汽輪機(jī)冷凝器水污垢問(wèn)題與冷凝器自動(dòng)膠球清洗裝置技術(shù)分析？
汽輪機(jī)冷凝器水污垢問(wèn)題與冷凝器自動(dòng)膠球清洗裝置技術(shù)分析？通過(guò)定量計(jì)算論證了汽輪機(jī)冷凝器管內(nèi)水垢問(wèn)題對(duì)于保障發(fā)電機(jī)組運(yùn)行效率的重要性，闡述了冷凝器自動(dòng)膠球清洗裝置技術(shù)的水垢自動(dòng)連續(xù)清洗及其冷卻強(qiáng)化的工作原理。人工污垢模擬清洗試驗(yàn)表明足以滿(mǎn)足汽輪機(jī)冷凝器自動(dòng)膠球清洗裝置能力要求，試驗(yàn)實(shí)測(cè)的冷卻強(qiáng)化幅度在10%左右。舉例計(jì)算了125MW機(jī)組冷凝器采用冷凝器自動(dòng)膠球清洗裝置清洗技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益將高達(dá)每年數(shù)百萬(wàn)元。
冷卻水的污垢熱阻很大。即使只有零點(diǎn)幾毫米的水垢就會(huì)引起汽輪機(jī)運(yùn)行真空度的顯著下降。30萬(wàn)kW的機(jī)組冷凝器如果水垢0.5mm，可以使汽輪機(jī)真空度下降8%以上，相當(dāng)于鍋爐效率降低10%。如果水垢厚度達(dá)到1mm，不僅使發(fā)電煤耗增長(zhǎng)80g／kW·h，使機(jī)組每小時(shí)多耗煤24t，還將降低出力20%以上，機(jī)組每小時(shí)電能減產(chǎn)上萬(wàn)元。全國(guó)火電機(jī)組的裝機(jī)容量達(dá)到1.61億kW以上，且每年新增裝機(jī)容量110萬(wàn)kW以上。因此，研究電廠冷凝器水垢的自動(dòng)清洗技術(shù)具有很大的經(jīng)濟(jì)意義。
1汽輪機(jī)冷凝器的水垢問(wèn)題
1.1無(wú)垢?jìng)鳠嵯禂?shù)K0值的確定
汽輪機(jī)冷凝器管內(nèi)側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)按Sieder和Tate關(guān)聯(lián)式[3]計(jì)算：ai=0.023(dp)0.8(以)0.4(1)直排冷卻水的進(jìn)出口年平均溫度分別為18℃、30℃，銅管中25x1，流速u(mài)=1.8m／s。按(1)式算得冷卻水側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)：aI=6704W／(m2·K)。管外蒸汽冷凝系數(shù)，按水平管束膜狀冷凝的Kern公式：a0=0.725(nmAt)1／4(2)無(wú)垢時(shí)的真空度為92.3%，對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽溫度為40.6℃、算得管壁的溫度為36.4℃。垂直方向的單排平均冷凝管數(shù)取n=25。計(jì)算的a0=7302W／(m2·K)。管外為潔凈的蒸汽，取管外垢阻Rso=0。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果及取值，經(jīng)計(jì)算得：K0=3366W／(m2·K)設(shè)計(jì)計(jì)算方法得到的結(jié)果：K=1mxBCw0.5=0.94x1.01x0.85x2705x(1.8)0.5=2929W／(m2·K)采用本文的冷卻強(qiáng)化試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得到的傳熱系數(shù)為：
K0=4ll7W／(m2·K)按照本文的冷卻強(qiáng)化試驗(yàn)測(cè)值計(jì)算的結(jié)果遠(yuǎn)高于上述兩種計(jì)算方法的結(jié)果，主要是因?yàn)閱喂茉囼?yàn)的管外測(cè)蒸汽冷凝液膜很薄，沒(méi)有考慮多排管冷凝的影響，且不考慮污垢影響。理論計(jì)算值高于工程設(shè)計(jì)值，因?yàn)楣こ淘O(shè)計(jì)考慮污垢影響，取傳熱面潔凈系數(shù)m=0.85，若不考慮其污垢影響反算的結(jié)果將是K0=3446W／m2·K。與理論計(jì)算結(jié)果非常接近，兩者只相差2.4%。在本文的以下分析中，為了使污垢對(duì)傳熱系數(shù)影響幅度討論的略偏保守，取理論計(jì)算值與設(shè)計(jì)計(jì)算值的平均值，即：K0=(3366+2929)x0.5=3l47.5W／(m2·K)1.2無(wú)冷凝器自動(dòng)膠球清洗裝置時(shí)污垢對(duì)傳熱系數(shù)K值的影響凝汽器的水垢太復(fù)雜，各廠差別很大。均取污垢層的導(dǎo)熱系數(shù)為l.75W／(m·K)。對(duì)不同厚度的污垢分別計(jì)算的K值及其污垢的影響幅度見(jiàn)表l。上述分析結(jié)果非常有力地表明，汽輪機(jī)冷凝器對(duì)水垢非常敏感，
表1冷凝器不同厚度污垢對(duì)傳熱系數(shù)的影響幅度
原有污垢厚度6si／(mm) K值(W／(m2·℃))污垢影響下降幅度(%)
0.0 3l48 0.00
0.l 2668 l5.24
0.2 24l5 23.28
0.3 2044 35.07
0.4 l830 4l.87
0.5 l657 47.36
0.5mm厚的水垢就會(huì)使冷凝器的傳熱系數(shù)下降一半。因此，要維持發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定高效地運(yùn)行，必須有自動(dòng)的連續(xù)清洗技術(shù)作為保障。
2冷凝器自動(dòng)膠球清洗裝置清洗技術(shù)研究
在汽輪機(jī)凝汽器的冷凝管內(nèi)安裝一條塑料螺旋冷凝器自動(dòng)膠球清洗裝置(圖l)。隨管內(nèi)一定流速的冷卻水的流動(dòng)而自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)和擺動(dòng)。塑料冷凝器自動(dòng)膠球清洗裝置的兩側(cè)邊刃對(duì)管內(nèi)壁的污垢層進(jìn)行刮掃，并且還有碰撞擠壓的作用，達(dá)到自動(dòng)清洗作用。這種連續(xù)清洗技術(shù)對(duì)原本無(wú)垢的傳熱面具有很好的防垢保潔作用。
圖l冷凝器自動(dòng)膠球清洗裝置的污垢清洗
為驗(yàn)證這種自動(dòng)清洗技術(shù)能否滿(mǎn)足汽輪機(jī)冷凝器水垢連續(xù)清洗的要求，為此用3根電廠冷凝器的銅管中20xlx2000進(jìn)行螺旋冷凝器自動(dòng)膠球清洗裝置清洗能力的模擬試驗(yàn)對(duì)比研究。3根銅管內(nèi)都用同一比例的水泥和碳酸鈣配制的人工污垢涂刷，厚度大約lmm，比實(shí)際的冷凝管內(nèi)污垢堅(jiān)硬許多。安裝好不同材質(zhì)(lD、2E、3F)制造的塑料冷凝器自動(dòng)膠球清洗裝置，開(kāi)泵通水進(jìn)行污垢清洗能力試驗(yàn)。7d后拆卸解剖觀察清洗效果。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。
表2人工模擬污垢清洗能力試驗(yàn)結(jié)果
冷凝器自動(dòng)膠球清洗裝置材質(zhì) 銅管尺寸 人工模擬污垢配制 清洗條件 清洗效果
lD 水泥l(xiāng)6%和 管內(nèi)流速 不干凈
2E 中20xl 碳酸鈣84% l.50m／s， 很干凈
3F 加乳膠調(diào)制 連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)7d 干凈
人工污垢清洗模擬試驗(yàn)表明，冷凝器自動(dòng)膠球清洗裝置的污垢清洗能力足以滿(mǎn)足汽輪機(jī)凝汽器污垢自動(dòng)連續(xù)清洗的要求。
3冷凝器自動(dòng)膠球清洗裝置的冷卻強(qiáng)化作用
汽輪機(jī)冷凝器管內(nèi)安裝的塑料螺旋冷凝器自動(dòng)膠球清洗裝置，不僅有自動(dòng)清洗作用，而且還有一定的冷卻強(qiáng)化作用，因?yàn)槔鋮s水改變了原先的流動(dòng)狀態(tài)，不再是直線(xiàn)流動(dòng)，而是作螺旋線(xiàn)流動(dòng)，增長(zhǎng)了冷卻水流動(dòng)路程。冷凝器自動(dòng)膠球清洗裝置的兩側(cè)對(duì)管內(nèi)壁刮掃的結(jié)果，加強(qiáng)了邊界層流體的擾動(dòng)，同時(shí)增強(qiáng)了邊界層流體與主流流體的混合，從而使對(duì)流傳熱過(guò)程得以強(qiáng)化。
進(jìn)行了銅管內(nèi)安裝冷凝器自動(dòng)膠球清洗裝置前后的傳熱系數(shù)對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。用水泵抽出水池中的冷卻水，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)出流量后，進(jìn)入冷凝銅管帶動(dòng)管內(nèi)的螺旋冷凝器自動(dòng)膠球清洗裝置旋轉(zhuǎn)；冷卻水的進(jìn)出口溫度由精密溫度計(jì)測(cè)出；銅管外加熱蒸汽由40kW的蒸汽發(fā)生器供給。改變冷卻水的流速，測(cè)出冷凝銅管內(nèi)安裝冷凝器自動(dòng)膠球清洗裝置前后兩種工況下的傳熱系數(shù)。對(duì)比試驗(yàn)的結(jié)果如圖3曲線(xiàn)所示。
從對(duì)比試驗(yàn)曲線(xiàn)可知，安裝冷凝器自動(dòng)膠球清洗裝置后的冷卻強(qiáng)化幅度范圍為9%-l2%。2冷卻強(qiáng)化對(duì)比試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖圖3冷卻強(qiáng)化對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果
4冷凝器自動(dòng)膠球清洗裝置技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益
評(píng)價(jià)自動(dòng)清洗技術(shù)對(duì)提高真空度的作用，必須以安裝清洗冷凝器自動(dòng)膠球清洗裝置前后的凝汽器的負(fù)荷不變?yōu)榍疤釛l件。因此，可以按一般傳熱方程式Q=KS△tm=const，根據(jù)傳熱系數(shù)K值提高后，需要的傳熱溫差減少，計(jì)算出相應(yīng)的蒸汽的冷凝溫度-冷凝壓力隨之降低幅度，得到真空度提高的幅度。計(jì)算評(píng)價(jià)中，設(shè)安裝冷凝器自動(dòng)膠球清洗裝置自動(dòng)清洗后(清凈無(wú)垢時(shí)，并且傳熱強(qiáng)化后)凝汽器真空度為93%，冷卻水的進(jìn)出口年平均溫度為24℃。分別計(jì)算出污垢厚度不同的原冷凝器(又無(wú)傳熱強(qiáng)化)的真空度和相應(yīng)的蒸汽冷凝溫度。
在汽輪機(jī)進(jìn)汽溫度不變的條件下，排汽溫度每降低l0℃，裝置效率可提高3.5%左右；凝汽器壓力每改變l%，中壓汽輪機(jī)功率將改變l%，高壓汽輪機(jī)將改變0.8%。通過(guò)對(duì)比安裝自動(dòng)清洗冷凝器自動(dòng)膠球清洗裝置前后真空度，得到真空度提高幅度和中壓汽輪機(jī)機(jī)組出力的增加幅度。計(jì)算結(jié)果匯集于表3。
表3不同厚度污垢冷凝器機(jī)組安裝冷凝器自動(dòng)膠球清洗裝置后出力增大的幅度
冷凝器原有污垢厚度／mm 安裝冷凝器自動(dòng)膠球清洗裝置使K值提高的幅度／% 冷凝溫度／℃ 真空度／% 機(jī)組出力增 大的幅度／%
0.0 ll.2 38.8 93.0 0.7
0.l 26.4 44.l 90.8 2.2
0.2 34.5 46.6 88.7 4.3
0.3 46.3 5l.5 84.8 8.2
0.4 53.0 55.5 83.8 9.2
0.5 58.5 59.7 80.3 l2.7
術(shù)無(wú)疑可以產(chǎn)生相當(dāng)高的經(jīng)濟(jì)效益。
試以125MW的汽輪機(jī)機(jī)組冷凝器污垢問(wèn)題為例進(jìn)行分析。若采用冷凝器自動(dòng)膠球清洗裝置技術(shù)前的污垢厚度分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5mm，采用冷凝器自動(dòng)膠球清洗裝置自動(dòng)清洗技術(shù)后，按高壓汽輪機(jī)機(jī)組分別可以提高1.76%、3.4%、6.56%、7.36%、10.16%的出力。設(shè)機(jī)組的年運(yùn)行時(shí)間為70h，每度電的效益為0.15元，則多發(fā)電的增產(chǎn)效益分別可以達(dá)到每年231、452、574、601、1028萬(wàn)元。
汽輪機(jī)冷凝器管內(nèi)的水垢會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行效率。
1)冷凝器自動(dòng)膠球清洗裝置連續(xù)清洗技術(shù)，不僅能夠滿(mǎn)足汽輪機(jī)冷凝器的水垢清洗要求，而且還具有幅度一般在10%以上的冷卻強(qiáng)化功能。
2)采用冷凝器自動(dòng)膠球清洗裝置連續(xù)清洗技術(shù)可以使發(fā)電機(jī)組獲得相當(dāng)高的經(jīng)濟(jì)效益。
