凝汽器集中發(fā)球清洗技術(shù)及工程實(shí)踐分析

引言

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

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(xué)清洗為主,也最先在電廠進(jìn)行了應(yīng)用,但進(jìn)行除垢清洗就必須停機(jī)操作,這對(duì)于需要連續(xù)運(yùn)行的電廠來說既不方便,又會(huì)在機(jī)組運(yùn)行過程以及啟停過程中造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。隨著各項(xiàng)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(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況隨時(shí)投入,給電廠靈活運(yùn)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(yīng)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(duì)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),只要是適合電廠經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)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(píng)價(jià)指標(biāo),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(shí)際運(yùn)行中,通常以凝汽器真空作為評(píng)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(jī)組真空嚴(yán)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(dǎo)熱及對(duì)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(duì)流換熱系數(shù):1為管道長度:A為管壁導(dǎo)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(duì)流換熱系數(shù)、管束導(dǎo)熱系數(shù)、污垢熱阻。運(yùn)行中的機(jī)組通過提高流體流速來加強(qiáng)換熱效果是最直接的手段,但這樣勢(shì)必造成循泵的功耗增大,經(jīng)濟(jì)性較差。實(shí)際運(yùn)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(shí)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(shí)際運(yùn)行中,電廠凝汽器循環(huán)水質(zhì)等問題不可避免地會(huì)造成凝汽器結(jié)垢,這就要求凝汽器可以在運(yùn)行期間進(jìn)行清洗,使其保持在理想狀況下工作。目前應(yīng)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(yīng)用最為廣泛的清洗方式,優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)備系統(tǒng)相對(duì)簡單、投資成本低、技術(shù)相對(duì)成熟、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低。但也存在收球率低、跑球、堵球等現(xiàn)象,同時(shí)運(yùn)行需要進(jìn)行人工干預(yù),對(duì)大機(jī)組凝汽器清洗范圍有限,即使收球率達(dá)到95%以上也無法對(duì)凝汽器管程、邊角位置的管束進(jìn)行有效的清洗等問題。

（2）在線機(jī)器人清洗系統(tǒng)。安裝在凝汽器水室內(nèi),通過伺服電機(jī)和減速機(jī)來控制手臂使其準(zhǔn)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(dá)到更好的清洗效果。但存在清洗周期長,效率低,高壓水動(dòng)能衰減快,管束后段清洗效果差,系統(tǒng)較復(fù)雜,潛在故障率大,投資大,養(yǎng)護(hù)成本高等問題。

（3）螺旋紐帶清洗系統(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(dòng)紐帶繞軸旋轉(zhuǎn)并擺動(dòng)達(dá)到清除污垢的效果,同時(shí)擾動(dòng)可使管內(nèi)換熱效果有所提高。該系統(tǒng)具有設(shè)備簡單、可連續(xù)運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn),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(shí)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）超聲波除垢系統(tǒng)。超聲波除垢可使水中的硬度鹽的結(jié)晶不會(huì)附著在同樣頻率的管壁上,同時(shí)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(xì)水流、增加管內(nèi)擾動(dòng),可以強(qiáng)化換熱能力。該系統(tǒng)具有除垢效果穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),但成本投入大、能耗高,且對(duì)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(chǔ)上發(fā)展而來的集中發(fā)球技術(shù),可以在盡可能少改動(dòng)既有設(shè)備的情況下,在運(yùn)行、安全和經(jīng)濟(jì)性方面達(dá)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(diǎn)

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(shí),一次性向系統(tǒng)投入大量的膠球,讓膠球布滿凝汽器的進(jìn)水室,進(jìn)而較均勻地分布到凝汽器的換熱管區(qū)域,從而達(dá)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(dāng)大量膠球同時(shí)進(jìn)入凝汽器的水室時(shí),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(dǎo)致水流分散到其他區(qū)域,膠球也會(huì)同時(shí)進(jìn)入其他區(qū)域的管束,增加了對(duì)于邊角不易清洗到的管束的清洗概率。具言之,膠球從進(jìn)入到離開凝汽器在5s左右,短時(shí)間內(nèi)大量膠球進(jìn)入水室局部區(qū)域,會(huì)在水室內(nèi)產(chǎn)生"排擠"效應(yīng),在把管內(nèi)可能留存的膠球沖擊攜帶出來的同時(shí),尚沒有膠球進(jìn)入的管道流速相對(duì)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(jìn)入該部分管束,實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dá)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(jìn)入水室的膠球均布于水室,為此集中發(fā)球技術(shù)同時(shí)增加膠球浸潤裝置,在系統(tǒng)自動(dòng)投運(yùn)10min后,即可完成對(duì)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(dòng)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2kPa,從而可以更好地引導(dǎo)膠球進(jìn)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KSs技術(shù)的寬流道、無磨損膠球泵,膠球泵流量提高到150B200m3/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(dá)到98%以上,一般凝汽器清潔系數(shù)可達(dá)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(yùn)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(yùn)行時(shí),通過開閉閥門12和16可實(shí)現(xiàn)前水室的集中發(fā)球:通過開閉閥門14和16,可實(shí)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(shí)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(jìn)水溫度,有利于提高凝汽器真空度。

為降低員工勞動(dòng)強(qiáng)度,系統(tǒng)專門設(shè)計(jì)了膠球回收器8,當(dāng)膠球磨損需要更換時(shí),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(shí)工人的工作負(fù)擔(dān),提高了工作效率和可靠性。

2.3集中發(fā)球技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例

凝汽器膠球集中發(fā)球技術(shù)在不同區(qū)域的電廠應(yīng)用6年來均取得了較好的效果,不同程度地降低了機(jī)組的背壓,在當(dāng)前"雙碳"達(dá)標(biāo)的背景下,達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。2.3.1300Mw機(jī)組改造前后對(duì)比案例一

該汽輪機(jī)為哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)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(jī),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(jī)組膠球集中發(fā)球技術(shù)改造后,對(duì)凝汽器進(jìn)行了配套試驗(yàn),改造前后主要性能參數(shù)如表1所示。

表1機(jī)組膠球清洗系統(tǒng)改造前后凝汽器性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果

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

2.3.2300Mw機(jī)組運(yùn)行清潔效果對(duì)比案例二

該機(jī)組為東方汽輪機(jī)有限公司制造的300Mw亞臨界、單軸、雙缸雙排汽、一次中間再熱、高中壓合缸汽輪機(jī),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(jī)組檢修期間,在進(jìn)行膠球集中發(fā)球改造的同時(shí),使用高壓水對(duì)凝汽器進(jìn)行了沖洗。為了驗(yàn)證膠球清洗效果,在檢修啟機(jī)后和投運(yùn)膠球兩個(gè)月后分別進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)在300Mw額定負(fù)荷且兩次試驗(yàn)真空嚴(yán)密性均為30Pa/min的情況下進(jìn)行,試驗(yàn)主要數(shù)據(jù)如表2所示。

從試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果可知,在300Mw額定負(fù)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6.78kPa。

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

2.3.3中水水質(zhì)凝汽器改造前后對(duì)比案例三

該機(jī)組采用東方汽輪機(jī)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(jī)組,配套型號(hào)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(duì)較高,結(jié)垢問題更突出。對(duì)原有清洗系統(tǒng)進(jìn)行改造后,為檢驗(yàn)改造效果,分別對(duì)改造前后的凝汽器進(jìn)行性能考核試驗(yàn),分別選取200Mw、240Mw、280Mw負(fù)荷,穩(wěn)定運(yùn)行1h,試驗(yàn)主要數(shù)據(jù)如表3所示。

表3改造前后凝汽器性能試驗(yàn)主要數(shù)據(jù)

從表3結(jié)果可知,凝汽器真空在200Mw、240Mw、280Mw負(fù)荷,分別提高了0.91kPa、1.26kPa、0.91kPa。再對(duì)膠球收球率進(jìn)行試驗(yàn),系統(tǒng)兩側(cè)各加膠球1500顆,A/B側(cè)分別收到1449/1471顆膠球,收球率分別達(dá)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(duì)凝汽器的清洗范圍可以達(dá)到98%以上,清潔系數(shù)可達(dá)0.9,具有收球率高、自動(dòng)化程度高、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)。

該技術(shù)在多家300Mw機(jī)組上得到了有效驗(yàn)證,運(yùn)行狀況表明,應(yīng)用該技術(shù)改造后機(jī)組真空都有0.5～1.0kPa的提高和改善,折合供電煤耗降低約1～3g/(kw.h）,節(jié)能效果突出,值得在各電廠中推廣使用。