螺旋扭帶在線清洗及強化換熱技術的原理及其應用

摘 要：發電機組冷端系統直接影響機組的運行效率，而凝汽器是其核心設備，凝汽器結垢問題也是影響機組運行效率的重要因素。本文主要介紹螺旋扭帶在線清洗及強化換熱技術的工作原理、主要性能及其應用，其可廣泛應用于電力、石油化工等行業列管式換熱器，節能效益顯著。

關鍵詞：冷端系統；螺旋扭帶；端差；節能效益

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.001

0 前言

發電機組冷端系統主要由汽輪機低壓缸的末級組、凝汽器、冷卻塔、循環水泵、循環水系統及抽真空設備等組成[1]。而凝汽器是整個熱力循環的關鍵設備，主要作用是將汽輪機低壓缸的排汽凝結成水，在凝汽器內形成高度真空，增大蒸汽的有效焓降，提高機組熱效率；將凝結水送回鍋爐循環利用；同時還具有一級除氧作用。凝汽器工作性能的優劣，將直接影響汽輪機的經濟性和安全性[2]。

凝汽器運行中最常出現的問題是凝汽器換熱管表面結垢，使整個凝汽器傳熱系數K降低，致使傳熱端差增大。如果換熱管內壁結垢致使換熱管堵塞，將使循環水通流面積減小，水阻增大，冷卻水量減少，在一定的蒸汽負荷下，會引起機組排汽溫度升高。這些都將導致凝汽器真空下降，影響機組運行效率 [3]。

凝汽器清洗常用的方法有膠球清洗、高壓水槍清洗、化學清洗等。膠球清洗裝置能不停機在線清洗，但也存在收球率不高，容易堵塞換熱管，對硬垢清洗效果不佳的問題。化學清洗容易造成凝汽器換熱管的腐蝕和損傷，且清洗效率低下。高壓水槍清洗為人工操作，勞動強度大。

在凝汽器換熱管內加裝螺旋扭帶既能實現在線清洗，防垢除垢，同時還有強化換熱的作用，有效減小凝汽器端差，提高凝汽器真空，提高機組發電效率，使機組煤耗降低 [4]。

1 螺旋扭帶工作原理

螺旋扭帶在線清洗及強化換熱裝置主要由螺旋紐片、特種鋼支架、陶瓷軸承等部件構成。它的工作原理是：在凝汽器每根換熱管內安裝本裝置（圖1），當機組運行時，無需外加動力，利用循環水自身的流速驅動本裝置的旋轉部件，長期在換熱管內不停地快速旋轉（300-1800r/min），改變管內水的層流為紊流狀態，破壞水垢的形成機理，變被動除垢為主動防垢，同時強化換熱，大幅度提高凝汽器的換熱系數K值20%以上。

1.1 在線清洗

水側污垢的形成一般要經歷五個階段：起始、運輸、附著、老化、剝蝕。污垢形成的五個階段中只要有一個環節遭到破壞，污垢就難以形成。

針對水側管壁的結垢機理，螺旋扭帶打斷或干擾了污垢形成的三個關鍵階段。在起始階段，螺旋扭帶通過強化擾流和換熱，降低了換熱管內壁局部溫度，從而降低了以碳酸鹽為主的硬垢的析出；在附著階段和剝蝕階段，螺旋扭帶通過刮掃管壁和強化擾流，防止了垢的附著，加快了硬垢及軟垢的剝離。

1.2 強化換熱

對型號為Φ20*0.6mm，材質為304不銹鋼管。從低流速到高流速、低雷諾數到高雷諾數下的強化換熱效率進行測試，螺旋扭帶能有效提高水側管壁的換熱系數20%以上。

2 螺旋扭帶性能特點

2.1 材質性能

螺旋扭帶螺旋紐帶由特種高分子材料組成，材料強度、韌性、耐候性、缺口敏感度等性能優良，不會發生斷裂、水解等現象。螺旋扭帶連接件部分為特種鋼支架，結構牢固，安全性高。轉動部件為陶瓷軸承，旋轉壽命可達50億次。

2.2 耐高溫性能

通過不同規格紐帶在不同溫度環境下的形態對比測試，比較其耐高溫特性。最終發現，螺旋扭帶可在-50℃至220℃溫度下長期運行不發生變形。在350℃時，材質發生降解。

2.3 化學性能

螺旋扭帶所用高分子材料化學性質穩定，不溶于普通的有機溶劑，耐溶液性能優良，耐弱酸強堿，但不耐強酸，可在堿性介質環境下長期安全運行。

2.4 磨損性能

將型號為螺旋扭帶 M/16/04（寬度16mm，厚度0.8mm，長度12m）置于內徑為18.8mm的不銹鋼管、給定水流速度達4m/s的環境下進行180天極限磨損性能測試（轉速2500r/min），扭帶寬度僅減少0.35mm，單邊磨損量0.18mm。將內置螺旋扭帶的不銹鋼管與不銹鋼空管內壁運行前后比較，無明顯變化，質量也相當。

2.5 水阻性能

對于管長12m、內徑在18.8mm的內拋光不銹鋼管，水流速度2m/s（Re=38000）時，內置螺旋扭帶后，其水頭損失大約會增加0.02-0.043MPa左右。

3 螺旋扭帶對機組的影響

3.1 降低端差，提高真空度

凝汽器真空是表征凝汽器工作特性的主要指標，對汽輪機運行經濟性和安全性均產生重大的影響。真空降低不僅令機組經濟效率下降， 還會使排汽缸溫度升高， 引起機組軸中心偏移， 嚴重時會引起機組振動。凝汽器端差上升將直接影響到真空度。

端差推導公式如下：

可以看出，凝汽器端差δt與冷卻面積、傳熱量、傳熱系數和冷卻水量有關，傳熱越強，端差越小。一般情況下，大中型機組的δt=3℃～5℃，小型機組的端差值要高一些。在運行狀態下，δt的大小主要取決于傳熱系數K。

采用螺旋扭帶后，可使凝汽器長期保持清潔狀態，清潔系數提高，凝汽器管內的冷卻水流方式被強制改變，從而實現強化換熱，傳熱效率可以提高20%以上，凝汽器端差δt有效降低2-6℃，降低排汽溫度，提高凝汽器真空度。

3.2 提高機組運行效率

凝汽器真空直接影響機組的運行效率，一般運行經驗表明， 凝汽器真空每下降1kPa， 機組汽耗會增加1.5%～2.5%；而凝汽器端差每升高1℃，供電煤耗約增加1.5%～2.5%[5]。

采用螺旋扭帶后，凝汽器傳熱效率提高，機組端差、背壓下降，真空度提高，可使煤耗下降2-10g/kW.h，發電量提高2-5%，機組運行效率顯著提高。

4 螺旋扭帶在國內大型發電機組的應用

4.1 案例一

國內某電廠2#機組（330MW）由于凝汽器結垢及冷卻塔面積不夠、填料堵塞等原因，造成機組背壓高，機組效率下降，嚴重影響機組發電負荷。

安裝螺旋扭帶后，全年平均端差由6.2℃大幅下降到1.2-2.5℃，凝汽器真空度明顯提高，機組效率顯著提升。

4.2 案例二

某熱電廠配備有2*300MW發電機組，由于采用城市中水，膠球收球率低，凝汽器結垢現象嚴重，端差偏高，2#機組凝汽器端差年平均5.7℃，冬季端差高達7.7℃，致使凝汽器真空下降，煤耗上升。

2015年10月安裝螺旋扭帶后，2#機組凝汽器排汽溫度降低5.56℃，背壓降低2.03kPa，換熱效率提高，機組煤耗降低，全年可節約標煤3100-3500噸。

5 結束語

發電機組冷端系統的運行狀況直接關系到發電機組的安全穩定高效運行，凝汽器的清潔程度及換熱效率也直接影響機組的效率，保持凝汽器換熱管的清潔、提高換熱效率對機組具有重大的節能意義。

本文結合介紹了螺旋扭帶的工作原理及其結構和主要性能，并結合其在國內大型發電機組的應用案例，給出螺旋扭帶凝汽器在線清洗及強化換熱技術的如下信息，供從事電力、石油化工等行業相關人員參考。

（1）螺旋扭帶可實現凝汽器在線清洗及強化換熱兩大功能，可長期保持凝汽器換熱管清潔，使凝汽器傳熱系數提高20%以上，降低凝汽器端差，提高真空度，降低煤耗，提高機組運行效率。

（2）螺旋扭帶扭帶材質為特種高分子材料，材料強度、韌性、耐候性、缺口敏感度等性能優良，可耐強堿弱酸，可在-50至220℃溫度環境下長期安全穩定運行。

（3）凝汽器換熱管中安裝螺旋扭帶可長期保持凝汽器清潔，運行水阻小，不會對換熱管造成磨損，保證機組安全穩定運行。

（4）螺旋扭帶可應用于電力、石油、化工等行業的列管式換熱器，有助于換熱器提高換熱效率，達到節能效果。

參考文獻：

[1]趙斌等.汽輪機冷端優化的研究[J].熱力透平，2007，36（01）：19-23.

[2]吳文龍等.凝不所器腐蝕與結垢控制技術[M].北京：中國電力出版社，2012.

[3]周文遠等.凝汽器結垢對其性能影響和解決結垢問題的新措施[J].汽輪機技術，2002，44（01）：58-60.

[4]毛琨等.螺旋紐帶在凝汽器中強化換熱及除垢的應用[J].節能，2007（01）：42-44.

[5]張貴安.影響凝汽器傳熱端差的因素及對應措施[J].能源與環境，2004（01）：29-31.