高秀志胡勇鄭湘泉

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000）

0 前言

為提高火力發(fā)電熱力系統的循環(huán)效率[1]，采取的技術手段主要有：提升主蒸汽參數、二次再熱和增加給水加熱器的級數等。最近，某二次再熱機組要求抽汽壓力較高的幾級低壓加熱器設置過熱蒸汽冷卻段（見圖1）,用于提高熱力系統的循環(huán)效率。常規(guī)低壓加熱器只設凝結段和疏冷段，通常給水上端差取2.8℃，疏水端差取5.6℃；如果給水上端差小于了1.1℃，就要求設置過熱蒸汽冷卻段[2]；該工程有幾級低壓加熱器的給水上端差已經小于1.1℃，故需要設置過熱蒸汽冷卻段（后文中簡稱過熱段），但對于多高抽汽壓力的低壓加熱器才能設置過熱段、給水上端差（TD）到底定多少合適、要不要考慮過熱段的蒸汽壓損、凝結段換熱面積如何計算等，沒有理論數據支撐。由于低壓加熱器的抽汽壓力較低，過熱段又存在不可忽略的壓力損失，這將導致凝結飽和溫度顯著降低，傳熱曲線上的窄點溫差變小，凝結段所需換熱面積增加，尤其是當過熱段結構設計不合理，蒸汽流動速度偏高，導致過熱段壓損過大時，凝結段所需換熱面積將增加數倍，或者根本保證不了要求的給水出口溫度。

圖1 某工程熱平衡圖（僅示部分給水加熱器）

1 三段式給水加熱器的內部結構及傳熱T-Q曲線

三段式給水加熱器是指同時具有過熱段、凝結段和疏冷段的給水加熱器，過熱段是一臺無相變的汽/水換熱器，利用抽汽的顯熱來加熱給水；凝結段是一臺有相變的凝結/水換熱器，利用蒸汽凝結潛熱來加熱給水；疏冷段是一臺無相變的水/水換熱器，利用飽和疏水的顯熱來加熱給水。三段式給水加熱器的內部結構如圖2所示，加熱蒸汽首先流經過熱段進行對流換熱，再經凝結段進行凝結換熱，凝結下來的飽和疏水最后通過疏冷段進行對流換熱，變成過冷疏水；給水先流經疏冷段吸熱，再流經凝結段吸熱，最后流經過熱段吸熱；蒸汽與給水形成逆流式換熱，最大限度利用傳熱溫差。

圖2 三段式給水加熱器內部結構圖

加熱器的傳熱T-Q曲線是指管/殼程工藝介質溫度與熱負荷關系曲線，三段式給水加熱器的TQ曲線如圖3所示，T1*代表殼程介質的溫度，T2*代表管程介質的溫度，*用數字表示，代表介質從進口到出口的序號；Q1代表過熱段熱負荷，Q2代表凝結段熱負荷，Q3代表疏冷段熱負荷。傳熱過程的窄點溫差ΔTmin（最小溫差）出現在過熱段與凝結段的交界點上，ΔTmin=T12-T23，ΔTmin不同于HEI標準上所定義的給水上端差TD（TD=Ts-T24，Ts為加熱器入口蒸汽壓力對應的飽和溫度，不是凝結段的飽和溫度，沒有考慮過熱段蒸汽壓損），根據熱力學第二定理，在不付出代價的情況下，熱量只能從高溫物體傳遞給低溫物體，故ΔTmin必須大于零，而具有過熱段的給水加熱器，TD可以等于或小于零，故對于傳熱和投資成本來說，窄點溫差ΔTmin才具有重要意義，ΔTmin小于或等于零，違背熱力學第二定理，功能無法實現；ΔTmin正趨近于零，凝結段所需換熱面積趨向于無窮大，投資成本無窮大；ΔTmin大于一定值（正值），產品設計才具有工程應用意義。

圖3 三段式給水加熱器的T-Q曲線

2 不同抽汽壓力下過熱段蒸汽壓損對窄點溫差的影響

由于總體熱力設計方案給出的熱平衡圖沒有考慮過熱段的蒸汽壓損，僅規(guī)定給水加熱器的上端差，這對于低壓加熱器能否設置過熱段缺少前提條件，因為隨著過熱段蒸汽壓損的增加，凝結段的飽和溫度下降，T-Q曲線上的水平線T12-T13向下平移，窄點溫差減小，凝結段換熱面積增加；當窄點溫差很小時，凝結段所需換熱面積增加很快；當凝結段換熱面積實際給定時，表現為給水溫度曲線下移，給水出口溫度降低，達不到熱平衡圖所要求的出口溫度。

由于各級給水加熱器的抽汽壓力不同，相同過熱段蒸汽壓損占抽汽壓力的比例不同，根據HEI《閉式給水加熱器的技術規(guī)范》，過熱段的蒸汽壓損不能超過35 kPa，本文仍以圖1的工程為例，分析不同的過熱段壓損對4號高加和6號低加的凝結段飽和溫度、窄點溫差、凝結段對數溫差和凝結段所需換熱面積的影響，分析時假定過熱段蒸汽出口的過熱度為零，給水的流量、進口溫度和出口溫度不變，疏水的出口溫度不變。過熱段蒸汽壓損對4號高加和6號低加傳熱窄點溫差的影響分別見表1～2。

表1 過熱段蒸汽壓損對窄點溫差的影響（4號高加）

由表1和表2的數據可以得出：（1）在標準允許壓損范圍內，4號高加的飽和溫度下降了0.8℃，窄點溫度下降了0.77℃，凝結段所需換熱面積增加了8%，窄點溫差均高于2.5℃；（2）在標準允許壓損范圍內，6號低加的飽和溫度下降了2.41℃，窄點溫度下降了2.4℃，凝結段所需換熱面積增加了141%，有些點的窄點溫差已低于了標準要求的最低值；（3）如窄點溫差要求大于2.5℃時，6號低加只允許1 kPa的過熱段蒸汽壓損。

表2 過熱段蒸汽壓損對窄點溫差的影響（6號低加，T D=-1℃）

3 不同給水上端差對窄點溫差的影響

假定抽汽壓力不變，增加給水加熱器的上端差TD值，就相當于將圖3所示的給水溫升曲線向下平移，從而增加傳熱窄點溫差。如將圖1所示工程的6號低加的TD值調整為0，給水出口溫度設定為157.3℃，重新計算過熱段蒸汽壓損和給水端差TD對窄點溫差的影響，見表3。

表3 過熱段蒸汽壓損和給水端差T D對窄點溫差的影響（6號低加，T D=0℃）

6號低加的給水上端差從-1℃調整到0℃后，對比表2和表3的數據可以得出：（1）窄點溫差增加了0.8℃，相當于圖3所示的給水溫升曲線向下平移了0.8℃；（2）在標準允許壓損范圍內，凝結段所需換熱面積增幅較表2減小了72%；（3）如窄點溫差要求大于2.5℃時，6號低加允許12 kPa的過熱段蒸汽壓損，遠高于表2允許的1 kPa壓損值。

4 過熱段蒸汽壓損計算

前面分析了過熱段蒸汽壓損對窄點溫差的影響，但具體到給水加熱器過熱段的傳熱計算與結構設計方面，核心內容還是需要計算出過熱段的蒸汽壓損真實值，傳熱學提供的過熱段蒸汽壓損計算公式[3]：

式中：ΔP過熱段蒸汽壓損；ΔPb為錯流流動壓損；ΔPw為窗口流動壓損；f為錯流流動摩擦系數；Nc為錯流管排數；ρ為蒸汽平均密度；ω為錯流速度；ωz為縱流平均速度；Nw為窗口管排數；C3、Cx、C4為布管系數；Re為錯流雷諾系數；Pt為布管中心距；do為換熱管外徑；υ為蒸汽運動黏度；

從上面過熱段蒸汽壓損計算公式來看，決定壓力損失大小的2個關鍵因素：流動速度ω和介質密度ρ。仍以圖1的4號高加和6號低加為例，假定2臺給水加熱器的布管完全相同，錯流速度與縱流速度相同，折流板數相同，計算出不同流動速度下的過熱段蒸汽壓損（計算結果見表4），從蒸汽壓損計算結果可以得出：（1）壓損與蒸汽流速的關系不是線性比例關系，而是呈指數關系（指數大于1）； （2）相同流動速度和結構形式下，高加過熱段蒸汽壓損高于低加過熱段壓損，這主要是由于高加抽汽的密度大，速度壓頭高引起的（ρω2/2）；（3）為滿足過熱段蒸汽壓損小于35 kPa，高加設計規(guī)范上通常限制過熱段流速度小于20 m/s；（4）如上文所述，為滿足窄點溫差要求，低加必須提出更低的過熱段蒸汽壓損控制目標值，故低加過熱段蒸汽流速也不能太高，通常小于25 m/s。

表4 過熱段蒸汽壓損計算

5 低壓加熱器設置過熱段的條件

通過前面的分析和計算，低壓加熱器設置過熱段的前提條件可以表述成：（1）具有較高的抽汽壓力，過熱段蒸汽壓損占抽汽壓力的比例才小，不會引起凝結段飽和溫度顯著下降；（2）抽汽具有較高的過熱度（120℃以上），才有提高給水出口溫度的能力；（3）合理的給水上端差TD值，在考慮了一定過熱段蒸汽壓損的情況下，傳熱T-Q曲線上的窄點溫差不小于2.5℃；（4）通過結構設計，控制過熱段的蒸汽流速，使過熱段蒸汽壓損計算值不超過2.5℃窄點溫差對應值；（5）凝結段所需換熱面積要按考慮了蒸汽壓損的飽和溫度重新計算，計算面積應增加。假如某一臺低壓加熱器，其抽汽壓力較低，給水上端差又定得不合理，在傳熱TQ曲線上窄點溫差等于2.5℃所對應的過熱段壓損值很小（小于5 kPa），而低加過熱段結構設計和計算上又不能實現所要求的壓損值，則該臺低加應認為不適合設置過熱段。