1、凝汽器铜管水侧阻垢与强化换热技术的研究与应用吴剑恒（福建省石狮热电有限责任公司，福建 石狮 362700）摘 要：循环水杂质容易在凝汽器冷却铜管水侧形成水垢、污垢、生物黏泥等，造成传热系数降低、真空降低及沉积物下腐蚀，影响汽轮机组运行的安全性和经济性，通常采用加除垢缓蚀剂、胶球清洗、周期性停机清理等方法，但效果均不理想。安装在凝汽器铜管内部的螺旋纽带装置利用循环水的自身流动迫使水螺旋前进，基本消除了铜管内部边界滞留层的存在，实现了强化换热及防垢阻垢，达到节能、降耗、增效的目的，确保机组长周期安全、稳定、经济运行。关键词：凝汽器；螺旋纽带；污垢；阻垢；强化换热-Copper pipe conde
2、nser anti-fouling, applied with improved heat transfer technology research-Wu Jian-heng Fujian Province stone lion thermoelectricity limited liability company, the Fujian stone lion 362700)Concept: Circulating water impurities cool and adhere to the copper pipe in the water condenser, allowing the f
3、ormation of scales and dirt. Bacteria and mold adhere to the deposits and so on. This causes the heat transfer coefficient to be reduced, corrosion to form under the deposit and reduces efficient heat distribution throughout the pipe. The rubber ball method of cleaning, which requires periodically s
4、hutting down the system, is not ideal. Installing a twisted tape in the pipe reduces the stagnant, flat surface areas by causing the water to spiral so the water currents constantly sweep the surfaces and help to reduce the formation of deposits. This anti-fouling system increases the heat transfer,
5、 helps energy conservation, and makes the system dependable, stable, and less maintenance requisite.Key word: condenser; twisted tape; Dirt; Anti- filthy; Strengthened heat transfer. 0 前言：凝汽器是汽轮机组的一个重要组成部分，其作用是将汽轮机排汽冷却凝结成水，形成高度真空，使进入汽轮机的蒸汽能膨胀到远低于大气压力而多做功。凝汽器工作性能的好坏直接影响整个机组的安全性和经济性。凝汽器真空是表征凝汽器工作特性的主要
6、指标，是影响汽轮机组安全经济运行的主要因素之一。影响凝汽器真空的因素比较复杂，包括凝汽器传热特性、凝汽器热负荷、铜管清洁率、冷却水温、冷却水量、冷却水系统的特性等 1。然而，对于一台已经投运的抽汽凝汽式机组，凝汽器的冷却面积、冷却水量、凝汽器热负荷等已基本固定，冷却水系统的特性、冷却方式、冷却水温也受到电厂的地理位置、季节气候等因素限制。提高并维持较高的铜管清洁率的保持凝汽器真空高的最有效途径。凝汽器铜管水侧的脏污和结垢是导致凝汽器真空恶化的最主要也是最常见的原因 1，2 。循环水水质差或水中污垢等引起铜管内表面积垢或脏污，并随着时间的推移逐渐加厚，会导致铜管清洁率和总传热系数下降，换热效果差
7、，真空下降，降低机组热效率，影响机组出力。通常采用加除垢缓蚀剂、胶球清洗、周期性停机清理等以提高汽轮机热效率，但效果均不理想。现介绍一种安装在凝汽器铜管内部的螺旋纽带装置，其利用循环水的自身流动迫使水螺旋前进，彻底消除了铜管内部边界滞留层的存在，实现了强化换热及防垢阻垢，达到节能、降耗、增效的目的，确保机组长周期安全、稳定、经济运行。本文分析凝汽器水侧污垢的形成及危害，介绍一种螺旋纽带装置防垢阻垢和强化换热的原理以及实践应用效果，并提出一些建议与结论。1 凝汽器水侧污垢的形成及危害1.1 污垢的形成及特性污垢的形成是一种极其复杂的热量、动量、和质量交换过程，而且污染现象遍及自然过程。电厂多采用
8、井水、河水作为循环水，水中含有能溶解在水中的盐类、灰尘、泥砂、微生物等杂质，而敞开式循环水系统的冷却水由于蒸发损失、风吹损失等不断浓缩。一般来说，凝汽器铜管水侧污垢可以粗略按沉积物的形成机理分为三大类：水垢、污垢、生物黏泥，详见表 1。表 1 污垢的分类及其危害 3分类 来源 特性 危害水垢敞开式循环水系统中水垢的主要成分为 CaCO3，来源于 Ca(HCO3)2 的受热分解及 CO2 的散失。余量为铜、铁等腐蚀产物泥渣沉积物坚硬、致密，不易清除，一般需采用化学清洗方式除垢冷却效率降低、真空下降、端差上涨、负荷降低，且易产生垢下腐蚀污垢空气及补充水中杂质、灰尘、泥砂、微生物群体，以及金属腐蚀产
9、物的沉积疏松，用机械方法可清除危害小于水垢，但能加速水垢的生成和引起管端冲刷腐蚀生物黏泥 菌藻类的繁殖、滋生、新陈代谢产生的分泌物及微生物残骸 松软，用高压水可清除 冷却效率降低、真空下降、端差上涨，易产生黏泥下腐蚀1.2 污垢的危害循环水在凝汽器铜管内流动，吸收大量的热量，保证了汽轮机的正常运行。工业换热器内，一般管内流体的流动总是处于旺盛湍流状态 4。根据管内受迫流动换热理论 5，液体在管道内流动分为层流边界层、过渡流层、紊流区三种基本现象，并由于流体的粘性而具有不同的流动速度，见图 1。层流边界层是贴附于管壁的一层，流速非常缓慢，水中的CaCO3 等污垢最易滞留在管内壁上形成污垢；并且，
10、层流边界层虽然很薄，但仅靠导热换热，热阻很大，影响传热效果。 层 流 边 界 层紊 流 区过 渡 层图 1 管内流动情况及速度分布污垢的导热系数很小，大大地增加了传热热阻，造成传热系数降低，使循环冷却水吸热不良，减缓了排汽的凝结速度，致使排汽压力升高、排汽温度升高。而排汽温度的升高又导致有更多的热量需要冷却水带走，使循环冷却水温度升得很快。冷却水温度升高后又进一步恶化真空，形成恶性循环。表面上看很容易判断为是由于冷却塔冷却效果不良所致，其实冷却水温度高的原因在冷却塔冷却效果一定的情况下是凝汽器真空低直接导致 2。水侧污垢不仅使凝汽器清洁率下降和冷却面积减少，还改变了冷却水流量。所以，凝汽器水侧
11、污垢是导致真空恶化的最主要的原因。真空降低使蒸汽的有效焓降减小，会影响汽轮机组运行的安全性和经济性。电站凝汽器一般运行经验表明：凝汽器真空每下降 1kPa，汽轮机汽耗会增加 1.5%2.5% ；真空过低时会限制机组出力，严重时要停机清洗，影响汽轮机组的经济效益。而且，真空过低，会使低压缸、排汽缸温度升高，引起汽轮机轴承中心偏移，严重时会增大汽轮机组的振动；当真空降低时，为保证机组出力不变，必须增加蒸汽流量，从而导致轴向推力增大，使推力轴承过负荷，影响汽轮机组的安全运行 1。同时，沉积物下腐蚀是凝汽器铜管腐蚀的主要形态 3。沉积物造成铜管表面不同部位上的供氧差异和介质浓度差异会导致局部腐蚀。铜被
12、氧化生成的 Cu2+ 及 Cu+ 离子倾向于水解生成氧化亚铜，并使溶液局部酸化，加剧了腐蚀的发展，严重时造成针型腐蚀穿孔，导致铜管及管板泄漏，威胁着发电机组的安全运行，也直接影响发电厂的经济效益。并且，凝汽器铜管内壁形成污垢的速度很快，根据文献6，凝汽器铜管清扫 24h 后，清洁系数从 1.0 变为 0.692，实际传热系数由 2.93kW/(m2)降到 1.98 kW/(m2) ，致使排汽温度从 31.5上升到 35.5。而 0.1mm 厚污垢的热阻足以让 1mm 厚的铜管的导热热阻被忽略不计。如此短的积垢时间和低的传热效率，导致凝汽器长期处于低效率运行中。随着传热技术的发展，污垢已经日益成
13、为强化传热的主要障碍之一。一般采取缩短凝汽器清洗周期的方法来提高传热性能。螺旋纽带装置本着“预防为主，防清结合”的原则来防止污垢在铜管上集结，就省去清洗的麻烦了。2 螺旋纽带装置的工作原理螺旋纽带装置安装在凝汽器铜管内（见图 2） ，每根铜管安装一条。当汽轮机运行时，大量的冷却水在铜管内流动，它利用水的流速作动力，驱动螺旋纽带长期在铜管内自动旋转，水在纽带的作用下形成涡流不断冲刷管壁，对层流边层产生强烈扰动，使 CaCO3 水垢不易在管壁内停留，冷却水中的污垢和微小杂物等全部带出铜管，起到长期保持铜管内壁清洁干净无垢的作用，实现汽轮机在运行中自动、连续地清理水垢、污垢，彻底改变了传统的要停机时
14、才能进行清理凝汽器的老办法，有效解决了汽轮机真空下降而出力不足的难题，还降低了发电能耗 7。1.凝汽器铜管 2. 螺旋纽带 3. 连接环 4. 内塞 5. 支架 6. 垫片 7. 轴图 2 螺旋纽带装置结构示意图同时，旋转着的螺旋纽带引起管内强制旋流和二次流，使层流边界层流体及过渡流层流体与旺盛紊流区流体不断混合，缩小了层流边界层和过渡层，扩大了紊流区，强化了铜管的传热效果，使凝汽器的换热效率得到了显著的提高，从而提高汽轮发电机组的经济性。螺旋纽带装置是采用复合型高分子材料制成，它与水的密度基本相同，能较好地浮动在铜管的中心部位，可避免在运行时与金属的摩擦，最大限度地延长铜管的使用寿命。3 螺
15、旋纽带装置的应用及效果3.1 设备简介及存在问题福建省石狮热电有限责任公司 1 号汽轮机为 C6-35/8 型中温中压调整抽汽冷凝式汽轮机，于 1999 年 1 月投产发电。1 号汽轮机凝汽器为 N-560-1 型，分列二道制表面式，冷却面积 560m2，冷却水量 2208t/h，水阻 2.47mH2O，敞开式循环方式。 铜管总数为 2344 根，材质为海青铜 H70-1，铜管外径 20mm，壁厚 1mm，长度 3800mm。管子两端胀接在管板上，中间有管板支撑。由于当地用水紧张，循环冷却水浓缩倍率较高，自来水、循环水水质监测数据见表2。表 2 自来水、循环水水质监测数据PH 值 Ca2+/
16、mg/L总硬度/mmol/L总碱度/mmol/L氯根/ mg/L电导率/s/cm浓缩倍率循环冷却水 8.23 96.99 5.25 3.12 69.29 511自来水 7.70 20.80 0.802 1.12 12.78 105 6.55该机组投运 1 年后，真空逐渐恶化，机组出力受到限制，尤其夏季更为明显，即使有20t/h 抽汽量带 6MW 负荷时真空只有82kPa，纯凝工况就无法带满 6MW 负荷。在做真空严密性试验、凝汽器灌水查漏后确认真空降低的原因很可能就是凝汽器铜管水侧污垢。针对这种情况，我们先后采用反冲洗、加除垢缓蚀剂、人工机械清洗、高压水冲洗、化学清洗等方法，效果均无法令人很满
17、意，直到安装了螺旋纽带装置，才解决了致意难题。该机组采用的不同除垢方式的优缺点见表 3。表 3 不同除垢方式的优缺点对比表优点 缺点反冲洗 操作方便，安全可靠，可不停机进行 仅冲去生物黏泥等松软的污垢，清洗不彻底加除垢缓蚀剂 通过化学吸附，阻止结晶成长或抑制晶体析出 原水水质对阻垢效果有影响，需要经常添加除垢缓蚀剂以及排污，费用较高人工机械清洗 方便可靠，不产生化学废液 劳动强度大，清洗不彻底高压水冲洗 对铜管损伤小，操作周期短，安全可靠 清洗不彻底，效果不明显胶球清洗 不停机自动清扫，效果较好要外加设备和动力，收球率低，无法去除钙镁等无机盐形成的盐垢，沉积物垢下腐蚀现象普遍化学清洗 清洗彻底
18、，可对设备和系统管道进行循环清洗去除污垢和沉积物 化学物质对铜管造成一定的腐蚀伤害，操作周期长，费用比较高，化学废液还会污染环境装螺旋纽带装置 运行安全，强烈扰动层流边界层，既能防止污垢的生成，又可强化传热 成本略高于胶球装置运行成本3.2 螺旋纽带装置的应用效果2003 年 6 月，我公司从专业期刊上了解到杭州力通科技有限公司生产的螺旋纽带装置防垢与强化换热技术的原理及应用情况，经过认真调研，决定采用加装螺旋纽带装置。由于螺旋纽带装置只是起到保持铜管内壁清洁无垢和强化铜管传热的作用，安装前必须彻底清洗凝汽器(优先采用化学清洗方法 )，才能达到预期的效果。螺旋纽带装置安装简单，不须对凝汽器本体
19、作任何改动，不需外加任何动力，只要在每一根筒管内加一支螺旋纽带并固定牢固，用手旋转几周，灵活可动即可。螺旋纽带装置采用的高分子复合材料组成，耐温大于 100，凡闭式循环都可以用。经过 2 年多的运行实践，效果良好，机组均能带满 6MW 负荷，达到预期效果，具体表现在：凝汽器真空稳定，运行 2 年多后与刚安装时相比基本上没有变化；凝汽器开盖检查，其铜管内壁干净，基本没有结垢现象；并且，螺旋纽带装置状态良好。螺旋纽带安装前后的运行参数比较见表 3。表 3 螺旋纽带安装前后的运行参数比较表主蒸汽 循环冷却水时间电负荷MW进汽量t/h压力MPa温度调压器开度%抽汽量t/h进口压力MPa进水温度出水温度
20、排汽真空kPa排汽温度凝结水温度2002/06/03 5.0 29 3.38 425 0 0 0.149 37 42 82 59 572002/05/03 5.5 31 3.41 436 0 0 0.149 37 42 81 60 582002/04/18 6.0 39 3.43 437 19 10 0.149 36 42 82 59 582002/04/03 6.0 46 3.40 432 35 21 0.148 36 41 83 57 562002/03/18 6.0 52 3.37 430 48 29 0.098 34 40 84 55 54安装前2002/03/03 6.2 64 3.
21、39 437 82 40 0.098 34 40 85 54 532003/07/03 6.0 30 3.49 442 0 0 0.105 35 43 89 48 472003/08/03 6.1 32 3.38 436 0 0 0.104 36 43 88 50 492003/10/26 6.2 40 3.39 435 20 13 0.105 35 42 91 44 432003/12/18 6.2 65 3.42 438 85 43 0.104 33 40 94 47 362004/08/03 6.0 30 3.46 441 0 0 0.105 36 43 89 49 472004/12/
22、18 6.2 68 3.43 442 95 48 0.104 33 40 95 44 322005/08/02 6.0 30 3.38 439 0 0 0.105 36 42 88 50 482005/09/08 6.0 30 3.37 441 0 0 0.151 37 43 90 46 44安装后2005/12/20 6.3 69 3.46 444 100 49 0.105 33 40 95 44 32通过对以上有关数据比较分析不难看出，安装螺旋纽带装置后在同等条件下凝汽器真空上升了 79kPa，满足了汽轮机在夏季满负荷纯凝运行的要求。以凝汽器真空平均提高8kPa 计算，蒸汽的焓降增加值为
23、21.2kJ/kg，每小时进入汽轮机的 30t/h 蒸汽可以多作的功为 636000 kJ/h，每小时增加发电量 177kWh；按抽凝机组年平价运行 7500h 计算、电价0.40 元/ kWh，每年增加发电量 132.75 万 kWh，增加利润 53.1 万元。由于螺旋纽带装置在 1 号机组上取得了成功，并且成本仅相当于用除垢缓蚀剂的三分之一。我公司先后在 2 号机组凝汽器冷却铜管、3 台机组空气冷却器铜管内均安装了螺旋纽带装置，并计划在 3 台机组空气冷却器以及冷油器铜管内安装螺旋纽带装置。表 4 螺旋纽带装置的规格铜管 螺旋纽带装置安装位置规格/mm 材质 规格/mm 节距/mm凝汽器铜
24、管 2013800 H70-1 14 1.33800 85空气冷却器铜管 1911930 H68 13 1.31930 85冷油器铜管 1511465 HSn70-1 91.21465 554 建议与结论4.1 由于水中含有杂质，加上循环冷却水由于蒸发损失、风吹损失等不断浓缩，在在凝汽器冷却铜管水侧形成水垢、污垢、生物黏泥等，造成传热系数降低，真空降低，影响汽轮机组运行的安全性和经济性；4.2 安装在凝汽器铜管内部的螺旋纽带装置，利用水流速驱动在铜管内旋转，对层流边层产生强烈扰动，消除了铜管内部边界滞留层的存在，有效地实现了强化换热及防垢阻垢，从而达到节能、降耗、增效的目的，确保机组长周期安全
25、、稳定、经济运行；4.3 螺旋纽带装置安装前必须彻底清洗凝汽器，才能达到预期的效果；同时，进水口须加滤网，以防止柔性条状物缠绕纽带，影响转动；4.4 螺旋纽带装置既能防止凝汽器铜管内壁水垢的生成，又能强化传热效果，实践证明是一项成熟的实用性新技术，值得在凝汽器及直管表面式换热器上大力推广。参考文献：1 郑 李 坤 ， 顾 昌 ， 闫 贵 焕 运 行 参 数 变 化 对 凝 汽 器 真 空 影 响 的 探 讨 J 汽 轮 机 技 术 ， 2002， 44(6)，P362 3642 鲁 跃 峰 ， 陈 秀 萍 大 柳 塔 热 电 厂 3 号 、 4 号 汽 轮 机 真 空 低 的 原 因 分 析
26、及 处 理 J 汽 轮 机 技 术 ，2004， 46(5)， P390 3913 国 家 电 力 公 司 东 北 公 司 ， 辽 宁 省 电 力 有 限 公 司 编 电 力 工 程 师 手 册 动 力 卷 (上 册 )M 北 京 ：中 国 电 力 出 版 社 ， 20024 高 明 ， 等 换 热 器 结 垢 工 况 下 换 热 系 数 变 化 的 分 析 研 究 J 能 源 工 程 ， 2003(4)5 章 熙 民 ， 任 泽 霈 ， 梅 飞 鸣 编 著 传 热 学 (第 三 版 )M 北 京 ： 中 国 建 筑 工 业 出 版 社 ， 19936 李 勇 ， 曹 祖 庆 凝 汽 器 清 洁 率 的 概 念 及 测 试 方 法 J 汽 轮 机 技 术 ， 1995， 37(2)，P73 76， 867 专 利 号 ： ZL02266832.2
