火力发电厂凝汽器管材的选用和保养

1.凝汽器的结构

在火力发电厂的循环冷却水系统中，换热设备为凝汽器。凝汽器的作用是将汽轮机的排汽冷却成为凝结水，供锅炉继续使用。凝汽器按蒸汽凝结方式分为混合式凝汽器和表面式凝汽器；按冷却介质分为水冷却凝汽器和空冷式凝汽器；按压力分为单背压凝汽器和双背压凝汽器，单背压多用于300WM以下的机组，双背压多用于300MW以上的机组。本章介绍目前火电厂冷却水系统常用的铜管式表面散热式凝汽器。表面式凝汽器结构如图2-7所示。

表面凝汽器的外壳用钢板焊接成圆柱形，两侧水室端盖用螺栓固定在水室上，并设有人孔门。水室与汽室间用管板隔开，两端的管板之间布置铜管，铜管胀接在管板孔内，使两端水室相通。冷却水走管内，蒸汽走管间，通过管壁进行热交换。外壳、管板与水室焊成一个整体，上部排汽进口与汽轮机的排汽口相连，下部收集凝结水的热水井与凝结水泵相连，两侧的空气抽出管与抽气器相连。抽气器的作用是抽出少量未凝结的蒸汽。

冷却水在凝结器内的流程是：冷却水在循环水泵的压力下由进水管进入水室，先冷却下部的铜管，经另一侧水室流入上部铜管进行冷却，再由出水管流出。此过程中，蒸汽凝结时放出的热量被冷却水带走，使冷却水的温度上升，冷却水进入冷却塔降温后循环利用。

图2-7 表面式凝汽器

1—外壳 2、3—端盖 4—管板 5—铜管 6—排气入口 7—热水井 8—空气抽出口 9—空气抽出区10—抽除区隔板 11—冷却水入口 12—出水室 13—水室隔板 14—汽空间 15—进水室 16—中间水室

凝汽器的传热性能可由凝汽器内的真空度和凝汽器的端差来反映。

（1）凝汽器的真空度在单位时间内当汽轮机的排汽量与凝结水量相等，以及空气的漏入量与抽气量相等时，凝汽器内处于平衡状态，压力保持不变，即在凝汽器内形成一定的真空度。正常运行条件下真空度一般为0.005～0.034MPa。

（2）凝汽器端差汽轮机的排汽温度t_p与凝汽器冷却水的出口温度t₂之差为端差，用δ_t表示（δ_t=t_p-t₂）。它与汽轮机排汽温度和冷却水温度之间有以下关系：

式中 t₁——冷却水的进口温度，℃

Δt——冷却水的出口温度t₂与进口温度t₁之差（Δt=t₂-t₁），℃

正常运行条件下，端差一般为3～5℃。

可见，铜管内结垢、冷却水量小、以及排气量增加和抽气量减小等都会使凝结水温度升高、端差上升或凝汽器内压力升高、真空度降低，影响机组的热经济性。

（3）冷却水的温升 在凝汽器中，蒸汽和冷却水温度沿冷却表面分布，根据热量平衡冷却水在凝汽器内的温升Δt，可由式（2-2）给出：

式中 m=q_mn/q_mp——为凝汽器的冷却倍率，表示冷却1kg蒸汽所需要的冷却水量

q_mn——进入凝汽器的冷却水量

q_mp——进入凝汽器的排气量

h_p——排汽的焓

h_n——凝结水的焓

在湿冷系统中m一般取值40～70，冷却水温升一般为3～5℃。

2.凝汽器管材品种

多年来，火力发电厂的凝汽器管，由于选用的材料与冷却水水质不相适应而造成早期腐蚀泄漏的现象屡屡发生。例如，中等含盐量的水中采用无砷H68黄铜管，出现了严重的脱锌腐蚀。含悬浮物的淡水中选用铝黄铜管，出现了严重的冲击腐蚀。含砂量较高的海水中选用B10-1-1白铜管，投运一年就有上百根管出现泄漏。这些腐蚀问题的出现，给发电厂的安全经济运行造成不应有的损失。因此，火力发电厂凝汽器管材的合理选用是防止腐蚀，保证凝汽器运行可靠性的重要措施之一。

目前，供凝汽器选用的国产管材主要有含砷的普通黄铜管、锡黄铜管、铝黄铜管、白铜管和钛管。管材品种和牌号见表2-2。

表2-2 国产凝汽器管材品种和牌号

凝汽器的管材主要成分见表2-3。

表2-3 国产凝汽器管材主要成分

其中H代表黄铜，Sn和Al代表添加的锡或铝，A代表添加的微量砷，第一组数字是黄铜中铜的百分含量，第二组数字是添加元素的百分含量。铜镍合金称白铜，常用的牌号有B10和B30。相近的牌号是B10-1-1和B30-1-1，其中B代表白铜，字母后的数字是镍的百分含量，其后的两个数字是铁锰含量。

3.凝汽器管材的选用

目前，我国选用凝汽器管材原则为：在采用一般维护措施的条件下，不出现管材的严重腐蚀和泄漏，使用寿命能在20年以上。

（1）冷却水水质 冷却水水质是选择管材的重要依据，冷却水中的杂质对凝汽器管材的影响非常大。水中悬浮物或溶解盐类会不同程度地侵蚀金属的基体，引起管材的冲击腐蚀和沉积物下腐蚀，水中的溶解盐类会促使管材产生脱锌、脱镍腐蚀和点蚀等。我国在总结了几十年来管材与水质适应性规律的基础上，制定了凝汽器管的选材导则，规定了管材应用范围，见表2-4。

表2-4 凝汽器管材质的选择

（2）管材的耐蚀性 几种常用管材的耐蚀性及其适用范围如下：

①H68A管：H68A管是在H68管材中添加微量砷制成的，耐脱锌腐蚀性能比H68管要强，主要腐蚀形式为均匀腐蚀，使用寿命比H68管要长。H68A管在轻度污染的冷却水中会出现层状脱锌及溃蚀，故只适用于溶解固形物小于300mg/L清洁冷却水中使用。

②HSn70-1A管：HSn70-1A管即在HSn70-1管材中加砷而制成的，为海军黄铜管，多年来在国内外淡水中使用较为广泛的一种管材。HSn70-1A管一般用于溶解固形物含量小于1000mg/L，氯离子含量小于50mg/L的清洁冷却水中。

HSn70-1A管是铜合金管中价格比较低廉的，具有一定的抗生物污染和水侧腐蚀的能力，但对应力腐蚀破裂较敏感，必须完全退火后才能使用。此外，在管内表面有沉积物或碳膜时，容易发生点蚀。

③HAl78-2A管：HAl78-2A管含有2%铝的黄铜管，在清洁海水中耐腐蚀，一般推荐溶解固形物大于1500mg/L的水中或海水中使用。含砷铝黄铜管被各国广泛应用于海水，耐硫化物侵蚀较好，但耐砂蚀的性能差，在悬浮物及含砂量较高的海水或淡水中，会发生严重的入口管端冲刷和由异物引起的冲击腐蚀。通过降低水中含砂量，可减缓铜管的冲击腐蚀。这种管材对应力腐蚀比较敏感，应在退火处理后，完全消除内应力再使用。

当安装不当或机组有振动时，HAl78-2A管在清洁淡水中也容易发生应力腐蚀、破裂和腐蚀疲劳损坏。在污染的淡水中，是不耐腐蚀的。因此HAl78-2A管一般不推荐在淡水中使用，也不宜在浓淡交变的冷却水中使用。

④B10-1-1管：B10-1-1管过去主要用于海水冷却的系统，在清洁海水中比较耐蚀。现在许多国家在淡水、污染淡水和咸水中，也都采用该管。B10-1-1管耐氨蚀及耐应力腐蚀的性能都比黄铜管好，但在含砂和含有悬浮物的海水中不耐冲击腐蚀。此外，也不适宜含有硫化物的冷却水中。

⑤B30-1-1管：B30-1-1管具有良好的耐砂蚀性能和耐氨蚀性能，适用于悬浮物和含砂量较高的海水中，并且适宜安装在凝汽器空抽区，可防止凝汽器汽侧的氨蚀。

B30-1-1管在污染的冷却水中会发生点蚀和穿孔。在初期保护膜形成不良及表面有积污的情况下，也容易发生孔蚀，采用海绵球清洗也可提高B30-1-1管的耐蚀性能。

⑥钛管：钛管对氯化物、硫化物和氨均有较好的耐蚀性能，耐冲击腐蚀的性能也较强，可在受污染的海水或悬浮物含量较高的水中，应在较高流速下使用。

钛比任何一种凝汽器管材的电位都高，与钛管相连的其他材料的管板会成为电化学腐蚀电池的阳极而遭受腐蚀。设计凝汽器时若采用了钛管，则管板和水室其他部位最好采用钛板或衬钛管板，如果必需用其他合金材料时，应选用电位差小的合金。

钛管有时也会产生腐蚀泄漏，主要是由异物堵塞引起的局部溃蚀或缝隙腐蚀。因此使用钛管必须注意防止异物随水流进入，并及时进行清洗。此外，钛管也容易产生生物污染。钛管的价格比较昂贵，选用时应通过专门的实验和经济比较。

⑦不锈钢管：不锈钢凝汽器管一般采用含铬18%、镍9%～10%的镍铬不锈钢。不锈钢凝汽器管具有良好的耐冲击腐蚀及耐氨蚀性能，但也会发生点蚀，尤其是在溶氧过低、pH低、氯化物高和有锰沉积时，发生点蚀可能性更大，在高溶解氧下使用很好。

如果冷却水有结垢倾向时应定期进行酸洗，一般使用硫酸、磷酸、氨基磺酸或甲酸，不能采用盐酸，即使是含有抑制剂的盐酸也不行，因为会发生点蚀。

采用不锈钢管要求冷却水流速最好不低于2.4～2.7m/s，在机组短期停用时，冷却水不应停止流动，当要长期停用时，应将疑汽器内的水放尽，管内清洗干净并使之干燥，否则管材会很快损坏。

（3）管内流速 每一种管材都能适应一个恰当的流速，最大设计流速见表2-5。

表2-5 几种常用管材可用的最大流速单位：m/s

设计时要根据管材选定流速。冷却水流速必须足以连续提供充足的水，并防止沉积物下沉，但又不至于使保护膜脱落。通常设计流速为1.3～2.7m/s。

为了防止沉积物沉积，设计流速有最小值，一般黄铜管不小于1.0m/s，铜镍（白铜）管不宜小于1.4m/s。工业废物、污水、扰流等因素会造成铜合金腐蚀，影响最大使用流速。冷却水流速若超出设计值，会影响保护膜的形成，特别是在凝汽器管冷却水进口侧会发生溃蚀。管子内部如有异物会使该处管子截面缩小，管内冷却水流速提高，引起局部溃蚀。

（4）我国对凝汽器管选材的一些技术规定

①水中悬浮物和含砂量的影响：水中悬浮物和含砂量对选材的影响见表2-6。

表2-6 水中悬浮物和含砂量对选材的影响

②水质污染的影响：上面几种铜合金管，一般只适用于清洁水，否则应根据实际情况采取加氯处理、海绵球清洗或硫酸亚铁处理等措施。

亚临界机组凝汽器的空冷区一般应采用B30管，防止产生氨蚀。用海水冷却的凝汽器可选用HSn62-1管板。

1.换热器的类型

水冷却用的换热器为间壁式，水不与工艺介质接触，通过间壁（管壁或板壁）进行换热。

间壁式换热器的形式有蛇管式、套管式、列管式、板式、螺旋板式等。换热器以列管式最常见，蛇管式中的喷淋换热器及螺旋板式换热器也很常见。各种形式换热器如下。

（1）蛇管式换热器蛇管式换热器分为沉浸式和喷淋式两种。

①沉浸式蛇管换热器如图2-8、图2-9所示。

图2-8 沉浸式蛇管换热器

换热管由肘管连接的直管或盘成螺旋形的蛇形管构成。蛇管安装在容器中，运行时容器中充满冷却水，故称为沉浸式。其优点是结构简单，便于防腐，能承受高压。缺点是传热面有限，管外流体流动性差，传热效率低。

②喷淋式蛇管换热器：如图2-10所示。

图2-9 蛇管的换热器

工艺介质在管内流动，冷却水由管上方的水槽分布后，淋至排管各层管子的表面，最后落入水池中。喷淋式换热器结构简单，造价低，能承受高压，同时便于清洗和检修。由于喷淋的冷却水部分产生汽化，故冷却水用量少。在中小氮肥厂中应用很广。主要缺点是喷淋不均匀，另外易积垢和生长藻类。

（2）列管式换热器目前广泛使用的列管式换热器主要有以下几种：

①U形管式列管换热器：如图2-11所示。

换热器只有一端设管板，U形管的两端分别装在管板两侧，封头用隔板隔成两室，管子可以自由伸缩。其结构简单，一般在化工厂中常见。

图2-10 喷淋式蛇管换热器

1—直管 2—U形管 3—水箱

图2-11 U形管换热器

1—外壳 2—U形管

②固定管板式列管换热器固定管板式列管换热器如图2-12所示。

图2-12 有折流挡板的双程列管式换热器

1—壳体 2—挡板 3—隔板

两端管板和壳体连为一体。特点是结构简单，适用于管内外温差小、管外水质较清洁、不易结垢的情况。管内外温差大于50℃时，因壳体和管束的热膨胀程度不同，可能将管子拉弯或拉松，损坏换热器。这时如壳体承受压力不太高，可采用在壳体上具有补偿圈（或称膨胀节）的固定管板式换热器。

管内流体通过一程管束就流出的称为单程换热器。有时为提高管内流体的流速，可设计成双程、四程或六程换热器。如图2-12为双程换热器，流体通过第一程后，再折回，流过第二程管束后流出。

列管式换热器几乎是最常见的型式。与其他换热器相比，单位体积所提供的传热面积要大得多，传热效率高，结构紧凑、坚固，能选用多种材质，可以用于高温、高压的大型装置。在设计选用时需考虑以下问题。

a.水流经壳程或是管程：因管程易提高流速，便于清洗，但不易散热。所以，需要提高流速以增大流体的对流传热系数。蒸汽一般通入壳体，因蒸汽较清洁，更主要的是壳程便于排放蒸汽冷凝液。此外，黏度大的流体（μ＞1.5～2.5mPa·s）一般也通入壳程，因折流挡板能使流体不断改变方向，在低雷诺数（Re=100）时即可达到湍流，有利于提高对流传热系数。

b.材质及管规格：根据工艺介质的性质，管材、管板及封头一般采用碳钢、不锈钢或铜材。电厂蒸汽冷凝器一般用铜材，因铜的导热性能好且耐腐蚀。化工厂的腐蚀介质常采用不锈钢材。壳程换热器的壳体及折流挡板一般采用碳钢。壳程的折流板和壳体如与管子材质不同，有可能发生电偶腐蚀，特别在腐蚀性水中更容易发生。

目前，我国试行的系列标准中规定的管径与壁厚为Φ25mm×2.5mm和Φ19mm× 2mm两种规格。管长分为1.5m、2m、3m、6m四种，以3m和6m最常用。管子的排列有正方形和正三角形两种。

c.流速：流速直接影响对流传热系数，一般希望大一些使流体处于湍流状态。但流速过大时，又会使流体阻力增大，所以也不可能过大。流速过低有可能造成沉积，所以流速也不宜低于一定值。列管换热器内常用的流速范围见表2-7。

表2-7 列管换热器内常用的流速范围单位：m/s

（3）板式换热器板式换热器如图2-13所示，由传热板片、密封垫片和压紧装置三部分组成，其流向示意图如图2-14所示。

图2-13 板式换热器的传热板片

（人字形波纹板片结构）

图2-14 板式换热器流向示意图

板式换热器是通过传热板片换热的。冷热流体分别在板片的两侧流过换热。传热板片由0.5～3mm的金属薄板压制成型，材质有不锈钢、黄铜或铝合金等。为增强刚度、避免变形，一般将板片压成波纹形，如图2-13为人字形波纹板结构。波纹既增大了传热面积，又增强了流体的湍流程度。板片的四个角上各开一孔，作为冷热流体的进出口。板片四周及孔周围压有密封垫片槽，可贴入密封垫片。垫片可根据流体流动的需要来放置，从而起到允许或阻止流体进入板面之间通道的作用。按传热需要将若干块传热板片排列在支架上，由压板压紧螺杆压紧后，相邻板间就形成了流体通道。借助垫片的布置，使冷、热流体在传热板片的两侧流过进行传热。不同厚度的垫片可以起到调节板间距（一般4～6mm），即调节流量作用。

板式换热器的主要优点是在低流速下即能达到湍流，传热效率比列管式换热器高，设备紧凑，操作灵活性大，板片制造、检修及清洗都比较方便。其缺点主要是处理量不大，同时受板片刚度及垫片性能的限制，允许的操作压力和温度都不能过高。操作表压一般低于1.5MPa，最高不超过2MPa。用合成橡胶垫片时，操作温度应低于130℃，用压缩石棉垫片应低于250℃。

2.换热器的污垢热阻

（1）管壁两侧为流体的传热基本方程图2-15为一般化工、发电厂等常用的列管式换热器，它主要由外壳、平行排列的管束、安装在外壳两端用以固定管束的管板以及顶盖、接管等组成。

图2-15 列管式换热器

1—外壳 2—管束 3—管板 4—顶盖 5、6—接管 7—支架

一般化工、发电厂等多为稳定的连续操作，因此换热器中各点的温度不随时间而变。在图2-15中，热流体在管外流动放出热量，温度由T₁下降到T₂；冷却水在管内流动吸收热量，温度由t_in上升到t_out。此时单位时间内通过换热器管壁传递的热量与传递的面积成正比，与冷热流体之间的温度差也成正比。由于温度差沿传热面不断变动，在换热器两端（冷却水的出口端和进口端）热流体与冷却水之间的温度差分别为Δt₁=T₁-t_out及Δt₂=T₂-t_in，因此，要取温度差的平均值，即Δt_m=（Δt₁+Δt₂）/2。以上关系用数学式表示时为：

式中 Q——单位时间内传递的热量，J/s

F——换热器的传热面积，如传热管内径（水侧）为d_i米，传热管有效传热长度为L米，共有n根，则F=πd_iLn，m²

K——比例系数，W/（m²·K）

Δt_m——冷却水和热流体温度差的平均值，K，即：

式（2-3）即为管壁两侧为流体的传热基本方程。

（2）管壁两侧为流体的传热原理管壁传热的示意图如图2-16所示。

管壁一侧为热流体，另一侧为冷却水，单位时间内热流体传递给冷却水的热量：

式中 Q——单位时间内热流体传递给冷却水的热量，J/s

R——单位时间内冷却水的流量，kg/s

c_p——水的比热容，J/（kg·K）

t_in、t_out——冷却水进、出换热器的温度，K

由于操作连续，传热过程稳定，因此式（2-3）式应该等于式（2-5），即：

或

（3）总传热系数的计算图2-17表示两侧为流体的恒温传热。

图2-16 管壁传热示意图

图2-17 管壁传热原理示意图

恒温传热包括如下三个过程：

①热流体在流动过程中把热量传到管壁的对流传热。

②通过管壁的导热。

③由另一侧管壁把热量传给冷却水。

若热流体温度为T，冷却水温度为t₁，t₂和t₃分别表示管壁两侧温度，F₁和F₂分别代表两侧的传热面积，α₁和α₂分别为热流体和冷却水的传热膜系数，λ为管壁材料的导热系数，δ为管壁厚度，F_m为管壁的平均面积，上述传热过程可以分别用式（2-8）、式（2-9）表示：

或

或

或

又因恒温稳定传热，故有：

将上述各式整理可得：

或

式中 1/K——无污垢时传热的总热阻，m²·K/W

F₁——热流体侧传热管壁面积，m²

F₂——冷却水侧传热管壁面积，m²

F_m——传热管壁平均面积，m²

δ——传热管壁厚度，m

λ——传热管壁材质的导热系数，w/（m·K）

α₁、α₂——热流体侧、冷却水侧传热膜系数，w/（m·K）

式（2-16）表明，管壁上无污垢时，传热的总热阻为两侧流体的热阻和管壁热阻之和。

（4）污垢热阻的测定和计算在循环冷却水系统中，冷却水中各种沉积物在换热器水侧传热表面上沉积，同时热流体中也可能有沉积物在热流体一侧管壁上沉积。这些沉积物都会影响传热效果，即增加传热阻力。由沉积物引起的热阻通常称为污垢热阻。若冷却水侧的污垢热阻以r_F表示，热流体侧的污垢热阻以r表示，则此时的传热总热阻1/K′可表示为：

式中 1/K′——管壁两侧有污垢时传热的总热阻，m²·K/W

r——热流体一侧的污垢热阻，m²·K/W

r_F——冷却水一侧的污垢热阻，m²·K/W

式（2-17）就是传热管壁两侧有污垢时的传热总热阻的表达式。由式（2-17）与式（2-16）对比可知，式（2-17）比式（2-16）中增加了两项：热流体一侧的污垢热阻r和冷却水一侧的污垢热阻r_F。

如果在传热实验中，要测定冷却水侧的污垢热阻，则可设法控制热流体侧不生成污垢，使r=0，同时在整个实验中控制各操作参数不变，则通过式（2-17）与式（2-16）相减，可得：

将式（2-7）代入上式，并经整理后可得：

如在实验中使热流体侧管壁上不生成污垢，保证r=0，同时还可使T₁=T₂=T₀，并只用一根传热管做实验，则n=1。将这些条件代入上式，并整理后可得：

式（2-20）即为传热实验中，瞬时的污垢热阻r_F的计算公式。