凝汽器胶球清洗技术优化研究

宗绪东

(华电国际技术服务中心，济南 250014)

0 引言

火电机组循环效率与新蒸汽参数及排汽压力有关。对于已经投运的机组，运行中新蒸汽初参数变化量较小，而排汽压力受凝汽器入口水温、循环水温升、凝汽器端差变化影响较大，对机组经济性影响大。热力试验数据表明：凝汽器真空每降低1 kPa，机组汽耗率约升高1.5%～2.5%，热耗率约升高70 kJ/(kW·h)，煤耗率约升高3～3.29 g/(kW·h)；凝汽器端差每升高10 ℃，供电标准煤耗率约升高1.5%～2.5%[1]。因此运行中加强对凝汽器端差的监控及调整是必要的，本文对凝汽器胶球清洗技术、集中发球技术、机器人清洗技术、螺旋纽带清洗技术等进行了分析和探讨，指出了适合不同电厂实际情况的改造路线。

1 凝汽器端差影响要素

凝汽器端差δt、凝汽器总体换热系数K的计算公式为

(1)

(2)

式中：△t为凝汽器循环水温升；A为凝汽器冷却面积；e为2.71828；Cp为循环水的定压比容；Dw为凝汽器循环水流量；d1冷却管外径；d2冷却管内径；aw水侧对流换热系数；as汽侧对流换热系数；λ冷却管的导热系数；Rf为水侧污垢热阻。

从式(1)、式(2)可以看出，在凝汽器面积、循环水流量、凝汽器热负荷一定的情况下，凝汽器端差主要受总体传热系数K影响；K取决于水侧对流换热系数、汽侧对流换热系数、凝汽器水侧污垢热阻；污垢热阻取决于凝汽器冷却管道清洁度。当冷却管道清洁度降低，凝汽器端差升高，凝汽器真空降低。另外凝汽器管道结垢还易导致点蚀等后果。较清洁的凝汽器可以使用15年以上，未及时清理污垢的可能会在3年之内出现穿透的情况[2]。

凝汽器冷却管道的清洁度取决于循环水水质、凝汽器胶球清洗装置运行效果。国内设计、配置传统凝汽器胶球清洗装置的火电机组占在运机组的99%以上，对于循环水质优良的机组，胶球清洗装置能够满足需要。但随着环保废水排放的标准不断提高，部分机组采用城市中水等作为补充水，导致循环水水质较差。一旦胶球清洗装置失常，必然导致冷却管道清洁度迅速降低。

2 传统凝汽器胶球清洗技术

传统胶球清洗装置由胶球泵、装球室、收球网、隔离阀门等组成。系统流程：循环水经胶球泵升压后，驱动装球室的胶球进入凝汽器，经收球网将胶球收集进行下一个清洗过程，如图1所示。整个发球过程始终是连续的，每次清洗时间2～3 h。

图1 传统胶球清洗流程

2.1 传统胶球清洗技术优点

传统胶球清洗系统简单，设备投资低，维护工作量较少。

2.2 传统胶球清洗技术缺点

传统胶球清洗技术的清洗效果较差；投球、收球过程需要人工操作，工作量大；部分热水回到凝汽器入口管道，导致凝汽器入口水温升高。且当循环水质较差时，传统胶球清洗装置清洗效果差，易导致凝汽器结垢，主要原因如下。

(1)投球数量较少(约为管束的7%～13%)，清洗效率低。

(2)胶球泵设计扬程、流量普遍较低，输送胶球动能不足，导致收球率低，冬季单台循环水泵运行时尤其突出。

(3)清洗范围受限制。其工作方式为连续运行方式，除第一次发球较为集中，其他时间发球均为分散式。由于凝汽器水室中间区域为主水流，阻力小，大部分胶球始终在中间区域通过，其他区域(尤其是两侧涡流区)无法得到清洗，容易附着黏泥或结垢。

(4)收球网易发生跑球、堵球，导致收球率降低。

胶球清洗装置收球网有∧型(德国Taprogge)和∨形(法国 Technos)两种。早期设计多为∨形收球网，收球口通流断面小，对杂物等敏感度高，容易堵球，收球网关闭不严密时容易跑球；现在大部分已改为∧型收球网，由于是两侧收球然后汇集到一个母管，导致水循环动力差，易发生一侧堵球，如图2所示。

图2 ∧型、∨型收球网

3 凝汽器集中发球技术

凝汽器集中发球为目前国内改造较多的技术，其特点均为集中发射，发球结束后关闭装球室出口门，通过收球网回收胶球至装球室，然后根据指令再次集中发射。目前主要有HDCOCS，CQM，VUES 3种技术路线，均能有效地降低凝汽器端差，其中HDCOCS收球网对恶劣水质的适应能力更强。

3.1 集中发球技术流程

(1)HDCOCS系统：循环水经大容量胶球泵升压，开启发球阀，驱动胶球进入凝汽器水室，发球阀关闭；收球网回收的胶球进入装球室汇合，热水经排出阀至凝汽器回水管道；根据系统指令开启发球阀，进入下一个清洗过程，如图3所示。

图3 HDCOCS流程图

(2)CQM系统：循环水经单向阀5进入大容量胶球泵升压，开启单向阀1驱动胶球经单向阀2进入凝汽器水室，关闭单向阀1、2、5；开启单向阀4、6， Y型滤网收球后经单向阀3进入装球室，循环水经单向阀4、6进入回水管道，再根据指令进入下一个清洗过程，如图4所示。

图4 CQM流程图

(3)VUES系统：压缩空气经气动门1进入装球室，驱动胶球经气动门2进入凝汽器后关闭气动门1、2，经锥形滤网收球后进入装球室，经气动门4将杂物由排污泵抽至循环水出水管道，再根据指令进行下一次清洗过程，如图5所示。

图5 VUES流程图

3.2 集中发球清洗技术优点

(1)清洗效果好，凝汽器端差低。每次发球都实现大流量集中、断续发球每次发球后关闭出口门进行收球，然后根据指令再次发球。中间区域管束进球后阻力增大，从而保证其他胶球能够进入边缘管道，大部分管束都能够得到清洗，这是集中发球技术优于传统胶球清洗技术的主要原因。某330 MW机组进行了HDCOS集中发球技术改造，改造后在额定负荷、凝汽器入口水温20 ℃工况，凝汽器端差比设计值低1.1 ℃，凝汽器真空比设计值高约0.3 kPa。

(2)投球率、收球率高。一次投球率高(清洗40%～100%的管束)，管束充满度高，正常运行工况下收球率达到95%以上。

(3)胶球输送动力强，速度快。驱动胶球的动力有压缩空气和大容量胶球泵两种。两者发球时间≤2 s，胶球集中进入凝汽器数量多，在冬季单台循环水泵运行工况，比传统胶球清洗装置运行效果好。

(4)自动化程度高，操作简便，人工操作量大大减少。

不同技术路线的优点各不相同：CQM、HDCOCS系统每次收球过程，随球返回的热水进入到凝汽器出口管道，不会导致凝汽器入口水温升高；HDCOCS、VUES技术系统配置简捷，维护成本低；CQM、VUES系统胶球磨损低；HDCOCS技术收球网为活动漏斗式，单排球口结构，活动网板得到反冲洗，没有堵球、跑球风险，能适应水质恶劣环境。

3.3 集中发球清洗技术缺点

(1)集中发球清洗技术设备投资相对胶球清洗系统高。

(2)CQM系统配置Y型固定滤网由于未配置清洁、排污装置，运行中无法打开。当循环水杂物较多时，容易堵塞滤网，导致循环水阻力增大。某330 MW海水冷却机组在运行中发生过杂物堵塞滤网被迫停机事件，存在安全风险。

(3)VUES锥形固定滤网运行中无法打开。滤网带有清洁刮板，上部设有排污口，通过排污泵抽水排出杂物，而循环水自上而下流动。从流体力学分析该排污设计是不合理的。实际运行中，排污效果较差，运行中发生过杂物聚集导致滤网破损事件，存在安全风险。

4 在线机器人清洗技术

机器人清洗技术主要有坐标移动机器人、关节机器人、化学清洗机器人。

4.1 在线机器人清洗技术流程

(1)坐标移动机器人，在凝汽器4个水室中分别设置有移动清洗管道，通过伺服电机控制滚珠丝杠的转动。2 MPa高压水(高压水泵提供)射流喷头在水平面内水平或垂直移动，在线清洗凝汽器管板和管道[3]。

(2)关节机器人，通过机械臂精确定位，引导高压水(10 MPa)射流喷头对凝汽器冷却管内壁进行清洗。在机械臂两个关节内装有伺服电机与减速器，通过下拉控制两个伺服电机转动，改变机械臂手部的坐标，使其移动到预先设定好的位置以实现对高压水射流定位[4]。

(3)化学清洗机器人利用“柱塞流”原理，采用“非进入式”清洗模式，运行中利用8个喷头，同时向凝汽器管道注入氨基磺酸并进行密封，浸泡酸洗后再进行酸液回收，实现在线酸洗。

4.2 在线机器人清洗技术优点

(1)采用在线机器人清洗时，原胶球清洗系统可不投入运行，无/减小胶球损耗。

(2)坐标移动机器人对凝汽器水室出、入口管道处清洁效果较好，能够避免杂物在管口处聚集。

(3)化学清洗机器人技术能够实现在线酸洗，对于已经结垢的管束清洗效果好。

4.3 在线机器人清洗技术缺点

(1)3种机器人清洗技术对比胶球清洗技术，均存在清洗周期长、清洗效率低的问题。

(2)坐标移动机器人、关节机器人均采用高压水作为冲洗介质。高压水冲洗离线清洗效果较好，但在线清洗时因循环水阻力大(约为空气阻力的800倍)，高压水动力在循环水中急剧衰减，管束内部清洗效果差，必须结合原胶球清洗系统运行。

某电厂2台1 000 MW海水冷却机组的2号机坐标移动机器人投入使用后，胶球清洗装置停运。1个月后#2机高压凝汽器端差比采用胶球清洗的#1机高1.2 ℃。重新投入胶球清洗装置运行后，#2机凝汽器端差恢复正常。

(3)坐标移动机器人、关节机器人的部分转动设备在凝汽器内，工作环境较恶劣，设备动态密封、防渗、腐蚀问题难以有效解决。且关节机器人存在卡管、别管的风险，无法对其进行在线维护与保养，出现故障必须停机处理。

(4)设备投资及运行、维护成本较高。

5 螺旋纽带清洗技术

5.1 螺旋纽带清洗技术清洗流程

在每根凝汽器换热管内安装高分子螺旋纽带，机组运行时无需外加动力，利用循环水自身的流速驱动，长期在换热管内不停地快速旋转(600～1 200 r/min)。螺旋纽带清洗技术将管内水的层流状态变为紊流状态，破坏水垢的形成[5]，从而避免泥垢等在冷却管壁滞留，提高换热系数。

5.2 螺旋纽带清洗技术运行效果

螺旋纽带清洗技术虽然能够改变冷却管道循环水的流动状态，减缓凝汽器管束结垢，但会大大增加凝汽器管束的进水阻力。在2台循环水泵运行时，进、出水压差增加0.05 MPa以上，不仅导致循环水温升明显增加(基本抵消了凝汽器端差的降低值)，而且造成循环水泵耗电率升高。

另外螺旋纽带在管束内转动、摩擦，易导致管束磨损、泄漏。大唐某300 MW机组安装螺旋纽带运行一年后，运行中凝结水质突然恶化，经停机检查后发现部分管束泄漏，被迫拆除。因此该技术存在很大的安全风险。

6 结论

通过对凝汽器在线清洗技术进行理论分析和运行效果比较，得出如下结论。

(1)当电厂循环水水质较好，传统胶球清洗装置运行正常，能够满足清洁需要，不必进行改造。

(2)当电厂循环水水质较差时，采用集中发球技术改造后运行效果好，其中HDCOCS活动收球网适应性更强。

(3)在线清洗机器人技术均存在清洗周期较长缺点。坐标机器人、关节机器人实际运行效果一般，原胶球清洗系统必须投入运行；化学清洗机器人对于已经结垢的凝汽器能够实现在线酸洗，清洗效果较好，可以考虑在恶劣水质环境下应用。

(4)从原理分析和实践证明，螺旋纽带技术不成熟，不建议采用该技术。