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凝汽器鈦管的清洗效率，進而增強機組運行的經濟性。現通過對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，改進了相關設備，進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的運行效率。

關鍵詞：膠球清洗；收球網；凝汽器端差；膠球泵；收球率；真空度

中圖分類號：TM621 " "文獻標志碼：A " "文章編號：1671-0797（2023）02-0074-04

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

0 " "引言

火力發電廠使用的凝汽器膠球清洗裝置可在機組不減負荷的情況下清洗凝汽器冷卻水管的內壁，從而降低凝汽器的端差和汽輪機背壓，是保證汽輪機安全運行和降低煤耗不可缺少的輔機配套設備。20世紀50年代初，德國人發明了膠球清洗裝置，其基本工作原理是在運行的凝汽器冷卻管中投入一定數量的膠球，使它們連續地在凝汽器換熱管內流過，對冷卻管內壁起到清洗作用[1]。但是，由于選用膠球、冷卻水水質、清洗裝置和凝汽器結構等方面的影響，國內大多數電廠膠球清洗裝置都沒有發揮出應有的作用。

本文結合對膠球清洗系統中膠球的受力分析，判斷膠球清洗裝置什么環節影響膠球的收球率，并提出相應的解決方案，找出了改造膠球清洗裝置的方法。同時，通過實驗驗證了該方法的有效性。

1 " "膠球清洗裝置工作流程

膠球清洗裝置系統如圖1所示，膠球清洗過程可分為三個階段：

（1）膠球通過膠球泵打入至凝汽器循環水進水管的階段；

（2）膠球通過凝汽器鈦管的清洗階段；

（3）膠球被循環水帶至凝汽器循環水出水管的階段。

膠球清洗裝置正常運行時，收球網電動閥關閉，膠球泵和1號、2號、3號閥門開啟，膠球泵運行。膠球通過膠球泵的吸力，從凝汽器循環水出口收球網前打到凝汽器循環水進口。膠球清洗裝置收球時，關閉裝球室電動閥，膠球在膠球泵和循環水的共同作用下，被帶至裝球室內。

2 " "各個階段膠球的受力分析

2.1 " "膠球在凝汽器循環水進水階段的受力分析

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

由于實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，此時膠球向上運行，不會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為該點所在的高度；P為流體的壓強；C為一個常量；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；FN為膠球對凝汽器鈦管的正壓力。

由式（1）和式（2）可知，當凝汽器鈦管出現大規模堵塞時，凝汽器循環水由于鈦管堵塞的截流作用，流速ν減小，壓強P增加。由于凝汽器循環水管橫截面沒有變化，壓強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FC＞FM時，膠球則可運動。所以投球時，不宜選用體積過大的膠球，因為體積過大會導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，裝置收球率就會越低，但如果膠球質地過軟或直徑過小，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系的相關數據，該廠分別使用27 mm和32 mm膠球進行對照試驗，結果如表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，該廠對膠球的選用做了如下規定：

（1）選用直徑比凝汽器鈦管內徑大1～2 mm的膠球；

（2）當凝汽器鈦管結垢較為嚴重時，可選用直徑略小于管子內徑的膠球進行清洗；

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

（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，應當泡球；

（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，凝汽器傳熱效果也得到了極大的提升。

2.3 " "膠球在循環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水對膠球的沖擊力。

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；SJ為膠球截面積；v為水流的流動速度；m為膠球的質量；ρJ為膠球的密度；VQ為膠球的體積。

由上式可以看出，水流的流動速度越小，作用在膠球上的沖力FC就越小；速度越大，FC就越大。

（1）當FC＞FF-G時，膠球受力向下；

（2）當FC＜FF-G時，膠球受力向上；

（3）當FC=FF-G時，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系[2]

（1）當凝汽器鈦管堵塞幾根時，凝汽器出口循環水動能變化不大。

（2）當凝汽器鈦管大面積堵塞或收球網堵塞嚴重時，凝汽器出口循環水動能降低。動能公式如下：

（9）

式中：E為動能；m為質量；v為速度。

當水流動能降低，水流就會減弱，水流減弱，凝汽器循環水出水管循環水對膠球的沖力FC就會減小，這樣出口管道的膠球就可能漂浮在凝汽器循環水出水管頂部或懸浮在水中。當膠球的密度過小、收球網堵塞嚴重或凝汽器鈦管大面積堵塞，FF＞FC+G時，膠球會懸浮在凝汽器循環水出水管頂部。

2.3.2 " "如何解決膠球在循環水出水管的堵塞問題[3]

收球網堵塞程度和膠球在鈦管里的堵塞程度會逐漸降低膠球清洗裝置的收球率，同時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，該廠通過以下改進措施使得膠球清洗裝置收球率從85%提升到了90%，結果如表2所示。

（1）定期清理一、二次濾網和收球網上的垃圾；

（2）選擇合適的二次濾網，加強二次濾網的過濾性能，盡可能減少冷卻水中的雜質。

3 " "其他影響因素及解決方案

3.1 " "收球網電動閥或裝球室電動閥關閉不嚴密[4]

3.1.1 " "原因分析

膠球清洗裝置收球階段，裝球室電動閥如果關閉不嚴密，在收球過程中就會有部分膠球在膠球裝置內循環。當膠球泵停止運行后，凝汽器循環水管道內仍有部分膠球并未被收集到裝球室，這時打開收球網，凝汽器循環水管道內的膠球就會漏出到系統外。

3.1.2 " "解決方案

定期對膠球清洗裝置各電動閥做嚴密性試驗。

3.2 "工作人員收球時操作不當[4]

3.2.1 " "原因分析

在膠球清洗裝置收球過程中，凝汽器循環水入口壓力大于凝汽器循環水出口壓力，即根據圖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閉2號電動閥、3號電動閥，凝汽器循環水就會通過3號電動閥和2號電動閥而進入裝球室，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

根據圖1所示，該廠通過在3號門出口處設置一個逆止門，讓水流只可從3號門出口打到凝汽器循環水進水母管。這樣即便有人操作錯誤，也可避免膠球從裝球室反送到凝汽器循環水出口處的情況。

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，則會導致膠球不能在膠球清洗裝置內循環，從而導致膠球無法回收。

3.3.2 " "解決方法

膠球清洗裝置運行時，凝汽器循環水出口門并未在全開狀態，若開大凝汽器循環水出口門，凝汽器循環水出水管壓力便會逐漸降低。由于膠球泵入口接在循環水出水管處，凝汽器循環水出水管壓力越低，則膠球泵抽吸能力越弱。根據圖1所示，該廠通過提升收球網布置位置，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水出水電動閥的開度來增加循環水的流速，從而改變膠球的受力，既避免了膠球漂浮在循環水出水管頂部的情況，又避免了開大循環水出水管電動閥致使膠球泵入口壓力不足的問題。

3.4 " "收球網夾角的大小

3.4.1 " "原因分析

當凝汽器循環水出口流速非常大，膠球浮力FF已經遠小于水流對膠球的沖擊力FC時，膠球在膠球泵入口收球網處的受力情況如圖5所示。

根據圖示可知，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，收球網面向上受到摩擦力FM，向下受到F1的分力作用和膠球對收球網的正壓力F3（注：由于圖片原因，F3是垂直于收球網網面的）。

由圖5可知，F3垂直于收球網斜面，F1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，F2和F3之間的關系為F2=F3tan∠a，因為FM=μF3，根據以上各個方程式可知，FM=■·F2。

由于膠球與收球網網面的摩擦系數μ不可知，則取最大值，設μ=1；又因為當0°＜∠a＜90°時，角度越大正弦值越大，則：

（1）當膠球與收球網面夾角∠a=45°時，因為tan 45°=1，那么FM=F2，在不考慮膠球泵吸力的情況下，球會靜止在收球網上；

（2）當膠球與收球網面夾角45°＜∠a＜90°時，那么FM＜F2，在不考慮膠球泵吸力的情況下，球會往收球網下面走而進入膠球泵入口中；

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

3.4.2 " "解決方案

正常情況下，摩擦力系數μ＜1。由于該廠收球網夾角為60°，所以排除此原因對收球率的影響。

3.5 " "膠球在膠球清洗裝置中活動空間過大

3.5.1 " "原因分析

由于循環水出水管管徑非常大，所以膠球的活動范圍非常廣，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的位置來減少膠球在凝汽器循環水出水管中的活動空間，同時設置一個膠球導流板，如圖6所示，引導膠球進入膠球泵入口位置。

改進結果如表3所示。

4 " "結語

該電廠通過選用合適直徑的膠球、定期清洗膠球系統內垃圾、更改膠球泵的布置、設置好收球網夾角等改進措施，使膠球清洗裝置收球率從70%最終上升到98%，有效提高了機組運行的經濟性。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措施，為電廠運行人員提供了一定的參考。

[參考文獻]

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[3] 胡偉，王守強.膠球清洗系統收球率低的原因分析與解決對策[J].華北電力技術，2012（5）：60-62.

[4] 張昭熔，梁濤，劉慶伏.華能上安電廠#3、#4機膠球清洗系統的改進[J].河北電力技術，2001，20（5）：37-38.

收稿日期：2022-09-05

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