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换热器、冷凝器应用

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  不锈钢用于热交换器维护

  管理发电厂需要做出许多决定,而这些决定对公司的盈利有着重大影响。决定正确时可使管理团队得到赞扬,而做出错误的决定就意味着事故。燃料成本急剧攀升,美国的天然气价格已从每1000立方英尺2 美元上升到最高价格时的14美元。煤炭的合同价格(包括运费在内的合同价格)已比前几年翻了一番。操作运行的任何改变,如管道发生堵塞,都会导致加热成本的显著增加。

  1、管道故障

  发电厂热交换器管道有许多潜在的破坏机理。铜合金中常见的破坏机理与不锈钢和高性能合金钢的破坏机理有很大区别。下面分别进行论述。

  1.1 铜合金的问题

  · 蒸汽侧侵蚀

  蒸汽侧的铜合金最常见的破坏机理是氨沟槽和应力腐蚀裂纹。

  氨造成的沟槽——除氧添加剂,如联氨,可造成氨沟槽。氨与冷凝水相结合,沿支撑板向下流生成沟槽。

  应力腐蚀裂纹(SCC)——无论是海军黄铜还是铝黄铜均对氨引起的应力腐蚀裂纹敏感。管子的残余应力高和氨会迅速形成应力腐蚀裂纹。由氨沟槽和应力腐蚀裂纹造成冷凝器的管道破坏很常见。

  · 冷却水侧侵蚀

  冲蚀—腐蚀——当水的流速大时,水会冲掉铜合金上的保护氧化层,造成冲蚀—腐蚀。对于海军黄铜和铝黄铜来说,当水的流速大于1.8米/秒时会产生这种情况。即使水的整体速度较低,但是局部区域涡流也会造成这种现象。一般产生这种冲蚀的地方是水入口端部。管道堵塞——如夹具形成的管道凸起造成的阻塞——四周形成的涡流会在几天内造成管道穿孔。

  H2S和硫酸侵蚀——H2S和硫酸会破坏保护用的氧化层和阻止氧化层重新生成。绝大多数H2S和硫酸来源于腐朽的植物、硫酸还原细菌(MIC腐蚀)或是使用处理过的废水。通常,当把现有的冷却水源从清水转换为处理过的废水六个月后,90-10铜镍管道就会开始发生这种破坏。

  一般腐蚀和铜的传递铜管上的氧化层是多孔的,可使铜离子扩散到水中。当铜溶解时,管道逐渐变薄。当水的条件为非腐蚀性时,铜的溶解很慢,使用年限为25年的铜管并不少见。然而,铜的传递仍然会对其他地方造成影响。

  例如,在更换典型的300MW的用海军黄铜管制造的冷凝器的管道时,原管道的重量会比原40万磅少50%。这说明,已溶解了20万磅的铜合金。这些铜不是进入了蒸汽就是进入了冷却水。当铜镀在锅炉的管道上时,它会造成灾难性的液态金属脆化。

  1.2 不锈钢

  · 蒸汽侧

  所有的不锈钢,包括商用钢种(TP 304,TP316和其衍生钢种)和高性能的钢种耐包括所有联氨衍生物在内的多数锅炉用化学药品。在温度更高时,有一种机理造成早期损坏,氯化物应力腐蚀裂纹(SCC),这些损坏发生在给水加热器内。

  含8%Ni的钢种(TP 304)对应力腐蚀裂纹敏感,见图1所示。当发电设备从基本负载切换到循环模式时,设备发生破坏的情况就更多。氯化物在干湿交替的区域,主要在过热后的冷却区域浓缩。

  · 冷却水侧

  点蚀和缝隙腐蚀—TP304和TP316对点蚀,缝隙腐蚀和与缝隙腐蚀相关的MIC敏感。如果冷却水内的氯化物含量分别超过150ppm 和500ppm,就不应考虑使用TP304和TP316。和铜合金一样,如果是以处理的废水作为冷却水源,也不应考虑采用TP304和TP316。

  可采用价值比较分析来确定何时开始进行清理和/或更换管道。在确定何时更换管道时,应基于“寿命周期”进行。应对设备的剩余寿命时间进行分析。进行分析时要考虑的各种因素包括:

  · 初始管道成本;

  · 安装成本;

  · 提高热性能后燃料的节约;

  · 降低冷却水化学处理的成本;

  · 由于汽轮机效率的损失,发电的减少;

  · 降低或省去锅炉管道和高压汽轮机的清理费用;

  · 减少事故停车/减少堵塞泄漏的管道。

  

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  1.3 钛

  人们认为Titanium Grade 2耐发电厂冷却管路中产生的各种腐蚀。惟一的例外可能是零排放设备中使用的结晶装置。在该装置必须考虑采用Grade 7和12才行。但是,由于其弹性模数低,它容易产生振动损坏。这一问题可能通过适当的工程设计来加以解决。

  2、价值比较

  下面是一个冷凝器模型标准的举例,用来帮助确定采用现有管道继续运行的真实成本,以便就采用新管道还是继续使用旧管道进行成本方面的比较:

  · 300MW燃煤电厂的冷凝器;

  · 安装16400管道,管道材质为90-10铜镍合金,尺寸为φ25.4mm×18 BWG(平均壁厚1.24mm),12.86m长;

  · 蒸汽负载为每小时671506kg,热含量为109kcal/kg;

  · 汽轮机排气面积为34.8m2;

  · 循环泵提供的设计流量为25878m3/h,在通过5.97m的管道时有压头损失;·现有管道中有6%堵塞;

  · 通过积极的水化学处理,最大限度地减少了结垢,使HEI清洁度系数达85%;

  · 一般的水入口温度为29℃,但是,在夏季时温度可高一些。

  在我们的模型中,铜镍合金管道每年约泄漏两次左右。由于汽轮机叶片上产生铜沉积,每隔4~5年要对高压蒸汽汽轮机进行一次清理。在这段时间内,设备的能力降低21MW。设备采用的是闭路冷却水塔,为了确保管道和水塔的清洁,利用硫酸铁对工业水进行了化学处理,在冷却水进入管道后促使铜镍合金再钝化。实践证明在类似的水中选用的材料性能良好。由于氯化物水平一般会达到700ppm以上,锰和铁水平高,不考虑采用TP 304和TP 316。

  蒸汽表面冷凝器用的HEI标准就是比较各种管道材料的热性能和力学性能的极好基准。除了确定反压外,还需评估潜在的振动损坏,水压力增大的变化。表1所示为最初的分析结果。

  一般来说,更换管道时,选择22 BWG的不锈钢管或钛管。不锈钢的弹性系数比铜合金要高,更加牢固。显著地减少了振动冲击的影响。钛管的弹性系数较低,要求采用支撑来防止振动变化。铜管的内径和外径上较厚的氧化表层使其清洁系数比不锈钢管或钛管要低,铜管的清洁度为85%,不锈钢和钛管的清洁系数为95%。

  虽然初始设计流量为25878m3/h,当压头损失变化时,流量发生变化。循环水采用的是低扬程大流量泵,这种泵的流量对压头损失高度敏感。例如,管道堵塞6%造成的0.457m的水头增加一般会导致冷却水流量减少2%。管壁较薄时水头较低会使流量增加3%。如有可能,电厂应采用特殊性能的泵。在该分析中,我们以设计的入口水温度作为基础。当电厂使用的冷凝器尺寸较小,在夏季的峰值条件下冷凝器的能力不足时,我们会在分析中采用最大入口水温度。当需要反压较小或空间度较好时,它增加汽轮机的效率。对冷凝器来说,堵塞6%的管道会使反压增加1.52mm Hg。HEI预测,钛管的反压降非常显著,为4.07mm,超级铁素体S44660的反压降较低,为3.81mm。当金属导热系数较低时,超级奥氏体N08367的反压降仅为钛管的一半,约为2.04mm。

  多年以来,为了计算不会导致管道损坏的“安全范围”,人们开发了许多不同的应对振动的方法。HEI的范围就假定冷凝器管道振动,支撑板应有的间隔,使振动幅度等于或小于管间连接空隙的1/3。该设计用来防止管的振动。在该分析中,HEI预测铜镍合金管支撑板的间距是936mm。计算的钛管的范围要短140mm,这说明振动损坏的风险要高。N08367的间距要比Cu-Ni低一点。通过HEI计算,只有S44660的间距大于铜镍合金。解决振动问题最常用的方法是在支撑板之间采用支柱。

  反压的变化会影响加热效率和总的燃料成本。估计使用了20年以上的燃煤电厂的燃料平均成本为2.50美元/每百万BTU(或每252000kcal)。我们已推断出,在该发电厂反压的Hg,每变化2.50mm都会使我们每发一度电节约或额外多使用15BTU(3.75 kcal)。除了增加燃料成本外,堵塞6%的管道每年还使我们多支出59000美元。模型表明,如果选用钛合金制造的管道,每年额外节约157000美元,如果选用超级奥氏体N08367制造的管道,每年额外节约79000美元,如果最终选用超级铁素体S44660,每年额外节约147000美元。

  使用20年节约的燃料费用相当于钛合金管道安装费用的92%,N08367合金管道安装费用的44%。利用N44660合金管道,初始费用较低,导热性能良好,可显著降低燃料成本。仅通过燃料节约一项,管道的安装和制造成本就可在14年内收回。在对20年的运行分析中并没有包括一种非常重要的效能损失,但是表2的最后一行内标出了在高压汽轮叶片上铜的沉积对财务的影响。在这种发电能力的发电厂,四年后发电量降低20MW或更多是可能的。我们采用以下假定:

  · 汽轮机每隔4~5年清理一次。

  · 平均降低5MW。

  · 设备的作业运行时间是85%。

  · 每MW电的平均售价为55美元(根据能源中心的平均售价)。

  在20年内总的收入损失是4095.3万美元!这说明使设备有效运行,特别是使汽轮机没有铜沉积是多么重要。

  3、总结

  使热交换器,特别是给水加热器和冷凝器有效运行是重要的,它牵涉到工厂是否盈利。不仅目前的运行和维修至关重要,而且热交换器的选材和对系统平衡的影响也至关重要。世界上越来越多的地方对铜的排放进行控制,法律法规的修改也会迫使生产企业采用更加昂贵的管道。要考虑的因素有:

  · 管道的清洁,

  · 管道的材质和厚度,

  · 包括修改在内的安装成本,

  · 选材对加热效率的影响,

  · 铜的传递的影响,

  · 包括发电量降低在内的冷凝器管道修理的成本,

  · 由于锅炉管道修理,事故停车和由此造成的发电量降低在内的成本,

  · 化学处理药品的成本,

  · 由于冷凝器能力降低造成的发电量损失,

  · 由于发电设备效率降低造成的发电量损失的成本。


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