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提高汽輪機管式冷油器換熱效率說明
提高汽輪機管式冷油器換熱效率說明，發電廠近年由于冷卻水溫升高，冷油器發生堵管和結垢，不能滿足機組潤滑油系統的換熱要求。為此,根據實際情況對管式冷油器進行了改造，提高了徐油器的換熱效率，降低了管式冷油器的出口油混，并在改造中解決了冷卻管選材、結構優化等問題，對存在管式冷油器換熱能力不足的冷卻設備改造有著一定的借簽意義。
1問題提出背景
發電廠二期3、4號機組是日本日立公司設計制造的TCDF-33.5型再熱沖動凝汽式汽輪發電機組，于1978年1月正式移交生產，至今已運行二十多年。主機配備的主機冷油器布置在主油箱內，共有兩臺，一臺運行，一臺備用，汽輪機管式冷油器型式為立式表面接觸式直管翅片型,冷卻面積為310m。,釆用水庫作為冷卻水源。近年來由于全球溫室效應，氣溫逐年變暖,水庫水溫也受到較大影響，在夏季水庫水溫更是達到30C以上。
同時由于汽輪機管式冷油器運行時間長、管式冷油器堵管、水側結垢等原因，嚴重地影響了冷油器的換熱效果。在近年來的夏季大負荷期間，冷卻水油溫調整門開度已達100%,冷卻水流量已經沒有裕量，即使剛通刷完冷油器，管式冷油器出口油溫也難以維持在50C以下，直接威脅著主機潤滑油系統的安全運行。為提高冷卻效果，在夏季大負荷期間，曾經多次抽芯子對管式冷油器油側和水側進行清掃，抽芯子后檢査發現臟污程度很小，清掃回裝后冷卻效果也沒有明顯改善。
為此，對發電廠二期冷油器進行改造。發電廠二期機組冷油器原管束材質牌號為鋁黃銅BSTF4-0,為日本六七十年代的銅合金牌號，冷卻管束銅管為類螺紋的翅片管。該種鋁黃銅有開裂傾向，因此在翅片加工中容易產生缺陷，需要在冷加工后進行熱處理。由于其工藝較為復雜，一直是國內中高螺紋翅片管加工的難題。目前紫銅低螺紋翅片管的換熱設備在國內較為普遍，但黃銅管中高螺紋的翅片管國內冷油器廠家卻很少應用。發電廠原冷油器芯子管束采用。15.88X1.65規格的鋁黃銅管，冷卻面積為310n?,經過計算,光管總面積為134m\如果按冷卻面積310m2反算，則翅片管冷卻面積的增加系數為2.3,翅片高為1.53mm。
2冷油器的國產化方案
雖然中國現在冶煉和機加工技術在近年來得到了飛速發展，但對于黃銅翅片管的加工和應用卻不多，很多換熱器廠家對釆用黃銅翅片管都有較大的疑慮，只有部分換熱器廠家愿意進行制作，但認為會有一定的風險。為此，門向冷油器的原生產廠家進行咨詢,證實了該管式冷油器芯子一臺制作高達80多萬元，費用達到了國內相關廠家的3倍之多。因此，為了充分利用資金，決定對冷油器芯子進行國產化。
2.1冷卻管束的選材
冷油器冷卻管束原管束材質牌號為鋁黃銅BSTF4-0,根據相關資料和發電廠換熱器相關導則，國內對應材質牌號為HA177-2,一般稱作海軍黃銅，更多應用于海上的惡劣環境中。實踐證明該材質在發電廠冷油器應用二十幾年，堵管率仍不太高,說明其使用效果和壽命都是比較好的。
根據火力發電廠金屬材料選用導則,HA177-2稱鋁黃銅，對海水及鹽水有良好的耐蝕性，但HA177-2A管耐砂蝕性能差，冷卻水中允許的懸浮物和含砂量不超過50mg/L,在懸浮物及含砂量較高的淡水中，會產生嚴重的沖刷和腐蝕，所以一般不推薦在淡水中使用。在淡水中一般推薦采用另一種也被稱為海軍黃銅的HSn70-lA黃銅材質,HSn70-lA具有良好的力學性能，在大氣和淡水中有較高的耐腐蝕性，冷卻水中允許的懸'浮物和含砂量不超過300mg/L,符合發電廠使用水庫作為冷卻水源的實際情況。鑒于以上原因，管式冷油器選用HSn70-lA作為冷卻管束的材質。
2.2冷卻面積的核算
發電廠管式冷油器原設計面積為310m2,翅片高度達到了1.3-1.5mm,一般認為已經達到了加工的極限，再提高翅片高度對管束換熱增強不多，卻會大大削弱翅片管的機械強度，在冷油器運行中引起安全隱患。
由于原管式冷油器集成于主油箱，冷油器外殼下半部分均位于主油箱內部，因此在改造中冷油器的外形尺寸受到限制。如果將冷油器外殼向上加長，冷油器殼體的同心度和平行度很難保證，'同時冷卻水出入口需全部進行鋪設,改造難度很大。同樣冷油器的布管方式依賴于管板的大小，圖1為原冷油器的布管圖，可以看出原冷油器的管束分布緊湊，布管密度也已經達到極限，通過提高銅管數量提高冷油器換熱效率的可能性不大。因此，管式冷油器的冷卻面積只能維持不變，要提高冷卻效果需從其他方面入手。
圖1原冷油器布管圖
2.3加工廠家的選擇
管式冷油器制造廠家的選擇是一個關鍵的環節,國內很多廠家都有紫銅低螺紋翅片冷油器的生產能力，并有相關的產品業績,但黃銅材質中高螺紋的翅片管冷油器產品卻為數不多。相反，有些廠家在對該種形式冷油器改造中有過不成功的經歷。
為了使改造工作得以順利進行，調研了國內各動力輔機廠和換熱設備廠家的相關設計形式、設計方案以及相關的業績,后確認東方汽輪機廠曾引進過國外黃銅翅片管的加工技術,具有翅片管型式冷油器的生產能力，并在國內部分電廠有應用。據該廠的業績報告，該廠生產的翅片型冷油器換熱面積大達500余m"雖有生產該種型號冷油器的能力，但只能按原來的規格尺寸進行制作，因此制作的冷油器只能達到新冷油器的換熱效果,換熱效率的提高也是有限的。
3管式冷油器優化方案的確定
由于二期管式冷油器改造只能達到新冷油器的換熱效果，僅能消除堵管和管束結垢帶來的換熱損失，因此該方案沒有得到立即實施,并著手進行進一步調研,期望找到更好的解決方案。
在2005年的夏季大負荷期間，華北地區出現了連續的悶熱“桑拿"天氣，環境溫度達到了34C以上的高溫，水庫水溫也大幅提升,冷油器的冷卻效果變差，冷油器的出口溫度達到了50C左右。同時廠房環境溫度更高，不利于機組向外散熱，二期機組潤滑油回油溫大幅升高,3號機組1號瓦金屬溫度達到了85C以上,處于頻繁報警的狀態，已到了金屬溫度高停機溫度值的邊緣,嚴重威脅到機組的安全運行。冷油器的通刷維護工作也陷入了僵局，由于冷油器水側并無臟污，盡管頻繁通刷，浪費了大量的人力，卻沒有起到應有的效果。為解3號機組潤滑油系統的燃眉之急,決定向東方汽輪機廠訂購1臺冷油器，同時試驗冷油器的換熱效果。
在2005年大負荷過后，為了測量冷油器相關的數據，對1臺冷油器進行了解體。在對原圖紙核對和冷油器解體過程中，發現該冷油器結構設計不合理，在冷油器的高度方向存在換熱面積利用不足的現象。即冷油器油側入口一道弓形隔板下部和后一道弓形板上部尚有可利用的空間。
如圖所示，圖2中上圖為冷油器框架，右圖為弓形板布置圖，原冷油器管弓形板弦缺口與潤滑油入口平行布置，當潤滑油進入后,油流會直接流向弓形板缺口，然后進入下一級隔板空間，這樣在弓形板的另一側就會形成較大的空間死區，潤滑油在這里處于停滯狀態，削弱了該處管束換熱的能力。冷油器這一死區的高度上下均為360mm,共占整個冷油器高度30%左右，因此如果能夠將這一空間充分利用,必能大幅提高冷油器的換熱能力。
為了合理利用這一空間，與廠家協商對原冷油器的設計結構進行變更，主要改變了冷油器的弓形板布置方式，將弓形板弦缺口與潤滑油入口垂直布置。布置方式如圖3所示。
潤滑油從入口進入后，會一直流向前方筒壁處的弓形板缺口，潤滑油流場分布在整個冷油器空間，充分利用了管束的換熱面積,因而會大幅提高冷油器的換熱效率。因潤滑油入口對應為冷油器水室隔板位置，因此會有油流從中部的管隙流過,從而產生短路，影響冷油器換熱。為此，在冷油器中部設置安裝遮流用的2排不銹鋼管束，用于減少通過此處潤滑油的流量，后確定的管式冷油器橫向截面圖如圖4所示。
管式冷油器于2005年10月確定了設計制作方案，進行強度和熱力校核，對終加工圖紙進行了審核后投入了生產，在2006年5月冷油器制作完成后運至達生產現場。
4管式冷油器的安裝試用及評價
為了保證3號機組在2006年度的大負荷期間安全穩定運行，在冷油器到廠后進行了全面的清掃,對甲冷油器芯子進行了更換。為了保證新冷油器安裝不影響機組潤滑油質，對該冷油器外接濾油機進行了過濾，過濾進行了約一周的時間。在油質釆樣合格后將冷油器切換為甲冷油器運行。在同樣的調整門開度下，切換為甲冷油器后潤滑油的出口油溫降低了6°C,同時，主機各個軸瓦的金屬溫度也降低了5-7-C，其中1號瓦的金屬溫度降低了7C,降到了軸瓦金屬溫度報警線以下，并有了一定的裕量，結果表明冷油器的改造是成功的。
如果從管式冷油器的管束尺寸進行簡要估算，該管式冷油器上下充分利用了720mm的管束空間，可以提高25%左右的換熱率，按冷油器設計入口出口15。溫差，改造后其溫差可以達到19?20"C,換熱效率得到了大幅提升。
發電廠3號機組管式冷油器改造取得了很好的效果，主要是因為在改造中改變了冷油器的結構設計方案，使管式冷油器結構設計更為合理,充分利用了管式冷油器的換熱空間,使換熱效率大大增強，從而保證了機組的安全穩定運行。從管式冷油器改造取得的效果可以看出，影響冷油器的換熱效率機組啟動后，當主蒸汽、再熱蒸汽管道溫度達到50%額定值時,對所有支吊架進行全面檢査，確認沒有嚴重問題后繼續提高蒸汽參數。當主蒸汽、再熱蒸汽管道溫度達到額定值時,再次對支吊架進行全面檢查。如有需要，對允許運行中調整支吊架的進行適當調整，對運行中不能調整的項目進行記錄并做好停機時調整的準備工作。
6支吊架整改的效果
總體來說，經過此次整改基本解決了吊架換素是多方面的，不能僅僅考慮換熱面積，換熱面積足夠不一定達到管式冷油器的換熱極限,本例僅改變了冷油器的弓形管板的布置方向也達到了比預期還要好的換熱效果。
目前國內的油冷卻設備有列管式和板式兩類，列管式冷油器以其優良的換熱性能和方便的清潔方法,為廣大電力企業所普遍應用發電廠管式冷油器的改造成功說明國內翅片管加工工藝已經不再是難題，國產翅片管形式冷油器同樣能滿足使用要求。