凝汽器在线冲洗装置优化改造方案及应用效果分析

郝飞 ，杨文正，姚一鸣，杜炳强，梅海龙，段旺权

（1.国能南京电力试验研究有限公司，江苏 南京 210023；2.国电长源汉川第一发电有限公司，湖北 汉川 432321）

0 引 言

对于火力发电厂而言，节约能耗、减少能源浪费至关重要，提高并维持凝汽器真空，是有效降低发电煤耗的重要研究方向之一[1-3]。凝汽器是火力发电厂必不可少的辅助设备，其性能优劣直接影响到凝汽器真空，对整个机组的运行经济性产生很大的影响[4-5]，提高或维持凝汽器换热管束的清洁度，增强其换热能力可以有效地提高凝汽器真空，提高机组的运行经济性[6]。

凝汽器清洁系数是反映凝汽器换热管束清洁度的重要指标，而循环冷却水的水质和流速，以及在线清洗的方式等都会直接影响到这一指标[7]。对于沿江、沿海的开式循环冷却水机组，凝汽器换热管束易出现泥垢、生物粘泥等问题，换热管束水侧结垢较为严重，相较于传统的胶球清洗方式，凝汽器在线水冲洗装置能够更好地清洗凝汽器，有效地提高并维持凝汽器清洁系数[8]。但是改造过程中大多数电厂并未考虑在线水冲洗装置的对孔覆盖率、水室流场等关键性能参数，从而影响改造效果。

1 某火力发电厂凝汽器运行现状分析

国内某火力发电厂地处汉江下游，汽轮机为上海汽轮机厂生产的N330-16.67/538/538 型亚临界机、一次中间再热、双缸双排汽、单轴、凝汽式汽轮机。凝汽器为上海电站辅机厂生产的N-17500 型单壳体双流程表面式凝汽器，水室壳体为平板螺栓连接结构，冷却面积17500m2，冷却水量31600t/h，设计冷却水压力0.25 MPa，换热管束材质为TP304，设计管内流速2m/s，配套二次滤网和胶球清洗系统。

该机组采用江水直流循环，受丹江水库蓄水与南水北调工程的影响，水量和水质长期处于不稳定状态，循环水一直存在泥沙、贝类等问题，直接影响到二次滤网和胶球系统的正常运行。胶球系统往往需要持续几天甚至数周连续清洗，在此期间收球网始终处于收球状态，加上二次滤网的杂物堵塞，凝汽器水阻长期较设计值高约20%，即使在两台高速循环水泵运行状态下，循环冷却水流量也较设计值低约10%。

该电厂在春夏季节需要进行凝汽器半边隔离人工清洗，工作环境恶劣，清洗后效果只能保持2～3 个月，在设计循环冷却水温度下，凝汽器真空长期低于设计值约1.3kPa 运行。其次，原凝汽器水室的平板法兰结构导致循环水流场不均匀，如图1 所示，水室蓝色区域为流动死区，存在冷却水旋流和紊流现象，造成凝汽器水阻增大，对胶球清洗效果产生不利影响。

图1 凝汽器平板水室的循环冷却水流场分布

为解决上述问题，该电厂在1 号机组计划加装凝汽器在线水冲洗装置，同时对凝汽器的平板水室结构进行弧形水室改造，优化循环冷却水流场分布，确保凝汽器在线水冲洗装置的正常使用。同时通过此次改造消除传统胶球清洗系统胶球分布不均、除垢效果差以及堵塞换热管束等问题。

2 凝汽器在线冲洗装置优化改造方案

2.1 凝汽器在线水冲洗装置的工作原理

采用外部动力机构驱动凝汽器水室内部传动机构，带动喷射器管排形成直线移动、逐排定点冲洗，喷射器喷嘴与换热管孔精准对应，保持一定喷射距离与管口形成喷射泵，使换热管束内流速在设定时间内从2m/s 左右升高到6m/s 左右，迅速加快换热管束内部流速，冲走管口杂物和管内泥沙等沉积物，投运后可长期保持凝汽器换热管束具有较高的清洁度[9]，并可以有效防止换热管束被杂质堵塞。

2.2 优化改造方案

2.2.1 进口水室的优化设计

该电厂的1 号机组凝汽器进水水室为平板法兰结构，为防止水室超压变形，平板通过数根垂直的圆钢支撑，从而导致水室空间狭窄，影响在线清洗装置机械臂移动，对孔覆盖率达不到95%以上的技术要求。

基于上述难点，本项目通过有限元计算，将进水水室平板设计成具有良好承压特性的弧形水室，然后对设计好的凝汽器进口弧形水室进行流场模拟。凝汽器弧形水室的循环水流场分布如图2 所示，从流场分布图可以看出，设计改进后，消除了水室内部的流动死区，使得进入凝汽器换热管束的水流更为均匀，同时可以拆除垂直圆钢拉筋，确保在线冲洗装置机械臂的移动顺畅。

图2 凝汽器弧形水室的循环冷却水流场分布

该机组的弧形水室按0.4MPa 设计压力进行结构图设计和有限元分析，结果如图3 所示。

图3 凝汽器弧形水室结构图和有限元分析结果

2.2.2 出口水室的机械臂优化设计

针对凝汽器出水侧弧形水室的弧形半径较小问题，通过三维仿真分析，在机械臂关节对应处开孔焊接封头，提高了对孔覆盖率，将清洗不到的换热管束降低至428 根，使得对孔覆盖率达到95.95% ,满足了对孔覆盖率不低于95%的技术要求。优化设计后的机械臂如图4 所示。

图4 优化设计后的凝汽器出口水室机械臂结构

2.3.3 在线清洗装置系统配置

该机组的凝汽器在线水冲洗装置主要由循环水升压泵、清洗机构、传动机构、导向机构、传感器、PLC 控制柜和管路系统构成。清洗泵站配置大流量多级自平衡泵，泵站入口配置自动过滤器和加药混合器，取水口设在凝汽器二次滤网后。在A、B 进水侧分别配置单驱动清洗装置，在A、B 回水侧即混合侧分别配置双驱动清洗装置，四套清洗装置水平移动，逐排定点冲洗。凝汽器在线清洗装置在水室中的系统布置图如图5 所示，泵站部分系统示意图如图6 所示。

图5 凝汽器在线冲洗装置在水室中的系统布置图

图6 凝汽器在线冲洗装置泵站部分系统

凝汽器在线水冲洗装置主要由泵站、控制系统、水室冲洗机构等构成，整个系统可以与胶球清洗系统并存，且相互独立运行，改造过程中对设备原有系统影响极小，因此具有较好的系统适应性。

2.3.4 凝汽器在线清洗装置的运行方式

(1)自动在线冲洗：机组运行期间，由运行人员在DCS 操作，一键启动，清洗完毕后系统自动停运，运行数据实时显示和记录。该方式春夏季节每周2 次，按定点冲洗5min，每次冲洗时间28h，其他季节每周一次，全年可投运80 次左右。

(2)在线冲洗融合胶球清洗：春夏季节，在循环水运行压力较高情况下，胶球系统也可投运，若收球率受到管口阻塞影响，可以同时投运在线水冲洗装置，融合胶球系统快速抹去管内泥垢，同时有利于提高胶球收球率。

(3)停机检修期清洗：机组停运后，可启动在线水冲洗装置，代替人工清洗，快速、省时、节省费用。

(4)在线水冲洗装置加药酸洗：机组长期运行或水质变化均易产生硬垢，可在凝汽器半边隔离状态或检修期间，快速进行凝汽器喷药化学清洗，高速喷射加化学清洗结合使用，不仅可以在数小时内完成一次凝汽器化学清洗，还可减少70%以上药剂消耗和废液产生，最大限度提高凝汽器清洁度。

3 应用效果分析

为检验凝汽器在线水冲洗装置改造后的效果，分别进行了单独采用胶球清洗5 天（收球率约95%）、单独采用凝汽器在线水冲洗装置清洗5 天（2 次）的凝汽器性能测试对比试验，并将循环水进水温度和循环水流量修正到相同数值[10]。表1 为胶球清洗后与在线冲洗装置清洗后的凝汽器性能测试对比结果。

表1 凝汽器性能测试对比试验结果

从表1 的试验数据可以得出，凝汽器在线冲洗装置相比胶球单独清洗，凝汽器清洁系数提高了8.22%，凝汽器端差平均降低0.63℃，凝汽器真空提高了0.16kPa。根据汽轮机厂提供的凝汽器压力对热耗率修的正曲线可知，凝汽器压力每降低1kPa，热耗率下降约75kJ/(kW·h)，凝汽器在线水冲洗装置清洗后，汽机热耗率降低约12kJ/(kW·h)，折合发电煤耗约0.45g/(kW·h)。

需说明的是，上述性能测试是在设备投运较短时期相同工况下进行的，主要测试对比两种清洗方式，未对凝汽器进行改造前后性能的对比，因此没有反映改弧形水室结构后循环水流场改善带来的效果。

试验结束后，利用该机组临停时间对凝汽器进行检查，凝汽器在线水冲洗装置完好无损，在线冲洗装置所能覆盖的区域，换热管束通透率达100%，可见凝汽器在线冲洗装置对贝类和粘泥阻塞换热管束的情况具有较好的清洗效果。

5 结论

通过对凝汽器在线冲洗装置优化改造及应用效果分析，可以得出以下结论：

(1)沿江开式循环冷却水机组的凝汽器换热管束容易受到粘泥、贝壳类杂物阻塞，从而导致胶球在换热管束中堵塞，造成清洗效果不佳，收球率不高。

(2)不同类型的机组在进行凝汽器在线水冲洗装置改造时，会遇到水室空间不足而影响机械臂行走空间的问题，此时需要对水室或者对在线水冲洗装置的机械手臂进行优化设计，保证对孔覆盖率。

(3)相比于胶球单独清洗，在线水冲洗装置能够更好地清洗凝汽器中的粘泥、贝壳、藻类等杂质，对于维持凝汽器清洁系数和换热管束的通透率具有较好的效果。