凝汽器铜管水侧阻垢与强化换热技术的.doc

凝汽器铜管水侧阻垢与强化换热技术
研究与应用
吴剑恒
（福建省石狮热电有限责任企业, 福建 石狮362700）
摘  要: 循环水杂质轻易在凝汽器冷却铜管水侧形成水垢、 污垢、 生物黏泥等, 造成传热系数降低、 真空降低及沉积物下腐蚀, 影响汽轮机组运行安全性和经济性, 通常采取加除垢缓蚀剂、 胶球清洗、 周期性停机清理等方法, 但效果均不理想。安装在凝汽器铜管内部螺旋纽带装置利用循环水本身流动迫使水螺旋前进, 基础消除了铜管内部边界滞留层存在, 实现了强化换热及防垢阻垢, 达成节能、 降耗、 增效目, 确保机组长周期安全、 稳定、 经济运行。
关键词: 凝汽器; 螺旋纽带; 污垢; 阻垢; 强化换热

-Copper pipe condenser anti-fouling, applied with improved heat transfer technology research-
Wu Jian-heng
Fujian Province stone lion thermoelectricity limited liability company, the Fujian stone lion 362700)
Concept: Circulating water impurities cool and adhere to the copper pipe in the water condenser, allowing the formation of scales and dirt. Bacteria and mold adhere to the deposits and so on. This causes the heat transfer coefficient to be reduced, corrosion to form under the deposit and reduces efficient heat distribution throughout the pipe. The rubber ball method of cleaning, which requires periodically shutting down the system, is not ideal. Installing a twisted tape in the pipe reduces the stagnant, flat surface areas by causing the water to spiral so the water currents constantly sweep the surfaces and help to reduce the formation of deposits. This anti-fouling system increases the heat transfer, helps energy conservation, and makes the system dependable, stable, and less maintenance requisite.
Key word: condenser; twisted tape; Dirt; Anti- filthy; Strengthened heat transfer.
0 序言: 凝汽器是汽轮机组一个关键组成部分, 其作用是将汽轮机排汽冷却凝结成水, 形成高度真空, 使进入汽轮机蒸汽能膨胀到远低于大气压力而多做功。凝汽器工作性能好坏直接影响整个机组安全性和经济性。凝汽器真空是表征凝汽器工作特征关键指标, 是影响汽轮机组安全经济运行关键原因之一。影响凝汽器真空原因比较复杂, 包含凝汽器传热特征、 凝汽器热负荷、 铜管清洁率、 冷却水温、 冷却水量、 冷却水系统特征等[1]。然而, 对于一台已经投运抽汽凝汽式机组, 凝汽器冷却面积、 冷却水量、 凝汽器热负荷等已基础固定, 冷却水系统特征、 冷却方法、 冷却水温也受到电厂地理位置、 季节气候等原因限制。提升并维持较高铜管清洁率保持凝汽器真空高最有效路径。凝汽器铜管水侧脏污和结垢是造成凝汽器真空恶化最关键也是最常见原因[1, 2]。循环水水质差或水中污垢等引发铜管内表面积垢或脏污, 并伴随时间推移逐步加厚, 会造成铜管清洁率和总传热系数下降, 换热效果差, 真空下降, 降低机组热效率, 影响机组出力。通常采取加除垢缓蚀剂、 胶球清洗、 周期性停机清理等以提升汽轮机热效率, 但效果均不理想。现介绍一个安装在凝汽器铜管内部螺旋纽带装置, 其利用循环水本身流动迫使水螺旋前进, 根本消除了铜管内部边界滞留层存在, 实现了强化换热及防垢阻垢, 达成节能、 降耗、 增效目, 确保机组长周期安全、 稳定、 经济运行。本文分析凝汽器水侧污垢形成及危害, 介绍一个螺旋纽带装置防垢阻垢和强化换热原理以及实践应用效果, 并提出部分提议与结论。
1 凝汽器水侧污垢形成及危害
1.1污垢形成及特征
污垢形成是一个极其复杂热量、 动量、 和质量交换过程, 而且污染现象遍布自然过程。电厂多采取井水、 河水作为循环水, 水中含有能溶解在水中盐类、 灰尘、 泥砂、 微生物等杂质, 而敞开式循环水系统冷却水因为蒸发损失、 风吹损失等不停浓缩。通常来说, 凝汽器铜管水侧污垢能够粗略按沉积物形成机理分为三大类: 水垢、 污垢、 生物黏泥, 详见表1。
表1 污垢分类及其危害[3]
分类
起源
特征
危害
水垢
敞开式循环水系统中水垢关键成份为CaCO3, 起源于Ca(HCO3)2受热分解及CO2散失。余量为铜、 铁等腐蚀产物泥渣沉积物
坚硬、 致密, 不易清除, 通常需采取化学清洗方法除垢
冷却效率降低、 真空下降、 端差上涨、 负荷降低, 且易产生垢下腐蚀
污垢
空气及补充水中杂质、 灰尘、 泥砂、 微生物群体, 以及金属腐蚀产物沉积
疏松, 用机械方法可清除
危害小于水垢, 但能加速水垢生成和引发管端冲刷腐蚀
生物黏泥
菌藻类繁殖、 滋生、 新陈代谢产生分泌物及微生物残骸
松软, 用高压水可清除
冷却效率降低、 真空下降、 端差上涨, 易产生黏泥下腐蚀
1.2污垢危害
循环水在凝汽器铜管内流动, 吸收大量热量, 确保了汽轮机正常运行。工业换热器内, 通常管内流体流动总是处于旺盛湍流状态[4]。依据管内受迫流动换热理论[5], 液体在管道内流动分为层流边界层、 过渡流层、 紊流区三种基础现象, 并因为流体粘性而含有不一样流动速度, 见图1。层流边界层是贴附于管壁一层, 流速非常缓慢, 水中CaCO3等污垢最易滞留在管内壁上形成污垢; 而且, 层流边界层即使很薄, 但仅靠导热换热, 热阻很大, 影响传热效果。

图1　管内流动情况及速度分布
污垢导热系数很小, 大大地增加了传热热阻, 造成传热系数降低, 使循环冷却水吸热不良, 减缓了排汽凝结速度, 致使排汽压力升高、 排汽温度升高。而排汽温度升高又造成有更多热量需要冷却水带走, 使循环冷却水温度升得很快。冷却水温度升高后又深入恶化真空, 形成恶性循环。表面上看很轻易判定为是因为冷却塔冷却效果不良所致, 其实冷却水温度高原因在冷却塔冷却效果一定情况下是凝汽器真空低直接造成[2]。水侧污垢不仅使凝汽器清洁率下降和冷却面积降低, 还改变了冷却水流量。所以, 凝汽器水侧污垢是造成真空恶化最关键原因。
真空降低使蒸汽有效焓降减小, 会影响汽轮机组运行安全性和经济性。电站凝汽器通常运行经验表明: 凝汽器真空每下降1kPa, 汽轮机汽耗会增加1.5%～2.5%; 真空过低时会限制机组出力, 严重时要停机清洗, 影响汽轮机组经济效益。而且, 真空过低, 会使低压缸、 排汽缸温度升高, 引发汽轮机轴承中心偏移, 严重时会增大汽轮机组振动; 当真空降低时, 为确保机组出力不变, 必需增加蒸汽流量, 从而造成轴向推力增大, 使推力轴承过负荷, 影响汽轮机组安全运行[1]。
同时, 沉积物下腐蚀是凝汽器铜管腐蚀关键形态[3]。沉积物造成铜管表面不一样部位上供氧差异和介质浓度差异会造成局部腐蚀。铜被氧化生成Cu2+ 及Cu+ 离子倾向于水解生成氧化亚铜, 并使溶液局部酸化, 加剧了腐蚀发展, 严重时造成针型腐蚀穿孔, 造成铜管及管板泄漏, 威胁着发电机组安全运行, 也直接影响发电厂经济效益。
而且, 凝汽器铜管内壁形成污垢速度很快, 依据文件[6], 凝汽器铜管清扫24h后, 清洁系数从1.0变为0.692, 实际传热系数由2.93kW/(m2·℃)降到1.98 kW/(m2·℃), 致使排汽温度从31.5℃上升到35.5℃。而0.1mm厚污垢热阻足以让1mm厚铜管导热热阻被忽略不计。如此短积垢时间和低传热效率, 造成凝汽器长久处于低效率运行中。
伴随传热技术发展, 污垢已经日益成为强化传热关键障碍之一。通常采取缩短凝汽器清洗周期方法来提升传热性能。螺旋纽带装置本着“预防为主, 防清结合”标准来预防污垢在铜管上集结, 就省去清洗麻烦了。
2 螺旋纽带装置工作原理
螺旋纽带装置安装在凝汽器铜管内（见图2）, 每根铜管安装一条。当汽轮机运行时, 大量冷却水在铜管内流动, 它利用水流速作动力, 驱动螺旋纽带长久在铜管内自动旋转, 水在纽带作用下形成涡流不停冲刷管壁, 对层流边层产生强烈扰动, 使CaCO3水垢不易在管壁内停留, 冷却水中污垢和微小杂物等全部带出铜管, 起到长久保持铜管内壁清洁洁净无垢作用, 实现汽轮机在运行中自动、 连续地清理水垢、 污垢, 根本改变了传统要停机时才能进行清理凝汽器老措施, 有效处理了汽轮机真空下降而出力不足难题, 还降低了发电能耗[7]。

1.凝汽器铜管 2. 螺旋纽带 3. 连接环 4. 内塞 5. 支架 6. 垫片 7. 轴
图2　螺旋纽带装置结构示意图
同时, 旋转着螺旋纽带引发管内强制旋流和二次流, 使层流边界层流体及过渡流层流体与旺盛紊流区流体不停混合, 缩小了层流边界层和过渡层, 扩大了紊流区, 强化了铜管传热效果, 使凝汽器换热效率得到了显著提升, 从而提升汽轮发电机组经济性。
螺旋纽带装置是采取复合型高分子材料制成, 它与水密度基础相同, 能很好地浮动在铜管中心部位, 可避免在运行时与金属摩擦, 最大程度地延长铜管使用寿命。
3 螺旋纽带装置应用及效果
3.1 设备介绍及存在问题
福建省石狮热电有限责任企业1号汽轮机为C6-35/8型中温中压调整抽汽冷凝式汽轮机, 于1999年1月投产发电。1号汽轮机凝汽器为N-560-1型, 分列二道制表面式, 冷却面积560m2, 冷却水量2208t/h, 水阻2.47mH2O, 敞开式循环方法。铜管总数为2344根, 材质为海青铜H70-1, 铜管外径20mm, 壁厚1mm, 长度3800mm。管子两端胀接在管板上, 中间有管板支撑。
因为当地用水担心, 循环冷却水浓缩倍率较高, 自来水、 循环水水质监测数据见表2。
表2 自来水、 循环水水质监测数据

PH值
Ca2+
/ mg/L
总硬度
/mmol/L
总碱度
/mmol/L
氯根
/ mg/L
电导率
/μs/cm
浓缩倍率
循环冷却水
8.23
96.99
5.25
3.12
69.29
511

自来水
7.70
20.80
0.802
1.12
12.78
105
6.55
该机组投运1年后, 真空逐步恶化, 机组出力受到限制, 尤其夏季更为显著, 即使有20t/h抽汽量带6MW负荷时真空只有－82kPa, 纯凝工况就无法带满6MW负荷。在做真空严密性试验、 凝汽器灌水查漏后确定真空降低原因很可能就是凝汽器铜管水侧污垢。针对这种情况, 我们前后采取反冲洗、 加除垢缓蚀剂、 人工机械清洗、 高压水冲洗、 化学清洗等方法, 效果均无法令人很满意, 直到安装了螺旋纽带装置, 才处理了致意难题。该机组采取不一样除垢方法优缺点见表3。
表3 不一样除垢方法优缺点对比表

优点
缺点
反冲洗
操作方便, 安全可靠, 可不停机进行
仅冲去生物黏泥等松软污垢, 清洗不根本
加除垢缓蚀剂
经过化学吸附, 阻止结晶成长或抑制晶体析出
原水水质对阻垢效果有影响, 需要常常添加除垢缓蚀剂以及排污, 费用较高
人工机械清洗
方便可靠, 不产生化学废液
劳动强度大, 清洗不根本
高压水冲洗
对铜管损伤小, 操作周期短, 安全可靠
清洗不根本, 效果不显著
胶球清洗
不停机自动清扫, 效果很好
要外加设备和动力, 收球率低, 无法去除钙镁等无机盐形成盐垢, 沉积物垢下腐蚀现象普遍
化学清洗
清洗根本, 可对设备和系统管道进行循环清洗去除污垢和沉积物
化学物质对铜管造成一定腐蚀伤害, 操作周期长, 费用比较高, 化学废液还会污染环境
装螺旋纽带装置
运行安全, 强烈扰动层流边界层, 既能预防污垢生成, 又可强化传热
成本略高于胶球装置运行成本

3.2螺旋纽带装置应用效果
6月, 我企业从专业期刊上了解到杭州力通科技有限企业生产螺旋纽带装置防垢与强化换热技术原理及应用情况, 经过认真调研, 决定采取加装螺旋纽带装置。因为螺旋纽带装置只是起到保持铜管内壁清洁无垢和强化铜管传热作用, 安装前必需根本清洗凝汽器(优先采取化学清洗方法), 才能达成预期效果。
螺旋纽带装置安装简单, 不须对凝汽器本体作任何改动, 不需外加任何动力, 只要在每一根筒管内加一支螺旋纽带并固定牢靠, 用手旋转几周, 灵活可动即可。螺旋纽带装置采取高分子复合材料组成, 耐温大于100℃, 凡闭式循环都能够用。
经过2年多运行实践, 效果良好, 机组均能带满6MW负荷, 达成预期效果, 具体表现在: 凝汽器真空稳定, 运行2年多后与刚安装时相比基础上没有改变; 凝汽器开盖检验, 其铜管内壁洁净, 基础没有结垢现象; 而且, 螺旋纽带装置状态良好。螺旋纽带安装前后运行参数比较见表3。

表3 螺旋纽带安装前后运行参数比较表
时间
电
负荷
MW
主蒸汽
调压器开度
%
抽汽量
t/h
循环冷却水
排汽
真空
kPa
排汽
温度
℃
凝结水温度
℃
进汽量
t/h
压力
MPa
温度
℃
进口
压力
MPa
进水
温度
℃
出水
温度
℃
安
装
前
/06/03
5.0
29
3.38
425
0
0
0.149
37
42
－82
59
57
/05/03
5.5
31
3.41
436
0
0
0.149
37
42
－81
60
58
/04/18
6.0
39
3.43
437
19
10
0.149
36
42
－82
59
58
/04/03
6.0
46
3.40
432
35
21
0.148
36
41
－83
57
56
/03/18
6.0
52
3.37
430
48
29
0.098
34
40
－84
55
54
/03/03
6.2
64
3.39
437
82
40
0.098
34
40
－85
54
53
安
装
后
/07/03
6.0
30
3.49
442
0
0
0.105
35
43
－89
48
47
/08/03
6.1
32
3.38
436
0
0
0.104
36
43
－88
50
49
/10/26
6.2
40
3.39
435
20
13
0.105
35
42
－91
44
43
/12/18
6.2
65
3.42
438
85
43
0.104
33
40
－94
47
36
/08/03
6.0
30
3.46
441
0
0
0.105
36
43
－89
49
47
/12/18
6.2
68
3.43
442
95
48
0.104
33
40
－95
44
32
/08/02
6.0
30
3.38
439
0
0
0.105
36
42
－88
50
48
/09/08
6.0
30
3.37
441
0
0
0.151
37
43
－90
46
44
/12/20
6.3
69
3.46
444
100
49
0.105
33
40
－95
44
32

经过对以上相关数据比较分析不难看出, 安装螺旋纽带装置后在相同条件下凝汽器真空上升了7~9kPa, 满足了汽轮机在夏季满负荷纯凝运行要求。以凝汽器真空平均提升8kPa计算, 蒸汽焓降增加值为21.2kJ/kg, 每小时进入汽轮机30t/h蒸汽能够多作功为636000 kJ/h, 每小时增加发电量177kWh; 按抽凝机组年平价运行7500h计算、 电价0.40元/ kWh, 每年增加发电量132.75万kWh, 增加利润53.1万元。
因为螺旋纽带装置在1号机组上取得了成功, 而且成本仅相当于用除垢缓蚀剂三分之一。我企业前后在2号机组凝汽器冷却铜管、 3台机组空气冷却器铜管内均安装了螺旋纽带装置, 并计划在3台机组空气冷却器以及冷油器铜管内安装螺旋纽带装置。
表4 螺旋纽带装置规格
安装位置
铜管
螺旋纽带装置
规格/mm
材质
规格/mm
节距/mm

凝汽器铜管
φ20×1×3800
H70-1
φ14×1.3×3800
85

空气冷却器铜管
φ19×1×1930
H68
φ13×1.3×1930
85

冷油器铜管
φ15×1×1465
HSn70-1
φ9×1.2×1465
55

4提议与结论
4.1 因为水中含有杂质, 加上循环冷却水因为蒸发损失、 风吹损失等不停浓缩, 在在凝汽器冷却铜管水侧形成水垢、 污垢、 生物黏泥等, 造成传热系数降低, 真空降低, 影响汽轮机组运行安全性和经济性;
4.2 安装在凝汽器铜管内部螺旋纽带装置, 利用水流速驱动在铜管内旋转, 对层流边层产生强烈扰动, 消除了铜管内部边界滞留层存在, 有效地实现了强化换热及防垢阻垢, 从而达成节能、 降耗、 增效目, 确保机组长周期安全、 稳定、 经济运行;
4.3 螺旋纽带装置安装前必需根本清洗凝汽器, 才能达成预期效果; 同时, 进水口须加滤网, 以预防柔性条状物缠绕纽带, 影响转动;
4.4螺旋纽带装置既能预防凝汽器铜管内壁水垢生成, 又能强化传热效果, 实践证实是一项成熟实用性新技术, 值得在凝汽器及直管表面式换热器上大力推广。

参考文件:
[1] 郑李坤, 顾 昌, 闫贵焕．运行参数改变对凝汽器真空影响探讨[J]．汽轮机技术, , 44(6), P362～364．
[2] 鲁跃峰, 陈秀萍．大柳塔热电厂3号、 4号汽轮机真空低原因分析及处理[J]．汽轮机技术, , 46(5), P390～391．
[3] 国家电力企业东北企业, 辽宁省电力有限企业 编．电力工程师手册·动力卷(上册)[M]．北京: 中国电力出版社, ．
[4] 高 明, 等．换热器结垢工况下换热系数改变分析研究[J]．能源工程, (4)．
[5] 章熙民, 任泽霈, 梅飞鸣 编著．传热学(第三版)[M]．北京: 中国建筑工业出版社, 1993．
[6] 李 勇, 曹祖庆．凝汽器清洁率概念及测试方法[J]．汽轮机技术, 1995, 37(2), P73～76, 86．
[7] 专利号: ZL02266832.2