凝汽器管材的选用及经济性分析

凝汽器管材的选用及经济性分析

左一

东方汽轮机有限公司工业透平事业部四川德阳618000

摘要：凝汽器是汽轮机组重要的辅助设备，凝汽器选型中，凝汽器管材的选用一直都是非常重要的环节，为满足不同工程条件的需求凝汽器管材的选用也大相径庭，而且凝汽器管材的选择也直接影响到凝汽器制造成本。针对目前常用冷却水管的管材进行比较分析。

关键词：凝汽器；管材；不锈钢管；铜管；经济性

1前言

凝汽器是凝汽式汽轮机的重要辅助设备，是汽轮机组的重要组成部分，同时也是成本最高的辅机设备。尤其在工业透平中，凝汽器成本所占比重更大，合理的设计凝汽器是使汽轮机系统安全运行的重要保证也是降本增效的重要途径。凝汽器冷却水管是凝汽器最重要的零件，正确合理的选择冷却管材质，是设计凝汽器的前提，也是保证凝汽器安全、经济运行的重要条件。

2凝汽器常管材的选用原则

2.1工业透平凝汽器常用管材

根据电力行业标准DL/T712-2000《火力发电厂凝汽器管选材导则》规定的凝汽器冷却水管选用材质的选型原则所选用的凝汽器管，在采用正确的维护措施的条件下，不出现管材的严重腐蚀和泄漏，使用寿命应在20年以上。目前工业发电及工业驱动汽轮机凝汽器冷却水管所选用的材质基本分为三大类，分别为铜合金管、不锈钢管和钛管。

铜合金管材质通常选用海军铜管HSn70-1，HSn70-1B等和白铜管BFe10-1-1和BFe10-1-1。铜合金管有较好的传热性能和抗腐蚀性能，在老机组中广泛采用。但是铜管耐氨腐蚀和抗冲蚀能力差，尤其在空冷区，一般选用抗氨、蚀较好的镍铜管。铝黄铜管和镍白铜管也适用于海水作冷却水的凝汽器。

不锈钢管材质常用的牌号为TP304，TP316，TP316L，是现阶段工程中主要采用的材质。不锈钢管抗氨蚀能力强，且抗汽侧带水滴汽流的汽蚀、抗冷却水中硫化氢腐蚀、耐水侧冲击腐蚀性能远好于铜及铜合金，但不锈钢抗氯根离子的腐蚀能力较差。

钛合金管通常用于海水作为循环冷却水的工程中，钛管的金属性能，及抗冲蚀性、抗各种腐蚀性能均很好，不易受溶解固形物的影响，管内允许流速也较高，是性能非常好的换热管材料，但较高的成本限制了钛管的应用范围。

2.2传热性能

在普通淡水作为冷却水的工程项目中，钛管的成本相对另外两种材质要高4~7倍不等，因此淡水循环水主要只选用铜合金管和不锈钢管，目前仅海水作为冷却水的项目中使用钛管。以下分析中，只对铜合金管和不锈钢管进行比较。

凝汽器热阻由4部分组成，水侧放热热阻Rw，管壁热阻Rt，汽侧放热热阻Rs总体传热系数计算公式：

钢管的导热系数λ比铜管低的多，但其热阻占总热阻的比率只有1/3左右，而且考虑综合设计因素，铜管设计流速1.2~1.8m/s，而不锈钢管设计流速1.8~2.4m/s。以Φ25x1的铜合金管和Φ25x0.5的不锈钢管作对比，比较二者总体传热效果。

对于铜管凝汽器，当管材为HSn70-1，Φ25x1的厚壁筒合金管时，传热系数K铜=2.900~3.487kW/（㎡K），铜管导热系数为λ铜=125W/（m•K），则其总热阻R铜=1/K=0.2866~0.3440㎡K/kW，铜管壁热阻为R铜壁=b/λ铜=0.008㎡•K/kW。

当更换为Φ25x0.5mm的不锈钢管时，其导热系数K钢=184W/（㎡K），钢管壁热阻R钢壁=b/λ钢=0.0271㎡•K/kW，钢管相对于铜管增加热阻△R=R钢壁-R铜壁=0.0191㎡•K/kW，因此钢管的传热系数K钢=1/（R铜-△R）=2.754~3.271kW/（㎡K）。造成这样结果的主要是因为虽然铜管导热系数高，但是铜管内流速比钢管内流速要低，因此造成雷诺数Re较钢管小，而且在总体传热系数计算中，管材导热系数影响较小，导致最后总体传热性能仅略高于钢管。因此用不锈钢管取代铜管时，传热能力下降5%~6%，在实际的设计中，相同的条件下，不锈钢凝汽器面积比铜管凝汽器面积大5%~7%。

2.3运行性能

凝汽器循环水主要分闭式循环和开式循环两种。闭式循环水通过设立冷却塔闭式循环使用冷却水，水中悬浮物和含沙量较低，对冷却管造成的冲蚀较弱，但由于冷却水长时间蒸发导致水中盐积累使水中盐含量超标造成管道腐蚀，但一般电厂会定期排放更换冷却水，使循环水中氯离子等维持在较低的含量。在工业透平项目中，更多采用的是开式循环水，开式循环水一般采用江、河水作为循环冷却水，而河水中氯离子含量都比较低，目前全国各地包括北方河水地下水氯离子测定中，氯离子实际含量均小于100mg/L，但是江河水中，悬浮物和含砂量比较高，如伊犁新天煤化工项目凝汽器使用的开式循环水，水中氯离子含量86.4mg/L，溶解性固形物含量2200mg/L，全硅76.8mg/L。因此可以看出，闭式循环水不锈钢管和铜合金管均可以满足使用要求，而在开式循环水中，铜合金管耐砂的冲蚀能力较弱，易产生冲蚀破裂，影响设备的正常运行。

不锈钢管抗砂冲蚀能力较强，因此在工业透平选用中主要考虑水中氯离子含量，根据氯离子含量的不同选择不锈钢。

凝汽器正常运行过程中，除上述所提的砂石冲蚀和氯氨腐蚀外，还需考虑各种工况下可能产生的多种腐蚀以保障凝汽器长期安全运行。表3中列出工业透平凝汽器常用管材的相对耐腐蚀性，数字越大表示耐蚀性能越好。这里的数据仅表示相对，可供设计参考。

2.4安装密封

铜合金管凝汽器端管板为普通碳钢板，安装时将铜管两端胀接在端管板上，然后翻边即可。而不锈钢管和钛管凝汽器的管板为复合层端管板，冷却管安装时除需要胀管外，还需进行氩弧焊密封。因此不锈钢管和钛管凝汽器管材密封性能和使用寿命上要比铜管长的多。

3管材选择经济性

当冷却水为淡水时，凝汽器管材铜合金、不锈钢和钛管均可使用。但钛管的成本太高，一般不选择。根据2.2中传热性能的比较，相同的条件下，采用不锈钢的面积较铜合金大，但铜合金管壁厚度一般取1mm，以相同条件为例，铜管选用HSn70-1，规格Φ25x1mm，而选用不锈钢管材质TP316，规格Φ25x0.5mm，则铜管的重量是不锈钢管重量的2倍，而且铜管的单价也比TP316贵1.5倍以上，因此，相同的条件下选用不锈钢管的成本比选用铜合金的成本要低很多。而不锈钢常用的材质中，TP316的成本大约是TP304的1.5倍左右，因此选用TP304性价比最高。

当冷却水为海水时，可选用白铜管和钛管作冷却管，但是在实际的使用中，白铜管的实际使用性能没有钛管好，使用寿命比钛管短。而且钛管的壁厚也为0.5mm，且密度较铜小。综合评算下来，钛管的成本比铜管要低。因此在海水凝汽器项目中，从成本和使用性能来考虑都应该只选用钛管。

4结论

在凝汽器管材选择时应首先考虑冷却水的水质，若冷却水为海水应选用钛管；若冷却水为淡水时，可选用不锈钢管，而不锈钢管中TP304材质不仅成本较低，而且能满足绝大多数开式闭式循环水水质的使用要求。

因此，在投标和设计时了解凝汽器各种管材的使用范围和选型原则，并且给客户推荐最经济合理的选型方案，不仅能提高设备的使用性能，还能降低成本提高经济效益。

参考文献：

[1]中国动力工程学会主编.火力发电设备技术手册.北京：机械工业出版社.2006：9-18

[2]吴炜，赵渊.不锈钢管凝汽器选型分析.新疆电力.2002（3）：12-14