凝汽器软胶球直径对收球率的影响分析

王 强

(沈阳工程学院能源与动力学院，辽宁沈阳110136)

发电厂凝汽器换热管路内形成的各种污垢会降低换热效率，导致机组输出能量的损失.因此，保持凝汽器换热管路的清洁，对提高机组的效率有非常重要的作用.为了保持凝汽器换热管内壁的清洁，国内外普遍采用在运行中用胶球连续清洗凝汽器换热管的方法，收到了较好的效果.目前清洗用的胶球有很多种类，其中质地柔软富于弹性的软胶球最为常用，下面以软胶球为研究对象，研究其直径对收球率的影响.

软胶球清洗原理如图1所示.湿态胶球的直径一般比换热管内径大1～2 mm［1-2］，当球被循环水带进换热管内时，球被压缩变形与换热管内壁全周接触，球在循环水压力差作用下流经换热管时与管内壁面摩擦，将换热管内壁擦洗一遍.

图1 软胶球清洗原理

胶球是凝汽器清洗系统中最重要的元件，其物理特性如胶球直径、湿态密度、膨胀率、耐磨性等都对清洗存在着或大或小的影响.根据相关资料显示，由于胶球质量原因造成的收球率低的现象在很多电厂都出现过［3-10］.运行经验表明，胶球的直径是最大的影响因素之一［11］.在胶球直径选择方面，若所选胶球小于换热管内径，则起不到较好的清洗作用;若所选胶球直径较大，冷却水的压差所产生的推动力可能小于摩擦力，造成胶球堵塞在管内，引起收球率下降.

1 胶球受力分析

胶球进入管内，被挤压变形，胶球与管内壁接触面形状如图2所示，其面积为A1，此处胶球受到管内壁的正压力为N，胶球受到的滑动摩擦力为F2;沿水流动方向，胶球两侧冷却水的压力差为ΔP，由此产生的推动力为F1.

图2 胶球受力分析

根据假设，湿态胶球密度与冷却水密度相等，因此胶球重力与浮力相互抵消，所以胶球所受到的合力F为

若湿态胶球直径为d，换热管内径为d1，所以

由公式(2)可以知道，F1与面积A1无关，但A1越大胶球与管内壁接触面积越大，即胶球表面与管内壁污垢层的接触面积越大，胶球通过换热管时，污垢受到胶球的摩擦时间越长，越有利于污垢的清除.

若胶球与管内壁之间滑动摩擦系数为f，则胶球在管内运动所受到的摩擦力为

其中滑动摩擦系数f与接触物体的材料、表面光滑程度、干湿程度、表面温度、相对运动速度等都有关系.需要指出的是，换热管内所结污垢的类型不同，则与胶球之间的摩擦系数也将不同，因此选择胶球时应考虑管内污垢类型的影响.正压力N与胶球直径变化量Δd和弹性强弱m有关，是这2个参数的函数，写成N(d，m).由公式(3)可见影响摩擦力的因素较多，但对于2个给定的表面，摩擦力大小和接触表面面积无关.

若要保证收球率，需使胶球能顺利通过换热管，因此需满足

由式(4)得

即

所以胶球两侧压力差ΔP与胶球直径需满足公式(5)、(6)，胶球才可能顺利通过换热管，保证收球率.

2 面积A1和摩擦力F2的测量与计算

可通过实验装置来验证公式(5)，在验证过程中需要测量并计算出面积A1、摩擦力F2.

2.1 面积A1的测量与计算

面积A1的形状如图3阴影部分所示，是一条沿着管内壁面的带状区域.在实验室内，采用管径为d1的透明有机玻璃管，然后将直径为d的湿态胶球推入管内，量取长度L.则有

图3 胶球与管内壁接触面

2.2 摩擦力F2的测量与计算

摩擦力F2的测量装置如图4所示.首先将湿态胶球推入换热管一侧，然后匀速拉动拉力测量装置，则此时测得的拉力F3等于摩擦力F2.

图4 摩擦力F2的测量

3 实验台设计运行及实验结果分析

3.1 实验台设计及运行

实验台的设计方案如图5所示.实验前需先根据之前介绍的方法测量并计算出面积A1和摩擦力F2.换热管采用单根即可，根据管两端设置的压力表可以计算出压力差ΔP1，胶球两侧压力差ΔP需根据沿程阻力损失进行适当修正;胶球在实验前应用水充分浸泡后再使用，并测量其湿态直径.水泵组采用1台或几台同容量水泵并联形式，以满足不同压力要求，水泵从水箱获取水源.胶球从装球室装入，在装球时先将旁路阀开启，再将主阀门关闭.装球后先开启主阀门，然后关闭旁路阀，胶球流经前水室、换热管、后水室，最后流入水箱，取出后可重复使用.

图5 实验台设计方案

3.2 实验及结果分析

利用此实验台进行了验证实验，实验采用内径20 mm的黄铜管作为换热管，管内壁清洁无垢，管长1.5 m;实验用冷却水为普通自来水.采用胶球情况及A1、F2、ΔP 数值如表1 所示.

根据上述数据，比较测得压力差和计算压力差的数值，可以基本验证公式(6)的正确性.但对于不同直径胶球测得的压力差则略大于公式(6)计算得到的压力差，经分析可能是因为管内水流动的阻力损失引起，因此公式(6)中还应引入相应的阻力损失修正系数.

表1 利用不同直径胶球得到实验数据

式中a代表阻力损失修正系数，其数值需根据实际清洗系统情况通过实验才能确定.实验数据得到a值范围为1.025～1.039.因此要使胶球能顺利通过换热管，保证系统收球率，则必须满足公式(7)的最小ΔP.

4 结论

1)胶球顺利通过换热管的必要条件是水的推动力大于胶球所受的摩擦阻力.

2)电厂选用胶球时，应根据实际情况选用不同直径的胶球和胶球泵，保证胶球受力情况能够满足公式(7).

［1］国家能源局.DL/T 581-2010 凝汽器胶球清洗装置和循环水二次过滤装置［S］.北京:中国电力出版社，2011.

［2］国家能源局.JB/T 11133-2011 水冷冷水机组管壳式冷凝器胶球自动在线清洗装置［S］.北京:中国标准出版社，2011.

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