提高膠球清洗裝置收球率的方法研究

摘要：提高膠球清洗裝置的收球率可以提高膠球清洗裝置對(duì)凝汽器鈦管的清洗效率，進(jìn)而增強(qiáng)機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性?，F(xiàn)通過對(duì)某電廠膠球清洗裝置中膠球的受力分析，找出了影響膠球清洗裝置收球率高低的具體原因，改進(jìn)了相關(guān)設(shè)備，進(jìn)而使膠球清洗裝置收球率從70%上升到98%，極大地提高了蒸汽輪機(jī)的運(yùn)行效率。

關(guān)鍵詞：膠球清洗；收球網(wǎng)；凝汽器端差；膠球泵；收球率；真空度

中圖分類號(hào)：TM621 " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " "文章編號(hào)：1671-0797（2023）02-0074-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.02.021

0 " "引言

火力發(fā)電廠使用的凝汽器膠球清洗裝置可在機(jī)組不減負(fù)荷的情況下清洗凝汽器冷卻水管的內(nèi)壁，從而降低凝汽器的端差和汽輪機(jī)背壓，是保證汽輪機(jī)安全運(yùn)行和降低煤耗不可缺少的輔機(jī)配套設(shè)備。20世紀(jì)50年代初，德國人發(fā)明了膠球清洗裝置，其基本工作原理是在運(yùn)行的凝汽器冷卻管中投入一定數(shù)量的膠球，使它們連續(xù)地在凝汽器換熱管內(nèi)流過，對(duì)冷卻管內(nèi)壁起到清洗作用[1]。但是，由于選用膠球、冷卻水水質(zhì)、清洗裝置和凝汽器結(jié)構(gòu)等方面的影響，國內(nèi)大多數(shù)電廠膠球清洗裝置都沒有發(fā)揮出應(yīng)有的作用。

本文結(jié)合對(duì)膠球清洗系統(tǒng)中膠球的受力分析，判斷膠球清洗裝置什么環(huán)節(jié)影響膠球的收球率，并提出相應(yīng)的解決方案，找出了改造膠球清洗裝置的方法。同時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。

1 " "膠球清洗裝置工作流程

膠球清洗裝置系統(tǒng)如圖1所示，膠球清洗過程可分為三個(gè)階段：

（1）膠球通過膠球泵打入至凝汽器循環(huán)水進(jìn)水管的階段；

（2）膠球通過凝汽器鈦管的清洗階段；

（3）膠球被循環(huán)水帶至凝汽器循環(huán)水出水管的階段。

膠球清洗裝置正常運(yùn)行時(shí)，收球網(wǎng)電動(dòng)閥關(guān)閉，膠球泵和1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)閥門開啟，膠球泵運(yùn)行。膠球通過膠球泵的吸力，從凝汽器循環(huán)水出口收球網(wǎng)前打到凝汽器循環(huán)水進(jìn)口。膠球清洗裝置收球時(shí)，關(guān)閉裝球室電動(dòng)閥，膠球在膠球泵和循環(huán)水的共同作用下，被帶至裝球室內(nèi)。

2 " "各個(gè)階段膠球的受力分析

2.1 " "膠球在凝汽器循環(huán)水進(jìn)水階段的受力分析

如圖2所示，在上升階段，膠球向上受到膠球浮力和循環(huán)水流對(duì)它的沖擊力，向下受到重力作用。

由于實(shí)際中膠球的密度小于水的密度，膠球的浮力大于膠球重力，所以膠球浮力與水流沖擊力之和大于膠球的重力，此時(shí)膠球向上運(yùn)行，不會(huì)滯留在凝汽器鈦管中。

2.2 " "膠球在清洗過程中的受力分析

在清洗過程中膠球的受力如圖3所示。

式中：ρ為流體密度；ν為流體流速；g為重力加速度；h為該點(diǎn)所在的高度；P為流體的壓強(qiáng)；C為一個(gè)常量；FC為膠球在鈦管中所受的沖擊力；S為鈦管的橫截面積；FM為膠球與鈦管壁之間的摩擦力；μ為膠球與凝汽器鈦管之間的摩擦系數(shù)；FN為膠球?qū)δ麾伖艿恼龎毫Α?/p>

由式（1）和式（2）可知，當(dāng)凝汽器鈦管出現(xiàn)大規(guī)模堵塞時(shí)，凝汽器循環(huán)水由于鈦管堵塞的截流作用，流速ν減小，壓強(qiáng)P增加。由于凝汽器循環(huán)水管橫截面沒有變化，壓強(qiáng)P增大，膠球在鈦管中所受的沖擊力FC也增大。

由式（3）可知，膠球在鈦管中水平方向受到膠球與鈦管壁的摩擦力的作用，當(dāng)FC＞FM時(shí)，膠球則可運(yùn)動(dòng)。所以投球時(shí)，不宜選用體積過大的膠球，因?yàn)轶w積過大會(huì)導(dǎo)致膠球與鈦管之間摩擦力過大，從而影響膠球裝置的收球率。

那么，如何解決摩擦力影響膠球清洗裝置收球率高低的問題呢？

根據(jù)以上受力分析可知，膠球與凝汽器鈦管的摩擦力越大，裝置收球率就會(huì)越低，但如果膠球質(zhì)地過軟或直徑過小，又起不到膠球清洗的作用。某電廠凝汽器鈦管的直徑為25 mm，為獲得膠球直徑與收球率關(guān)系的相關(guān)數(shù)據(jù)，該廠分別使用27 mm和32 mm膠球進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，膠球直徑越大，膠球清洗裝置收球率便越低。所以，該廠對(duì)膠球的選用做了如下規(guī)定：

（1）選用直徑比凝汽器鈦管內(nèi)徑大1～2 mm的膠球；

（2）當(dāng)凝汽器鈦管結(jié)垢較為嚴(yán)重時(shí)，可選用直徑略小于管子內(nèi)徑的膠球進(jìn)行清洗；

（3）凝汽器循環(huán)水冷卻水流量較小時(shí)，可選用質(zhì)地較軟或直徑較小的膠球進(jìn)行清洗；

（4）由以上受力分析可知，所選用膠球浮力越小越容易收球，所以投入膠球清洗時(shí)，應(yīng)當(dāng)泡球；

（5）膠球在水中的膨脹率不超過10%。

通過選用合適直徑的膠球，該廠膠球清洗裝置的收球率從70%上升至85%。同時(shí)，凝汽器傳熱效果也得到了極大的提升。

2.3 " "膠球在循環(huán)水出水管的受力分析

如圖4所示，膠球向下受到重力和循環(huán)水對(duì)膠球的沖擊力。

膠球的最后受力可以用下列方程表示：

FJ=（FC+G）-FF " " " " " " " （4）

FF=ρSgVP " " " " " " （5）

FC=αρSSJv2 " " " " （6）

G=mg " " " " " " （7）

m=ρJVQ " " " "（8）

式中：FJ為膠球的最后受力；FC為水對(duì)膠球向下的沖力；G為膠球的重力；FF為膠球在水中所受的浮力；ρS為水的密度；g為重力加速度；VP為膠球的排水量；α為系數(shù)；SJ為膠球截面積；v為水流的流動(dòng)速度；m為膠球的質(zhì)量；ρJ為膠球的密度；VQ為膠球的體積。

由上式可以看出，水流的流動(dòng)速度越小，作用在膠球上的沖力FC就越??；速度越大，F(xiàn)C就越大。

（1）當(dāng)FC＞FF-G時(shí)，膠球受力向下；

（2）當(dāng)FC＜FF-G時(shí)，膠球受力向上；

（3）當(dāng)FC=FF-G時(shí)，膠球懸浮。

2.3.1 " "凝汽器鈦管堵塞程度與膠球清洗裝置收球率的關(guān)系[2]

（1）當(dāng)凝汽器鈦管堵塞幾根時(shí)，凝汽器出口循環(huán)水動(dòng)能變化不大。

（2）當(dāng)凝汽器鈦管大面積堵塞或收球網(wǎng)堵塞嚴(yán)重時(shí)，凝汽器出口循環(huán)水動(dòng)能降低。動(dòng)能公式如下：

（9）

式中：E為動(dòng)能；m為質(zhì)量；v為速度。

當(dāng)水流動(dòng)能降低，水流就會(huì)減弱，水流減弱，凝汽器循環(huán)水出水管循環(huán)水對(duì)膠球的沖力FC就會(huì)減小，這樣出口管道的膠球就可能漂浮在凝汽器循環(huán)水出水管頂部或懸浮在水中。當(dāng)膠球的密度過小、收球網(wǎng)堵塞嚴(yán)重或凝汽器鈦管大面積堵塞，F(xiàn)F＞FC+G時(shí)，膠球會(huì)懸浮在凝汽器循環(huán)水出水管頂部。

2.3.2 " "如何解決膠球在循環(huán)水出水管的堵塞問題[3]

收球網(wǎng)堵塞程度和膠球在鈦管里的堵塞程度會(huì)逐漸降低膠球清洗裝置的收球率，同時(shí)膠球的密度也是影響膠球清洗裝置收球率的重要原因。因此，該廠通過以下改進(jìn)措施使得膠球清洗裝置收球率從85%提升到了90%，結(jié)果如表2所示。

（1）定期清理一、二次濾網(wǎng)和收球網(wǎng)上的垃圾；

（2）選擇合適的二次濾網(wǎng)，加強(qiáng)二次濾網(wǎng)的過濾性能，盡可能減少冷卻水中的雜質(zhì)。

3 " "其他影響因素及解決方案

3.1 " "收球網(wǎng)電動(dòng)閥或裝球室電動(dòng)閥關(guān)閉不嚴(yán)密[4]

3.1.1 " "原因分析

膠球清洗裝置收球階段，裝球室電動(dòng)閥如果關(guān)閉不嚴(yán)密，在收球過程中就會(huì)有部分膠球在膠球裝置內(nèi)循環(huán)。當(dāng)膠球泵停止運(yùn)行后，凝汽器循環(huán)水管道內(nèi)仍有部分膠球并未被收集到裝球室，這時(shí)打開收球網(wǎng)，凝汽器循環(huán)水管道內(nèi)的膠球就會(huì)漏出到系統(tǒng)外。

3.1.2 " "解決方案

定期對(duì)膠球清洗裝置各電動(dòng)閥做嚴(yán)密性試驗(yàn)。

3.2 "工作人員收球時(shí)操作不當(dāng)[4]

3.2.1 " "原因分析

在膠球清洗裝置收球過程中，凝汽器循環(huán)水入口壓力大于凝汽器循環(huán)水出口壓力，即根據(jù)圖1所示，A處的壓力要大于B處的壓力。若收球過程中先停止膠球泵再關(guān)閉2號(hào)電動(dòng)閥、3號(hào)電動(dòng)閥，凝汽器循環(huán)水就會(huì)通過3號(hào)電動(dòng)閥和2號(hào)電動(dòng)閥而進(jìn)入裝球室，從而把膠球帶出裝球室，讓膠球從B處流出。

3.2.2 " "解決方案

根據(jù)圖1所示，該廠通過在3號(hào)門出口處設(shè)置一個(gè)逆止門，讓水流只可從3號(hào)門出口打到凝汽器循環(huán)水進(jìn)水母管。這樣即便有人操作錯(cuò)誤，也可避免膠球從裝球室反送到凝汽器循環(huán)水出口處的情況。

3.3 " "膠球泵抽吸能力不足

3.3.1 " nbsp;原因分析

若膠球泵抽吸能力不足，則會(huì)導(dǎo)致膠球不能在膠球清洗裝置內(nèi)循環(huán)，從而導(dǎo)致膠球無法回收。

3.3.2 " "解決方法

膠球清洗裝置運(yùn)行時(shí)，凝汽器循環(huán)水出口門并未在全開狀態(tài)，若開大凝汽器循環(huán)水出口門，凝汽器循環(huán)水出水管壓力便會(huì)逐漸降低。由于膠球泵入口接在循環(huán)水出水管處，凝汽器循環(huán)水出水管壓力越低，則膠球泵抽吸能力越弱。根據(jù)圖1所示，該廠通過提升收球網(wǎng)布置位置，放低膠球泵入口位置，從而增大膠球泵入口靜壓力。根據(jù)靜壓力公式P=ρSgh（ρS=1.0×103 kg/m3；g=9.8 m/s2；h為高度），該廠使膠球泵低于收球網(wǎng)入口1 m，膠球泵的入口靜壓約等于增加0.01 MPa，這樣便保證了開大循環(huán)水出水電動(dòng)閥的開度來增加循環(huán)水的流速，從而改變膠球的受力，既避免了膠球漂浮在循環(huán)水出水管頂部的情況，又避免了開大循環(huán)水出水管電動(dòng)閥致使膠球泵入口壓力不足的問題。

3.4 " "收球網(wǎng)夾角的大小

3.4.1 " "原因分析

當(dāng)凝汽器循環(huán)水出口流速非常大，膠球浮力FF已經(jīng)遠(yuǎn)小于水流對(duì)膠球的沖擊力FC時(shí)，膠球在膠球泵入口收球網(wǎng)處的受力情況如圖5所示。

根據(jù)圖示可知，膠球向下的力F1為水流沖力和膠球自身重力G的合力與膠球浮力FF的差值，收球網(wǎng)面向上受到摩擦力FM，向下受到F1的分力作用和膠球?qū)κ涨蚓W(wǎng)的正壓力F3（注：由于圖片原因，F(xiàn)3是垂直于收球網(wǎng)網(wǎng)面的）。

由圖5可知，F(xiàn)3垂直于收球網(wǎng)斜面，F(xiàn)1垂直于水平面，所以∠b=∠a；由于F2與F3垂直，所以∠b=∠c。綜合可知，∠a=∠b=∠c。

由圖5可知，F(xiàn)2和F3之間的關(guān)系為F2=F3tan∠a，因?yàn)镕M=μF3，根據(jù)以上各個(gè)方程式可知，F(xiàn)M=■·F2。

由于膠球與收球網(wǎng)網(wǎng)面的摩擦系數(shù)μ不可知，則取最大值，設(shè)μ=1；又因?yàn)楫?dāng)0°＜∠a＜90°時(shí)，角度越大正弦值越大，則：

（1）當(dāng)膠球與收球網(wǎng)面夾角∠a=45°時(shí)，因?yàn)閠an 45°=1，那么FM=F2，在不考慮膠球泵吸力的情況下，球會(huì)靜止在收球網(wǎng)上；

（2）當(dāng)膠球與收球網(wǎng)面夾角45°＜∠a＜90°時(shí)，那么FM＜F2，在不考慮膠球泵吸力的情況下，球會(huì)往收球網(wǎng)下面走而進(jìn)入膠球泵入口中；

（3）當(dāng)膠球與收球網(wǎng)面夾角0°＜∠a＜45°時(shí)，那么FM＞F2，在不考慮膠球泵吸力的情況下，球反而會(huì)沿著收球網(wǎng)往上走。

3.4.2 " "解決方案

正常情況下，摩擦力系數(shù)μ＜1。由于該廠收球網(wǎng)夾角為60°，所以排除此原因?qū)κ涨蚵实挠绊憽?/p>

3.5 " "膠球在膠球清洗裝置中活動(dòng)空間過大

3.5.1 " "原因分析

由于循環(huán)水出水管管徑非常大，所以膠球的活動(dòng)范圍非常廣，而空間越大，越容易把膠球滯留其中。

3.5.2 " "解決方案

該廠通過提高收球網(wǎng)的位置來減少膠球在凝汽器循環(huán)水出水管中的活動(dòng)空間，同時(shí)設(shè)置一個(gè)膠球?qū)Я靼澹鐖D6所示，引導(dǎo)膠球進(jìn)入膠球泵入口位置。

改進(jìn)結(jié)果如表3所示。

4 " "結(jié)語

該電廠通過選用合適直徑的膠球、定期清洗膠球系統(tǒng)內(nèi)垃圾、更改膠球泵的布置、設(shè)置好收球網(wǎng)夾角等改進(jìn)措施，使膠球清洗裝置收球率從70%最終上升到98%，有效提高了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。本文分析了影響膠球清洗裝置收球率的各種因素，提出了改善膠球清洗裝置收球率的相關(guān)措施，為電廠運(yùn)行人員提供了一定的參考。

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收稿日期：2022-09-05

作者簡(jiǎn)介：李煜（1990—），男，湖南岳陽人，工程師，從事電廠運(yùn)行管理工作。