自動除垢強化換熱裝置在火電廠中的應用

寧永才 魏家麟 沈曉婧

（1.江蘇省設備成套有限公司，江蘇 南京210009；2.南京高和環境工程有限公司，江蘇 南京210009；3.南京中醫藥大學信息技術學院，江蘇 南京210023）

0 引言

目前，我國火力發電機組發電量占全部發電量的70%左右，其中凝汽式發電機組占有絕對比例。火力發電廠發電系統是在鍋爐中通過燃燒燃料產生蒸汽，利用蒸汽推動汽輪機作功，帶動發電機發電的系統。根據我國大型火力發電廠各項熱損失的統計數據來看，汽輪機排氣熱損失一般在50%以上，鍋爐、發電機、管道等其他熱損失約為10%，系統熱效率僅不到40%，因此減少汽輪機排氣熱損失是提高電廠整個熱效率的最主要環節。汽輪機排汽幾乎全部在凝汽器中凝結成水，送入鍋爐得到循環利用。凝汽器的換熱性能好壞，直接決定了汽輪機發電效率高低，進而影響到火力發電廠整個系統的熱經濟性。

1 凝汽器污垢的影響

汽輪機組運行時必須有大量的冷卻水通過凝汽器來冷卻汽輪機排汽，吸收大量的熱量，保證汽輪機的正常運行。火力發電廠多采用井水、河水等天然水作為循環水，天然水中含有能溶解的鹽類、灰塵、泥砂、微生物等雜質，循環冷卻水的水溫在15～35℃之間，適宜藻類和微生物繁殖。

液體在管道內流動分為層流邊界層、過渡流層、紊流區3個區域，并由于流體的黏性各區域流體具有不同的流動速度。層流邊界層是貼附管壁的一個薄層，流速非常緩慢，水中的CaCO3等污垢最易在此滯留并最終在管內壁上形成污垢；層流邊界層僅靠導熱進行換熱，其熱阻非常大，即使很薄也會明顯影響傳熱效果。

凝汽器換熱管內壁形成水垢后，污垢的導熱系數也很小，同時水垢附著在凝汽器換熱管會導致換熱管堵塞，使凝汽器清潔率下降，減少了冷卻面積，降低了冷卻水的流量，增加了循環水泵的能耗，因而會大幅度地增加傳熱熱阻，造成傳熱系數降低。水垢和沉積物的附著，會造成換熱管表面不同部位發生局部腐蝕，嚴重時造成腐蝕穿孔，導致銅管及銅板泄露，危及發電機組的安全運行。

換熱效果下降，同時也會降低排氣的真空，導致能耗上升，限制機組出力，影響汽輪機組運行的安全性和經濟性，嚴重時要降低發電負荷或停機清洗。以200MW汽輪發電機組凝汽器為例，根據一般運行試驗資料表明，凝汽器真空每下降1kPa，汽輪機汽耗會增加1.5%～2.5%。

2 自動除垢強化換熱裝置介紹

2.1 裝置原理

無須對凝汽器本體作任何改動，只需在凝汽器換熱管內安裝自動除垢強化換熱裝置（圖1），凝汽器投入運行后，裝置的轉動部分——螺旋紐帶在冷卻水流動能帶動下，產生自動高速旋轉。轉動的側刃帶動水流對換熱管壁以周向的剪切力刮掃，使粘泥和成垢物質不能附著在管壁，對管壁有很好的防垢保潔作用，使得管壁光亮如新。

圖1 強化換熱裝置圖

循環水可以在較高的濃縮倍率下工作，有利于減少冷卻水流量和除垢藥水的使用量，進一步節約除垢成本。管內的流線呈螺旋狀，這種速度分布將會有效地破壞原來無紐帶時所存在的速度邊界層和溫度邊界層，有效地增強流體與管壁的換熱效果，使管內流體得到更為充分的混合。裝置工作原理如圖2所示。

圖2 裝置工作原理示意圖

2.2 裝置特點

強化凝汽器換熱管水側換熱效果（提高真空，降低端差）。減少發電汽耗0.1kg／kW·h及以上或同樣蒸汽流量下增加發電量2%～8%，減少補充水量30%以上，減少加藥量30%以上。保持凝汽器換熱管內長期干凈無垢，無需清洗，節約了清洗費用。減緩垢下腐蝕，延長凝汽器換熱管使用壽命。

采用高分子聚合材料制成，耐溫0℃≤T≤100℃，自潤滑，耐酸堿腐蝕、耐磨、抗老化，其密度與水的密度相近，能較好地浮動在管的中心部位，在運行時可避免與金屬的硬摩擦，使管內除垢均勻化，同時還保護了金屬表面的氧化膜，較好地延長了換熱管的使用壽命。

2.3 和膠球清洗裝置的比較

目前，常規燃煤電廠解決凝汽器結垢的方法一般是安裝膠球清洗裝置，膠球清洗裝置的運行是人為控制定期進行的，其凝汽器在停機時一般還需要進行各種維修。由于凝汽器本體結構的先天性（如局部渦流、流速不均、換熱管管徑不一等），往往造成收球率不高，清洗的效果也差強人意。膠球對硬垢的清洗更是效果一般，反而容易使膠球卡塞在換熱管里，造成換熱損失。更重要的是，膠球清洗裝置沒有在線強化換熱的能力，不能大幅度提高凝汽器的換熱效果，充其量只能使凝汽器的換熱效果達到換熱管為光管時的狀態。

自動除垢強化換熱裝置是在凝汽器每根換熱管里安裝，在線連續清洗和強化換熱，保證了換熱管始終干凈無垢，大大增強了換熱管內壁對流換熱能力，使凝汽器整體換熱效果增強，遠高于換熱管為光管時狀態，即設計狀態。

自動除垢強化換熱裝置還免除了膠球清洗裝置人工操作的隨意性和能耗，減少加藥量，減輕換熱管垢下腐蝕，避免了停機人工清洗，持續經濟效益巨大，是膠球清洗裝置的最好替代品。

3 經濟效益分析

某50MW抽凝機組年運行7 000h，上網電價0.3元／kW·h，標煤價格為500元／t，高壓蒸汽價格為100元／t，改造前發電汽耗為4.6kg／kW·h，煤耗降低了8g／kW·h，改造后發電汽耗為4.4kg／kW·h，同等蒸汽流量下改造后機組發電量增加3%。

以同等蒸汽流量下的發電增量來計算改造經濟效益：50 000×3%×7 000×0.3＝315萬元／年；以改造前后減少發電汽耗計算改造經濟效益：50 000×（4.6－4.4）×7 000×100／1 000＝700萬元／年。

上面2種計算方法得出的經濟效益不一致，是因為蒸汽和電的附加值不一致，即從蒸汽轉化為電能的過程中能量損失和折舊不斷加大，僅蒸汽轉化為電就要損失60%～70%的能源，還沒有計算人工、介質、折舊等項。一般采用第1種計算方法計算改造經濟效益比較公允。此外系統加藥量降低30%以上，補充水量減少一半，人工清洗費用也得以大幅降低。

投資回收期與凝汽器改造前具體運行狀況密切相關，改造前凝汽器運行狀況越差的，則改造后的運行效果會越好，投資回收期也越短。一般在安裝本裝置后2～8月內收回投資。

4 結語

作為火力發電廠凝汽器防垢除垢新技術，自動除垢強化換熱裝置可以大大降低凝汽器內管道的結垢速度，提高循環冷卻水的濃縮倍率，有效減少排污量、用水量和化學藥劑用量，提高汽輪發電機組的經濟性，是一種優于傳統膠球裝置、高壓沖洗和其他傳統方法的新的除垢裝置，值得推廣應用。

對于工程上的實際應用，不同電廠所采用的循環泵的特性不同，凝汽器管道的材質和長度也不同，且要考慮火力發電廠多采用井水、河水作為循環冷卻水，水中可能含有大量被泵一起輸送的固體雜質，則需要在實際的選型、安裝、運行和維護過程中分別考慮，以發揮最大的經濟效益、社會效益和環境效益。

［1］岑可法.循環流化床鍋爐理論設計與運行［M］.北京：中國電力出版社，1998

［2］王彩青.火力發電廠凝汽器銅管的腐蝕與保護［J］.內蒙古石油化工，2004（30）