凝汽器集中發(fā)球清洗技術(shù)及工程實踐分析

劉宣治 蔣平鎖 李燕平

摘 要：比較了凝汽器在線清洗的各種技術(shù)路線，介紹了凝汽器膠球集中發(fā)球清洗的工作原理、系統(tǒng)特點及運行方式，以及該技術(shù)在不同狀態(tài)下300 MW機組上的應用效果和試驗結(jié)果。工程應用表明，該技術(shù)具有整體清洗率高、收球率高、清洗效果好、自動化程度高的特點，一般凝汽器清潔系數(shù)可達到0.9以上，建議在火電行業(yè)廣泛推廣。

關(guān)鍵詞：凝汽器;膠球;集中發(fā)球

0 引言

凝汽器清洗裝置是汽輪機發(fā)電機組運行過程中對凝汽器冷凝管內(nèi)污垢進行清潔的裝置，該裝置的運行情況直接影響凝汽器的冷凝效果，進而影響機組效率，還會影響機組運行安全。凝汽器良好的清潔度是保證機組安全高效運行的基礎。

凝汽器清洗技術(shù)主要可分為離線型和在線型。離線型以高壓水沖洗、化學清洗為主，也最先在電廠進行了應用，但進行除垢清洗就必須停機操作，這對于需要連續(xù)運行的電廠來說既不方便，又會在機組運行過程以及啟停過程中造成較大的經(jīng)濟損失。隨著各項技術(shù)的發(fā)展，各種在線型凝汽器清洗技術(shù)開始出現(xiàn)，受到電廠的青睞，其可根據(jù)機組實際運行情況隨時投入，給電廠靈活運行帶來極大的便利，在線型清洗技術(shù)中膠球清洗技術(shù)的應用尤為廣泛。

1 凝汽器清洗技術(shù)

凝汽器清洗技術(shù)的好壞并沒有絕對的評價標準，只要是適合電廠經(jīng)濟安全運行的就是好的技術(shù)。也有一些凝汽器清洗系統(tǒng)優(yōu)劣的客觀評價指標，從理論上來講就是在清洗后凝汽器換熱系數(shù)的提升程度，而在實際運行中，通常以凝汽器真空作為評判的依據(jù)。

1.1 ? ?影響凝汽器換熱的因素

影響凝汽器換熱效率的因素主要有：換熱面積、機組真空嚴密性、管道及疏水系統(tǒng)泄漏、循環(huán)水流量、循環(huán)水溫度、凝汽器換熱系數(shù)等。通過提高凝汽器換熱系數(shù)來提高既有凝汽器的換熱效果是綜合考慮后最為高效的措施。

式中：k為凝汽器換熱系數(shù);R1為凝汽器導熱及對流換熱熱阻;R2為不凝氣體熱阻;R3為汽側(cè)凝結(jié)液膜熱阻;R4為水側(cè)污垢熱阻;d、d0分別為管道內(nèi)外徑;h1、h2分別為管道水側(cè)、汽側(cè)對流換熱系數(shù);l為管道長度;λ為管壁導熱系數(shù)。

從式（1）、式（2）可以看出，傳熱系數(shù)的大小取決于管內(nèi)外對流換熱系數(shù)、管束導熱系數(shù)、污垢熱阻。運行中的機組通過提高流體流速來加強換熱效果是最直接的手段，但這樣勢必造成循泵的功耗增大，經(jīng)濟性較差。實際運行中的凝汽器通過減小污垢熱阻來提高凝汽器換熱效果是最有效的方式，因而在工程實踐中出現(xiàn)了各種凝汽器清洗技術(shù)。

1.2 ? ?常見凝汽器清洗技術(shù)

實際運行中，電廠凝汽器循環(huán)水質(zhì)等問題不可避免地會造成凝汽器結(jié)垢，這就要求凝汽器可以在運行期間進行清洗，使其保持在理想狀況下工作。目前應用較多的主要有以下幾種清洗方式：

（1）傳統(tǒng)凝汽器膠球清洗系統(tǒng)。該系統(tǒng)是目前應用最為廣泛的清洗方式，優(yōu)點在于設備系統(tǒng)相對簡單、投資成本低、技術(shù)相對成熟、運行維護費用低。但也存在收球率低、跑球、堵球等現(xiàn)象，同時運行需要進行人工干預，對大機組凝汽器清洗范圍有限，即使收球率達到95%以上也無法對凝汽器管程、邊角位置的管束進行有效的清洗等問題。

（2）在線機器人清洗[1]系統(tǒng)。安裝在凝汽器水室內(nèi)，通過伺服電機和減速機來控制手臂使其準確噴射高壓水流清洗管束，能夠與多種清洗方式組合使用以達到更好的清洗效果。但存在清洗周期長，效率低，高壓水動能衰減快，管束后段清洗效果差，系統(tǒng)較復雜，潛在故障率大，投資大，養(yǎng)護成本高等問題。

（3）螺旋紐帶清洗[2]系統(tǒng)。在冷卻管內(nèi)放置可繞軸旋轉(zhuǎn)的螺旋紐帶，管內(nèi)流過的冷卻水帶動紐帶繞軸旋轉(zhuǎn)并擺動達到清除污垢的效果，同時擾動可使管內(nèi)換熱效果有所提高。該系統(tǒng)具有設備簡單、可連續(xù)運行等優(yōu)點，但紐帶增加了沿程阻力，循泵功耗升高，生產(chǎn)成本增加，同時紐帶易造成管束磨損或自身斷裂，從而易造成管束堵塞、損壞等問題。

（4）超聲波除垢[3]系統(tǒng)。超聲波除垢可使水中的硬度鹽的結(jié)晶不會附著在同樣頻率的管壁上，同時可防止水中未結(jié)晶的鹽沉積在管壁上。而振蕩產(chǎn)生微細水流、增加管內(nèi)擾動，可以強化換熱能力。該系統(tǒng)具有除垢效果穩(wěn)定等優(yōu)點，但成本投入大、能耗高，且對管道后半程清洗效果較差。

以上方法在各方面都存在一定的優(yōu)劣，而在原有傳統(tǒng)膠球清洗系統(tǒng)的基礎上發(fā)展而來的集中發(fā)球技術(shù)，可以在盡可能少改動既有設備的情況下，在運行、安全和經(jīng)濟性方面達到較好的效果。

2 凝汽器膠球清洗集中發(fā)球技術(shù)

2.1 ? ?膠球清洗集中發(fā)球技術(shù)及其特點

凝汽器膠球清洗集中發(fā)球技術(shù)是基于傳統(tǒng)凝汽器膠球清洗系統(tǒng)發(fā)展起來的一種新型膠球清洗技術(shù)，系統(tǒng)膠球清洗時，一次性向系統(tǒng)投入大量的膠球，讓膠球布滿凝汽器的進水室，進而較均勻地分布到凝汽器的換熱管區(qū)域，從而達到全面清洗凝汽器的目的。

凝汽器膠球清洗集中發(fā)球技術(shù)的原理是，當大量膠球同時進入凝汽器的水室時，位于水室主流區(qū)域的換熱管束首先充滿膠球，從而該區(qū)域的管道阻力增大，導致水流分散到其他區(qū)域，膠球也會同時進入其他區(qū)域的管束，增加了對于邊角不易清洗到的管束的清洗概率。具言之，膠球從進入到離開凝汽器在5 s左右，短時間內(nèi)大量膠球進入水室局部區(qū)域，會在水室內(nèi)產(chǎn)生“排擠”效應，在把管內(nèi)可能留存的膠球沖擊攜帶出來的同時，尚沒有膠球進入的管道流速相對較快，傳熱系數(shù)提高;分散在水體中的膠球在水流的攜帶作用下進入該部分管束，實現(xiàn)對換熱管更均勻地清洗。

由于凝汽器內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異和循環(huán)水水流在凝汽器的分布差異，凝汽器內(nèi)部某些局部區(qū)域水流較慢，可通過在水室增加發(fā)球管口，直接把膠球送入該區(qū)域。

為達到清洗效果，一般情況下要求浸濕的膠球與水的比重保持一致，這樣才能夠保證進入水室的膠球均布于水室，為此集中發(fā)球技術(shù)同時增加膠球浸潤裝置，在系統(tǒng)自動投運10 min后，即可完成對膠球的浸潤。

為避免傳統(tǒng)收球網(wǎng)存在跑球、卡球等問題，集中發(fā)球技術(shù)采用V型活動網(wǎng)板漏斗式收球網(wǎng)，網(wǎng)板采用大傾角，收球網(wǎng)前后壓差小于2 kPa，從而可以更好地引導膠球進入集球口，杜絕了膠球堵塞、逃逸問題，將收球率提高到了95%以上。

為提高膠球清洗系統(tǒng)的爆發(fā)式發(fā)球效果，選用了KSB技術(shù)的寬流道、無磨損膠球泵，膠球泵流量提高到150～200 m3/h。

一般情況下，膠球添加數(shù)量為凝汽器單側(cè)單程管束的40%以上，大于常規(guī)發(fā)球技術(shù)的7%～13%，整體清洗概率可以達到98%以上，一般凝汽器清潔系數(shù)可達到0.9以上，高于行業(yè)規(guī)定的0.85。

2.2 ? ?集中發(fā)球清洗系統(tǒng)布置與運行方式

集中發(fā)球清洗系統(tǒng)的原理如圖1所示，集中發(fā)球裝置6布置在膠球泵5的出口逆止閥11后;系統(tǒng)運行時，通過開閉閥門12和16可實現(xiàn)前水室的集中發(fā)球;通過開閉閥門14和16，可實現(xiàn)后水室的集中發(fā)球。

在收球期間，膠球通過V型收球網(wǎng)4及管道回到發(fā)球裝置6內(nèi)部，等待下次發(fā)球。同時來自循環(huán)水出水管道2的水流從收球網(wǎng)4排球口經(jīng)膠球泵5排出后，通過集中發(fā)球裝置6上的熱水回水閥16回到循環(huán)水出水管道2，間接降低了循環(huán)水進水溫度，有利于提高凝汽器真空度。

為降低員工勞動強度，系統(tǒng)專門設計了膠球回收器8，當膠球磨損需要更換時，可在系統(tǒng)帶壓下打開排球蝶閥18，直接把磨損后的膠球排放至回收器內(nèi)的集球框中，手提即可。此外，集中發(fā)球技術(shù)還配置了操作更加便捷的控制系統(tǒng)，有效減輕了凝汽器清洗時工人的工作負擔，提高了工作效率和可靠性。

2.3 ? ?集中發(fā)球技術(shù)的應用實例

凝汽器膠球集中發(fā)球技術(shù)在不同區(qū)域的電廠應用6年來均取得了較好的效果，不同程度地降低了機組的背壓，在當前“雙碳”達標的背景下，達到了節(jié)能降耗的目的。

2.3.1 ? ?300 MW機組改造前后對比案例一

該汽輪機為哈爾濱汽輪機廠有限責任公司生產(chǎn)的C270/N300-16.7/537/537型亞臨界、一次中間再熱、單軸、雙缸雙排汽、抽汽凝汽式汽輪機，與其配套的為N-18000表面式、雙殼體、雙流程、橫向布置凝汽器。

在機組膠球集中發(fā)球技術(shù)改造后，對凝汽器進行了配套試驗，改造前后主要性能參數(shù)如表1所示。

在225 MW（75%）機組負荷下，膠球清洗系統(tǒng)改造前后凝汽器背壓分別為7.03 kPa、5.33 kPa，將凝汽器循環(huán)水入口水溫及循環(huán)水流量修正到設計工況下，凝汽器壓力分別為6.34 kPa、5.00 kPa，改造后真空提高了1.34 kPa，供電煤耗率降低接近4 g/（kW·h）。

2.3.2 ? ?300 MW機組運行清潔效果對比案例二

該機組為東方汽輪機有限公司制造的300 MW亞臨界、單軸、雙缸雙排汽、一次中間再熱、高中壓合缸汽輪機，配套的是N-17800-1型單背壓、單殼體、雙流程、表面式凝汽器。該機組檢修期間，在進行膠球集中發(fā)球改造的同時，使用高壓水對凝汽器進行了沖洗。為了驗證膠球清洗效果，在檢修啟機后和投運膠球兩個月后分別進行了對比試驗。試驗在300 MW額定負荷且兩次試驗真空嚴密性均為30 Pa/min的情況下進行，試驗主要數(shù)據(jù)如表2所示。

從試驗對比結(jié)果可知，在300 MW額定負荷下，高壓水沖洗并修正溫度及流量后的凝汽器平均排汽壓力為6.78 kPa。

投入改造后的膠球系統(tǒng)，并修正到設計循環(huán)水進口溫度和設計循環(huán)水流量條件下，凝汽器平均排汽壓力為6.58 kPa，機組真空提高了0.2 kPa。

2.3.3 ? ?中水水質(zhì)凝汽器改造前后對比案例三

該機組采用東方汽輪機有限公司生產(chǎn)的N300-16.67/

537/537-8型亞臨界、雙缸雙排汽、純凝、濕冷機組，配套型號為N-17310的凝汽器。

該電廠所在區(qū)域水資源較為匱乏，循環(huán)水濃縮倍率相對較高，結(jié)垢問題更突出。對原有清洗系統(tǒng)進行改造后，為檢驗改造效果，分別對改造前后的凝汽器進行性能考核試驗，分別選取200 MW、240 MW、280 MW負荷，穩(wěn)定運行1 h，試驗主要數(shù)據(jù)如表3所示。

從表3結(jié)果可知，凝汽器真空在200 MW、240 MW、280 MW負荷，分別提高了0.91 kPa、1.26 kPa、0.91 kPa。再對膠球收球率進行試驗，系統(tǒng)兩側(cè)各加膠球1 500顆，A/B側(cè)分別收到1 449/1 471顆膠球，收球率分別達到了96.6%和98.1%，均高于95%。

3 結(jié)語

凝汽器膠球集中發(fā)球清洗技術(shù)對凝汽器的清洗范圍可以達到98%以上，清潔系數(shù)可達0.9，具有收球率高、自動化程度高、運行穩(wěn)定的特點。

該技術(shù)在多家300 MW機組上得到了有效驗證，運行狀況表明，應用該技術(shù)改造后機組真空都有0.5～1.0 kPa的提高和改善，折合供電煤耗降低約1～3 g/（kW·h），節(jié)能效果突出，值得在各電廠中推廣使用。

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收稿日期：2021-08-31

作者簡介：劉宣治（1995—），男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，在讀碩士研究生，研究方向：熱力系統(tǒng)經(jīng)濟性評估、能耗診斷及優(yōu)化技術(shù)。