凝汽器在线清洗技术在300MW汽轮发电机组的应用

要：针对火电机组凝汽器冷却管结垢现象进行深入的分析，通过凝汽器结垢对机组经济性的影响分析，以及对现有清洗技术的对比分析，提出了采用螺旋纽带在线清洗技术改造方案，对改造前后凝汽器全年运行性能数据进行了对比分析，证明该项技术和装置对火电机组凝汽器在线清洗的推广应用具有深远的借鉴意义。

关键词：凝汽器；在线清洗；应用；节能

0 前言

凝汽设备在汽轮机装置的热力循环中起到冷源的作用，降低汽轮机排汽压力和排汽温度，可以提高循环热效率，随着机组参数和容量的不断提高，对热力系统中的水汽品质提出了更高的要求，但是，由于循环水中的微生物和不洁物质附着在凝汽器换热管（铜管、钛管或不锈钢管）内壁会导致热阻增加。由于换热管内壁污脏、结垢，使传热系数降低，长期不处理会造成换热管堵塞,使通过换热管的冷却水通流面积减小,水流阻力增大，冷却水量减少，在一定的蒸汽负荷下，冷却水温升将超过正常值。这些都将引起凝汽器真空下降，降低汽轮机的效率，增加发电煤耗，严重结垢还将影响汽轮机的出力。黄铜换热管的热导率为69W/mK，不锈钢管和钛管的热导率更小，水垢的热导率仅为0.45W/mK，试验表明，1mm厚的水垢能使换热管的传热系数降低50%左右。蒸汽的热量很难穿过水垢传给冷却水，导致换热管温度升高，使得凝汽器端差增大、真空降低，机组热经济性降低。例如，1台200MW机组,真空下降1%，引起热耗增加0.029%，少发电约58KW；而1台600MW机组，真空下降%，热耗增加0.05%，少发电约306KW[1]。

重庆旗能电铝有限公司装机为两台北京北重汽轮电机有限公司生产的330MW亚临界抽凝式机组，配有一个单壳体、双流程、表面式凝汽器，冷却面积：20500m2，冷却水进口温度：25℃，冷却水压力：0.5MPa，设计冷却水量40041t/h，每台凝汽器有2.8万多根不锈钢换热管，长10米，规格Φ22×0.5，材质TP304，换热管束内的水流速度2.3m/s，清洁系数0.9。凝汽器设有分隔水室，满足一半运行，一半检修的要求。原设计凝汽器两个水室分别装设胶球清洗系统，以对凝汽器管束进行在线清洗。

1 存在的问题

1.1 凝汽器结垢严重

该厂凝汽器内胶球回收率较低，且不稳定，经实验统计，一号机组平均收球率低于50%，二号机组平均收球率低于80%，且两台机组多次出现收球率低于10%的情况。凝汽器不能得到及时的清洁，导致凝汽器端差增大，真空降低，影响机组效率。以端差最大的冬季数据为例，2015年1月冷却塔水温15℃时凝汽器端差10℃，较设计端差（4～6℃）偏离很大。运行数据见表1-1。

2015年3月份#1机组停机检修时，检查发现凝汽器不锈钢管结垢严重，收球网堵塞。见图1-1和图1-2。

1.2 结垢对凝汽器换热系数的影响

凝汽器水侧结垢使换热管传热系数大幅下降。由于水垢的热导率很低，只有钢材的1/30～1/200，因而急剧降低了凝汽器换热管的传热系数，导致凝汽器真空度下降。下表为结垢对Ф20×1.0材质为307的不锈钢换热管的传热系数K值的影响数据：

即使水垢厚度只有零点几毫米，对换热管传热系数也有重大影响。工程设计中清洁系数取0.85，大约相当于只考虑了0.1毫米厚度的水垢，在实际运行当中，凝汽器即使清洗干净了，若不采取有效措施，这样的清洁系数也只能维持一个月。

1.3 结垢对凝汽器真空的影响[2]

凝汽器真空度、排汽温度、汽轮机背压、凝汽器真空等4个指标都是表达凝汽器设备运行经济性的同一个指标，只是表达方式不同、形态参数不同而已。排汽温度、凝汽器真空在机组运行中由热工测量表计直接显示，为运行操作、调整提供依据。汽轮机背压是机组设计计算用参数；凝汽器真空度（含凝汽器真空）是汽轮机运行经济性的表述参数（指标）。

凝汽器真空度的影响因素很多，但所有的因素都反映在凝汽器循环水入口温度、凝汽器循环水温升、凝汽器端差等三个可定量分析的指标上，循环水入口温度/循环水温升/端差每上升1℃，即意味着汽轮机排汽温度上升1℃，凝汽器压力也相应上升。查饱和蒸汽热力性质图表，可以得到不同温度区间时饱和温度每上升1℃时对应的饱和压力增加值，并以此绘出图表曲线。图1-3即为在不同的排汽温度下，凝汽器端差每上升1℃时凝汽器压力增加值。

由该图表曲线可以看出凝汽器端差对凝汽器压力（即汽轮机排汽压力）的影响。尤其是在夏季，当排汽温度>45℃时，端差每升高1℃，排汽压力将上升0.52～0.94Kpa。

2 对策研究和分析

针对凝汽器结垢的问题，目前比较成熟的方法是停机清洗和在线清洗，停机清洗的方法是化学清洗、高压水清洗、射弹清洗等，在线清洗方式有：胶球清洗、机器人清洗、超声波清洗、螺旋纽带清洗等[3]。其中胶球清洗在很多电厂广泛应用，但胶球清洗装置在该电厂适用性很差，必须配合停机清洗才能保证凝汽器的清洁系数。机器人清洗、超声波清洗、螺旋纽带清洗等属于新兴凝汽器在线清洗技术，其中机器人清洗和超声波清洗属于被动清洗方式，需要人工操作相应的电气、机械设备定期对凝汽器进行清洗，结构复杂，故障率高，检修难度大。而螺旋纽带清洗技术是在每根不锈钢管内安装一根螺旋纽带，一端固定在凝汽器进水侧，另外一端在管内做自由螺旋转动，螺旋纽带结构简单，无需外加动力，利用循环水自身的流动力驱动装置旋转，免去了人工操作、监视、维护的工作。

3 螺旋纽带清洗技术

螺旋纽带结构由三部分组成：1、螺旋纽带，特殊高分子材料，强度、韧性、耐候性、缺口敏感度等性能优良，材料密度与水密度非常接近，不漂浮，不下沉。2、三爪固定卡件，不锈钢材质，设计紧凑，强度高，三爪卡在凝汽器不锈钢管内壁，固定螺旋纽带。3、陶瓷轴承，保证螺旋纽带转动顺畅。

螺旋纽带工作原理：在凝汽器每根换热管内安装该装置(图2-1），当机组运行时，无需外加动力，利用循环水自身的流动力驱动该装置旋转，长期在换热管内不停地快速旋转（300-1800r/min），改变管内水的层流为紊流状态(图2-2) (图2-3)，破坏水垢的形成机理，在设计思想上摆脱了传统的被动清洗除垢概念，变被动除垢为主动防垢，同时强化换热，大幅度提高凝汽器的换热系数K值20%以上。

4 应用情况分析

该电厂一号机组凝汽器于2015年12月份停机检修时安装螺旋纽带，二号机组凝汽器于2016年7月份停机检修时安装螺旋纽带。因螺旋纽带的作用是在凝汽器管内形成扰流，阻止微生物及机械杂质滞留在管壁而结垢，重在预防及强化换热。故已经运行时间较长的机组在安装螺旋纽带前，首先需要对凝汽器管进行化学清洗或机械清洗，将管内结垢清除干净。

电厂所在地海拔约290米，大气压取100KPa，凝汽器端差设计温度为4～6℃。凝汽器端差计算方法：根据电力标准DL/T904-2015，凝汽器端差是指汽轮机排汽压力对应的饱和温度与凝汽器出口冷却水温度的差值。

从凝汽器端差统计数据可知，安装螺旋纽带后，#1机组和#2机组凝汽器端差在夏季工况和冬季工况下都得到了很好的保持，较设计值降低2～4℃，较技改前降低2～3℃，且端差保持较好，没有随着机组运行时间而出现较大的变化。

5 经济效益分析

电厂两台机组凝汽器安装螺旋纽带后，最直接的影响是凝汽器不锈钢管保持清洁，没有结垢在管壁上形成，对保持不锈钢管的换热系数起到了很大的作用，原来电厂每年利用停机时间进行一次凝汽器高压水清洗或机械除垢，费用为10万元/次，使用螺旋纽带后省去了停机清洗的费用。

凝汽器安装螺旋纽带后，自动运行，日常不需要巡检或维护，不需要任何的操作，节省了大量的人力和维护成本。

凝汽器长期保持较高的洁净度，换热效果较技改前大大加强，降低端差，相同条件下提高了凝汽器真空，降低了煤耗。从表2-1和表2-2数据可知，凝汽器安装螺旋纽带技改后的全年凝汽器平均真空较技改前分别提高了0.21KPa和0.41KPa，按照国内300MW汽轮发电机组真空每提高1kPa，发电煤耗平均降低2.2g/kWh计算，电厂年均发电量为50亿度，则可节约标煤3410吨，降低生产成本170多万元，减少二氧化碳排放9000多吨，节能减排效益显著。

6 总结

螺旋纽带在线清洗技术通过在电厂330MW汽轮发电机组上的应用，证明有良好的效果，系统结构简单，免操作、免维护，省去机械清洗或化水清洗的费用，保持凝汽器冷却管的清洁，提高凝汽器真空，降低机组煤耗，可逐渐替代传统的胶球清洗装置。

参考文献：

[1]周兰欣，张学镭，周伟等。管壁清洁系数对双背压凝汽器真空的影响[J]，华东电力，2002

[2]王晓璐，郭淑青，董向元。污垢对350MW机组运行影响的试验分析[J]。热力发电，2008

作者简介：

颜毅：重庆旗能电铝有限公司 发电分公司副总经理兼总工程师

徐海超：重庆旗能电铝有限公司 发电分公司生产技术科汽机专工