螺旋扭带在线清洗及强化换热技术的原理及其应用

乔锦刚　张春香

摘 要：发电机组冷端系统直接影响机组的运行效率，而凝汽器是其核心设备，凝汽器结垢问题也是影响机组运行效率的重要因素。本文主要介绍螺旋扭带在线清洗及强化换热技术的工作原理、主要性能及其应用，其可广泛应用于电力、石油化工等行业列管式换热器，节能效益显著。

关键词：冷端系统；螺旋扭带；端差；节能效益

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.001

0 前言

发电机组冷端系统主要由汽轮机低压缸的末级组、凝汽器、冷却塔、循环水泵、循环水系统及抽真空设备等组成[1]。而凝汽器是整个热力循环的关键设备，主要作用是将汽轮机低压缸的排汽凝结成水，在凝汽器内形成高度真空，增大蒸汽的有效焓降，提高机组热效率；将凝结水送回锅炉循环利用；同时还具有一级除氧作用。凝汽器工作性能的优劣，将直接影响汽轮机的经济性和安全性[2]。

凝汽器运行中最常出现的问题是凝汽器换热管表面结垢，使整个凝汽器传热系数K降低，致使传热端差增大。如果换热管内壁结垢致使换热管堵塞，将使循环水通流面积减小，水阻增大，冷却水量减少，在一定的蒸汽负荷下，会引起机组排汽温度升高。这些都将导致凝汽器真空下降，影响机组运行效率 [3]。

凝汽器清洗常用的方法有胶球清洗、高压水枪清洗、化学清洗等。胶球清洗装置能不停机在线清洗，但也存在收球率不高，容易堵塞换热管，对硬垢清洗效果不佳的问题。化学清洗容易造成凝汽器换热管的腐蚀和损伤，且清洗效率低下。高压水枪清洗为人工操作，劳动强度大。

在凝汽器换热管内加装螺旋扭带既能实现在线清洗，防垢除垢，同时还有强化换热的作用，有效减小凝汽器端差，提高凝汽器真空，提高机组发电效率，使机组煤耗降低 [4]。

1 螺旋扭带工作原理

螺旋扭带在线清洗及强化换热装置主要由螺旋纽片、特种钢支架、陶瓷轴承等部件构成。它的工作原理是：在凝汽器每根换热管内安装本装置（图1），当机组运行时，无需外加动力，利用循环水自身的流速驱动本装置的旋转部件，长期在换热管内不停地快速旋转（300-1800r/min），改变管内水的层流为紊流状态，破坏水垢的形成机理，变被动除垢为主动防垢，同时强化换热，大幅度提高凝汽器的换热系数K值20%以上。

1.1 在线清洗

水侧污垢的形成一般要经历五个阶段：起始、运输、附着、老化、剥蚀。污垢形成的五个阶段中只要有一个环节遭到破坏，污垢就难以形成。

针对水侧管壁的结垢机理，螺旋扭带打断或干扰了污垢形成的三个关键阶段。在起始阶段，螺旋扭带通过强化扰流和换热，降低了换热管内壁局部温度，从而降低了以碳酸盐为主的硬垢的析出；在附着阶段和剥蚀阶段，螺旋扭带通过刮扫管壁和强化扰流，防止了垢的附着，加快了硬垢及软垢的剥离。

1.2 强化换热

对型号为Φ20*0.6mm，材质为304不锈钢管。从低流速到高流速、低雷诺数到高雷诺数下的强化换热效率进行测试，螺旋扭带能有效提高水侧管壁的换热系数20%以上。

2 螺旋扭带性能特点

2.1 材质性能

螺旋扭带螺旋纽带由特种高分子材料组成，材料强度、韧性、耐候性、缺口敏感度等性能优良，不会发生断裂、水解等现象。螺旋扭带连接件部分为特种钢支架，结构牢固，安全性高。转动部件为陶瓷轴承，旋转寿命可达50亿次。

2.2 耐高温性能

通过不同规格纽带在不同温度环境下的形态对比测试，比较其耐高温特性。最终发现，螺旋扭带可在-50℃至220℃温度下长期运行不发生变形。在350℃时，材质发生降解。

2.3 化学性能

螺旋扭带所用高分子材料化学性质稳定，不溶于普通的有机溶剂，耐溶液性能优良，耐弱酸强碱，但不耐强酸，可在碱性介质环境下长期安全运行。

2.4 磨损性能

将型号为螺旋扭带 M/16/04（宽度16mm，厚度0.8mm，长度12m）置于内径为18.8mm的不锈钢管、给定水流速度达4m/s的环境下进行180天极限磨损性能测试（转速2500r/min），扭带宽度仅减少0.35mm，单边磨损量0.18mm。将内置螺旋扭带的不锈钢管与不锈钢空管内壁运行前后比较，无明显变化，质量也相当。

2.5 水阻性能

对于管长12m、内径在18.8mm的内抛光不锈钢管，水流速度2m/s（Re=38000）时，内置螺旋扭带后，其水头损失大约会增加0.02-0.043MPa左右。

3 螺旋扭带对机组的影响

3.1 降低端差，提高真空度

凝汽器真空是表征凝汽器工作特性的主要指标，对汽轮机运行经济性和安全性均产生重大的影响。真空降低不仅令机组经济效率下降， 还会使排汽缸温度升高， 引起机组轴中心偏移， 严重时会引起机组振动。凝汽器端差上升将直接影响到真空度。

端差推导公式如下：

可以看出，凝汽器端差δt与冷却面积、传热量、传热系数和冷却水量有关，传热越强，端差越小。一般情况下，大中型机组的δt=3℃～5℃，小型机组的端差值要高一些。在运行状态下，δt的大小主要取决于传热系数K。

采用螺旋扭带后，可使凝汽器长期保持清洁状态，清洁系数提高，凝汽器管内的冷却水流方式被强制改变，从而实现强化换热，传热效率可以提高20%以上，凝汽器端差δt有效降低2-6℃，降低排汽温度，提高凝汽器真空度。

3.2 提高机组运行效率

凝汽器真空直接影响机组的运行效率，一般运行经验表明， 凝汽器真空每下降1kPa， 机组汽耗会增加1.5%～2.5%；而凝汽器端差每升高1℃，供电煤耗约增加1.5%～2.5%[5]。

采用螺旋扭带后，凝汽器传热效率提高，机组端差、背压下降，真空度提高，可使煤耗下降2-10g/kW.h，发电量提高2-5%，机组运行效率显著提高。

4 螺旋扭带在国内大型发电机组的应用

4.1 案例一

国内某电厂2#机组（330MW）由于凝汽器结垢及冷却塔面积不够、填料堵塞等原因，造成机组背压高，机组效率下降，严重影响机组发电负荷。

安装螺旋扭带后，全年平均端差由6.2℃大幅下降到1.2-2.5℃，凝汽器真空度明显提高，机组效率显著提升。

4.2 案例二

某热电厂配备有2*300MW发电机组，由于采用城市中水，胶球收球率低，凝汽器结垢现象严重，端差偏高，2#机组凝汽器端差年平均5.7℃，冬季端差高达7.7℃，致使凝汽器真空下降，煤耗上升。

2015年10月安装螺旋扭带后，2#机组凝汽器排汽温度降低5.56℃，背压降低2.03kPa，换热效率提高，机组煤耗降低，全年可节约标煤3100-3500吨。

5 结束语

发电机组冷端系统的运行状况直接关系到发电机组的安全稳定高效运行，凝汽器的清洁程度及换热效率也直接影响机组的效率，保持凝汽器换热管的清洁、提高换热效率对机组具有重大的节能意义。

本文结合介绍了螺旋扭带的工作原理及其结构和主要性能，并结合其在国内大型发电机组的应用案例，给出螺旋扭带凝汽器在线清洗及强化换热技术的如下信息，供从事电力、石油化工等行业相关人员参考。

（1）螺旋扭带可实现凝汽器在线清洗及强化换热两大功能，可长期保持凝汽器换热管清洁，使凝汽器传热系数提高20%以上，降低凝汽器端差，提高真空度，降低煤耗，提高机组运行效率。

（2）螺旋扭带扭带材质为特种高分子材料，材料强度、韧性、耐候性、缺口敏感度等性能优良，可耐强碱弱酸，可在-50至220℃温度环境下长期安全稳定运行。

（3）凝汽器换热管中安装螺旋扭带可长期保持凝汽器清洁，运行水阻小，不会对换热管造成磨损，保证机组安全稳定运行。

（4）螺旋扭带可应用于电力、石油、化工等行业的列管式换热器，有助于换热器提高换热效率，达到节能效果。

参考文献：

[1]赵斌等.汽轮机冷端优化的研究[J].热力透平，2007，36（01）：19-23.

[2]吴文龙等.凝不所器腐蚀与结垢控制技术[M].北京：中国电力出版社，2012.

[3]周文远等.凝汽器结垢对其性能影响和解决结垢问题的新措施[J].汽轮机技术，2002，44（01）：58-60.

[4]毛琨等.螺旋纽带在凝汽器中强化换热及除垢的应用[J].节能，2007（01）：42-44.

[5]张贵安.影响凝汽器传热端差的因素及对应措施[J].能源与环境，2004（01）：29-31.