e db yt h ei n d i c a t o r sc o m b i n e dr e s i s t a n c ea n dh e a tt r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c s ，t oc o m p a r ei ta n dt u b e - c o n d e n s e rp e r f o r m a n c em e r i t s t h es e c o n dl e v e l w a ss t u d i e df r o mt h e3 0 0 m w c o o l - e n d s y s t e m se c o n o m y , t h ec h a n g e dc o n d i t i o n sw e r e c o n s i d e r e dw h e na n a l y s i z i n gt h ei m p a c tt ot h ew h o l e s y s t e m a tt h ee n do ft h ep a p e r t h e t e c h n i c a la n de c o n o m i cc o m p a r i s o nw a su s e dt od e m o n s t r a t et h ep l a t ec o n d e n s e r s a d v a n t a g e s p r o v i d es o m er e f e r e n c e sf o rt h ea p p l i c a t i o no ft h ep l a t e - c o n d e n s e ri np o w e r p l a n tu n i ti nt h ef u t u r e z h o u g e n g y u ( t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f y a n g y o n g p i n g k e y w o r d s ：p l a t e - c o n d e n s e rp o w e ru n i tc o o l - e n d - s y s t e ma p p l i c a t i o n i 华北电力大学硕士论文 摘要 本文根据火电机组冷端系统实际运行需要，鉴于板式换热器紧凑、高效的特点， 提出了在火电机组冷端系统中采用板式凝汽器替代传统管壳式凝汽器的设想。论文 从两个层次展开研究，第一个层次从板式凝汽器单体设计优化的角度入手，针对南 屯电厂5 0 m w 机组具体情况，提出了板式凝汽器设计方案，对板式换热器结构进行 了优化，并用传热特性和阻力特性褶结合的评价指标来比较它和管壳式凝汽器的性 能优劣。第二个层次从冷端系统的角度考虑板式凝汽器的变工况运行对于整个 3 0 0 m w 机组经济性的影响，并在论文的结尾部分运用技术经济性比较方法论证了 冷端系统采用板式凝汽器的优势。为以后板式凝汽器在火电机组的应用提供了参 考。 关键词：板式凝汽器火电机组冷端系统 应用 a b s t r a c t t h i sp a p e rb a s e do nt h en e e d so ft h eo p e r a t i o no ft h ec o l d - c o n d e n s e r - s y s t e m ，i nt h e l i g h to ft h ep l a t eh e a te x c h a n g e r ss o m ef e a t u r e s ，s u c ha sc o m p a c t ，e f f i c i e n te t c u s i n gt h e p l a t ec o n d e n s e ri n s t e a do ft h et u b e c o n d e n s e rw a sp r o p o s e d t h i sp a p e rw a sr e a s e a r c h e d f r o mt w od i f f e r e n tl e v e l s f i r s tl e v e lw a ss t u d i e df r o mt h ed e s i g no p t i m i z a t i o no ft h e p l a t e c o n d e n s e r a g a i n i s tt h es p e c i f i cc i r c u m s t a n c e so ft h en a n t u n5 0 m wp o w e rp l a n t u n i t ，p u tf o r w o r dad e s i g nb l u ep r i n ta b o u tt h ep l a t e - c o n d e n s e r ，t h ep l a t eh e a te x c h a n g e r s t r u c t u r e - h a sb e e no p t i m i z e d a tt h es a m et i m et h ep e r f o r m a n c eo ft h et w od i f f e r e n th e a t e x c h a n g e r sw e r ee v a l u a t e db yt h ei n d i c a t o r sc o m b i n e dr e s i s t a n c ea n dh e a tt r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c s ，t oc o m p a r ei ta n dt u b e - c o n d e n s e rp e r f o r m a n c em e r i t s t h es e c o n dl e v e l w a ss t u d i e df r o mt h e3 0 0 m w c o o l - e n d s y s t e m se c o n o m y , t h ec h a n g e dc o n d i t i o n sw e r e c o n s i d e r e dw h e na n a l y s i z i n gt h ei m p a c tt ot h ew h o l e s y s t e m a tt h ee n do ft h ep a p e r t h e t e c h n i c a la n de c o n o m i cc o m p a r i s o nw a su s e dt od e m o n s t r a t et h ep l a t ec o n d e n s e r s a d v a n t a g e s p r o v i d es o m er e f e r e n c e sf o rt h ea p p l i c a t i o no ft h ep l a t e - c o n d e n s e ri np o w e r p l a n tu n i ti nt h ef u t u r e z h o u g e n g y u ( t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f y a n g y o n g p i n g k e y w o r d s ：p l a t e - c o n d e n s e rp o w e ru n i tc o o l - e n d - s y s t e ma p p l i c a t i o n i 士i ：z ：l明h 只 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文板式凝汽器在火电机组冷端系统中应 用研究，是本人在华北电力大学玫读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特剐加以标注和致谢之处外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：! 茎垃童 e t期：翌墨：主：竺 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，郎：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 爵的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：导师签名： e l期：垡主堕e l期：缒上皇! ! 厂 华北电力大学硕士论文 1 1 课题研究背景与意义 第一章绪论 能源和水资源是人类赖以生存和发展的重要条件，节约能源是我国的一项基本 国策。众所周知，火电厂是消耗一次能源的大户。在当今国家能源供应十分紧张的 情况和电力行业实施“厂网分开”、“竞价上网”的竞争机制下，提高节能意识， 加强能源管理，完善电厂优化运行，达到节能降耗、提高经济效益的目的，具有十 分重要的意义。 在现代大型电站凝汽式汽轮机组的热力循环中，凝汽设备起着冷源的作用，凝 汽器是冷端系统的核心换热设备，其主要任务是将汽轮机排汽凝结成水并在汽轮机 排汽口建立与维持一定的真空度，而真空度是表征凝汽器工作的主要指标，是影响 汽轮机经济运行的主要因素之一。真空度降低使汽轮机的有效焓降降低，影响汽轮 机的出力和机组设各的安全性。电厂凝汽器一般运行经验表明；凝汽器真空下降 l k p a ，汽轮机组热耗会增加1 5 “2 5 n l 。而且，凝汽器真空下降，会使排汽温度 升高，会使汽轮机轴承中心偏移，严重时会使机组产生振动，影响汽轮机安全运行。 从国内己建发电厂应用现状来看，火电机组的凝汽器均采用管壳式换热器。它 具有结构简单、制造材料广泛，适应性强等优点。管壳式换热器一般由壳体、管束、 管板和封头等部件组成，但是由于凝汽器壳侧的蒸汽侧流动和换热状况不理想，冷 却管束和蒸汽通道的结构和布置方式也影响了换热器的换热效果，导致了凝汽器真 空达不到设计值【2 1 。 板式换热器是用压制有波纹的薄金属换热板片叠装而成的一种换热设备，它的 主要优点是结构紧凑、耐温承压能力强、重量轻、污垢系数低、传热效率高，能实 现多种介质换热，可以通过改变换热面积或多流程组合适应新换热工况要求，另外 检修、清洗都很方便。但其流动阻力非常大，换热器各板片之间形成许多小流通断 面的流道，通过板片进行热量交换。它与常规的管壳式换热器相比，在相同的流动 阻力和水泵泵功率消耗情况下，其传热系数要高出一倍左右【3 l 。 目前，板式换热器被广泛的应用于采暖、生活热水、空调、化工等领域，也用 作电厂的热网加热器。但是电厂的凝汽器还没有采用板式换热器的先例，鉴于上述 情况，将板式换热器应用在火电机组冷端系统中具有很强的创新性及实际意义。 1 2 板式换热器应用研究现状 目前板式换热器已经作为高效、紧凑的换热设备、大量应用于工业生产中。它 的发展已经经历了1 0 0 多年的历史。1 8 7 8 年德国就发明了板式换热器。而我国板式 华北电力大学硕士论文 换热器的研究、设计和制造开始于6 0 年代。1 9 6 5 年，兰州石油化工机械厂根据一 些资料设计，制造了我国首家生产的板式换热器。现在我国板式换热器的制造厂家 有四五十家，年生产2 0 0 0 台以上。 板式换热器p 珏嚣) 由于在许多方面优予管壳式换热器，所以，尽管只有吞余年 的历史，但发展迅速，应用领域遍及国民经济各部门。板式换热器分为可拆卸和焊 接式两大类。8 0 年代以来，品种规格、密封结构、设计与制造技术等方面均有了突 破性进展，发展方向趋于“大参数、多晶种、高性能”。其中，包括耐温、耐垂、 耐腐蚀及其它特种p h e 。 ( 1 ) 可拆卸板式换热器【6 l 板片种类繁多，但仍以人字形波纹板片为主。瑞典a u 浚。l a v a l 、英国a p v 、 德国g e a 和w s c h m i d t 、法国v i c a r b 、匿本h i s a k a ( 目阪制作所) 以及美国 t r a n s t e r 等公司的产品技术先进，较有特色。 ( 2 ) 焊接板式换热器【7 彤l 可拆卸板式换热器的应用范围除受到压力和温度的限制外，主要是流体与密封 垫片的相容性闯题。因此，在高温、高悉的清洁流体和有侵蚀性流体等工况下，焊 接板式换热器更具竞争性。但是，其缺点是不能( 或只能局部) 拆开清洗、检查和维 修。该产品只有半焊式和全焊式二类。 目前生产全焊接式板式换热器的公司主要有a l f a l a v a l 公司生产的 a l f a r e x 换热器、c o m p a p l a t e 换热器；t r a n t e r 公司生产的m a x c h a n g e r 换热器、 “双板 结构焊接板式换热器；b a r r i q u a n d e c h a n g e u r s 公司生产的 p l a t u l a r 换热器，德国b a v e x 公司开发的适用于高温、高压的全焊接板式换热 器；嚣本千代圈公司弓| 进此技术，生产的千代2 b a v e x 板式换热器；s c h m i d t b r e t t e n 公司生产的s i g m a ：w 二i g 换热器；法国p a c k 。- i n o x 公司生产的p a c k - i n o x 换热器； 这些换热器都采用全焊接结构，更为紧凑、重量更轻、费用更少，可在较低的 流体体积下操作，并具有更高的操作压力和操作系能以及更高地效率。此外，全焊 接式换热器的结构简单，更为坚固和耐用，并且易于制造和组装。 l 。3 板式换热器的优点 ( 1 ) 占地面积及重量比重f 1 6 1 板式换热器结构紧凑，单位体积蠹的换热面积为管壳式换热器的2 5 倍，而且 不用像管壳式换热器那样要预留出管束的检修场地。从紧凑度上比较：管壳式换热 器为7 8 m 2 m 3 ，板式换热器为2 2 0 m 2 m 3 。因此实现同样的换热任务时，板式换热器 的占地面积约为管壳式换热器的l 为一1 1 0 。 板式换热器的板片厚度为0 。6 - - 0 。8 m m ，管壳式换热器的换热管厚度为 2 华北电力大学硕士论文 2 o 一2 5 m m ；因此管壳式换热器的壳体比板式换热器的框架重褥多。在完成同样换 热任务的情况下，板式换热器所需的换热面积比管壳式换热器的小，即板式换热器 的重量轻，大约为管壳式换热器的l 俗左右。 ( 2 ) 污垢系数 板式换热器由于板间流体的剧烈湍动，杂质不易沉积和不锈钢制造的板面光 滑，易清洗，所以板式换热器的污垢系数比管壳式换热器的污垢系数小得多。板壳 式换热器由于换热过程处于强烈的湍流状态，高剪切力抑制了板画上污垢的形成， 流体在波纹形避道内的停留时闻均匀，所以其结垢倾向远低子管壳式换热器。 ( 3 ) 制造成本 板式换热器主要用金属板材，因而原材料的价格比同样金属的管材要低。 ( 4 ) 端差 管壳式换热器传热端差( n 0 冷却水进口温度和被冷却介质出口温度差) 为5 左 右。板式换热器由于其结构特点可以将传热端差降低至1 左右。 ( 5 ) 传热系数f 玛1 板式换热器具有较高的传热效率，由于波纹状通道中流动的流体受到强烈扰 动，临界雷诺数只有2 0 5 0 ，在很低的流速下就能达到湍流状态，并且可实现纯逆 流换热，所以具有很高的传热系数。 板式换热器中，冷却永侧与蒸汽侧流动均为湍流，两种流体逆向流动，由予波 纹的作用引起湍流从丽产生高传热率、高阻力压降和高切应力场，这将导致抑制污 垢在传热面上形成。其传热系数一般为3 5 0 0 。5 5 0 0 w ( m 2 k ) ，可节省板式换热器的 换热面积。 ( 6 ) 安装检修1 7 ，黔1 管壳式换热器是由管束组成，自身重量体积都较大，在检修抽管时需要留出管 束一样长的距离，占地较多，还需配备必要的起吊检修设施。管壳式换热器的设计 寿命一般为3 0 年，大修厨期4 年。当换燕器发生泄漏时( 可能是管子与管板间的泄 漏或是管子破裂引起的泄漏) ，可采用堵管等措旎在短时闻内恢复工作性能，管壳 式换热器允许有7 的堵管裕量。可以根据需要采用胶球清洗装置对管内进行定期 的机械清洗。 叛式换热器具有体积小，重量轻的特点，检修方便，不需设检修起吊设施，安 装占地较少。在冷却水中可加入多种无毒强螯合荆，这些螯合裁具有抑制生物的生 长也可促使微生物的死亡，而且这些螯合剂相互之间还具有协调作用和增效作用， 与c a s + 、m 9 2 + 离子螯合能防垢，还具有强渗透作用和品格扭曲作用，使水垢晶格扭 曲变疏松，在水力冲剩作用下疏松的污垢及脏污，顺冲洗水_ 冲走，在水力冲刷时只 要打开凝汽器两端的铰链活动门，在不停产的条件下，用水枪喷刷即可，缩短了维 3 华北电力大学硕士论文 修时间，提高了经济性。 1 4 论文主要的研究内容 本文的主要任务就是在换热器设计计算理论的基础上，通过对板式换热器和管 壳式换热器进行传热计算、流动计算，设计符合冷端系统要求的凝汽器，达到节能 降耗，经济运行的目的： ( 圭) 根据南屯电厂5 0 m w 机组的运行条件要求，在传热计算和流动计算的基础 上，对板式换热器进行了结构参数优化设计，用敏感因素分析方法对影响板式换热 器性能的结构参数进行了分析。 ( 2 ) 引入传热系数和阻力相结合的性能指标对两种换热器的性能给出更为直观 和科学的评价。 ( 3 ) 针对3 0 0 m w 机组的运行条件设计板式凝汽器，当板式凝汽器在运行参数条 件偏离设计值时，对板式凝汽器运行情况进行分析，并和管壳式凝汽器进行了比较。 ( 4 ) 针对板式凝汽器和管壳式凝汽器交工况运行结果，根据等效热降法，对于背 压的变化对机组经济性指标的影响进行了定量的分析和比较。 ( 5 ) 根据技术经济性的比较方法，用费用最小年费计算方法，对两种凝汽器在同 样的运行工况条件下的年费用进行了计算。 4 华北电力大学硕士论文 第二章板式换热器和管壳式换热器的性能计算 换热器的性能含义很广，包括传热性能、阻力性能、机械性能、经济性能，而 传热性能和阻力性能是决定换热器性能优劣的关键性标志。因为本论文主要是针对 板式换热器在火电机组冷端系统中的应溺，所以本章下述内容列出的都是在蒸汽冷 凝相变换热条件下的板式换热器传热和流动计算公式。管壳式的计算公式给出的是 火电机组凝汽器热工计算的经验公式。 2 1 板式换热器传热系数的计算 传热系数计算 k 仁+ 足+ 拿+ 恐+ 与t a l 口2 式中：。 嚷蒸汽侧的传热膜系数( w m 2 约； 琏蒸汽侧污垢系数( m 2 w w ) ； 6 。板片厚度m ； 屯板嚣导热热阻( w m 趵； 恐水侧污垢系数( m 2 ； 掰2 水侧的传热膜系数( w m 2 玛； 2 1 1 凝结换热系数的计算 ( 2 一1 ) 根据公式( 2 - 2 ) 可以计算蒸汽侧的凝结换热系数： 。m 乏 ，(2-2) 式中： 虬蒸汽侧的努赛尔数； 磊蒸汽的导热系数( w m k ) ； 以蒸汽侧的当量直径趣。 影响板式冷凝器换热的因素有蒸汽流速、蒸汽千度、蒸汽压力、蒸汽与冷却介 质的相对流动方向等。目前尚未有人们公认的计算式，以下介绍三种计算公式； 1 k u m a r 鞭计算公式潮 纸_ 倒尹锣描 ( 2 3 ) 5 华j 匕电力大学硕士论文 式中湍流时露一o 。6 5 0 8 ，一般为0 7 ；e 为o 1 - 0 3 ：毽一g 缱段， 流率q q ( 实际的液流量) + q ( 相当的液流量) ，q 计算公式如下： 斜_ q 2 时 式中： 鼠两相混会物流中的蒸汽质量流率( k g s ) ； 成、硝一分别为两相流中的蒸汽和液体密度( k 咖3 ) ； 五、五。一分剐为蒸汽流及相当液流量下液体流的摩擦系数。 。 2 。t o v a z h n y a n s k i yll 计算公式 2 1 1 州爿 式中： 薯、旎进出1 = 1 处蒸汽千度； 匙总的质量流率g l 下凝液雷诺数； c 凝液的普朗特数； 胁、成进、出霹处液体、蒸汽的密度( k g m 3 ) 。 3 。天津大学王中峥计算公式吲 蜕一g ( 鲁p 吲 式中： r 总的质量流率g 下凝液雷诺数； 嚣考虑凝液膜厚度影响的无因次参数； 成进阴处蒸汽密度( k g m 3 ) ； 盟密度比，考虑蒸汽压力的影响； r 岛，g o 一屯) ! p l 恐出1 3 处蒸汽干度 日。辈 ， r 考虑凝液过冷和液膜对流换熟影响的参数( j 雁g ) 6 其中质量 ( 2 4 ) q _ 5 ) ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) 华北电力大学硕士论文 ，- r ( 1 + 嘶8 竽) ( 2 9 ) 其中，- 为汽化潜热( j k g ) 4 尾花英朗提出的计算式【2 3 l 卅 苗以l o 2 1 0 0 , a c , - 1 4 7 x 1 2 5 ( 挚门圹 弘l p l p l 式中： q f 冷凝负荷，q 一詈 k g ( m s ) 】； g 每一通道的冷凝液，q 。丝丛生堕( k s ) ； m r 蒸汽总质量流量( k s ) ； n 。蒸汽流过的通道数； x 蒸汽的进出口平均干度； 口板宽度( m ) ； 冷凝液的导热系数【w ( m k ) 】： 肛冷凝液的密度( k m 3 ) ； 胁冷凝液的黏度【k g ( m s ) 】； g c 重力加速度( 眦g ) ； 2 1 2 水侧换热系数的计算 1 紊流状态下不同形状板片换热准则关系式可归结为f 3 l ： ，、p 一小叫甲( 薏) p 1 1 ) 式中： m 及r 中的特征尺寸用当量直径以表示，d 。一4 a b ( e a + 2 b ) ； a 板片宽度( m ) ； b 板片间距( m ) ； c 、n 、m 、p 值的范围如下： c = o 1 5 0 4 0 ，n = 0 6 5 0 8 5 ，m = o 3 0 0 4 5 ( 通常用1 3 ) ，p = o 0 5 - 0 2 0 。 临界雷诺数在1 0 4 0 0 左右，取决于板片形状。 2 层流状态下板片换热准则关系式可归纳为【2 0 】： 7 华北电力大学硕上论文 兢一观掣吲 萄 式中： c 、n 、p 值的范围一般为： c = 1 8 6 4 。5 0 ，n = o 。2 5 - 0 。3 3 ，p = o 1 0 2 ( 通常为0 1 4 ) ； l 板片长度( m ) ； 2 1 3 总传热系数的计算 在计算总传热系数的过程中，由计算蒸汽凝结侧换热系数公式( 2 3 ) ( 2 6 ) 可知需 要得到换热面温度以确定需要的液体黏度和温差，可以用试算法确定 ( 1 ) 假定一侧壁滠o ； ( 2 ) 由准则方程式求该侧换热系数； ( 3 ) 由- f 式计算该侧换热量吼： 嚷一瓴一k ) ( 4 ) 根据壁的热阻，按下式计算另一侧壁湿气2 ： q z 一口2 0 w 2 一屯) 若假设壁温正确，则q x ；q 2 。当q l 弗q ：时，则重新假定，直到q l q 2 为止。 2 2 板式换热器汽阻计算 板式冷凝器的汽液两相流中，它的阻力包括摩擦阻力、局部阻力、加速及重力 阻力。因此，只有分别计算出冷凝器的入口到出嚣闻各处存在的相应阻力，其总和 即失一台扳式凝汽器的阻力。在各项阻力中，最主要的是摩擦阻力，加速及重力阻 力j l d , ，局部阻力约为总阻力的1 0 一1 5 ，所以板式换热器汽侧总阻力可按下式计 算【2 0 1 ： ( 厶p b - ( 1 1 1 6 ) ( a p ) q ,( 2 1 3 ) 根据天津大学的研究，板式冷凝器的总压力降解与板式冷凝器流道审汽液两 相流的混合平均雷诺数r 之闷有如下的关系 凹一e 霹( 2 1 兮 式中： c 有量纲( p a ) 的系数； c 和n 与板型有关，通过试验确定 再一譬 ( 2 - 1 5 ) 华北电力大学硕士论文 式中： 一w - - - - ! 曼丝1 2 m 一口处混合巍m g 陵+ i ( 1 - x 1 ) 】 屹一出口处混合流速，屹。g 陵+ i ( 1 - x z ) 】； 石一一一p 爿； 万一矗 坷； ；叫均干度，；一盏专童 式中： 绋。、成2 进、出隧饱和蒸汽的密度承咖3 ) 珐，、p t 2 进、出翻饱和液体的密度( k m 3 ) n 、胁按进、出算术平均温差查取的饱和汽和饱和液体密度( k 咖3 ) 肫、牌按进、出算术平均温差查取的饱和汽和饱和液体的动力黏度k g ( m s ) 一般计算可以根据天津大学研究和k u m a r 的推荐，采用用洛克哈特马丁尼利 ( l 0 c k h a r t m a n i n e l l i ) 方法【2 0 l 。 嵋一( 嵋x 矛 式中： 一，一 嘞摩阻分液相系数； ( 缉羌仅液相单独流过同一流道时摩擦阻力： ( 嵋1 吨麦譬 式中： 五液体沿程摩擦系数； 流道长度( m ) ； 脚液体在流道中的流速( m s ) ； ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 华北电力大学硕士论文 嘲；m r ( 1 - x ) v t n r s g 一1 8 ) 式中： h 液体比容( m 3 k g ) , x 沿程己的平均千度，可用换热器进1 ：i 和比1 2 1 于度的平均值； = l + 要+ 击( 2 - 1 9 ) c 值与流态有关，一般由试验确定，c h i s h o l m 。d 推荐c 值见表 | 2 4 ) 。 表2 _ 4 不同流态下的c 值 流态 t t l l t 薹畦 c 值 2 11 21 0 5 流态是一流速为液相或气相的爱观速度( 指假定液或气在整个流动截面中单独 流动时m 。或w v 。) 时的r e 数值为1 0 0 0 作为分组的基础。 邸： 液相 ， 肾【掣卜 q - 2 0 ) 气相 。 k 一警( 2 - 2 1 ) n - 、 坞 1 0 0 0 , r sl o 液体紊流气体层流( 1 l 流态) ； r e , 1 0 0 0 ，r 。， 1 0 0 0 液体紊流气体紊流( t t 流态) ； 液相、气相的表观速度为： ”【掣卜 阴 g 一2 3 ) 1 0 华北电力大学硕士论文 马丁尼利参数x 可近似用下式确定： 冉黯 为气、液相摩擦阻力之比，气相嵋) 。剐为： ( 嵋) ，吨毒譬 式中： 成气体密度( k m 3 ) ； 气体在滚道中的流速( 礅s ) ； 豫。m r x v ，；生生 式中： q 流过一个通道的质量流量( k g s ) ； 尤蒸汽沿程摩擦系数，波纹板可近似用下式计算： 紊流区 f 一豢 层流区 ( 2 2 4 ) ( 2 - 2 5 ) 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ，。i ( 2 _ 2 8 ) 过渡区摩擦系数，的确定，可在紊流区和层流区的边赛之间采用肉插法确定。 对板式换热器，其过渡区一般在1 0 。1 5 0 的雷诺数范围内。 一 需要说明，正、均应由试验确定，在无试验值的情况下，才采取如上方法进 行近似计算。 在各项阻力中，最主要的是摩擦阻力，加速及重力阻力很小，局部阻力占慈阻 力的1 0 一1 5 ，所以，板式冷凝器的气侧总压力降可按下式计算 必- ( 1 2 1 5 ) 哆 ( 2 2 9 ) 2 3 板式换热器水阻计算 板式换热器液侧压降的诗算方法渊。 2 。3 1 准则方程式法 l l 华北电力大学硕士论文 e 。；b 攥。 式中： b 一系数，随不同型号的板式换热器而定； 俄一流程数； 蠢指数，与型号有关，d 为负值。 由式子毛。竺笔计算压力降 p w 2 3 2 压力降计算方法 台板式换热器的压力降由角孔压力降和流道压降力组成， a p ；心心 ( 1 ) 流道压力降a p ( 入字形板) a = 2 f 石l 叫圹4 式中： ，一摩擦系数； 一流道长度，该值应将平面长度乘以波纹展开系数； ( 2 ) 角孔压力降婶。 叫譬炉孟) 式中 一 ，一摩擦系数； 、 撵个流程中的流道数； 2 。4 管壳式换热器传热系数的计算 ( 2 - 3 0 ) ( 2 - 3 1 ) ( 2 - 3 2 ) ( 2 - 3 3 ) 在下述文章中列出的管壳式换热器传热系数公式都是电厂管壳式凝汽器的换热器 传热系数计算经验性公式。 换热器的热阻由3 部分组成，即水侧的放热热阻& 、管壁的热阻b 及汽侧的放热 热阻琏。 传热系数k ，即： 华北电力大学硕士论文 i l 。 ! 。 ! 一凡+ r + 骘土+ 鱼+ 1 ( 2 3 4 ) a 1 五盘5 式中； 。管壁到冷却水的表面传热系数 w ( m 2 k ) 】； 6 冷却管壁厚( m ) ； a 冷却管热导率f w ( m k ) 】； 哎汽气混合物到管壁的表面传热系数 w ( m 2 k ) 】； 其中，冷却水侧的表面传热系数吼和管壁的热导率 可以计算出确定，但汽侧 的表面传热系数拉。与汽一气混合物的流速、空气相对含量及管束排列方式等许多因 素有关。由于这些因素又沿着汽流方向都在不断变化，因此，a 。也沿着冷却面积不 断变化，绘传热系数的计算带来了困难。 根据对数平均温差整理得出的总体传热系数一般在2 3 0 0 4 7 0 0 w ( m 2 k ) 】之间。 由于采用的试验和考虑的影响困素不同，求取总体传热系数的方法也各不相同。目 前我国广泛采雳美国热交换协会( h e 0 标准曲线法和前苏联全苏热工研究所( b t h ) 的公式和辅助曲线法。 2 4 1 美国h e i 的计算方法 美国传热学会( h e i ) 标准表面式蒸汽凝汽器中，规定计算总体传热系数的 公式是【2 4 ： k 。一c l 石 ( 2 ，3 5 ) 式中： 系数，按冷却管外径由表2 1 查得 表2 - 1 h e i 公式中系数q 和冷却管外径的关系表 冷却管外径d ：抽卅) 1 6 1 92 2 2 52 8 3 23 5 3 84 1 4 54 8 - 5 1 c 1 蜗2 7 0 52 6 6 4 2 6 2 32 5 8 22 5 4 1 1 3 华北电力大学硕士论文 g 飞 ￥ 釜 蟮 2 掌 芑5 么 磊荔多 纱 么豸 髟 多一， 彦汐 图2 - 3h e i 的基本传熟系数k o 与水速的关系 由于系数q 是以新管、壁厚为1 2 4 m m 、海军铜管、冷却水温为2 1 c 为基础， 所以需对清洁程度、冷却水温度、管材和壁厚进行修正。当冷却水进网温度和冷却 管材料、壁厚与上述不一致时，由图2 - 4 和表2 2 查得的修正系数孱、成进行修正。 圭。2 l 。1 i 。0 o 9 q o 。8 0 7 0 6 0 。5 ，。一 ， k ( 奶 图2 4 冷却水温度修芷系数届吐线 o 一 由于在实际运行中，换热器不可避免地要积垢，所以还必须乘上一个清洁系数 , a 3 。砖反映了冷却管内外壁表面的污垢对总体传热系数的影响，主要与冷却水的洁 净程度有关。对剩用自然水源( 江河湖海) 的直流供水系统，恁一般取0 8 - 0 。8 5 ：对 利用冷却塔的循环供水系统，展一般取0 7 5 - 0 8 近年来，胶球清洗装置得到了广泛 的运用，使冷却管内表面保持洁净，对此，成可取o 8 5 0 9 。 1 4 华北电力大学硕士论文 表2 - 2 冷却管材料、壁厚修正系数最 壁厚汹) 管材 o 。5 6o 7 lo 。8 91 2 41 6 52 1 l2 ” 海军黄铜 1 0 61 0 41 0 21 o oo 9 60 9 2o 。8 7 砷黄铜1 0 61 0 41 0 21 0 00 9 60 9 20 8 7 铜铁合金1 9 41 0 6 1 0 4 1 0 21 0 00 9 6 o 9 20 8 7 铝黄铜 1 0 31 0 2 1 0 00 9 70 9 4 0 9 00 8 4 铝青铜 1 0 31 0 21 0 9 70 9 4o 9 00 8 4 b 1 0o 9 90 9 70 9 4o 粥o 8 5o 8 00 7 4 b 3 0 & 9 3o 9 00 8 70 8 20 7 70 7 薹0 。酗 冷乾低碳镶 王 袋鳃9 9 5 o 9 王 o 8 6o 0 。7 4 3 0 4 8 1 6 型不锈钢 o 8 30 7 9o 7 5o 6 9o 6 30 5 60 。4 9 钛o 8 5o 。8 lo 7 7o 7 l 这样总体传热系数 k 一c o p 3 芦t 移撕1 。酗 3 6 ) h e i 公式是国外广泛采用的电站凝汽器总传热系数计算公式。h e i 公式简单明 了，使用方便，各种有关冷却管材料品种、规格以及冷却水温的修正系数资料缀齐 全。该公式在使用上有一个重要优点，就是无需事先假定任何参数，可以次直接 计算出结果。 该公式的缺点是，孤立地考虑了冷却水流速、冷却水进出蜀温度的影响，而没 有考虑这些参数对总体传热系数的影响是彼此有关的；另外，它也没有考虑冷却水 流程数对总体传热系数的影响。 h e i 方法使世界上用得最为广泛的种，在商业上，一般都以h e i 为标准。 2 4 2 前苏联b t h 的计算方法 苏联在1 9 8 2 年颁布的火力和原子能电厂大功率汽轮机表面式凝汽器热力计 算指示中规定：凝汽器总平均传热系数按下述别尔曼公式确定扫射： k = 4 0 7 0 b f l w f l , f l z f l g 阿( 矿硎( 2 - 3 7 ) 华北电力大学硕士论文 丸= 引。 酌 艘= l 一刍1 0 坦3 f 3 5 一 瓣) 2q 一3 9 ) f l z = 1 + - 等( 卜磊t w l ) c 2 一删 式中： 考虑冷却表面清洁状况和冷凝管材料及壁厚的系数； t ，。冷却水在冷凝管内的流速，m s ； x 系数； z 冷却水的流程数； d 1 冷凝管内径，m m ； 凡，成，尾，成考虑冷却水流速、冷却水温度、冷却水流程数和蒸汽负荷率等 影响的修正系数。 式( 2 4 ) 适用于冷却水n t 蛾s4 5 、管内水速 ，一1 2 5 m s 和真空系统严密 性正常的固定式汽轮机凝汽器的计算。 当石侈0 6 时 x 一0 1 2 8 ( 1 + 0 1 5 t 。1 ) ( 2 4 1 ) 当x z 0 6 时 xt a l l 0 6 8 ( 2 - 4 2 ) 计算时，可按已知数据k 和芦代入式( 2 - 8 ) 和式( 2 - 9 ) 求出x 值，再按比值x p 大 小决定采用式( 2 - 8 ) 还是式( 2 - 9 ) 。 f i t 以墨3 5 时 晟；l 一监1 0 3 ( 3 5 一k ) 2 ( 2 4 3 ) b 一0 5 2 0 0 0 7 2 d 量( 2 一卿 式中：d k 蒸汽负荷率，g k 2 s ) 。 可见，采用别尔曼公式计算总传热系数时，要预先假定d 量值，通过逐步逼近方 法，最终确定总传热系数。 1 6 华北电力大学硕上论文 当3 5 k 4 5 时 屈一1 + 0 0 0 2 ( t 川一3 5 ) ( 2 - 4 5 ) 当凝汽器在设计负荷磁下，以及当堕d 7 堇的情况畦( 群为临界排汽量) 成一1( 2 4 6 ) 当每l 时 ， 岛- 毒( 2 一毒) ( 2 一叼 其中，9 7 一如8 0 0 1 t 蛾臃。 表面清洁状况和管材及壁厚的影响系数按下式计算： 多一照以( 2 4 8 ) 式中： 尾冷却表面清洁系数，与冷却方式和水质有关，查表2 3 ； 成管材修正系数，对壁厚6 = l m m 的黄铜管为1 0 ，b 5 管为0 9 5 ，b 3 0 管为 0 。9 2 ，不锈钢管为0 8 5 。 表2 - 3 清洁系数岛 管子秘承质情况 。 3 童流供零帮清洁本 毡8 0 毡8 5 循环供水和化学处理( 氯化、二氧化碳) 的水 o 7 5 o 8 0 +一 污脏水和可能形成矿物沉淀的水0 6 5 0 7 5 新管0 8 0 - - 0 8 5 具有连续清洗的凝汽器o 。8 5 钛冷凝管0 9 0 别尔曼公式比较全面地考虑了影响传热系数的各种因素及其相互的联系，计算 工作量较大。在进行设计工况下的凝汽器计算时，必须预先假定比蒸汽负荷；在变 工况计算中，该公式规定了考虑比蒸汽受荷交化的修正系数。该公式使用的条件是： 1 7 华北电力大学硕士论文 冷却水温s 4 5 0 c ，冷却水管内流速( 1 - - 2 5 ) m s 。 2 4 3b e a m a 公式 英国凝汽器总平均传热系数的计算是根据英国电器机械制造协会( t h eb r i t i s h e l e c t r i c a la l l i e dm a n u f a c t u r e sa s s o c i a t i o n ) 的标准进行的，这种计算方法和h e i 相似， 由下式计算泌1 ： k = k o 3 + 3 , , , 黟, w ( m 2 k ) l 伍锄 式中： k o 一一凝汽器管在清洁情况下，冷却水入口温度2 1 c 时的基本平均传热系 酬b 2 ) ，它随水循环水流速和管外径蠢；的变化关系由图2 - 4 可查得； 磊凝汽器管清