凝汽器多头螺旋槽管换热特性的研究及工程应用
摘要
节能是提高资源利用率和减轻环境污染的有效手段。在电力生
产过程中，汽轮机凝汽器是热能交换的关键设备，改善其凝结换热
状况，可大大提高能源的利用率。理论和实践证明，凝汽器换热状
况的改善，可使汽轮机凝汽器真空提高，而每提高1kPa真空，机组
热效率可提高约1％。
改善凝汽器换热元件的传热性能是提高凝汽器真空的有效手段
之一，本文在对传统的凝汽器换热元件（光管、单头螺旋槽管）的
换热性能研究的基础上，结合改进螺旋槽管的加工工艺，对多头螺
旋槽管进行了加工工艺、流动特性、换热特性的计算机全三维、全
工况的模拟仿真，在此基础上又进行了试验室的全尺寸实物模拟试
验，进一步又在包头第二热电厂进行了凝汽器中的现场对比试验。
经过理论分析、模拟仿真、试验室模拟试验以及现场装机试验，得
出以下结论。
1）三头螺旋槽管水流阻力低于单头螺旋管。
2）三头螺旋管传热性能最好，单头螺旋管次之，光管最差。
3）三头螺旋管由于螺旋升角增大，故管材力学性能要优于单
头螺旋槽管，加工挠度的控制相对较单头管容易，即三头
螺旋槽管加工性能较优。
4）螺旋槽管造价约为普通光管1.1倍，传热系数约为普通光
管的1.2-1.3倍，性能价格比较好。
5）包头第二热电厂2~#机改装三头螺旋槽管后，真空、端差改
善明显，传热系数提高近20％（折算值），每年可多发电
100万kWh以上。包头第一热电厂5~#机改装三头螺旋槽
管后，真空提高1.3kPa，机组效率提高约1.0％，年多发电
约600万kWh，节能效果显著。
ABSTRACT
In this paper the characteristics of multi-coiled spiral pipe of steam condenser is discussed and a reasonable coil geometry is presented. In order to compare its behavior with smooth pipe and single-coiled-spiral pipe finite element analysis (FEA) and a series of experiment with the same pipe diameter have been carried out. Heat transfer, resistance characteristics and temperature difference between inlet and outlet are calculated and analyzed by means of commercial software package FLUENT-3D? Laboratorial experiment and industrial testing comparing multi-coiled-spiral pipe with smooth pipe and single-coiled-spiral pipe have also been accomplished. Theoretical and experimental results show that the effect of thermal transfer for three-coiled-spiral pipe used in condenser of 100MW steam turbine made in China can obviously be improved. It is well known that flowing resistance of single-coiled and multi-coiled-spirals is larger than the smooth pipe. However, the flowing resistance of three-coiled-spiral pipe is smaller than single-coiled spiral pipe, which was applied in a lot of power plants. According to analytical conclusion demonstrated in this paper the three-coiled-spiral pipe should be suggested to apply in steam condenser of power plants. Further improvement on multi-coiled ?spiral pipe has to be continued in future.
Wang Zikuan (Power Engineering)
Directed by Prof.Xu Hong
产过程中，汽轮机凝汽器是热能交换的关键设备，改善其凝结换热
状况，可大大提高能源的利用率。理论和实践证明，凝汽器换热状
况的改善，可使汽轮机凝汽器真空提高，而每提高1kPa真空，机组
热效率可提高约1％。
改善凝汽器换热元件的传热性能是提高凝汽器真空的有效手段
之一，本文在对传统的凝汽器换热元件（光管、单头螺旋槽管）的
换热性能研究的基础上，结合改进螺旋槽管的加工工艺，对多头螺
旋槽管进行了加工工艺、流动特性、换热特性的计算机全三维、全
工况的模拟仿真，在此基础上又进行了试验室的全尺寸实物模拟试
验，进一步又在包头第二热电厂进行了凝汽器中的现场对比试验。
经过理论分析、模拟仿真、试验室模拟试验以及现场装机试验，得
出以下结论。
1）三头螺旋槽管水流阻力低于单头螺旋管。
2）三头螺旋管传热性能最好，单头螺旋管次之，光管最差。
3）三头螺旋管由于螺旋升角增大，故管材力学性能要优于单
头螺旋槽管，加工挠度的控制相对较单头管容易，即三头
螺旋槽管加工性能较优。
4）螺旋槽管造价约为普通光管1.1倍，传热系数约为普通光
管的1.2-1.3倍，性能价格比较好。
5）包头第二热电厂2~#机改装三头螺旋槽管后，真空、端差改
善明显，传热系数提高近20％（折算值），每年可多发电
100万kWh以上。包头第一热电厂5~#机改装三头螺旋槽
管后，真空提高1.3kPa，机组效率提高约1.0％，年多发电
约600万kWh，节能效果显著。
ABSTRACT
In this paper the characteristics of multi-coiled spiral pipe of steam condenser is discussed and a reasonable coil geometry is presented. In order to compare its behavior with smooth pipe and single-coiled-spiral pipe finite element analysis (FEA) and a series of experiment with the same pipe diameter have been carried out. Heat transfer, resistance characteristics and temperature difference between inlet and outlet are calculated and analyzed by means of commercial software package FLUENT-3D? Laboratorial experiment and industrial testing comparing multi-coiled-spiral pipe with smooth pipe and single-coiled-spiral pipe have also been accomplished. Theoretical and experimental results show that the effect of thermal transfer for three-coiled-spiral pipe used in condenser of 100MW steam turbine made in China can obviously be improved. It is well known that flowing resistance of single-coiled and multi-coiled-spirals is larger than the smooth pipe. However, the flowing resistance of three-coiled-spiral pipe is smaller than single-coiled spiral pipe, which was applied in a lot of power plants. According to analytical conclusion demonstrated in this paper the three-coiled-spiral pipe should be suggested to apply in steam condenser of power plants. Further improvement on multi-coiled ?spiral pipe has to be continued in future.
Wang Zikuan (Power Engineering)
Directed by Prof.Xu Hong
引文
(1)帅志明：凝汽器采用螺旋槽铜管强化传热的试验研究，《中国电机工程学报》，1993．13(1)。
(2)帅志明，冯海仙，李学泰：螺旋槽铜管结垢的试验研究，《中国电机工程学报》，1994．(2)。
(3)Gee, D. L. Weeb, R. L: Forced Convective Heat Transfer in Helically Rib—Roughened tubes, Int. J. Heat Mass Transfer, 23,1127—1136,1980。
(4)北京有色金属研究总院，火电厂用大长度多头螺旋槽管的成型技术研制报告，1999．2。
(5)西安交通大学编写组，《火力发电厂传热原理与实践》，水利电力出版社，1977．8。
(6)聂熙庆，螺旋槽管在辽电12~#机凝汽器中的应用，《东北电力技术》，1997。
(7)包头第二热电厂热力试验组．2~#机大修前后热力试验报告．1998。
(8)内蒙古电力研究院，包头第二热电厂2~#机凝汽器铜管传热系数试验报告，1998。
(9)包头第一热电厂热力试验组，5~#机大修前后热力试验报告，2001
(10)CERT, "CEGB RESEARCH", 1988。
(11)Wither J. G., Young E. H., New Wrinkle in Condenser Tubing, Power Engineering, 1975,No.6,44,1971。
(12)Siedr E. N. and Tate G. E., Ind. Eng. Chem., 28,1492,1936。
(13)1987.8
(14)山西省电力试验研究、东南大学，凝汽器强化传热鉴定试验报告，1991．7。
(15)[日]饭岛 茂男，高性能传热管的加工制造技术，《铜加工》，1995。
(17)[日]津崎 好信，公开特许公报，昭61-125592，1986。
(18)窦照英，凝汽器黄铜管内应力里验收标准研究，《华北电力技术》，1994。
(19)李连诗，《异型管加工方法》，冶金工业出版社，1995。
(20)王东辉、涂思京 适于我国火力发电站用的新型冷凝管及其加工方法 《稀有金属》(增刊)1998 Vol．22
(21)王东辉、涂思京 凝汽器用新型冷凝管 《电站系统工程》1998．3
(22)王佩璋，发电厂凝汽器采用螺纹槽铜管的实践和发展，《电站辅机》1998年第2期．
(2)帅志明，冯海仙，李学泰：螺旋槽铜管结垢的试验研究，《中国电机工程学报》，1994．(2)。
(3)Gee, D. L. Weeb, R. L: Forced Convective Heat Transfer in Helically Rib—Roughened tubes, Int. J. Heat Mass Transfer, 23,1127—1136,1980。
(4)北京有色金属研究总院，火电厂用大长度多头螺旋槽管的成型技术研制报告，1999．2。
(5)西安交通大学编写组，《火力发电厂传热原理与实践》，水利电力出版社，1977．8。
(6)聂熙庆，螺旋槽管在辽电12~#机凝汽器中的应用，《东北电力技术》，1997。
(7)包头第二热电厂热力试验组．2~#机大修前后热力试验报告．1998。
(8)内蒙古电力研究院，包头第二热电厂2~#机凝汽器铜管传热系数试验报告，1998。
(9)包头第一热电厂热力试验组，5~#机大修前后热力试验报告，2001
(10)CERT, "CEGB RESEARCH", 1988。
(11)Wither J. G., Young E. H., New Wrinkle in Condenser Tubing, Power Engineering, 1975,No.6,44,1971。
(12)Siedr E. N. and Tate G. E., Ind. Eng. Chem., 28,1492,1936。
(13)1987.8
(14)山西省电力试验研究、东南大学，凝汽器强化传热鉴定试验报告，1991．7。
(15)[日]饭岛 茂男，高性能传热管的加工制造技术，《铜加工》，1995。
(17)[日]津崎 好信，公开特许公报，昭61-125592，1986。
(18)窦照英，凝汽器黄铜管内应力里验收标准研究，《华北电力技术》，1994。
(19)李连诗，《异型管加工方法》，冶金工业出版社，1995。
(20)王东辉、涂思京 适于我国火力发电站用的新型冷凝管及其加工方法 《稀有金属》(增刊)1998 Vol．22
(21)王东辉、涂思京 凝汽器用新型冷凝管 《电站系统工程》1998．3
(22)王佩璋，发电厂凝汽器采用螺纹槽铜管的实践和发展，《电站辅机》1998年第2期．