凝汽器膠球清洗技術優化研究

宗緒東

(華電國際技術服務中心，濟南 250014)

0 引言

火電機組循環效率與新蒸汽參數及排汽壓力有關。對于已經投運的機組，運行中新蒸汽初參數變化量較小，而排汽壓力受凝汽器入口水溫、循環水溫升、凝汽器端差變化影響較大，對機組經濟性影響大。熱力試驗數據表明：凝汽器真空每降低1 kPa，機組汽耗率約升高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 ℃，供電標準煤耗率約升高1.5%～2.5%[1]。因此運行中加強對凝汽器端差的監控及調整是必要的，本文對凝汽器膠球清洗技術、集中發球技術、機器人清洗技術、螺旋紐帶清洗技術等進行了分析和探討，指出了適合不同電廠實際情況的改造路線。

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K的計算公式為

(1)

(2)

式中：△t為凝汽器循環水溫升；A為凝汽器冷卻面積；e為2.71828；Cp為循環水的定壓比容；Dw為凝汽器循環水流量；d1冷卻管外徑；d2冷卻管內徑；aw水側對流換熱系數；as汽側對流換熱系數；λ冷卻管的導熱系數；Rf為水側污垢熱阻。

從式(1)、式(2)可以看出，在凝汽器面積、循環水流量、凝汽器熱負荷一定的情況下，凝汽器端差主要受總體傳熱系數K影響；K取決于水側對流換熱系數、汽側對流換熱系數、凝汽器水側污垢熱阻；污垢熱阻取決于凝汽器冷卻管道清潔度。當冷卻管道清潔度降低，凝汽器端差升高，凝汽器真空降低。另外凝汽器管道結垢還易導致點蝕等后果。較清潔的凝汽器可以使用15年以上，未及時清理污垢的可能會在3年之內出現穿透的情況[2]。

凝汽器冷卻管道的清潔度取決于循環水水質、凝汽器膠球清洗裝置運行效果。國內設計、配置傳統凝汽器膠球清洗裝置的火電機組占在運機組的99%以上，對于循環水質優良的機組，膠球清洗裝置能夠滿足需要。但隨著環保廢水排放的標準不斷提高，部分機組采用城市中水等作為補充水，導致循環水水質較差。一旦膠球清洗裝置失常，必然導致冷卻管道清潔度迅速降低。

2 傳統凝汽器膠球清洗技術

傳統膠球清洗裝置由膠球泵、裝球室、收球網、隔離閥門等組成。系統流程：循環水經膠球泵升壓后，驅動裝球室的膠球進入凝汽器，經收球網將膠球收集進行下一個清洗過程，如圖1所示。整個發球過程始終是連續的，每次清洗時間2～3 h。

圖1 傳統膠球清洗流程

2.1 傳統膠球清洗技術優點

傳統膠球清洗系統簡單，設備投資低，維護工作量較少。

2.2 傳統膠球清洗技術缺點

傳統膠球清洗技術的清洗效果較差；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，導致凝汽器入口水溫升高。且當循環水質較差時，傳統膠球清洗裝置清洗效果差，易導致凝汽器結垢，主要原因如下。

(1)投球數量較少(約為管束的7%～13%)，清洗效率低。

(2)膠球泵設計揚程、流量普遍較低，輸送膠球動能不足，導致收球率低，冬季單臺循環水泵運行時尤其突出。

(3)清洗范圍受限制。其工作方式為連續運行方式，除第一次發球較為集中，其他時間發球均為分散式。由于凝汽器水室中間區域為主水流，阻力小，大部分膠球始終在中間區域通過，其他區域(尤其是兩側渦流區)無法得到清洗，容易附著黏泥或結垢。

(4)收球網易發生跑球、堵球，導致收球率降低。

膠球清洗裝置收球網有∧型(德國Taprogge)和∨形(法國 Technos)兩種。早期設計多為∨形收球網，收球口通流斷面小，對雜物等敏感度高，容易堵球，收球網關閉不嚴密時容易跑球；現在大部分已改為∧型收球網，由于是兩側收球然后匯集到一個母管，導致水循環動力差，易發生一側堵球，如圖2所示。

圖2 ∧型、∨型收球網

3 凝汽器集中發球技術

凝汽器集中發球為目前國內改造較多的技術，其特點均為集中發射，發球結束后關閉裝球室出口門，通過收球網回收膠球至裝球室，然后根據指令再次集中發射。目前主要有HDCOCS，CQM，VUES 3種技術路線，均能有效地降低凝汽器端差，其中HDCOCS收球網對惡劣水質的適應能力更強。

3.1 集中發球技術流程

(1)HDCOCS系統：循環水經大容量膠球泵升壓，開啟發球閥，驅動膠球進入凝汽器水室，發球閥關閉；收球網回收的膠球進入裝球室匯合，熱水經排出閥至凝汽器回水管道；根據系統指令開啟發球閥，進入下一個清洗過程，如圖3所示。

圖3 HDCOCS流程圖

(2)CQM系統：循環水經單向閥5進入大容量膠球泵升壓，開啟單向閥1驅動膠球經單向閥2進入凝汽器水室，關閉單向閥1、2、5；開啟單向閥4、6， Y型濾網收球后經單向閥3進入裝球室，循環水經單向閥4、6進入回水管道，再根據指令進入下一個清洗過程，如圖4所示。

圖4 CQM流程圖

(3)VUES系統：壓縮空氣經氣動門1進入裝球室，驅動膠球經氣動門2進入凝汽器后關閉氣動門1、2，經錐形濾網收球后進入裝球室，經氣動門4將雜物由排污泵抽至循環水出水管道，再根據指令進行下一次清洗過程，如圖5所示。

圖5 VUES流程圖

3.2 集中發球清洗技術優點

(1)清洗效果好，凝汽器端差低。每次發球都實現大流量集中、斷續發球每次發球后關閉出口門進行收球，然后根據指令再次發球。中間區域管束進球后阻力增大，從而保證其他膠球能夠進入邊緣管道，大部分管束都能夠得到清洗，這是集中發球技術優于傳統膠球清洗技術的主要原因。某330 MW機組進行了HDCOS集中發球技術改造，改造后在額定負荷、凝汽器入口水溫20 ℃工況，凝汽器端差比設計值低1.1 ℃，凝汽器真空比設計值高約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，正常運行工況下收球率達到95%以上。

(3)膠球輸送動力強，速度快。驅動膠球的動力有壓縮空氣和大容量膠球泵兩種。兩者發球時間≤2 s，膠球集中進入凝汽器數量多，在冬季單臺循環水泵運行工況，比傳統膠球清洗裝置運行效果好。

(4)自動化程度高，操作簡便，人工操作量大大減少。

不同技術路線的優點各不相同：CQM、HDCOCS系統每次收球過程，隨球返回的熱水進入到凝汽器出口管道，不會導致凝汽器入口水溫升高；HDCOCS、VUES技術系統配置簡捷，維護成本低；CQM、VUES系統膠球磨損低；HDCOCS技術收球網為活動漏斗式，單排球口結構，活動網板得到反沖洗，沒有堵球、跑球風險，能適應水質惡劣環境。

3.3 集中發球清洗技術缺點

(1)集中發球清洗技術設備投資相對膠球清洗系統高。

(2)CQM系統配置Y型固定濾網由于未配置清潔、排污裝置，運行中無法打開。當循環水雜物較多時，容易堵塞濾網，導致循環水阻力增大。某330 MW海水冷卻機組在運行中發生過雜物堵塞濾網被迫停機事件，存在安全風險。

(3)VUES錐形固定濾網運行中無法打開。濾網帶有清潔刮板，上部設有排污口，通過排污泵抽水排出雜物，而循環水自上而下流動。從流體力學分析該排污設計是不合理的。實際運行中，排污效果較差，運行中發生過雜物聚集導致濾網破損事件，存在安全風險。

4 在線機器人清洗技術

機器人清洗技術主要有坐標移動機器人、關節機器人、化學清洗機器人。

4.1 在線機器人清洗技術流程

(1)坐標移動機器人，在凝汽器4個水室中分別設置有移動清洗管道，通過伺服電機控制滾珠絲杠的轉動。2 MPa高壓水(高壓水泵提供)射流噴頭在水平面內水平或垂直移動，在線清洗凝汽器管板和管道[3]。

(2)關節機器人，通過機械臂精確定位，引導高壓水(10 MPa)射流噴頭對凝汽器冷卻管內壁進行清洗。在機械臂兩個關節內裝有伺服電機與減速器，通過下拉控制兩個伺服電機轉動，改變機械臂手部的坐標，使其移動到預先設定好的位置以實現對高壓水射流定位[4]。

(3)化學清洗機器人利用“柱塞流”原理，采用“非進入式”清洗模式，運行中利用8個噴頭，同時向凝汽器管道注入氨基磺酸并進行密封，浸泡酸洗后再進行酸液回收，實現在線酸洗。

4.2 在線機器人清洗技術優點

(1)采用在線機器人清洗時，原膠球清洗系統可不投入運行，無/減小膠球損耗。

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

(3)化學清洗機器人技術能夠實現在線酸洗，對于已經結垢的管束清洗效果好。

4.3 在線機器人清洗技術缺點

(1)3種機器人清洗技術對比膠球清洗技術，均存在清洗周期長、清洗效率低的問題。

(2)坐標移動機器人、關節機器人均采用高壓水作為沖洗介質。高壓水沖洗離線清洗效果較好，但在線清洗時因循環水阻力大(約為空氣阻力的800倍)，高壓水動力在循環水中急劇衰減，管束內部清洗效果差，必須結合原膠球清洗系統運行。

某電廠2臺1 000 MW海水冷卻機組的2號機坐標移動機器人投入使用后，膠球清洗裝置停運。1個月后#2機高壓凝汽器端差比采用膠球清洗的#1機高1.2 ℃。重新投入膠球清洗裝置運行后，#2機凝汽器端差恢復正常。

(3)坐標移動機器人、關節機器人的部分轉動設備在凝汽器內，工作環境較惡劣，設備動態密封、防滲、腐蝕問題難以有效解決。且關節機器人存在卡管、別管的風險，無法對其進行在線維護與保養，出現故障必須停機處理。

(4)設備投資及運行、維護成本較高。

5 螺旋紐帶清洗技術

5.1 螺旋紐帶清洗技術清洗流程

在每根凝汽器換熱管內安裝高分子螺旋紐帶，機組運行時無需外加動力，利用循環水自身的流速驅動，長期在換熱管內不停地快速旋轉(600～1 200 r/min)。螺旋紐帶清洗技術將管內水的層流狀態變為紊流狀態，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。

5.2 螺旋紐帶清洗技術運行效果

螺旋紐帶清洗技術雖然能夠改變冷卻管道循環水的流動狀態，減緩凝汽器管束結垢，但會大大增加凝汽器管束的進水阻力。在2臺循環水泵運行時，進、出水壓差增加0.05 MPa以上，不僅導致循環水溫升明顯增加(基本抵消了凝汽器端差的降低值)，而且造成循環水泵耗電率升高。

另外螺旋紐帶在管束內轉動、摩擦，易導致管束磨損、泄漏。大唐某300 MW機組安裝螺旋紐帶運行一年后，運行中凝結水質突然惡化，經停機檢查后發現部分管束泄漏，被迫拆除。因此該技術存在很大的安全風險。

6 結論

通過對凝汽器在線清洗技術進行理論分析和運行效果比較，得出如下結論。

(1)當電廠循環水水質較好，傳統膠球清洗裝置運行正常，能夠滿足清潔需要，不必進行改造。

(2)當電廠循環水水質較差時，采用集中發球技術改造后運行效果好，其中HDCOCS活動收球網適應性更強。

(3)在線清洗機器人技術均存在清洗周期較長缺點。坐標機器人、關節機器人實際運行效果一般，原膠球清洗系統必須投入運行；化學清洗機器人對于已經結垢的凝汽器能夠實現在線酸洗，清洗效果較好，可以考慮在惡劣水質環境下應用。

(4)從原理分析和實踐證明，螺旋紐帶技術不成熟，不建議采用該技術。