1 概述

某電20 MW廠汽輪發(fā)電機(jī)組，年發(fā)電量約16000萬kWh。配套凝汽器為雙流程，冷卻面積為2400 m2，設(shè)計(jì)冷卻水量為8000 t/h，冷卻管材料為錫黃銅管，冷卻管總數(shù)量為3920根(Φ25×1.5× 7562，320根;Φ25×1×7562，3600根)。機(jī)組自投入運(yùn)行以來保持滿負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行，由于凝汽器結(jié)垢，導(dǎo)致其換熱效果下降，凝汽器排汽壓力偏高，發(fā)電單耗明顯升高，機(jī)組效率降低，端差較大，機(jī)組熱效率下降。運(yùn)行過程中機(jī)組的排汽溫度時(shí)常超過報(bào)警值50℃，夏季最大可達(dá)58℃。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)和查閱相關(guān)資料，機(jī)組凝汽器存在以下問題：

(1)由于循環(huán)水水質(zhì)較差，凝汽器換熱管結(jié)垢現(xiàn)象嚴(yán)重;

(2)凝汽器端差高，真空低，機(jī)組熱效率不高;

(3)機(jī)組效率降低的同時(shí)機(jī)組膨脹增大，機(jī)組振動(dòng)相對(duì)升高，威脅機(jī)組的安全運(yùn)行。

凝汽器真空下降，排汽室溫度升高，不僅影響機(jī)組的安全運(yùn)行，而且導(dǎo)致機(jī)組發(fā)電單耗增加，凝汽器真空大小對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性有著直接影響。因此保持凝汽器良好的運(yùn)行工況，是電廠節(jié)能的重要內(nèi)容。

2 改造方案

設(shè)計(jì)考慮在凝汽器分別加裝強(qiáng)化裝置，RCCS(列管式換熱器在線清洗及強(qiáng)化換熱)就是針對(duì)凝汽器換熱效率低下問題，通過革新性技術(shù)，強(qiáng)化凝汽器換熱。RCCS工作原理是：在凝汽器每根換熱管內(nèi)安裝本裝置(圖1)，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，無需外加動(dòng)力，利用循環(huán)水自身的流速驅(qū)動(dòng)本裝置的旋轉(zhuǎn)部件，長(zhǎng)期在換熱管內(nèi)不停地快速旋轉(zhuǎn)(300～1800 r/min)，改變管內(nèi)水的層流(圖2)為紊流狀態(tài)(圖3)，破壞水垢的形成機(jī)理，在設(shè)計(jì)思想上擺脫了傳統(tǒng)的被動(dòng)清洗除垢概念，變被動(dòng)除垢為主動(dòng)防垢，同時(shí)強(qiáng)化換熱，大幅度提高凝汽器的換熱系數(shù)K值。

圖1 RCCS裝置圖示

圖2 加裝RCCS前凝汽器管內(nèi)水流狀

圖3 加裝RCCS后凝汽器管內(nèi)水流狀

(1)加裝RCCS對(duì)凝汽器水側(cè)結(jié)垢機(jī)理的影響

水側(cè)污垢的形成一般要經(jīng)歷5個(gè)階段：起始、運(yùn)輸、附著、老化、剝蝕，見圖4(a)。污垢形成的5個(gè)階段中只要有一個(gè)環(huán)節(jié)遭到破壞，污垢就難以形成。因此，只要針對(duì)這五個(gè)階段采取合適措施，就能有效除垢防垢。

圖4 RCCS除垢機(jī)理

RCCS打斷或干擾了污垢形成的3個(gè)關(guān)鍵階段,見圖4(b)。在污垢的起始階段，RCCS通過強(qiáng)化擾流和換熱，降低了換熱管內(nèi)壁局部溫度，從而降低了以碳酸鹽為主硬垢的析出;在污垢的附著階段，RCCS通過刮掃管壁和強(qiáng)化擾流，防止了硬垢及軟垢的附著;在污垢的剝蝕階段，RCCS通過刮掃管壁和強(qiáng)化擾流，加快了硬垢及軟垢的剝離。

(2)加裝RCCS能強(qiáng)化換熱

表1為RCCS強(qiáng)化換熱測(cè)試數(shù)據(jù)。測(cè)試管型號(hào)為Φ20*0.6mm，材質(zhì)為307不銹鋼管。從低流速到高流速、低雷諾數(shù)到高雷諾數(shù)下的強(qiáng)化換熱效率進(jìn)行了測(cè)試。RCCS強(qiáng)化擾流作用非常明顯，能有效提高水側(cè)管壁的換熱系數(shù)。

表1 內(nèi)置RCCS的強(qiáng)化換熱測(cè)試數(shù)據(jù)

(3)RCCS技術(shù)優(yōu)勢(shì)

凝汽器清洗的傳統(tǒng)方法有膠球清洗、高壓水清洗、毛刷清洗、化學(xué)清洗等，RCCS與其它清洗方式的比較見表2。

表2 RCCS與其它清洗方式的比較

通過高壓水槍、毛刷等設(shè)備工具對(duì)凝汽器冷卻管中的水垢和泥渣進(jìn)行清洗去除，必須停機(jī)、拆開凝汽器端蓋，這種方法的清洗效果差、效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、除垢部位受限，而且，清洗后無法長(zhǎng)期保持清潔。凝汽器在清洗過后25天內(nèi)開始逐步重新結(jié)垢，并逐漸增加汽輪機(jī)能耗，最終使汽輪機(jī)長(zhǎng)時(shí)間地處于較高能耗的狀況。同時(shí)，經(jīng)常性的機(jī)械清洗，會(huì)磨損甚至磨穿換熱管。

膠球清洗裝置能不停機(jī)在線清洗，是解決凝汽器污垢的較佳方法，但也存在兩個(gè)顯著的問題：一是收球率常常偏低，二是無法對(duì)所有的冷卻管都進(jìn)行清洗，即只能清洗凝汽器中心部位的水力特性較好的冷卻管，而相當(dāng)數(shù)量的冷卻管則長(zhǎng)期得不到清洗，且對(duì)硬垢去除效果不佳。

化學(xué)除垢可分酸性陳垢和堿性除垢兩種，方式有靜泡法和循環(huán)法等，需要對(duì)垢物經(jīng)過鑒別后，決定清除的方式?；瘜W(xué)清洗對(duì)凝汽器換熱管存在腐蝕和損傷延長(zhǎng)，因此，在阻垢防垢的機(jī)理上，RCCS與傳統(tǒng)機(jī)械清洗或化學(xué)清洗比較有突出的優(yōu)勢(shì)。

(4)RCCS常規(guī)性能

RCCS無毒，對(duì)水資源無害。RCCS本體部分由特種高分子材料組成，性能極佳，材料強(qiáng)度、韌性、耐候性、缺口敏感度等性能優(yōu)良，不會(huì)發(fā)生斷裂、水解(溫度高于350℃時(shí)發(fā)生降解，產(chǎn)生的降解物為二氧化碳、水及含氮化合物，對(duì)環(huán)境安全)等現(xiàn)象;材料密度與水非常接近，使扭帶能很好地沿著換熱管軸心旋轉(zhuǎn)，從而保護(hù)了換熱管壁的氧化膜。RCCS連接件部分由特種鋼材及高分子材料組成，能有效回收利用，保護(hù)環(huán)境。連接件尺寸大于換熱管內(nèi)徑，設(shè)計(jì)緊湊不脫落，保證運(yùn)行安全。RCCS具有良好機(jī)械耐磨性，凝汽器換熱管內(nèi)水流的紊流程度會(huì)得到加強(qiáng)，一方面強(qiáng)化擾流，另一方面也會(huì)使水阻增加。

(5)RCCS運(yùn)行及維護(hù)

RCCS強(qiáng)化傳熱裝置對(duì)凝汽器循環(huán)冷卻水流量沒有特別要求，只要水流速度大于1.2 m/s，即可正常旋轉(zhuǎn)運(yùn)行。安裝RCCS后，凝汽器水側(cè)管壁會(huì)持續(xù)保持清潔，日常無需維護(hù)，只是由于循環(huán)滯留層會(huì)給RCCS本體帶來緩慢結(jié)垢，其速率一般在安裝RCCS前凝汽器管壁結(jié)垢速率的10%以下。若水質(zhì)較好，只需要在計(jì)劃中修時(shí)檢查有無雜質(zhì)堵塞即可;若水質(zhì)比較差，尤其是水中粘泥含量較高時(shí)，利用機(jī)組檢修間隙，每半年沖洗一次即可，維護(hù)工作量低。

3 改造效果

以某電廠汽輪發(fā)電機(jī)組凝汽器上增設(shè)RCCS強(qiáng)化換熱裝置為例介紹改造前后的對(duì)比效果，安裝RCCS后，凝汽器水側(cè)清潔系數(shù)將長(zhǎng)期保持在0.85以上，且強(qiáng)化換熱，使凝汽器端差將持續(xù)保持在剛清洗后的端差值相當(dāng)?shù)牡退?，從而使機(jī)組持續(xù)高效率運(yùn)行。凝汽器經(jīng)過改造后，減少機(jī)組運(yùn)行端差，預(yù)計(jì)達(dá)到效果與改造前對(duì)比分別見表3。

表3 實(shí)施RCCS前后冷端(理論計(jì)算)月平均運(yùn)行數(shù)據(jù)比較

說明：加裝RCCS后理論端差是基于冷卻循環(huán)水量、冷卻循環(huán)水進(jìn)出口溫差不變的情況下，RCCS提高換熱系數(shù)20%的條件下計(jì)算得出。

4 改造經(jīng)濟(jì)效益估算

依據(jù)機(jī)組《熱力特性書》，額定工況下汽輪機(jī)背壓-功率修正曲線如圖5。

圖5 汽輪機(jī)背壓-功率修正曲線圖

根據(jù)“汽輪機(jī)背壓——功率修正曲線”及《水蒸汽熱力性質(zhì)表》，參照客戶提供的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)組安裝RCCS后每月增加發(fā)電量進(jìn)行計(jì)算。

排汽溫度ts=安裝前排汽溫度-(安裝前端差-安裝后端差)

背壓=排汽溫度對(duì)應(yīng)的飽和壓力，查《水蒸汽熱力性質(zhì)表》可得

功率修正系數(shù)=背壓對(duì)應(yīng)的功率修正系數(shù)值，查圖可得

增加功率系數(shù)=安裝后功率修正系數(shù)-安裝前功率修正系數(shù)

年增加發(fā)電量=增加功率系數(shù)×機(jī)組年發(fā)電量

計(jì)算結(jié)果如表4。

表4 年平均排汽溫度壓力端差計(jì)算結(jié)果

加裝RCCS后效率提高值:1.11%;

年發(fā)電量：16000萬kW.h;

增加發(fā)電量：178萬kW.h。

加裝RCCS前后對(duì)比可得：

(1)根據(jù)ts=tw1+Δt+δt，對(duì)照飽和蒸汽壓力溫度對(duì)照表得排汽溫度與排汽壓力;

(2)根據(jù)壓力-功率對(duì)照表得功率修正系數(shù);

(3)按單機(jī)組全年有效發(fā)電量1.6億kWh(即16000萬kWh)計(jì)算，該機(jī)組年增發(fā)電量=16000× 0.0111=178萬kWh，按照0.6元/kWh計(jì)算，直接經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)107萬元。

通過以上簡(jiǎn)單測(cè)算，在汽輪發(fā)電機(jī)組增設(shè)RCCS強(qiáng)化換熱裝置有很好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，國(guó)家大力提倡節(jié)能減排，對(duì)于火電廠來說，提高鍋爐熱效率，降低機(jī)組單耗，提升機(jī)組整體熱效率是大勢(shì)所趨。通過對(duì)凝汽器進(jìn)行改造—加裝RCCS強(qiáng)化換熱裝置，不但強(qiáng)化換熱，而且減少結(jié)垢。提高凝汽器真空，減少端差，降低排汽溫度，有利機(jī)組安全運(yùn)行;提高了機(jī)組發(fā)電量，有很大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

原標(biāo)題:RCCS強(qiáng)化換熱裝置在凝汽器上的應(yīng)用