凝汽器膠球清洗技術(shù)優(yōu)化研究

宗緒東

(華電國(guó)際技術(shù)服務(wù)中心，濟(jì)南 250014)

0 引言

火電機(jī)組循環(huán)效率與新蒸汽參數(shù)及排汽壓力有關(guān)。對(duì)于已經(jīng)投運(yùn)的機(jī)組，運(yùn)行中新蒸汽初參數(shù)變化量較小，而排汽壓力受凝汽器入口水溫、循環(huán)水溫升、凝汽器端差變化影響較大，對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性影響大。熱力試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：凝汽器真空每降低1 kPa，機(jī)組汽耗率約升高1.5%～2.5%，熱耗率約升高70 kJ/(kW·h)，煤耗率約升高3～3.29 g/(kW·h)；凝汽器端差每升高10 ℃，供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率約升高1.5%～2.5%[1]。因此運(yùn)行中加強(qiáng)對(duì)凝汽器端差的監(jiān)控及調(diào)整是必要的，本文對(duì)凝汽器膠球清洗技術(shù)、集中發(fā)球技術(shù)、機(jī)器人清洗技術(shù)、螺旋紐帶清洗技術(shù)等進(jìn)行了分析和探討，指出了適合不同電廠實(shí)際情況的改造路線。

1 凝汽器端差影響要素

凝汽器端差δt、凝汽器總體換熱系數(shù)K的計(jì)算公式為

(1)

(2)

式中：△t為凝汽器循環(huán)水溫升；A為凝汽器冷卻面積；e為2.71828；Cp為循環(huán)水的定壓比容；Dw為凝汽器循環(huán)水流量；d1冷卻管外徑；d2冷卻管內(nèi)徑；aw水側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)；as汽側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)；λ冷卻管的導(dǎo)熱系數(shù)；Rf為水側(cè)污垢熱阻。

從式(1)、式(2)可以看出，在凝汽器面積、循環(huán)水流量、凝汽器熱負(fù)荷一定的情況下，凝汽器端差主要受總體傳熱系數(shù)K影響；K取決于水側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)、汽側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)、凝汽器水側(cè)污垢熱阻；污垢熱阻取決于凝汽器冷卻管道清潔度。當(dāng)冷卻管道清潔度降低，凝汽器端差升高，凝汽器真空降低。另外凝汽器管道結(jié)垢還易導(dǎo)致點(diǎn)蝕等后果。較清潔的凝汽器可以使用15年以上，未及時(shí)清理污垢的可能會(huì)在3年之內(nèi)出現(xiàn)穿透的情況[2]。

凝汽器冷卻管道的清潔度取決于循環(huán)水水質(zhì)、凝汽器膠球清洗裝置運(yùn)行效果。國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)、配置傳統(tǒng)凝汽器膠球清洗裝置的火電機(jī)組占在運(yùn)機(jī)組的99%以上，對(duì)于循環(huán)水質(zhì)優(yōu)良的機(jī)組，膠球清洗裝置能夠滿足需要。但隨著環(huán)保廢水排放的標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，部分機(jī)組采用城市中水等作為補(bǔ)充水，導(dǎo)致循環(huán)水水質(zhì)較差。一旦膠球清洗裝置失常，必然導(dǎo)致冷卻管道清潔度迅速降低。

2 傳統(tǒng)凝汽器膠球清洗技術(shù)

傳統(tǒng)膠球清洗裝置由膠球泵、裝球室、收球網(wǎng)、隔離閥門等組成。系統(tǒng)流程：循環(huán)水經(jīng)膠球泵升壓后，驅(qū)動(dòng)裝球室的膠球進(jìn)入凝汽器，經(jīng)收球網(wǎng)將膠球收集進(jìn)行下一個(gè)清洗過程，如圖1所示。整個(gè)發(fā)球過程始終是連續(xù)的，每次清洗時(shí)間2～3 h。

圖1 傳統(tǒng)膠球清洗流程

2.1 傳統(tǒng)膠球清洗技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

傳統(tǒng)膠球清洗系統(tǒng)簡(jiǎn)單，設(shè)備投資低，維護(hù)工作量較少。

2.2 傳統(tǒng)膠球清洗技術(shù)缺點(diǎn)

傳統(tǒng)膠球清洗技術(shù)的清洗效果較差；投球、收球過程需要人工操作，工作量大；部分熱水回到凝汽器入口管道，導(dǎo)致凝汽器入口水溫升高。且當(dāng)循環(huán)水質(zhì)較差時(shí)，傳統(tǒng)膠球清洗裝置清洗效果差，易導(dǎo)致凝汽器結(jié)垢，主要原因如下。

(1)投球數(shù)量較少(約為管束的7%～13%)，清洗效率低。

(2)膠球泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程、流量普遍較低，輸送膠球動(dòng)能不足，導(dǎo)致收球率低，冬季單臺(tái)循環(huán)水泵運(yùn)行時(shí)尤其突出。

(3)清洗范圍受限制。其工作方式為連續(xù)運(yùn)行方式，除第一次發(fā)球較為集中，其他時(shí)間發(fā)球均為分散式。由于凝汽器水室中間區(qū)域?yàn)橹魉鳎枇π。蟛糠帜z球始終在中間區(qū)域通過，其他區(qū)域(尤其是兩側(cè)渦流區(qū))無法得到清洗，容易附著黏泥或結(jié)垢。

(4)收球網(wǎng)易發(fā)生跑球、堵球，導(dǎo)致收球率降低。

膠球清洗裝置收球網(wǎng)有∧型(德國(guó)Taprogge)和∨形(法國(guó) Technos)兩種。早期設(shè)計(jì)多為∨形收球網(wǎng)，收球口通流斷面小，對(duì)雜物等敏感度高，容易堵球，收球網(wǎng)關(guān)閉不嚴(yán)密時(shí)容易跑球；現(xiàn)在大部分已改為∧型收球網(wǎng)，由于是兩側(cè)收球然后匯集到一個(gè)母管，導(dǎo)致水循環(huán)動(dòng)力差，易發(fā)生一側(cè)堵球，如圖2所示。

圖2 ∧型、∨型收球網(wǎng)

3 凝汽器集中發(fā)球技術(shù)

凝汽器集中發(fā)球?yàn)槟壳皣?guó)內(nèi)改造較多的技術(shù)，其特點(diǎn)均為集中發(fā)射，發(fā)球結(jié)束后關(guān)閉裝球室出口門，通過收球網(wǎng)回收膠球至裝球室，然后根據(jù)指令再次集中發(fā)射。目前主要有HDCOCS，CQM，VUES 3種技術(shù)路線，均能有效地降低凝汽器端差，其中HDCOCS收球網(wǎng)對(duì)惡劣水質(zhì)的適應(yīng)能力更強(qiáng)。

3.1 集中發(fā)球技術(shù)流程

(1)HDCOCS系統(tǒng)：循環(huán)水經(jīng)大容量膠球泵升壓，開啟發(fā)球閥，驅(qū)動(dòng)膠球進(jìn)入凝汽器水室，發(fā)球閥關(guān)閉；收球網(wǎng)回收的膠球進(jìn)入裝球室匯合，熱水經(jīng)排出閥至凝汽器回水管道；根據(jù)系統(tǒng)指令開啟發(fā)球閥，進(jìn)入下一個(gè)清洗過程，如圖3所示。

圖3 HDCOCS流程圖

(2)CQM系統(tǒng)：循環(huán)水經(jīng)單向閥5進(jìn)入大容量膠球泵升壓，開啟單向閥1驅(qū)動(dòng)膠球經(jīng)單向閥2進(jìn)入凝汽器水室，關(guān)閉單向閥1、2、5；開啟單向閥4、6， Y型濾網(wǎng)收球后經(jīng)單向閥3進(jìn)入裝球室，循環(huán)水經(jīng)單向閥4、6進(jìn)入回水管道，再根據(jù)指令進(jìn)入下一個(gè)清洗過程，如圖4所示。

圖4 CQM流程圖

(3)VUES系統(tǒng)：壓縮空氣經(jīng)氣動(dòng)門1進(jìn)入裝球室，驅(qū)動(dòng)膠球經(jīng)氣動(dòng)門2進(jìn)入凝汽器后關(guān)閉氣動(dòng)門1、2，經(jīng)錐形濾網(wǎng)收球后進(jìn)入裝球室，經(jīng)氣動(dòng)門4將雜物由排污泵抽至循環(huán)水出水管道，再根據(jù)指令進(jìn)行下一次清洗過程，如圖5所示。

圖5 VUES流程圖

3.2 集中發(fā)球清洗技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

(1)清洗效果好，凝汽器端差低。每次發(fā)球都實(shí)現(xiàn)大流量集中、斷續(xù)發(fā)球每次發(fā)球后關(guān)閉出口門進(jìn)行收球，然后根據(jù)指令再次發(fā)球。中間區(qū)域管束進(jìn)球后阻力增大，從而保證其他膠球能夠進(jìn)入邊緣管道，大部分管束都能夠得到清洗，這是集中發(fā)球技術(shù)優(yōu)于傳統(tǒng)膠球清洗技術(shù)的主要原因。某330 MW機(jī)組進(jìn)行了HDCOS集中發(fā)球技術(shù)改造，改造后在額定負(fù)荷、凝汽器入口水溫20 ℃工況，凝汽器端差比設(shè)計(jì)值低1.1 ℃，凝汽器真空比設(shè)計(jì)值高約0.3 kPa。

(2)投球率、收球率高。一次投球率高(清洗40%～100%的管束)，管束充滿度高，正常運(yùn)行工況下收球率達(dá)到95%以上。

(3)膠球輸送動(dòng)力強(qiáng)，速度快。驅(qū)動(dòng)膠球的動(dòng)力有壓縮空氣和大容量膠球泵兩種。兩者發(fā)球時(shí)間≤2 s，膠球集中進(jìn)入凝汽器數(shù)量多，在冬季單臺(tái)循環(huán)水泵運(yùn)行工況，比傳統(tǒng)膠球清洗裝置運(yùn)行效果好。

(4)自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)便，人工操作量大大減少。

不同技術(shù)路線的優(yōu)點(diǎn)各不相同：CQM、HDCOCS系統(tǒng)每次收球過程，隨球返回的熱水進(jìn)入到凝汽器出口管道，不會(huì)導(dǎo)致凝汽器入口水溫升高；HDCOCS、VUES技術(shù)系統(tǒng)配置簡(jiǎn)捷，維護(hù)成本低；CQM、VUES系統(tǒng)膠球磨損低；HDCOCS技術(shù)收球網(wǎng)為活動(dòng)漏斗式，單排球口結(jié)構(gòu)，活動(dòng)網(wǎng)板得到反沖洗，沒有堵球、跑球風(fēng)險(xiǎn)，能適應(yīng)水質(zhì)惡劣環(huán)境。

3.3 集中發(fā)球清洗技術(shù)缺點(diǎn)

(1)集中發(fā)球清洗技術(shù)設(shè)備投資相對(duì)膠球清洗系統(tǒng)高。

(2)CQM系統(tǒng)配置Y型固定濾網(wǎng)由于未配置清潔、排污裝置，運(yùn)行中無法打開。當(dāng)循環(huán)水雜物較多時(shí)，容易堵塞濾網(wǎng)，導(dǎo)致循環(huán)水阻力增大。某330 MW海水冷卻機(jī)組在運(yùn)行中發(fā)生過雜物堵塞濾網(wǎng)被迫停機(jī)事件，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

(3)VUES錐形固定濾網(wǎng)運(yùn)行中無法打開。濾網(wǎng)帶有清潔刮板，上部設(shè)有排污口，通過排污泵抽水排出雜物，而循環(huán)水自上而下流動(dòng)。從流體力學(xué)分析該排污設(shè)計(jì)是不合理的。實(shí)際運(yùn)行中，排污效果較差，運(yùn)行中發(fā)生過雜物聚集導(dǎo)致濾網(wǎng)破損事件，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

4 在線機(jī)器人清洗技術(shù)

機(jī)器人清洗技術(shù)主要有坐標(biāo)移動(dòng)機(jī)器人、關(guān)節(jié)機(jī)器人、化學(xué)清洗機(jī)器人。

4.1 在線機(jī)器人清洗技術(shù)流程

(1)坐標(biāo)移動(dòng)機(jī)器人，在凝汽器4個(gè)水室中分別設(shè)置有移動(dòng)清洗管道，通過伺服電機(jī)控制滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)。2 MPa高壓水(高壓水泵提供)射流噴頭在水平面內(nèi)水平或垂直移動(dòng)，在線清洗凝汽器管板和管道[3]。

(2)關(guān)節(jié)機(jī)器人，通過機(jī)械臂精確定位，引導(dǎo)高壓水(10 MPa)射流噴頭對(duì)凝汽器冷卻管內(nèi)壁進(jìn)行清洗。在機(jī)械臂兩個(gè)關(guān)節(jié)內(nèi)裝有伺服電機(jī)與減速器，通過下拉控制兩個(gè)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，改變機(jī)械臂手部的坐標(biāo)，使其移動(dòng)到預(yù)先設(shè)定好的位置以實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓水射流定位[4]。

(3)化學(xué)清洗機(jī)器人利用“柱塞流”原理，采用“非進(jìn)入式”清洗模式，運(yùn)行中利用8個(gè)噴頭，同時(shí)向凝汽器管道注入氨基磺酸并進(jìn)行密封，浸泡酸洗后再進(jìn)行酸液回收，實(shí)現(xiàn)在線酸洗。

4.2 在線機(jī)器人清洗技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

(1)采用在線機(jī)器人清洗時(shí)，原膠球清洗系統(tǒng)可不投入運(yùn)行，無/減小膠球損耗。

(2)坐標(biāo)移動(dòng)機(jī)器人對(duì)凝汽器水室出、入口管道處清潔效果較好，能夠避免雜物在管口處聚集。

(3)化學(xué)清洗機(jī)器人技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)在線酸洗，對(duì)于已經(jīng)結(jié)垢的管束清洗效果好。

4.3 在線機(jī)器人清洗技術(shù)缺點(diǎn)

(1)3種機(jī)器人清洗技術(shù)對(duì)比膠球清洗技術(shù)，均存在清洗周期長(zhǎng)、清洗效率低的問題。

(2)坐標(biāo)移動(dòng)機(jī)器人、關(guān)節(jié)機(jī)器人均采用高壓水作為沖洗介質(zhì)。高壓水沖洗離線清洗效果較好，但在線清洗時(shí)因循環(huán)水阻力大(約為空氣阻力的800倍)，高壓水動(dòng)力在循環(huán)水中急劇衰減，管束內(nèi)部清洗效果差，必須結(jié)合原膠球清洗系統(tǒng)運(yùn)行。

某電廠2臺(tái)1 000 MW海水冷卻機(jī)組的2號(hào)機(jī)坐標(biāo)移動(dòng)機(jī)器人投入使用后，膠球清洗裝置停運(yùn)。1個(gè)月后#2機(jī)高壓凝汽器端差比采用膠球清洗的#1機(jī)高1.2 ℃。重新投入膠球清洗裝置運(yùn)行后，#2機(jī)凝汽器端差恢復(fù)正常。

(3)坐標(biāo)移動(dòng)機(jī)器人、關(guān)節(jié)機(jī)器人的部分轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備在凝汽器內(nèi)，工作環(huán)境較惡劣，設(shè)備動(dòng)態(tài)密封、防滲、腐蝕問題難以有效解決。且關(guān)節(jié)機(jī)器人存在卡管、別管的風(fēng)險(xiǎn)，無法對(duì)其進(jìn)行在線維護(hù)與保養(yǎng)，出現(xiàn)故障必須停機(jī)處理。

(4)設(shè)備投資及運(yùn)行、維護(hù)成本較高。

5 螺旋紐帶清洗技術(shù)

5.1 螺旋紐帶清洗技術(shù)清洗流程

在每根凝汽器換熱管內(nèi)安裝高分子螺旋紐帶，機(jī)組運(yùn)行時(shí)無需外加動(dòng)力，利用循環(huán)水自身的流速驅(qū)動(dòng)，長(zhǎng)期在換熱管內(nèi)不停地快速旋轉(zhuǎn)(600～1 200 r/min)。螺旋紐帶清洗技術(shù)將管內(nèi)水的層流狀態(tài)變?yōu)槲闪鳡顟B(tài)，破壞水垢的形成[5]，從而避免泥垢等在冷卻管壁滯留，提高換熱系數(shù)。

5.2 螺旋紐帶清洗技術(shù)運(yùn)行效果

螺旋紐帶清洗技術(shù)雖然能夠改變冷卻管道循環(huán)水的流動(dòng)狀態(tài)，減緩凝汽器管束結(jié)垢，但會(huì)大大增加凝汽器管束的進(jìn)水阻力。在2臺(tái)循環(huán)水泵運(yùn)行時(shí)，進(jìn)、出水壓差增加0.05 MPa以上，不僅導(dǎo)致循環(huán)水溫升明顯增加(基本抵消了凝汽器端差的降低值)，而且造成循環(huán)水泵耗電率升高。

另外螺旋紐帶在管束內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)、摩擦，易導(dǎo)致管束磨損、泄漏。大唐某300 MW機(jī)組安裝螺旋紐帶運(yùn)行一年后，運(yùn)行中凝結(jié)水質(zhì)突然惡化，經(jīng)停機(jī)檢查后發(fā)現(xiàn)部分管束泄漏，被迫拆除。因此該技術(shù)存在很大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

6 結(jié)論

通過對(duì)凝汽器在線清洗技術(shù)進(jìn)行理論分析和運(yùn)行效果比較，得出如下結(jié)論。

(1)當(dāng)電廠循環(huán)水水質(zhì)較好，傳統(tǒng)膠球清洗裝置運(yùn)行正常，能夠滿足清潔需要，不必進(jìn)行改造。

(2)當(dāng)電廠循環(huán)水水質(zhì)較差時(shí)，采用集中發(fā)球技術(shù)改造后運(yùn)行效果好，其中HDCOCS活動(dòng)收球網(wǎng)適應(yīng)性更強(qiáng)。

(3)在線清洗機(jī)器人技術(shù)均存在清洗周期較長(zhǎng)缺點(diǎn)。坐標(biāo)機(jī)器人、關(guān)節(jié)機(jī)器人實(shí)際運(yùn)行效果一般，原膠球清洗系統(tǒng)必須投入運(yùn)行；化學(xué)清洗機(jī)器人對(duì)于已經(jīng)結(jié)垢的凝汽器能夠?qū)崿F(xiàn)在線酸洗，清洗效果較好，可以考慮在惡劣水質(zhì)環(huán)境下應(yīng)用。

(4)從原理分析和實(shí)踐證明，螺旋紐帶技術(shù)不成熟，不建議采用該技術(shù)。