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如何提高汽輪機(jī)管式冷油器換熱效率（管式冷油器改造）
如何提高汽輪機(jī)管式冷油器換熱效率（管式冷油器改造），大唐國(guó)際發(fā)電廠近年由于冷卻水溫升高,管式冷油器發(fā)生堵管和結(jié)垢,不能滿足機(jī)組潤(rùn)滑油系統(tǒng)的換熱要求。為此,根據(jù)實(shí)際情況對(duì)管式冷油器進(jìn)行了改造,提高了管式冷油器的換熱效率,降低了管式冷油器的出口油溫,并在改造中解決了冷卻管選材、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等問題,對(duì)存在管式冷油器換熱能力不足的冷卻設(shè)備改造有著一定的借鑒意義。
1問題提出背景
大唐國(guó)際發(fā)電廠二期3、4號(hào)機(jī)組TCDF-33.5型再熱沖動(dòng)凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組,至今已運(yùn)行二十多年。主機(jī)配備的主機(jī)冷油器布置在主油箱內(nèi),共有兩臺(tái),一臺(tái)運(yùn)行,一臺(tái)備用,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310m2,采用水庫作為冷卻水源。近年來由于全球溫室效應(yīng),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(dá)到30℃以上。同時(shí)由于管式冷油器運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、管式冷油器堵管、水側(cè)結(jié)垢等原因,嚴(yán)重地影響了冷油器的換熱效果。在近年來的夏季大負(fù)荷期間,冷卻水油溫調(diào)整門開度已達(dá)100%,冷卻水流量已經(jīng)沒有裕量,即使剛通刷完冷油器,冷油器出口油溫也難以維持在50℃以下,直接威脅著主機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)的安全運(yùn)行。為提高冷卻效果,在夏季大負(fù)荷期間,曾經(jīng)多次抽芯子對(duì)冷油器油側(cè)和水側(cè)進(jìn)行清掃,抽芯子后檢查發(fā)現(xiàn)臟污程度很小,清掃回裝后冷卻效果也沒有明顯改善。為此,亟需對(duì)發(fā)電廠二期管式冷油器進(jìn)行改造。
發(fā)電廠二期機(jī)組管式冷油器原管束材質(zhì)牌號(hào)為鋁黃銅BSTF4-0,銅合金牌號(hào),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(chǎn)生缺陷,需要在冷加工后進(jìn)行熱處理。由于其工藝較為復(fù)雜,一直是國(guó)內(nèi)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(shè)備在國(guó)內(nèi)較為普遍,但黃銅管中高螺紋的翅片管國(guó)內(nèi)冷油器廠家卻很少應(yīng)用。發(fā)電廠原冷油器芯子管束采用D15.88×1.65規(guī)格的鋁黃銅管,冷卻面積為310m2,經(jīng)過計(jì)算,光管總面積為134m2,如果按冷卻面積310m2反算,則翅片管冷卻面積的增加系數(shù)為2.3,翅片高為1.53mm。
2管式冷油器改造的國(guó)產(chǎn)化方案
雖然中國(guó)現(xiàn)在冶煉和機(jī)加工技術(shù)在近年來得到了飛速發(fā)展,但對(duì)于黃銅翅片管的加工和應(yīng)用卻不多,很多換熱器廠家對(duì)采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(jìn)行制作,但認(rèn)為會(huì)有一定的風(fēng)險(xiǎn)。為此,門向冷油器的原生產(chǎn)廠家進(jìn)行咨詢,證實(shí)了該冷油器芯子一臺(tái)制作高達(dá)80多萬元,費(fèi)用達(dá)到了國(guó)內(nèi)相關(guān)廠家的3倍之多。因此,為了充分利用資金,決定對(duì)冷油器芯子進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化。
2.1冷卻管束的選材
冷卻管束原管束材質(zhì)牌號(hào)為鋁黃銅BSTF420,根據(jù)相關(guān)資料和發(fā)電廠換熱器相關(guān)導(dǎo)則,國(guó)內(nèi)對(duì)應(yīng)材質(zhì)牌號(hào)為HAl7722,一般稱作海軍黃銅,更多應(yīng)用于海上的惡劣環(huán)境中。實(shí)踐證明該材質(zhì)在發(fā)電廠冷油器應(yīng)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(jù)火力發(fā)電廠金屬材料選用導(dǎo)則,HAl7722稱鋁黃銅,對(duì)海水及鹽水有良好的耐蝕性,但HAl7722A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(huì)產(chǎn)生嚴(yán)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HSn7021A黃銅材質(zhì),HSn7021A具有良好的力學(xué)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(fā)電廠使用水庫作為冷卻水源的實(shí)際情況。鑒于以上原因,冷油器選用HSn7021A作為冷卻管束的材質(zhì)。
2.2冷卻面積的核算
發(fā)電廠冷油器原設(shè)計(jì)面積為310m2,翅片高度達(dá)到了1.3～1.5mm,一般認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到了加工的極限,再提高翅片高度對(duì)管束換熱增強(qiáng)不多,卻會(huì)大大削弱翅片管的機(jī)械強(qiáng)度,在冷油器運(yùn)行中引起安全隱患。
由于原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(nèi)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(zhǎng),汽輪機(jī)管式冷油器殼體的同心度和平行度很難保證,同時(shí)冷卻水出入口需全部進(jìn)行鋪設(shè),改造難度很大。同樣汽輪機(jī)管式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(jīng)達(dá)到極限,通過提高銅管數(shù)量提高冷油器換熱效率的可能性不大。因此,汽輪機(jī)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。
2.3加工廠家的選擇
汽輪機(jī)管式冷油器制造廠家的選擇是一個(gè)關(guān)鍵的環(huán)節(jié),國(guó)內(nèi)很多廠家都有紫銅低螺紋翅片冷油器的生產(chǎn)能力,并有相關(guān)的產(chǎn)品業(yè)績(jī),但黃銅材質(zhì)中高螺紋的翅片管冷油器產(chǎn)品卻為數(shù)不多。相反,有些廠家在對(duì)該種形式冷油器改造中有過不成功的經(jīng)歷。
為了使改造工作得以順利進(jìn)行,調(diào)研了國(guó)內(nèi)各動(dòng)力輔機(jī)廠和換熱設(shè)備廠家的相關(guān)設(shè)計(jì)形式、設(shè)計(jì)方案以及相關(guān)的業(yè)績(jī),后確認(rèn)東方汽輪機(jī)廠曾引進(jìn)過國(guó)外黃銅翅片管的加工技術(shù),具有翅片管型式冷油器的生產(chǎn)能力,并在國(guó)內(nèi)部分電廠有應(yīng)用。據(jù)該廠的業(yè)績(jī)報(bào)告,該廠生產(chǎn)的翅片型冷油器換熱面積大達(dá)500余m2。
該種型號(hào)冷油器的能力,但只能按原來的規(guī)格尺寸進(jìn)行制作,因此制作的冷油器只能達(dá)到新冷油器的換熱效果,換熱效率的提高也是有限的。
3冷油器優(yōu)化方案的確定
由于二期冷油器改造只能達(dá)到新冷油器的換熱效果,僅能消除堵管和管束結(jié)垢帶來的換熱損失,因此該方案沒有得到立即實(shí)施,并著手進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)研,期望找到更好的解決方案。
在夏季大負(fù)荷期間,華北地區(qū)出現(xiàn)了連續(xù)的悶熱“桑拿”天氣,環(huán)境溫度達(dá)到了34℃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(dá)到了50℃左右。同時(shí)廠房環(huán)境溫度更高,不利于機(jī)組向外散熱,二期機(jī)組潤(rùn)滑油回油溫大幅升高,3號(hào)機(jī)組1號(hào)瓦金屬溫度達(dá)到了85℃以上,處于頻繁報(bào)警的狀態(tài),已到了金屬溫度高停機(jī)溫度值的邊緣,嚴(yán)重威脅到機(jī)組的安全運(yùn)行。冷油器的通刷維護(hù)工作也陷入了僵局,由于冷油器水側(cè)并無臟污,盡管頻繁通刷,浪費(fèi)了大量的人力,卻沒有起到應(yīng)有的效果。為解3號(hào)機(jī)組潤(rùn)滑油系統(tǒng)的燃眉之急,訂購(gòu)1臺(tái)冷油器,同時(shí)試驗(yàn)冷油器的換熱效果。
在大負(fù)荷過后,為了測(cè)量冷油器相關(guān)的數(shù)據(jù),對(duì)1臺(tái)冷油器進(jìn)行了解體。在對(duì)原圖紙核對(duì)和冷油器解體過程中,發(fā)現(xiàn)該冷油器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理,在冷油器的高度方向存在換熱面積利用不足的現(xiàn)象。即冷油器油側(cè)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(rùn)滑油入口平行布置,當(dāng)潤(rùn)滑油進(jìn)入后,油流會(huì)直接流向弓形板缺口,然后進(jìn)入下一級(jí)隔板空間,這樣在弓形板的另一側(cè)就會(huì)形成較大的空間死區(qū),潤(rùn)滑油在這里處于停滯狀態(tài),削弱了該處管束換熱的能力。冷油器這一死區(qū)的高度上下均為360mm,共占整個(gè)冷油器高度30%左右,因此如果能夠?qū)⑦@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(xié)商對(duì)原冷油器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)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(rùn)滑油入口垂直布置。布置方式如圖3所示。
潤(rùn)滑油從入口進(jìn)入后,會(huì)一直流向前方筒壁處的弓形板缺口,潤(rùn)滑油流場(chǎng)分布在整個(gè)冷油器空間,充分利用了管束的換熱面積,因而會(huì)大幅提高冷油器的換熱效率。因潤(rùn)滑油入口對(duì)應(yīng)為冷油器水室隔板位置,因此會(huì)有油流從中部的管隙流過,從而產(chǎn)生短路,影響冷油器換熱。為此,在冷油器中部設(shè)置安裝遮流用的2排不銹鋼管束,用于減少通過此處潤(rùn)滑油的流量,后確定的冷油器橫向截面圖如圖4所示。
冷油器設(shè)計(jì)制作方案,進(jìn)行強(qiáng)度和熱力校核,對(duì)終加工圖紙進(jìn)行了審核后投入了生產(chǎn),在2006年5月冷油器制作完成后運(yùn)至達(dá)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。
4冷油器的安裝試用及評(píng)價(jià)
為了保證3號(hào)機(jī)組在大負(fù)荷期間安全穩(wěn)定運(yùn)行,在冷油器到廠后進(jìn)行了全面的清掃,對(duì)甲冷油器芯子進(jìn)行了更換。為了保證新冷油器安裝不影響機(jī)組潤(rùn)滑油質(zhì),對(duì)該冷油器外接濾油機(jī)進(jìn)行了過濾,過濾進(jìn)行了約一周的時(shí)間。在油質(zhì)采樣合格后將冷油器切換為甲冷油器運(yùn)行。在同樣的調(diào)整門開度下,切換為甲冷油器后潤(rùn)滑油的出口油溫降低了6℃,同時(shí),主機(jī)各個(gè)軸瓦的金屬溫度也降低了5～7℃,其中1號(hào)瓦的金屬溫度降低了7℃,降到了軸瓦金屬溫度報(bào)警線以下,并有了一定的裕量,結(jié)果表明冷油器的改造是成功的。
如果從冷油器的管束尺寸進(jìn)行簡(jiǎn)要估算,該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(shè)計(jì)入口出口15℃溫差,改造后其溫差可以達(dá)到19～20℃,換熱效率得到了大幅提升。
發(fā)電廠3號(hào)機(jī)組冷油器改造取得了很好的效果,主要是因?yàn)樵诟脑熘懈淖兞死溆推鞯慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,使冷油器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為合理,充分利用了冷油器的換熱空間,使換熱效率大大增強(qiáng),從而保證了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。從冷油器改造取得的效果可以看出,影響冷油器的換熱效率的因素是多方面的,不能僅僅考慮換熱面積,換熱面積足夠不一定達(dá)到冷油器的換熱極限。本例僅改變了冷油器的弓形管板的布置方向也達(dá)到了比預(yù)期還要好的換熱效果。
目前國(guó)內(nèi)的油冷卻設(shè)備有列管式和板式兩類,列管式冷油器以其優(yōu)良的換熱性能和方便的清潔方法,為廣大電力企業(yè)所普遍應(yīng)用。發(fā)電廠冷油器的改造成功說明國(guó)內(nèi)翅片管加工工藝已經(jīng)不再是難題,國(guó)產(chǎn)翅片管形式冷油器同樣能滿足使用要求。