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冷卻設備專用不銹鋼管用于低壓換熱器的安全性和經濟性

冷卻設備不銹鋼管用低壓換熱器安全性和經濟性

一產品 性能及 標準

 

1.1 凝汽器及其它換熱器是火力發電廠的重要輔助設備,其運行是否良好,直接影響發電廠的經濟性,其結構是否合理主要取決于換熱管的形式和舊式換熱管的材質,都是采用銅材,由于材料的強度、耐蝕性和抗沖擊性的限制,銅管的壁厚在 1-1.5mm ,過厚的管壁不但影響了換熱效果,而且浪費了大量的金屬材料。

我公司自行開發研制的不銹鋼換熱管是選用國際標準優質不銹鋼帶材,經過卷制、焊接、滾壓、打磨、拋光等一條龍生產線加工而成;可根據用戶的實際需要,生產不同管徑、壁厚,長度等各種規格的管材。

1.2 我公司生產的簿壁光管具有以下優點:

•  我公司生產的簿壁光管可采用 0.5-0.7mm 的薄壁管材,提高了整體換

熱性能,在相同的換熱面積下,總體的傳熱系數比銅管提高 2.121-8.408% 。

•  由于材質采用美國標準 AISI304 、 316L 等優質不銹合金鋼,使其具

有較高的硬度,管子的鋼度也明顯提高,因此,具有很強的耐高溫蒸汽的沖擊性能及抗振性能。

•  由于管子內壁光滑,使得其邊界層流底層厚度減薄,既強化換熱,

又提高了抗結垢性能。

•  裝管工藝性能好,采用傳統的脹管工藝,外徑公差與銅管一致,

不需改變管板孔的加工公差,利于現場直接選用,特別方便老機組的更新改造。

•  經濟實惠,在同等換熱面積下,不銹鋼管的成本約為銅管成本的

70% 左右,并可直接進行換管。

•  為了消除焊接應力,在保護氣體中以 1050 ℃ 高溫進行熱處理。

•  所有鋼管均采用壓差進行泄漏檢查,氣壓試驗至 1.0MPa , 5 分鐘

無壓降。

我公司可根據用戶需求,

生產任意管徑、壁厚及長度的光管和螺紋管。

二 不銹鋼管用于低壓換熱器的安全性和經濟性

2.1 概述

選擇換熱器管材一般原則是:不出現嚴重腐蝕泄漏,使用壽命盡可能長,耐沖蝕磨損,抗振性好,換熱系數高,價格合理。幾十年來,我國的凝汽器,冷風器等都使用銅管,具體點是導熱系數高。

運行實踐中,凝汽器的銅管有的受到嚴重的氨腐蝕,有的銅管受到嚴重的磨損,這兩種現象造成銅管嚴重泄漏,使銅管使用壽命大大縮短,機組運行的安全性和經濟性下降,增加了停機更換銅管的時間。為此,不少人開始重新考慮凝汽器管材問題。

近年來,不銹鋼管大量使用在凝汽器、冷油器,冷風器、低壓加熱器上,據不完全的統計,使用的單位在百家以上,其中包括 50-300MW 的新機組。不銹鋼管的使用,打破了傳統的只能使用銅管的觀念,提高了設備的安全性和經濟性,降低了投資。

但是,還是有不少人對不銹鋼管缺乏興趣,主要原因是不銹鋼的導熱系數比銅管的導熱系數低,擔心影響傳熱。為此,有關單位對不銹鋼管使用在凝汽器上的總體傳熱系數進行過多年研究,取得了很好的成果。用不銹鋼管代替銅管的電廠越來越多。

目前,所用不銹鋼管一般 AISI304 、 AISI 316L 這兩種不銹鋼管,其性能滿足換熱器要求,其化學成份如下表:

表一:不銹鋼的化學成份( % )

材料

C

Si

Mn

P

S

Ni

Cr

Mo

304

≤ 0.07

≤ 1.00

≤ 2.00

≤ 0.035

≤ 0.03

8-11.00

17-19

 

316L

≤ 0.03

≤ 1.00

≤ 2.00

≤ 0.035

≤ 0.03

12-15

16-18

2-3

 

2.2 使用不銹鋼管的經濟性

•  導 熱

表 一

管 材

導熱系數( w/m.k )

海軍銅管

100

鎳銅管

30

304 不銹鋼管

16.3

316L 不銹鋼管

15.8

317L 不銹鋼管

14.4

由于銅管的導熱系數為 100W/m ℃ ,不銹鋼管的導熱系數為 13W/m ℃ ,這當然要影響總體傳熱系數。但是,不銹鋼管的壁厚可以減薄以 0.5~0.7mm ,而銅管因強度及沖蝕磨損等原因,其壁厚不能低于 1mm 。

根據公式: R c = ( 1 )

其中: R c ——導熱熱阻, m 2 k/w 。

λ ——導熱系數, W/(m.k) 。

δ ——管壁厚度, m 。

管材一定, λ不變時, 根據公式( 1 ), δ越小, R c 越小,傳熱系數就越大。這就可以縮小不銹鋼管與銅管總體傳熱系數的差距。

由于銅管內外壁比不銹鋼管更粗糙,容易結垢,增加了銅管的熱阻,這又使銅管與不銹鋼管的總體傳熱系數的差距縮小。

•  對流放熱

使用不銹鋼管或使用銅管,管內流速都是紊流。影響對流放熱的最大因素是層流底層的厚度,因為層流底層中的傳熱是導熱,而水的導熱系數很低。在流動狀態相同的情況下,層流底層的厚度取決于管內壁的粗糙度。銅管內表面有氧化物,其粗糙度比不銹鋼管大得多,銅管的層流底層的厚度比不銹鋼的層流底層厚度也更大。這就使不銹鋼管的對流放熱系數比銅管的對流放熱系數大。

1

R w = ( 2 )

α w

 

其中: R w 對流放熱熱阻, m 2  k/W 。

 

α w 對流放熱系數, W/ m 2  k 。

根據公式( 2 ), α w 越大, R w 越小。

•  凝結放熱系數

凝結放熱有兩種方式:膜狀凝結和珠狀凝結。

其中珠狀凝結放熱系數比膜狀凝結放熱系數大得多。但不銹鋼管外壁和銅管外壁哪種管材的珠狀凝結更多尚不清楚,但可以說兩種管材外壁大部份是膜狀凝結。膜狀凝結的放熱系數大小與膜的薄厚關系很大,因為在膜的內部是導熱,水膜的導熱系數特別低。而膜的厚度又取決于管外壁的粗糙度。銅管外壁因氧化層的關系,比不銹鋼管外壁粗糙得多。因此,不銹鋼管外壁的凝結放熱系數比銅管外壁的凝結放熱系數大。

 

1

R sa = ( 3 )

α sa

 

其中: R sa 管外壁的凝結放熱熱阻, m 2  k/W 。

 

α sa 管外壁的凝結放熱系數, W/ m 2  k 。

 

根據公式( 2 ), α sa 越大, R sa 越小。

•  總體傳熱系數

1 δ 1

R= R sa + R c + R w = + + (4)

α sa λ α w

 

1

k = ( 5 )

R

 

其中: R 總熱阻, m 2  k/W 。

 

k 總體傳熱系數, W/ m 2  k 。

由( 4 )可知:對流熱阻、導熱熱阻和凝結放熱熱阻都減小,則總熱阻減小,總體傳熱系數增大。

對于同一臺機組的凝結器,由于進汽量不同、循環水溫和循環水量不同、背壓不同、換熱管清潔度不同,其傳熱系數是不同的。根據統計,銅管和不同壁厚的不銹鋼管的凝結器投運初期的相對傳熱系數如下表:

表二:不同壁厚的不銹鋼管和銅管的換熱性能對照表

材質

壁厚( mm )

傳熱系數相對值( % )

銅管

1

100

不銹鋼管

0.7

98.93

不銹鋼管

0.6

+100.43

不銹鋼管

0.5

+101.86

注:以上的條件是銅管凝結器背壓為 0.0052MPa 、其他條件相同時的值。

•  對相對真空的影響

對 D09 型 200MW 機組來說,總體傳熱數降低 6% ,相對真空降低 0.1183% ??傮w傳熱系數提高 2.124% ,相對真空提高 0.0331% ??傮w傳熱系數提高 5.165% ,相通對真空提高 0.0806% ??傮w傳熱系數提高 8.408% ,相對真空提高 0.131% 。

由于壁厚減少,管子的平均直徑增加,傳熱面積增大;通徑增大,流速減小,水阻減小,循環水流必然增加,流量增加到水速和水阻相同;由于流量增加,出水溫度降低,對數平均溫差減小,綜合作用的結果,相對真空提高。

總體傳熱系數的變化,傳熱面積的變化和循環水流量的變化,使相對真空提高,對 200MW 機組,相對真空提高值如下表:

表三:對標準煤耗率的影響

壁 厚

1mm

0.7mm

0.6mm

0.5mm

傳熱系數變化相對真空提高( % )

-0.1183

0.0331

0.0806

0.131

面積流量變化相對真空提高( % )

0

0.121070753

0.1276344

0.1344086

合計相對真空提高( % )

0.1183

0.154170753

0.2082344

0.2654086

標準煤耗率降低( g/kwh )

-0.3993

0.521016638

0.701104

0.878204025

•  長遠的經濟性

隨著運行時間的增長,銅管氧化層將越來越厚,傳熱效果會越來越差。而不銹鋼不會氧化,或氧化速度很慢。因此,不銹鋼管的凝結器與銅管的凝結器如果同時投運,運行時間越長,不銹鋼管的凝結器的經濟性將會比銅管的凝結器越來越好。同時,銅管對循環水中的雜物的吸附能力比不銹鋼管要強得多,運行中銅管的凝結器投運膠球清洗的次數要多得多。據不少電廠的運行表明,

凝結器的不銹鋼管基本不用或很少使膠球清洗,而凝結器的銅管則要經常清洗,這就要多耗電,降低整個機組的經濟性。

2.3使用不銹鋼管的安全性

•  不銹鋼管與銅管的工程特性

表四:不銹鋼管和銅管的工程特性表

管 材

密 度

t/m 3

屈服強度 MPa

拉伸強度 MPa

延伸率

%

彈性模量 GPa

熱脹系數 10 -6

海軍銅管

8 . 4

120

330

60

133

18

鎳銅管

8 . 9

140

390

43

154

16

304 不銹鋼管

7.94

210

520

35

193

17.3

316L 不銹鋼管

8

180

480

35

200

17.3

317L 不銹鋼管

8

180

480

35

200

16.5

從上表可以看出:不銹鋼管的屈服強度和抗拉強度都比銅管高,不銹鋼管的使用壽命必然要比銅管長,熱脹系數比銅管低,與管板更接近,因此,不易因熱脹冷縮面損傷了管子或影響脹口而泄露。

•  抗沖蝕性

由于不銹鋼的硬度比銅管大,對于蒸汽側的水滴、水側泥砂、入口湍流等的沖蝕性能都大大提高。

•  抗腐蝕性能

經過不少單位的試驗和研究,海軍銅管、鎳銅管和不銹鋼管用于凝結器時對各種腐蝕沖擊的性能,列表如下:

表五:不銹鋼管和銅管的抗腐性能對照表

腐蝕種類

海軍黃銅管

鎳銅管

不銹鋼管

一般腐蝕

2

4

5

沖擊腐蝕

2

5

6

點蝕(運行狀態)

4

5

4

點蝕(積滯狀態)

2

4

2

高速沖擊

3

5

6

進口沖擊

2

4

6

蒸汽熱點腐蝕

2

4

6

氨 蝕

2

5

6

注:表中的數值 2-6 表示抗腐蝕能力由小到大。

從上表可以看出:不銹鋼管抗點蝕性能與銅管一樣,其余都比銅管的抗蝕性能強。

表六:適應氯離子的指標

管 材

HSn70-1A

TP304

TP316 L

氯 離 子

(mg/L)

< 1 0 0

<2 00

< 500

短期 < 3 00

短期 <5 00

短期 < 1000

 

從上表可以看出:不銹鋼管抗氯離子的性能比銅管好得多。在其他條件相同的情況下,如果循環水中的氯離子含量相同,不銹鋼管的使用壽命至少是銅管的二倍以上。

綜上所述:不銹鋼管與銅管相比具有的優點:抗沖蝕性能好,能抗蒸汽帶水滴在高速中的沖擊腐蝕;抗氨腐蝕性能好;耐水側沖擊腐蝕;實現給水回熱系統采用無銅離子系統,且 PH 值可提高,以減少腐蝕產生率;可提高冷卻水流速,達 2 .3m/s ,最高可達 3 . 5 m/s ,這樣,既可提高總體傳熱系數,又可減少管內雜質的沉積。

•  抗振性能

凝結器汽側的高速蒸汽和水滴必將使管子產生振動,由于不銹鋼管的強度和硬度大,可以改善管子的振動特性。

•  不銹鋼管壁厚的選擇

從表三可以看出:壁厚越薄,節約的標準煤越多。但是否選擇壁厚為 0.5mm 的不銹鋼管就是最好的呢?不一定,壁厚越薄,安裝時就越難,焊接時要求就越高,而且抗振性能越差,磨穿就越快,壽命更短。一般來說,要求壁厚為 0.5mm 、 0.6mm 和 0.7mm 的不銹鋼管,只需要脹管就行,不必焊接,只是脹管頭有所不同。其次,管壁越薄,單價越高。因此,選擇不銹鋼管的壁厚,應綜合考慮。在此推薦的是 0.6mm 的不銹鋼管。

•  結 論

綜上所述,使用 0.5-0.7mm 的不銹鋼管,傳熱系數高,抗腐蝕性能和抗沖蝕的性能都好,改善了振動特性。隨著運行時間的增長,銅管氧化越來越嚴重,而不銹鋼管卻輕微得多,因此,不銹鋼的傳熱效果比銅管會越來越好。

 

 

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