汽轮机凝汽器钛管化学清洗的创新研究及应用

欧少明，余伟权

(广东省粤电集团珠海发电厂，珠海 519050)



汽轮机凝汽器钛管化学清洗的创新研究及应用

欧少明，余伟权

(广东省粤电集团珠海发电厂，珠海 519050)

当凝汽器结垢的厚度超过一定程度时会造成钛管换热效率及汽轮机效率下降，需对钛管进行化学清洗。传统的大循环化学清洗有很多缺点且实施困难，造成钛管内的垢无法及时清除。为此，研发了小循环化学清洗工艺，利用外接管道将钛管串联起来，清洗的化学药剂只在钛管内循环流动，能彻底清除钛管内的结垢。该工艺具有安全、快捷、清洗时间安排灵活、系统简单、效果显著等优点，对于凝汽器钛管结垢严重的火电机组可大幅提高汽轮机真空，降低煤耗，对节能降耗起到积极的作用。

凝汽器；钛管；硬垢；大循环化学清洗；小循环化学清洗

随着国家对节能降耗的要求越来越高，火力发电机组的节能压力越来越大。为降低发电能耗，必须对造成能耗增加的因素进行消除或进行相应的技术改进。汽轮机凝汽器真空度降低是汽轮机能耗升高的主要原因，真空度降低会使煤耗上升，对于600 MW等级机组，真空度每降低1 kPa，煤耗升高2 g/kWh。

影响凝汽器真空度的主要因素是凝汽器冷却水管结硬垢，热阻增大，冷却效果变差。凝汽器经过长时间运行后，在冷却水管内壁形成了致密硬垢，从而导致冷却水管换热效率下降。钛具有良好的耐腐蚀性能，其表面氧化膜浸润性差，表面光滑不易结垢，因此火力发电机组凝汽器冷却水管广泛采用钛管替代铜管和不锈钢管[1-4]。钛金属的传热效率是水垢传热效率的300～400倍，结垢会使管束截面积变小，造成冷却水用量减少，能耗增加。凝汽器结垢容易造成垢下腐蚀，严重时导致设备穿孔，缩短设备使用寿命。发电厂在停机期间会采用高压水冲洗钛管，但这种方式只能清除钛管内壁浮泥及吸附的海生物，不能清除致密硬垢。为了保证凝汽器的换热效率，提高真空度，垢厚不小于0.5 mm或污垢导致端差大于8 ℃时应进行化学清洗[5]。通过钛管化学清洗可以提高机组的出力[6]。

1　钛管硬垢产生的原因

钛材表面有一层致密性钝化膜，它在氧化性、中性和一些弱酸性介质中非常稳定，表面光滑，污垢系数小[7]，投运后，一般不易附着污垢，无需进行化学清洗。但是，钛管在高温、恶劣水质条件下，结垢速度快。钛管硬垢主要包括水垢、泥垢和腐蚀物垢。

1.1水垢成因

珠海发电厂凝汽器为单元制一次循环系统，冷却水源为高盐分海水，海水通过两根循环水管先进入凝汽器冷却，然后直接排放至大海。凝汽器冷却水中溶解的盐类(如重碳酸盐、硫酸盐、氯化物、硅酸盐等)受热结晶浓度升高，一些盐因过饱和而析出，发生如下反应：

冷却水通过凝汽器时受热，溶解在水中的CO2逸出，水的pH值升高，此时重碳酸盐在碱性条件下发生如下反应：

当水中溶有氯化钙时，会发生下列置换反应：欧少明，等：汽轮机凝汽器钛管化学清洗的创新研究及应用

如水中有适量的磷酸盐时，磷酸根将与钙离子产生磷酸钙，反应为

上述反应产生的CaCO3和Ca(PO4)2均属微溶性盐，它们的溶解比CaCl2和Ca(HCO3)2要小得多。此外，CaCO3和Ca3(PO4)2的溶解度随着温度的升高而降低。因此在冷凝器的传热表面上，这些微溶性盐很容易达到过饱和状态而从水中结晶析出。当水流速度较小或传热表面比较粗糙时，这些结晶沉积物就容易沉积在传热表面上，形成水垢。

1.2泥垢及腐蚀物垢的成因

泥垢一般由颗粒细小的泥沙、尘土、不溶性盐类的泥状物、胶状氢氧化物、杂质碎屑、腐蚀产物、油污、菌藻的尸体及粘性分泌物等组成。上述物质在冷却水中起到CaCO3微结晶的晶核作用，这就加速了CaCO3结晶析出的过程。当含有这些物质的水流经换热表面时，容易形成污垢沉积物，特别是流速较慢的部分污垢沉积物更多。这种沉积物一般体积较大，质地疏松稀软，是引起垢下腐蚀的主要原因，也是某些细菌生存和繁殖的温床。

换热表面常有锈瘤附着，与水垢微生物及粘泥一起沉积在传热表面，除了影响传热外，更严重的是助长某些细菌的繁殖，最终导致换热表面腐蚀穿孔而泄漏。

2　钛管大循环化学清洗

2.1钛管大循环化学清洗工艺流程

为了清除凝汽器钛管内壁已形成的致密硬垢，采用化学清洗的办法，一般用弱酸进行酸洗。传统一般采用大循环的工艺流程(如图1所示)，需经过凝汽器水室清扫及钛管疏通、凝汽器汽侧灌水查漏、进出口水室封堵、连接清洗管道及设备(如图2所示)、碱洗、水冲洗、酸洗、水冲洗、压缩空气吹胶球、进出口水室封堵解除等步骤[8]。

图1　大循环流程

图2　大循环设备连接图

2.2大循环工艺流程的缺点

DL/T 957—2005《火力发电厂凝汽器化学清洗及成膜导则》中明确了凝汽器常规化学清洗工艺，该工艺在火力发电厂凝汽器化学清洗工作中使用较为普遍，技术较为成熟，但存在以下缺点：

a) 在化学清洗前要将循环水进出水管用钢板封堵严密，通过凝汽器人孔重新建立循环系统。清洗结束还要拆除封堵的钢板，工作量巨大，工作烦复。封堵时需要破坏衬胶，有可能导致酸液渗漏到管道内造成腐蚀。这也是很多电厂不轻易采用大循环化学清洗的重要原因。

b) 需配备独立大容积药剂箱。由于大循环清洗需要将体积巨大凝汽器进出水室灌满酸液，因此需要配备独立的大容积药剂箱，需要消耗大量的酸液，而这部分是不起作用的，过多的酸液也容易造成环境污染。

c) 清洗过程造价较高，耗时长。

d) 需要进行凝汽器灌水查漏，需要时间较长。

e) 由于酸液在水室内流动、积存，当水室衬胶有破裂时，无法发现，酸液会腐蚀碳素钢，造成水室腐蚀穿孔。

f) 因凝汽器换热管为水平布置，生成的CO2气体常因管内清洗液流速低而被滞留在管内的上半侧，影响清洗液在管内与上半侧水垢接触。故清洗凝汽器时管内下半侧水垢容易清洗干净，而管内上半侧水垢则不易洗净。

g) 不能快速检查清洗效果。

h) 在化学清洗过程中产生的CO2必须定期排放，否则容易造成超压，损坏设备。

i)一般通过打开凝汽器孔盖目测的方法检查化学清洗效果，容易存在死区。清洗结束后如发现某部分清洗效果不好，无足够的时间重新进行化学清洗。

3　钛管小循环化学清洗

3.1小循环化学清洗

3.1.1小循环化学清洗介绍

为解决大循环化学清洗中出现的问题，采用小循环化学清洗。该技术通过换热管接头(该换热管接头获得国家专利)进行管与管之间的串连，以形成单独的管路循环(如图3、图4所示)；用循环泵将药剂直接打入凝汽器换热管内，使清洗药剂只在换热管内流动，不与凝汽器水室接触，更有针对性地清洗换热管。

由于钛材设备的化学清洗有别于碳钢，在进行凝汽器化学清洗时，采取针对垢型和合适钛材的安全、高效的清洗配方和工艺，在除垢的同时能够有效抑制凝汽器钛管的腐蚀与吸氢[9](影响钛吸氢的因素有温度、pH值、应力、钛的表面状态等[10])，这对防止重大的设备损坏事故的发生非常重要。

图3　钛管连接示意图

图4　钛管实际连接图

氨基磺酸(NH2SO3H)对金属的腐蚀性很低，化学清洗采用氨基磺酸为酸洗介质，可以不成膜直接投运[11]。经过化学专业的试验，验证氨基磺酸对钛管的腐蚀性非常低，因此采用其作为酸洗介质。凝汽器钛管的硬垢96%以上是CaCO3，氨基磺酸与CaCO3反应式如下：

CaCO3+2NH2SO3H→Ca(NH2SO3)2+H2O+CO2↑.

3.1.2小循环化学清洗流程

小循环工艺的流程是：凝汽器水室清扫及钛管疏通→接管→查漏→化学清洗→水冲洗→压缩空气吹扫。

系统由配液箱、清洗泵、母管阀门，母管、压力表、支管连箱及支管、钛管接头等组成。按比例配好的清洗剂通过循环泵输送至支管连箱，药剂通过支管流经连接好的单组钛管管程然后回至配液箱，形成循环(如图5所示)。

图5　小循环设备连接图

3.1.3清洗过程

a) 清洗系统安装，钛管连接。根据管板的钛管布局合理地进行每组钛管串连，并用标记笔做好标记。检查管口是否有过多的结垢或者杂物，以保证快速接头安装牢固无泄漏。

b) 管线安装完毕以后，打开消防水向配液箱注水，同时开启循环清洗泵按正向流程由下而上开始向凝结器钛管送水，让消防水在管内循环，进行试压和接头、钛管泄漏检查。如有接头泄漏马上进行紧固处理，如钛管有漏则进行堵管处理。

c) 计算出清洗系统管程水容积，并保证配液箱水位在1 m，首先根据配液箱水容积把缓蚀剂按比例加入并循环10 min，确保混合均匀，然后依次加入钛金属专用清洗剂、助溶剂。清洗过程中要连续监测清洗液pH值的变化，当清洗液pH值不发生变化时，停泵拆除最上部一个钛管接头对除垢效果进行检查。

d) 清洗结束后清洗液排放至备用配液箱，通过酸度检测决定能否利用，如果不能利用，加入水处理药剂将pH值调整至中性，然后对外排放。

e) 采用淡水补水冲洗的方式冲洗30 min，并用pH试纸检测pH值，pH值为7左右停止冲洗，本组清洗结束。

f) 进行下一组清洗。

3.2小循环化学清洗的优点

a) 确保对凝汽器合理保护。药水直接接触换热管道，不会与循环水母管和水室内壁衬胶接触，将清洗的范围直接缩小到需要清洗的换热管本身，对衬胶起到很好的保护，对其他部位不需要额外进行隔离。

b) 不需要对水室和循环水管道有任何破坏性的改变。传统的清洗方法需要将循环水蝶阀进行封堵，这样对凝汽器造成了结构性破坏，清洗后的恢复是一个巨大的工程。恢复过程中若衬胶处理不好，容易造成水室碳钢腐蚀穿孔，严重时可能造成水室报废。

c) 对环境的影响降到最低。由于小循环清洗对大量的凝汽器换热管的清洗是一个划整为零的清洗，清洗药水可以重复利用。由于不需要对水室灌满酸液，药水使用量是传统清洗药水的70%，药水的循环又是在小管道内部，其回收和处理完全受控制，不需对外排放，解决了排放带来的后顾之忧。

d) 除垢效果更彻底。药剂在管程内流动性好，与垢化学反应更充分，除垢效率和效果更好，清洗效果便于控制、检查。

e) 不需要进行凝汽器灌水查漏，减少水的浪费，缩短查漏时间。

f) 冲洗时间及冲洗部位可以灵活掌握，可以根据需要及停机时间对部分钛管进行化学清洗。

g) 对于化学清洗效果不好的部位可以在短时间内进行重新化学清洗，而大循环化学清洗的准备工作量大，短时间内不可能再次化学清洗。

4　小循环化学清洗效果

珠海电厂700 MW亚临界机组配套径向流动、分隔水箱、表面式凝汽器，以海水为冷却介质，采用23 056根直径为25.4 mm,厚度为0.5 mm钛管为冷却管材，壳体为碳素钢，水室为碳素钢表面衬胶，清洗前结垢厚度为0.5～0.8 mm。凝汽器布置如图6所示。

图6　凝汽器布置图

小循环清洗工艺每天最多可清洗2 000根钛管，大概11天就可以将23 056根钛管清洗干净，小修工期一般为30天，在一个小修期内完全可以将所有钛管清洗一遍。

在2015年9月份珠海电厂1号机大修期间，用20天就将23 056根钛管内0.5～0.8 mm的硬垢彻底清理干净。经过抽查，本次钛管化学清洗除垢率达到98%。经过化学试验，酸洗的平均腐蚀速度为0.001 g/(m2·h)。由于清洗时间短，每根钛管的酸洗时间控制在1 h以内，腐蚀总量为0.001 g/m2。根据DL/T 957—2005《火力发电厂凝汽器化学清洗及成膜导则》要求，除垢率大于95%为优良，酸洗的平均腐蚀速度应小于1 g/(m2·h)，总腐蚀量应小于10 g/m2，本次钛管化学清洗达到优良水平。表1是用小循环方式化学清洗钛管前后的效果比较。

从表1可以看出，采用小循环方式化学清洗钛管后，真空值有较大提高，端差大幅度下降。图7、图8分别为化学清洗前后钛管内部结垢情况，从图8可以看出绝大多数垢已被清除干净。

表1　小循环化学清洗钛管前后效果比较(700 MW)

图7　化学清洗前钛管内部结垢情况

图8　化学清洗后钛管内部结垢情况

600 MW亚临界机组背压每降低1 kPa, 标准煤耗降低2 g/kWh；按背压降低2 kPa保守计算，标准煤耗可降低4 g/kWh。2台机组按年发电量6.9 TWh算，每年约可节标煤27 600 t，按1 t原煤等于0.714 t标准煤算，可约节约原煤38 655 t，按原煤价格500元/t计，每年约节省1 933万元，节能降耗、节约成本的效果十分明显。

5　结束语

小循环化学清洗是一种创新型的钛管化学清洗工艺，珠海发电厂参与了研发，并首次将其应用于汽轮机凝汽器钛管的化学清洗，取得了良好的效果。钛管小循环化学清洗工艺已获国家专利，它克服了传统的大循环化学清洗的缺点，具有安全、快捷、清洗时间安排灵活、系统简单、效果显著等特点，对于凝汽器钛管结硬垢严重的热电机组可大幅提高汽轮机真空，降低煤耗，值得大范围推广应用。

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(编辑查黎)

Innovative Research and Application of Chemical Cleaning for Titanium Tube of Steam Turbine Condenser

OU Shaoming, YU Weiquan

(Zhuhai Power Station of Guangdong Yudean Group Co., Ltd., Zhuhai, Guangdong 519060, China)

It will cause declination of heat-exchange efficiency of titanium tubes and efficiency of the steam turbine, therefore, it needs chemical cleaning for titanium tubes. Traditional large circulation chemical cleaning has many shortages and difficulties in implementation which may cause failure in timely cleaning for scales in titanium tubes. Thus, small circulation chemical cleaning is developed which uses circumscribed tubes to connect titanium tubes in series. Chemical agent for cleaning only circulates in titanium tubes and is able to thoroughly eliminate scales in titanium tubes. This small circulation chemical cleaning technology has advantages of security, quickness, flexible arrangement for cleaning time, simple system, remarkable effect, and so on. It is useful to greatly improve turbine vacuum and reduce coal consumption for those thermal generators with serious scales in titanium tubes in condensers, which can play a positive role in energy conservation.

condenser; titanium tube; hard scale; large circulation chemical cleaning; small circulation chemical cleaning

2016-03-10

2016-05-27

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.09.006

TM621

A

1007-290X(2016)09-0027-05

欧少明(1973)，男，广东高州人。工程师，工学学士，主要从事火力发电厂汽轮机技术管理工作。

余伟权(1970)，男，广东龙川人。高级工程师，工学硕士，主要从事火力发电厂管理工作。