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汽轮机凝汽器自动除垢强化焕热装置的研发应用


汽轮机是发电厂的重要设备,凝汽器是汽轮机的主要附属设备,在凝汽器里汽轮机排汽转化为凝结水,体积缩小,压力降低,汽轮机进出蒸汽焓差增大,做功能力提高。凝汽器也为系统水汽循环提供了必要条件。凝汽器工作性能的好坏直接影响到系统的热经济性。凝汽器是一个表面式换热器,表面式换热器存在换热管结垢的问题,凝汽器也不例外。凝汽器铜管内壁结垢会严重影响换热效果,主要体现在端差升高和真空降低。凝汽器端差升高和真空降低,在系统来说主要是发电汽耗增加,煤耗增加,大大降低了系统的热经济性。解决好凝汽器铜管内壁结垢,腐蚀,粘泥故障是确保系统安全高效运行的重要工作。

1凝汽器水垢的危害

(1)凝汽器铜管内壁形成水垢后,换热效果下降,导致真空下降,能耗上升,严重时要降低发电负荷或停机清洗。据有关资料介绍,水冷设备换热器中水垢厚度为2.16mm时,传热系数平均下降51%,设备运行效率下降50%,而形成水垢的时间仅25天。如此短的积垢时间和低传热效率,导致凝汽器长期处在低效率中运行。

(2)增加了冷却循环水系统的水流阻力,降低了冷却水的流量,增加了循环水泵的能耗。

(3)由于水垢的热导率很低,因而急剧降低了凝汽器的传热系数,导致凝汽器真空降低,按照不同汽轮机的试验资料,真空度每降低1%,汽耗增加1%-1.5%,当蒸汽流量不变,将降低汽轮机组的出力。

(4)水垢的附着,特别是粘泥的附着,会在附着物下部发生局部腐蚀甚至破裂和穿孔。水垢附着凝汽器铜管会导致铜管堵塞,严重影响设备运行。

(5)凝汽器铜管的损坏会造成凝汽器的严重泄露,情况严重或处理不当会严重危及凝汽器的安全运行。

2凝汽器结垢对真空度的影响

根据汽轮机凝汽器结垢运行监测情况(见表1)。由此得出真空度降低1%,汽耗增加1%-1.5%,当蒸汽量不够时,降低汽轮机出力1%-2%。

表1      汽轮机凝汽器结垢运行监测情况

机组容量,MW
 水垢厚度,mm
 真空降低,kpa
 真空度降低,%
 汽耗增加,%
 
100
 1.2-2.0
 26.7-33.3
 3%-5%
 3%-7.55%
 
50
 0.8-1.2
 20-40
 2%-4%
 2%-6%
 

 

3凝汽器真空下降的危害

(1)凝汽器真空降低,使蒸汽做功能力下降,在保证机组负荷不变的情况下,蒸汽流量增加,使叶片因蒸汽流量增大而过负荷。

(2)真空下降,会使机组轴向推力增大,机组轴向位移增大,严重时会造成推力瓦过负荷磨损。

(3)真空下降,使低压缸排汽温度升高,低压缸温度升高,将使低压缸及低压转子热膨胀、热变形增加。受此影响将使低压缸中心线发生变化,将引起机组振动增大、低压胀差增大,也易使低压缸动静间隙变小,甚至消失,造成动静摩擦事故。

(4)真空下降,循环水出入口温度升高,将使凝汽器铜管温度升高,由于铜、钢传热系数及膨胀系数不同,将使凝汽器铜管胀口松动,最终导致凝汽器泄露。有可能温度升高时不漏,但当温度降回来时漏。

(5)随着真空下降,低压缸末级叶片容积流量将大幅减小,将使末级叶片严重偏离设计工况,末级叶片将要产生脱流及漩涡,同时还会在叶片的某一部位产生较大的激振力,这种激振力虽然不至于使叶片或叶片组产生共振,但极易损坏叶片造成事故。

4常规凝汽器结垢清理方法及存在的问题

通常情况下,凝汽器的铜管脏污后,一般采取的设施是胶球清洗,提高管子的传热效果。经过实际运行发现胶球清洗装置存在以下问题:

(1)由于凝汽器本体结构的原因(如局部涡流、流速不均、铜管管径不一等),使胶球的运动呈现概率性和习惯性,有的铜管长期或始终得不到清洗,凝汽器整体清洗效果不好,胶球回收率不高,收球率都在90%以下。胶球对硬垢无能为力,反而会使胶球卡塞在铜管里,造成换热损失。

(2)胶球清洗装置的运行是人为控制的,是定期进行的,不能连续在线清洗;没有在线强化换热的能力,不能大幅度提高凝汽器的换热效果;经过一段时间的使用后,清洗除垢的能力便逐步下降,基本不起作用。从而导致汽轮机凝汽器在运行中经常出现端差温度高,发电机组的汽耗偏离汽轮机额定汽耗较大,凝汽器端差大,汽轮机效率低等问题。

(3)因胶球清洗装置不能正常投入使用,每年必须停机清洗,影响汽轮机发电效率。

5解决方案

对于上述情况,通常采用的措施是循环水加药处理、胶球清洗或停机人工清洗。但采用该种方法无法从根本上解决既提高换热效率又除垢、防垢的问题。导致汽轮机凝汽器在运行中经常出现端差高,真空度低,汽轮机效率低等问题。因此,为解决凝汽器结垢和附着粘泥、真空度低、排汽温度高,导致汽轮机进汽量大、影响汽轮机发电效率的问题,经过研究和分析,采用了在汽轮机凝汽器上安装自动强化换热防结垢装置,来提高凝汽器换热效率和汽轮机发电能力。

6.1自动强化换热防结垢装置工作原理及特点

1)工作原理

在凝汽器铜管内安装自转式插件,当汽轮机运行时,在循环水流动的驱动下,无需外加动力,利用水的流速驱动凝汽器铜管内插件长期在铜管内不停地快速旋转,改变管内水的流动状态,扰动层流区,扩大紊流区,使管内冷却水形成涡流,对层流区产生较强扰动,使水垢和粘泥不在管壁上滞留并带出铜管,排除了结垢的可能。同时起到了强化换热的作用。使汽轮机发电机始终保持在最佳发电状态。其工作原理示意图见图1。

 

图1  自动强化换热防结垢装置工作原理

 

该装置无需对凝汽器本体作任何改动、无需外加动力,部件安装在凝汽器换热管内,靠冷却水的流速驱动核心部件产生快速旋转.旋转水流产生的扰动力,使垢类和粘泥物质没有时间在管壁上停留聚集,破坏了管壁结垢物质形成的机理环境,水垢无法在管壁上滞留,从而起到防垢的关键性作用。

更为重要的是在装置特有旋转力的驱动下,使热阻大的管壁滞流层消失,管内的水流状态处于强烈扰动状态,凝汽器换热效率得到充分的强化和提高,进一步促进端差降低,真空度提高。

2)工作状态

在装置特有旋转力的驱动下,破坏了管壁结垢形成的机理环境,使管内水流呈现强烈扰动状态(见图2),换热效率得到充分的强化和提高。这样就真正达到了防垢强化换热的目的。

 

 

            图2  强化换热防结垢装置在铜管内工作状态

3)装置特点

(1)采用高分子聚合材料制成,耐温-30℃-100℃。

(2)自润滑,耐腐,耐磨,抗老化。

(3)其密度与水的密度相近,能较好浮动在管的中心部位,在运行时可避免与金属的硬摩擦,保护了金属表面的氧化膜,较好地延续了铜管的使用寿命。

4)装置作用

(1)防垢,强化换热,降低端差,提高凝汽器真空度,减少汽耗、补水量和药耗,达到同等发电少汽耗、同等汽耗多发电。

(2)保持铜管壁长期干净无垢,同时也保护了管壁的氧化膜、延长设备及铜管使用寿命,增加连续发电经济效益。

(3)避免胶球清洗、化学清洗(包括不停车清洗)、及高压水清洗等方法不利弊端。

5)装置适用范围

(1)适用所有的开式循环和直流冷却系统都能安装本装置,解决凝汽器的结垢和换热效率低下的难题,大幅度提高发电经济效益。

(2)自动除垢强化换热装置安装简单,不需对凝汽器本体作任何改动,只要求安装前对换热铜管内污垢清洗干净。

6)装置安装及注意事项

(1)在安装技术改造产品前甲方须对凝汽器铜管进行彻底清洗,以免因存留水垢损坏改造装置和影响改造运行效果。

(2)凝汽器的循环水中无塑料袋,杂物,烂草,大的水生物等杂物。

(3)装置自安装完毕投入运行,具体的加药量和循环水水质要在运行中摸索,循序渐进,以机组整体经济效益最大为依据。循环水量尽量维持在额定量,装置的自清洗和强化换热效果会更好。

(4)使凝汽器的换热性能处于最佳状态。因此提高真空取得的经济效益远大于因加大循环水量而增加的泵耗。

(5)定期检查各级滤网,及时清除杂物,减小流动阻力,保证循环水水质。

安装示意图见图3。


图3 凝汽器自清洗强化换热装置

 

6应用实例

二台42MW汽轮机,编号分别为A#、B#,在A#汽轮机凝汽器上安装一套强化换热自动清洗除垢装置,凝汽器换热总面积为3500m2,安装投用后凝汽器出口温度、端差明显降低,真空度明显提高。同时,与未实施改造的相同工况下的B#汽轮机凝汽器相比,其凝汽器出口温度、端差、真空度的对比情况见表2。

 

表2   安装强化换热防结垢装置的应用情况比较

运行参数
 B#汽轮机(平均值)
 A#汽轮机(平均值)
 
凝汽器真空度,kPa
 89.47
 96.01
 
排汽温度平均,℃
 45.45
 36.59
 
循环水入口温度,℃
 17.41
 14.79
 
循环水出口温度,℃
 26.24
 26.67
 
循环水温升,℃
 8.83
 11.88
 
凝汽器端差,℃
 19.21
 9.92
 
单位汽耗, kg/kWh
 6.572
 5.606
 

 

从表2的数据可以得知,凝汽器强化换热防结垢装置的应用,能够改变管内水的流动状态,对水流形成强烈扰动,使水垢和粘泥不在管壁上停留并带出铜管,排除了结垢的可能,提高换热效果。同等汽耗下,可提高汽机出力7%-10%,发电汽耗可减少13%以上。

7与胶球清洗装置的比较

(1)胶球清洗装置的运行是人为控制的,是定期进行的。由于凝汽器本体结构的先天性(如局部涡流、流速不均、铜管管径不一等),使胶球的运动呈现概率性和习惯性,有的铜管长期或始终得不到清洗,凝汽器整体清洗效果不好,胶球回收率不高。胶球对硬垢无能为力,反而会使胶球卡塞在铜管里,造成换热损失。更重要的是胶球清洗装置没有在线强化换热的能力,不能大幅度提高凝汽器的换热效果。

(2)自动除垢强化换热装置是在凝汽器每根铜管里安装,在线连续清洗和强化换热,保证了铜管始终干净无垢,大大增强了铜管内壁对流换热能力,使凝汽器整体换热效果增强。

(3)自动除垢强化换热装置还免除了胶球清洗装置人工操作的随意性和能耗,减少加药量,减轻铜管垢下腐蚀,免除头疼的停机人工清洗,持续经济效益巨大,是胶球清洗装置的理想换代产品。

8结语

造成凝汽器真空偏低的因素较多且复杂。当出现机组真空度下降时,应及时针对原因进行分析并采取有效的解决措施。本文介绍的自动除垢强化换热装置,是针对常见的凝汽器因为结垢降低换热效果、影响真空度,所采取的措施投资少、基本无运行成本和维修成本,运行稳定,效果明显,推广应用前景广泛。


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