螺旋扭帶在線清洗及強化換熱技術(shù)的原理及其應(yīng)用

喬錦剛　張春香

摘 要：發(fā)電機組冷端系統(tǒng)直接影響機組的運行效率，而凝汽器是其核心設(shè)備，凝汽器結(jié)垢問題也是影響機組運行效率的重要因素。本文主要介紹螺旋扭帶在線清洗及強化換熱技術(shù)的工作原理、主要性能及其應(yīng)用，其可廣泛應(yīng)用于電力、石油化工等行業(yè)列管式換熱器，節(jié)能效益顯著。

關(guān)鍵詞：冷端系統(tǒng)；螺旋扭帶；端差；節(jié)能效益

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

0 前言

發(fā)電機組冷端系統(tǒng)主要由汽輪機低壓缸的末級組、凝汽器、冷卻塔、循環(huán)水泵、循環(huán)水系統(tǒng)及抽真空設(shè)備等組成[1]。而凝汽器是整個熱力循環(huán)的關(guān)鍵設(shè)備，主要作用是將汽輪機低壓缸的排汽凝結(jié)成水，在凝汽器內(nèi)形成高度真空，增大蒸汽的有效焓降，提高機組熱效率；將凝結(jié)水送回鍋爐循環(huán)利用；同時還具有一級除氧作用。凝汽器工作性能的優(yōu)劣，將直接影響汽輪機的經(jīng)濟性和安全性[2]。

凝汽器運行中最常出現(xiàn)的問題是凝汽器換熱管表面結(jié)垢，使整個凝汽器傳熱系數(shù)K降低，致使傳熱端差增大。如果換熱管內(nèi)壁結(jié)垢致使換熱管堵塞，將使循環(huán)水通流面積減小，水阻增大，冷卻水量減少，在一定的蒸汽負荷下，會引起機組排汽溫度升高。這些都將導(dǎo)致凝汽器真空下降，影響機組運行效率 [3]。

凝汽器清洗常用的方法有膠球清洗、高壓水槍清洗、化學(xué)清洗等。膠球清洗裝置能不停機在線清洗，但也存在收球率不高，容易堵塞換熱管，對硬垢清洗效果不佳的問題?；瘜W(xué)清洗容易造成凝汽器換熱管的腐蝕和損傷，且清洗效率低下。高壓水槍清洗為人工操作，勞動強度大。

在凝汽器換熱管內(nèi)加裝螺旋扭帶既能實現(xiàn)在線清洗，防垢除垢，同時還有強化換熱的作用，有效減小凝汽器端差，提高凝汽器真空，提高機組發(fā)電效率，使機組煤耗降低 [4]。

1 螺旋扭帶工作原理

螺旋扭帶在線清洗及強化換熱裝置主要由螺旋紐片、特種鋼支架、陶瓷軸承等部件構(gòu)成。它的工作原理是：在凝汽器每根換熱管內(nèi)安裝本裝置（圖1），當(dāng)機組運行時，無需外加動力，利用循環(huán)水自身的流速驅(qū)動本裝置的旋轉(zhuǎn)部件，長期在換熱管內(nèi)不停地快速旋轉(zhuǎn)（300-1800r/min），改變管內(nèi)水的層流為紊流狀態(tài)，破壞水垢的形成機理，變被動除垢為主動防垢，同時強化換熱，大幅度提高凝汽器的換熱系數(shù)K值20%以上。

1.1 在線清洗

水側(cè)污垢的形成一般要經(jīng)歷五個階段：起始、運輸、附著、老化、剝蝕。污垢形成的五個階段中只要有一個環(huán)節(jié)遭到破壞，污垢就難以形成。

針對水側(cè)管壁的結(jié)垢機理，螺旋扭帶打斷或干擾了污垢形成的三個關(guān)鍵階段。在起始階段，螺旋扭帶通過強化擾流和換熱，降低了換熱管內(nèi)壁局部溫度，從而降低了以碳酸鹽為主的硬垢的析出；在附著階段和剝蝕階段，螺旋扭帶通過刮掃管壁和強化擾流，防止了垢的附著，加快了硬垢及軟垢的剝離。

1.2 強化換熱

對型號為Φ20*0.6mm，材質(zhì)為304不銹鋼管。從低流速到高流速、低雷諾數(shù)到高雷諾數(shù)下的強化換熱效率進行測試，螺旋扭帶能有效提高水側(cè)管壁的換熱系數(shù)20%以上。

2 螺旋扭帶性能特點

2.1 材質(zhì)性能

螺旋扭帶螺旋紐帶由特種高分子材料組成，材料強度、韌性、耐候性、缺口敏感度等性能優(yōu)良，不會發(fā)生斷裂、水解等現(xiàn)象。螺旋扭帶連接件部分為特種鋼支架，結(jié)構(gòu)牢固，安全性高。轉(zhuǎn)動部件為陶瓷軸承，旋轉(zhuǎn)壽命可達50億次。

2.2 耐高溫性能

通過不同規(guī)格紐帶在不同溫度環(huán)境下的形態(tài)對比測試，比較其耐高溫特性。最終發(fā)現(xiàn)，螺旋扭帶可在-50℃至220℃溫度下長期運行不發(fā)生變形。在350℃時，材質(zhì)發(fā)生降解。

2.3 化學(xué)性能

螺旋扭帶所用高分子材料化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不溶于普通的有機溶劑，耐溶液性能優(yōu)良，耐弱酸強堿，但不耐強酸，可在堿性介質(zhì)環(huán)境下長期安全運行。

2.4 磨損性能

將型號為螺旋扭帶 M/16/04（寬度16mm，厚度0.8mm，長度12m）置于內(nèi)徑為18.8mm的不銹鋼管、給定水流速度達4m/s的環(huán)境下進行180天極限磨損性能測試（轉(zhuǎn)速2500r/min），扭帶寬度僅減少0.35mm，單邊磨損量0.18mm。將內(nèi)置螺旋扭帶的不銹鋼管與不銹鋼空管內(nèi)壁運行前后比較，無明顯變化，質(zhì)量也相當(dāng)。

2.5 水阻性能

對于管長12m、內(nèi)徑在18.8mm的內(nèi)拋光不銹鋼管，水流速度2m/s（Re=38000）時，內(nèi)置螺旋扭帶后，其水頭損失大約會增加0.02-0.043MPa左右。

3 螺旋扭帶對機組的影響

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標(biāo)，對汽輪機運行經(jīng)濟性和安全性均產(chǎn)生重大的影響。真空降低不僅令機組經(jīng)濟效率下降， 還會使排汽缸溫度升高， 引起機組軸中心偏移， 嚴重時會引起機組振動。凝汽器端差上升將直接影響到真空度。

端差推導(dǎo)公式如下：

可以看出，凝汽器端差δt與冷卻面積、傳熱量、傳熱系數(shù)和冷卻水量有關(guān)，傳熱越強，端差越小。一般情況下，大中型機組的δt=3℃～5℃，小型機組的端差值要高一些。在運行狀態(tài)下，δt的大小主要取決于傳熱系數(shù)K。

采用螺旋扭帶后，可使凝汽器長期保持清潔狀態(tài)，清潔系數(shù)提高，凝汽器管內(nèi)的冷卻水流方式被強制改變，從而實現(xiàn)強化換熱，傳熱效率可以提高20%以上，凝汽器端差δt有效降低2-6℃，降低排汽溫度，提高凝汽器真空度。

3.2 提高機組運行效率

凝汽器真空直接影響機組的運行效率，一般運行經(jīng)驗表明， 凝汽器真空每下降1kPa， 機組汽耗會增加1.5%～2.5%；而凝汽器端差每升高1℃，供電煤耗約增加1.5%～2.5%[5]。

采用螺旋扭帶后，凝汽器傳熱效率提高，機組端差、背壓下降，真空度提高，可使煤耗下降2-10g/kW.h，發(fā)電量提高2-5%，機組運行效率顯著提高。

4 螺旋扭帶在國內(nèi)大型發(fā)電機組的應(yīng)用

4.1 案例一

國內(nèi)某電廠2#機組（330MW）由于凝汽器結(jié)垢及冷卻塔面積不夠、填料堵塞等原因，造成機組背壓高，機組效率下降，嚴重影響機組發(fā)電負荷。

安裝螺旋扭帶后，全年平均端差由6.2℃大幅下降到1.2-2.5℃，凝汽器真空度明顯提高，機組效率顯著提升。

4.2 案例二

某熱電廠配備有2*300MW發(fā)電機組，由于采用城市中水，膠球收球率低，凝汽器結(jié)垢現(xiàn)象嚴重，端差偏高，2#機組凝汽器端差年平均5.7℃，冬季端差高達7.7℃，致使凝汽器真空下降，煤耗上升。

2015年10月安裝螺旋扭帶后，2#機組凝汽器排汽溫度降低5.56℃，背壓降低2.03kPa，換熱效率提高，機組煤耗降低，全年可節(jié)約標(biāo)煤3100-3500噸。

5 結(jié)束語

發(fā)電機組冷端系統(tǒng)的運行狀況直接關(guān)系到發(fā)電機組的安全穩(wěn)定高效運行，凝汽器的清潔程度及換熱效率也直接影響機組的效率，保持凝汽器換熱管的清潔、提高換熱效率對機組具有重大的節(jié)能意義。

本文結(jié)合介紹了螺旋扭帶的工作原理及其結(jié)構(gòu)和主要性能，并結(jié)合其在國內(nèi)大型發(fā)電機組的應(yīng)用案例，給出螺旋扭帶凝汽器在線清洗及強化換熱技術(shù)的如下信息，供從事電力、石油化工等行業(yè)相關(guān)人員參考。

（1）螺旋扭帶可實現(xiàn)凝汽器在線清洗及強化換熱兩大功能，可長期保持凝汽器換熱管清潔，使凝汽器傳熱系數(shù)提高20%以上，降低凝汽器端差，提高真空度，降低煤耗，提高機組運行效率。

（2）螺旋扭帶扭帶材質(zhì)為特種高分子材料，材料強度、韌性、耐候性、缺口敏感度等性能優(yōu)良，可耐強堿弱酸，可在-50至220℃溫度環(huán)境下長期安全穩(wěn)定運行。

（3）凝汽器換熱管中安裝螺旋扭帶可長期保持凝汽器清潔，運行水阻小，不會對換熱管造成磨損，保證機組安全穩(wěn)定運行。

（4）螺旋扭帶可應(yīng)用于電力、石油、化工等行業(yè)的列管式換熱器，有助于換熱器提高換熱效率，達到節(jié)能效果。

參考文獻：

[1]趙斌等.汽輪機冷端優(yōu)化的研究[J].熱力透平，2007，36（01）：19-23.

[2]吳文龍等.凝不所器腐蝕與結(jié)垢控制技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2012.

[3]周文遠等.凝汽器結(jié)垢對其性能影響和解決結(jié)垢問題的新措施[J].汽輪機技術(shù)，2002，44（01）：58-60.

[4]毛琨等.螺旋紐帶在凝汽器中強化換熱及除垢的應(yīng)用[J].節(jié)能，2007（01）：42-44.

[5]張貴安.影響凝汽器傳熱端差的因素及對應(yīng)措施[J].能源與環(huán)境，2004（01）：29-31.