金刚砂胶球在火电机组冷端治理中的应用

刘 彬，冯建光，马娅岚，李欣倩

(华能珞璜电厂 运行部，重庆 402283)

金刚砂胶球在火电机组冷端治理中的应用

刘 彬，冯建光，马娅岚，李欣倩

(华能珞璜电厂 运行部，重庆 402283)

某厂4台360 MW亚临界机组因为循环水水质问题引起凝结器脏污、背压升高、端差变大，使机组效率受到影响。该厂先后采用了人工冲洗和使用新型金刚砂胶球清洗这两种方法，冲洗了凝结器钛管，均取得了较好的效果。但是经过较长时间的运行生产后发现，人工冲洗存在冲洗不方便、冲洗效果不持久的缺点，而金刚砂胶球清洗具有使用方便、凝结器清洁度可以持续保持的优点。使用金刚砂胶球清洗对提高企业经济效益，减少环境污染有积极效果。

凝结器；背压；端差；金刚砂胶球；冷端

凝汽式发电机组能量损失最大之处在汽机冷源损失。汽机效率一般为40%左右，主要是冷源损失太大，机组排汽的大部分热量被循环水带走。冷端系统运行情况的好坏对机组的经济性影响非常大。

根据卡诺循环计算，机组效率为[1]：

式中：T1为初始汽温；T2为排汽温度。

作为发电厂，机组的初参数是固定的，受金属材料的允许温度限制。而机组在设计的循环水温度和流量条件下的排汽温度往往超过原设计值，T2越高，则蒸汽做功不充分，机组的效率ηt越低。冷端优化就是要尽量在合理范围内降低机组的排汽温度，减少冷源损失。

1 情况简介

某厂一二期共有4×360MW亚临界凝汽式机组。汽轮机为亚临界参数、一次中间再热、单轴、三缸、双排汽口、未级叶片1 055mm、纵树型叶根、冲动凝汽式机组。其设计排汽压力为4.9kPa。每台机组配置2台循环水泵，单台循环水泵容量满足机组所需50%的循环水量，循泵出水经沉砂池，后置滤网间，进入凝结器，然后到虹吸井，又经1条2 500mm×3 000mm的循环水暗沟到压力前池，尾水电站，再排入长江。

汽轮机低压缸排汽进入凝结器被循环水冷却。凝结器是一个表面式换热器，循环冷却水使用长江水。这是一种开式循环冷却水系统，优点是循环水温度低，冷却效果好。缺点是长江水中含有较多的微生物，容易在凝结器中滋生菌藻，增加凝结器的热阻，影响凝结器的换热效果，使得机组背压比设计值高。

2014年底到2015年初，一二期机组不同程度出现了凝结器端差高、背压较高的现象。一期2台机组背压5.8kPa，凝结器端差11 ℃；二期2台机组背压4.6～5.0kPa，端差8～9 ℃。

从该厂一二期机组的排汽压力对功率的修正曲线可以看出，凝结器背压提高1kPa，对功率的影响为0.5%～0.7%，约提高机组煤耗2.5g/(kW·h)。因此，冷端优化对于实现电厂节能降耗有十分重大的意义。

2 原因分析

2.1 真空严密性不好

真空严密性不好是指机组的真空系统存在漏点，漏入空气使得凝结器中存在较多的空气，影响了机组的背压和端差。真空严密性试验数据如表1所示。

表1 一二期机组冷端参数

从数据上看1#和2#机真空严密性不如3#和4#机，凝结器端差也明显大于3#和4#机。对此攻关小组对2#机开始了真空系统查漏。

1月12日，对2#机真空系统查漏结果如下：发现3#低加水位计上隔离门ABPHV068、3#低加液位筒上隔离门ABPHV057微漏，通知检修人员对上述部位进行紧固；发现辅气联箱事故疏水手动门内漏，通知机组人员开缺陷单通知检修。处理后，再做真空严密性试验，真空下降速率并没有明显变化。

根据有关资料可知，机组真空系统严密性在400Pa/min以内并不会对凝结器真空和端差起到明显的影响。因为真空泵持续运行，漏入凝结器的空气会很快被真空泵抽掉。为了验证这个观点，1月20日，在1#机做启动第2台真空泵实验：试验前，1台真空泵运行；试验期间，两台真空泵运行。增加真空泵数量试验的数据参见表2。

表2 增加真空泵数量试验

由此可见，真空严密性在260Pa/min左右，不会对凝结器背压和端差产生明显的影响。凝结器背压与真空严密性的关系如图1所示。

图1 凝结器背压与真空严密性的关系

结论是：一二期机组的真空严密性在合理范围内，对凝结器背压不会产生明显影响。

2.2 胶球清洗装置胶球尺寸问题

胶球清洗装置是利用胶球通过凝结器钛管对其进行擦洗，以保持钛管的清洁度，减少热阻。凝结器清洁度不好，会降低循环水换热效果，引起凝结器真空降低。

攻关小组第二次检查筛选胶球时发现，2#机胶球装置的胶球尺寸在长时间使用后，大部分偏小。全面检查发现2#机胶球装置正常，胶球数量足够，满足要求。但是，取出2#机胶球收球室的300个胶球，使用游标卡尺随机测量30个胶球直径，小于17mm以下的多达22个。按照凝汽器钛管设计直径尺寸17mm的标准，不合格率占到了73.3%左右。将此情况汇报给汽机专业人员，及时通知检修汽机一班将胶球更换，确保了胶球装置的清洗效果。

凝结器钛管内径17mm，选用胶球直径17mm。厂家建议胶球最好的清洗效果是胶球直径比钛管略大1mm。但是胶球清洗系统要求凝结器进出口要有35～40kPa的差压，才能保证正常收球。该厂一二期循环水是从沉砂池自流进入凝结器的，循环水压力偏低，不容易满足差压要求。故在选择胶球时选择了17mm的胶球，胶球与钛管直径一样。经过一段时间运行后，胶球磨损，直径普遍偏小，清洗效果有限。

更换了新胶球，投运多日后观察，凝结器背压和端差没有明显变化。究其原因是：胶球直径偏小；普通胶球摩擦力较小，清洗效果不佳。

2.3 凝结器脏污

攻关小组第三次活动利用各机组停机机会检查凝结器循环水水室的清洁状况，发现2#机凝汽器循环水钛管较脏，如图2所示。

图2 凝结器循环水出口水室

正常清洁的凝结器钛管，能够看见金属颜色。从2#机凝结器出口水室的人孔检查，钛管表面附着一层像稀泥一样的东西，钛管内壁不能看见金属颜色。由于凝结器脏污，热阻增大，换热效果明显下降，所以一二期机组不同程度出现背压不能达到设计值，冬季端差大的现象。

一二期机组的循环水由于是使用的长江水，水质不能保证，含有较多的微生物，而凝结器中循环水温度在28～40 ℃，非常适合微生物生长，所以在凝结器钛管中容易滋生菌藻，进而增大热阻，影响换热。在夏季，长江水中泥沙含量大，凝结器端差较小，钛管清洁度也好。其主要原因就是泥沙对钛管的冲刷作用，可以把钛管内壁附着的菌藻都冲刷掉。所以，夏季一般都停运胶球清洗装置，而钛管依然可以保持很好的清洁程度。当长江进入清水季节后，江水变清，失去了泥沙的清洗作用，凝结器就容易脏污。尤其是到了冬季，凝结器脏污可以使背压明显提高，影响机组带负荷。

2011—2012年，一二期机组分别安装了胶球清洗装置，凝结器的脏污情况有好转。但是，由于胶球的问题，清洗效果不能达到理想状态，在清水季节打开凝结器经常会发现凝结器脏污，尤其是在换热管的后端。

通过检查和分析确认，凝结器脏污是一二期机组背压较高、端差大的主要原因。胶球清洗装置清洗效果有限，不能保证凝结器清洁。所以，冷端治理攻关的主要目标是设法保证凝结器清洁。

3 措施与对策

3.1 人工清洗

因为凝结器钛管数量多达22 880根，人工清洗工作量大。由于凝结器循环水侧分A、B两侧，中间隔断，机组运行时也可以利用低负荷停运一侧清洗。但是，由于清洗时间长，清洗过程影响机组带负荷，往往需要中断清洗，待下一次低负荷时再次做安全措施进行清洗，且在清洗较高地方还需要搭架。由此可见，在机组运行时进行清洗非常麻烦。这次该厂的2#机是利用停机机会，用了约1周时间完成了2#机凝结器2万多根钛管的清洗。清洗方法是利用高压水枪，对每根钛管进行冲洗。冲洗时能看见泥浆一样的浑水，直到流出清水，表示1根钛管清洗干净。清洗前2#机的相关数据见表3。

表3 人工清洗前2#机的相关数据

2月9日机组调停，人工清洗了2#机两侧凝结器钛管，2月22日机组重新启动。取2月24日，2#机满负荷时的数据，如表4所示。

经比较，在循环水温度上涨了1.5 ℃的情况下，同样的负荷本应需要更多的循环水，需增加更多的循泵电耗，而实际上清洗后满负荷时单机少运行了0.5台循泵，背压只上涨了0.2kPa，变化不大，端差却下降了4.7 ℃。从经济性上比较，在机组背压变化不大的情况下，单机满负荷可以减少0.5台循泵的电耗。电厂的循泵功率大，耗电多，一期循泵正常运行约3 000kW的功率，一个月下来可以节约电能1 080 000kW·h，约合45万元。

表4 人工清洗后2#机时的数据

可见，冷端可挖掘的潜力是巨大的，清洗一次花费几万元，而清洗一次取得的收益是巨大的。在2#机冲洗效果确定后，该厂随后对1#和4#机的凝结器也进行了人工清洗，清洗后的效果也很明显。

但是，人工清洗也有局限性：一是清洗过程复杂，要彻底清洗，需要停机1周的时间；二是清洗后，随着时间推移，凝结器又会逐渐脏污。

3.2 使用金刚砂胶球清洗

在2015年6月，该厂发现3#机凝结器的背压同样工况下比往年高，端差也较大。虽然年初对凝结器进行了人工冲洗，但经过4个月时间，3#机凝结器也出现了背压较高、端差大的现象。因为已经进入夏季，机组启停比较频繁，不容易找到较长的停机时间进行人工清洗，于是该厂人员换用了一种新型的金刚砂胶球。

金刚砂胶球(见图3)与普通剥皮球(见图4)的区别在于外部附着了一层金刚砂。

图3 金刚砂胶球

图4 普通剥皮球

金刚砂胶球分为全金刚砂胶球和半金刚砂胶球两种。金刚砂胶球适用于清除各种结垢沉积较多的管道。

2015年7月3日，对3#机A凝结器投运使用金刚砂胶球的清洗装置，清洗时间为24h。清洗前的机组参数如表5所示。

表5 清洗前的机组参数

7月4日，对3#机B凝结器投运使用金刚砂胶球的清洗装置，清洗时间为24h。清洗后的机组参数如表6所示。

从表5和表6可以看出，在机组负荷、循环水温和循泵运行数量完全一样的情况下，清洗开始后凝结器端差和背压明显下降。清洗前凝结器背压7.24kPa，端差5.4 ℃，清洗后凝结器背压5.83kPa，端差2.2 ℃。同样工况下，凝结器背压下降了1.41kPa，端差下降了3.2 ℃。

表6 清洗后机组参数

进而将金刚砂胶球推广到该厂一二期4台机组，都取得了和3#机相似的效果。凝结器背压下降了1～2kPa。

利用停机的机会，我们观察3#机凝结器出口水室中的换热管道，可以观察到金属本色，原先附着在换热管道上的淤泥一样的菌藻，基本清除干净，如图5所示。

图5 清洗后的凝结器钛管出水口

与图2相比较，钛管内壁清洁程度有明显提高。

4 经济效益分析

从表5和表6可以看出，投运2天后，3#机的凝结器背压和端差都持续下降。

清洗后凝结器背压5.83kPa，端差2.2 ℃。同样工况下，凝结器背压下降了1.41kPa，端差下降了3.2 ℃。以凝结器降低1kPa可以节省标煤2.5g/(kW·h)来计算，按此背压下降幅度可节省标煤3.525g/(kW·h)，节能效果明显。

1)该厂一二期4台机组近一年发电量为50.9亿kW·h，一年可节省标煤：

50.9×108×3.525×10-6=17 942(t)

2)以标煤平均价格600元/t计算，大约可以节约燃料费用：

17 942×600=10 765 200(元)

约1 077万元人民币。

3)减少二氧化碳排放量：4.30×104t。

4)减少二氧化硫排放量：45.93t。

5)减少氮氧化物排放量：18.0t。

6)减少烟尘排放量：4.89t。

5 关键技术与创新点

金刚砂胶球和普通胶球的球体材质并没有太大的区别，而关键在于金刚砂胶球表面附着了一层金刚砂。金刚砂是粘土中的二氧化硅和碳在高温下生成的碳化硅，有较强的硬度。把金刚砂用于胶球清洗，对胶球的清洗能力有明显的提高。

在胶球投入运行后，金刚砂增大了胶球擦洗换热管道的摩擦力，能有效地清除换热管道上的菌藻和积垢，降低换热管道的热阻。

6 后续措施

由于金刚砂胶球对管道有一定的磨损。该厂降低了胶球装置的投运频率，将之前的2天投运一次，改为了3天投运一次。每次清洗时间也从投运8h，缩短到2h。通过对机组端差和背压的观察，确保凝结器清洁的同时，也尽量降低金刚砂胶球对钛管的磨损。

7 结论

在使用开式循环水系统的机组中，凝结器脏污是影响冷端效果的一个重要原因。保持凝结器清洁，是提高机组效率、降低煤耗的重要手段。使用金刚砂胶球清洗凝结器具有使用方便、清洗效果好的特点。实践表明，在生产中使用金刚砂胶球，有效地降低了机组背压和凝结器端差，其经济效益可观。

[1] 程守珠，江之永.普通物理学[M]，北京：高等教育出版社，1989：89.

A Study on the Application of the Emery Rubber Ball in the Cold End Treatment of the Thermal Power Unit

LIU Bin，FENG Jianguang，MA Yalan，LI Xinqian

(Operation Department of Luohuang Power Plant of CHNG，Chongqing 402283，P.R.China)

Problems like the smudginess of the condenser，the rise of the back-pressure and the increase of the terminal temperature difference caused by the water quality of the recirculating water have influenced the efficiency of four 360MW sub-critical units in a power plant．Artificial flushing and a new-type method with the help of the emery rubber ball have been successively used to clean the titanium tube of the condenser，both of which have proved effective．A long period of operation has revealed both the disadvantages of the former such as its inconvenience and non-persistent effect and the advantages of the latter such as its convenience and lasting effect．Therefore，the latter is effective in improving economic benefits of the enterprise and reducing environmental pollution．

condenser；back-pressure；terminal temperature difference；emery rubber ball；cold end

2016-11-03

该文获重庆市电机工程学会2016年学术年会优秀论文二等奖

刘 彬(1973-)，高级工程师，主要从事电厂汽轮机运行工作。

TK264.11

A

1008- 8032(2017)01- 0043- 05