凝汽器除垢技术在电厂节能减碳降污中的应用分析

朱 鹏 赵 晟 刘潮立 雷 鸣 齐星越 吴 江

1.华能国际电力股份有限公司井冈山电厂

2.上海电力大学能源与机械工程学院

0 引言

“双碳”目标的实现需要立足我国能源禀赋，积极稳妥地推进。2022 年火电装机容量占全国总装机容量的50%以上，起到了能源“压舱石”的作用。火力发电的节能与减碳降污，一直是研究的重要课题，也是实现“双碳”目标的重要内容。凝汽器作为热力循环的“冷端”，在凝汽器式汽轮机组中起着重要作用［1］，其冷源损失在火力发电各类损失中占到绝对比例。结垢是造成凝汽器冷源损失的重要原因，因此，采用适当的技术除垢防污，降低凝汽器冷源损失，从而降低厂用电，实现电厂节能和减碳降污，具有重要意义。

1 凝汽器结垢的原因及危害

1.1 结垢原因

凝汽器中循环冷却水的污垢主要是由污泥以及难溶性碳酸盐如碳酸钙等，结晶析出附着于汽轮机凝汽器的铜管换热面上形成的复合型硬质水垢。

凝汽器管道中的蒸汽、水是经过化学处理的，但其中的无机离子仍会吸附于管壁，浓缩析出后结成CaCO3、CaSO4、MgSO4等无机盐垢。水中钙、镁等盐类的晶核在范德华力作用下也极易被管壁上原有的水垢吸附。此外，系统设备被溶解在水中的氧腐蚀将形成铁锈垢，菌类繁殖和死亡则带来生物黏泥垢。各种因素使得水垢层不断增厚，管道的有效通径逐渐减少［2］。

1.2 结垢危害

凝汽器结垢会增加能耗、运维成本，并降低凝汽器的使用寿命，造成安全隐患［3］。

1）增加能耗

水垢的导热系数小且有一定的厚度，增大了热阻，会导致传热恶化，当传导同样多的热量时会使温差增大，从而使端差增大，真空度降低，引起汽耗率增加。垢层还会使高温蒸汽在凝汽器中的冷却效果变差，排汽温度升高，也使真空度下降，从而增加了热耗率和汽耗率。而且，垢层的存在减少了凝汽器中冷却水与冷凝器有效的换热面积。以上这些都会致使凝汽器传热效率降低，能耗增加［4］。

2）增加成本

结垢影响电厂的经济效益。为了除垢，要增加设备和人力物力的投入，而且影响电厂的正常运营以及除垢设备后期维护等，增加运行成本，降低经济效益和凝汽器的使用寿命并存在安全隐患。结垢使真空度降低，必须增加蒸汽流量来保障输出不变，因此增加了设备载荷，严重的甚至会损害机组设备。

3）生物污染

冷却系统为微生物提供了温暖潮湿的生存环境。细菌会在冷凝器和冷却塔填充物中生长，真菌会在冷却塔木材中生长，藻类会在暴露在阳光下的潮湿冷却塔组件中生长。杀菌剂处理对于保持冷却系统的性能和完整性非常重要，但即使有良好的杀菌剂处理，微生物仍可能附着在冷凝器管上。因此，必须清洗管子上的污垢。

2 常用的化学除垢技术

2.1 常规化学清洗

凝汽器化学水清洗方案如图1 所示，首先在凝汽器水侧建立化学水循环系统，关闭循环水阀门或用盲板把凝汽器原来的循环水系统隔离，利用凝汽器水室上下的排气、排水口，用耐酸胶管将凝汽器、化学水泵、化学水槽组成1个循环系统，并设置取样点、排气口、pH 监测点、排污口等。系统运行过程中，需动态监测化学水pH 值变化，并根据监测结果及时添加药剂。

图1 化学清洗系统示意图［5］

人工化学清洗是最广为人知和应用最广泛的方法，但也有其不足，在对换热器进行人工化学清洗后的压力测试过程中，经常会发生泄漏。既不能达到完全清洁的效果，也达不到设备的有效利用和节能的目的。化学试剂的使用不仅增加了机组报废的可能性，而且其试剂的排放给客户带来了污染问题。

2.2 在线化学清洗

在线化学清洗是近年来在化学清洗的基础上发展起来的，与化学清洗的最大不同是装置不停止运行［6］。在线单侧解列化学清洗采用氨基磺酸、剥离剂+缓蚀剂的工艺，耗时短，药耗少，效果好，但与传统的化学清洗相同，化学试剂的使用会带来一定的环境污染，在一定程度上限制了其在工业上的应用。

以色列CQM 公司开发的自动清洗管道系统(ATCS)是水冷却系统在线清洗技术之一［7］。它以水为工作流体，通过在预设的时间周期内运行软聚合物球，使热交换器和冷凝器保持清洁，消除污垢和残留物沉积，并且无有害化学物质的积聚。

2.3 在线机器人清洗技术

机器人清洗技术所用到的机器人主要有坐标移动机器人、关节机器人、化学清洗机器人等［8］。在线机器人清洗技术主要流程如下：

1)坐标移动机器人

在凝汽器4 个水室中分别设置有移动清洗管道，通过伺服电机控制滚珠丝杠的转动。2 MPa 高压水(高压水泵提供)射流喷头在水平面内水平或垂直移动，在线清洗凝汽器管板和管道。

2)关节机器人

通过机械臂精确定位，引导高压水(10 MPa)射流喷头对凝汽器冷却管内壁进行清洗。在机械臂两个关节内装有伺服电机与减速器，通过下拉控制两个伺服电机转动，改变机械臂手部的坐标，使其移动到预先设定好的位置以实现对高压水射流定位。

3)化学清洗机器人

利用“柱塞流”原理，采用“非进入式”清洗模式，运行中利用8个喷头，同时向凝汽器管道注入氨基磺酸并进行密封，浸泡酸洗后再进行酸液回收，实现在线酸洗。

凝汽器结垢化学清洗，随着清洗技术的不断发展、高效缓蚀剂的成功研制、化学清洗监控手段的进一步完善，得到了广泛的应用。用于凝汽器清洗时，具有清洗时间短、除污垢率高、劳动强度低、工艺简单等优点，而且可有效防止铜管的残余污垢腐蚀。

3 常用的物理除垢技术

3.1 人工捅洗

人工捅洗凝汽器是，采用捅条由人工对凝汽器管进行往复捅刷，以除掉管内的结垢。由于是人工捅洗，因此只能清除软垢和少量的硬垢，清除不彻底，劳动强度大，无法达到令人满意的效果。同时，对铜管的机械损伤较严重，而且没有除尽的老垢又作为晶核，加快了结垢速度。

3.2 胶球清洗

胶球清洗技术是电厂中广泛使用的凝汽器除垢技术，胶球清洗装置主要由喷球管道、二次滤网、胶球循环泵和收球室几部分组成。其工作原理是利用胶球输送泵将装球室内的海绵胶球送入凝汽器循环水进口，胶球在水流带动下进入凝汽器冷凝管，摩擦管壁起到清洗污垢的作用［5］。胶球清洗主要适用于较为严重的沉积污垢，优势为系统简单，设备投资低，维护工作量较少。但也存在一些问题，比如胶球易造成管壁的磨损，投球、收球需人工操作，工作量大等，为此人们研究了在线胶球清洗技术等来改善这些问题。

3.3 高压水清洗

凝汽器高压水射清洗就是利用高压水对凝汽器冷凝管内壁进行水射清洗。利用高压水泵，经过高压水枪，对每根冷凝管进行水射物理清洗，高压水射流技术取得了很好的效果，特别是在凝汽器冷凝管堵塞的情况下高压水射流清洗方面尤为突出。但是，凝汽器高压水射清洗也有严重局限性，高压水离开高压水枪喷嘴大概50 cm 后，水压受空气阻力迅速下降，使冷凝管只能清洗一小段距离，更深的则很难清洗。

3.4 超声波除垢技术

现有超声波防除垢装置由三部分组成：大功率超声波发生器、换能器和信号传输线。由超声波电源产生大功率超声频交流信号，该信号驱动换能器产生高频振动，之后通过变幅杆放大振动，使凝汽器的冷凝水中产生很多微小的空气泡，这些气泡破裂时会连续产生高温高压冲击壁面上的水垢，阻碍污垢生成并且使污垢软化脱落最终达到去除水垢的作用。长期保持凝汽器冷却管清洁，从而保持凝汽器真空，稳定机组发电效率［9-11］。

3.5 螺旋纽带清洗技术

螺旋纽带在线清洗技术是近些年发展较快并具有较好发展前景的方法，通过在换热管内装入螺旋纽带，在一定冷却水动能带动下，螺旋纽带在换热管内长期产生振摆和300～1 800 r/min 的自转。在周向刮扫剪切和径向振摆碰撞的共同作用下，达到对已有水垢的连续清理作用，并破坏垢质的形成机理，使垢不能在管壁上附着，对换热管有很好的防垢保洁作用［5］，示意图见图2。

图2 螺旋纽带示意图［5］

螺旋纽带清洗技术清洗流程：在每根凝汽器换热管内安装高分子螺旋纽带，机组运行时无需外加动力，利用循环水自身的流速驱动，长期在换热管内不停地快速旋转。螺旋纽带清洗技术将管内水的层流状态变为紊流状态，破坏水垢的形成，从而避免泥垢等在冷却管壁滞留，提高换热系数。60 MW 凝汽器，如果采用螺旋纽带自动除垢装置，年平均端差可降低5 ℃［12］。济钢燃气发电一期工程和新矿集团协庄煤矿的自备电厂采用了此技术。

3.6 智能电磁储能式抑菌除垢系统

智能电磁储能式抑菌除垢系统的作用机理是在电磁力的作用下，双向性水分子及附着在凝汽器表面的磁性氧化铁对水垢的渗透性得到加强，因此，改变了管壁和污垢的黏附力，使原有管垢逐渐脱落。而在电磁场力的作用下金属阳离子和酸根离子的取向运动使正负离子结合概率显著增加，生成钙、镁盐类从介质中析出，因此便不存在离子吸附管壁而后浓缩析出成垢的过程。析出的溶解态的钙、镁盐类，在高温下，随着其溶解度下降，形成碳酸钙、硫酸钙、碳酸镁、硫酸镁等颗粒状晶核悬浮在介质中，介质的流动会将它们带走，从而使凝汽器管壁上不容易结成新污垢，起到了除垢防垢的作用。同时在抑菌方面，电厂智能电磁储能式抑菌除垢系统也有优异的效果，该系统产生的高频电压脉冲和高频电流脉冲，再结合微弱电流作用下产生的活性氧，可破坏微生物的细胞壁和细胞核，起到杀菌灭藻的作用［13］。

除上述特点外，智能电磁储能式抑菌除垢系统还具备以下优点：主机全自动化，并具备故障自诊断功能；根据不同的介质，不同的负载能力，可以自动调节有效的输出参数，使其达到最优；采用智能组合式电磁技术，具有较好的稳定性；选用进口电子元件，使用寿命超过5 年；能源消耗低，不产生污染，不需要专业人员管理，环保经济；抗垢、除垢作用显著，杀菌、灭藻能力强，一次投资终生受益，节省能源，运行成本仅为传统化学水处理成本的20%；体积小，重量轻，安装使用维护简单，劳动强度低，节省人力和物力，从而实现火电厂的减碳降污。

该设备在井冈山电厂、安庆电厂、洛河电厂等多个电厂相继投入运行，其中最好的设备已经投入运行2年以上。结果显示，在该系统的作用下，管道内的旧垢在15 天左右就会被腐蚀、剥离，30 天后会有大量的脱落（根据污垢的厚度和数量而定）。与常规的电磁清洗系统比较，它对大直径的管道有着更好的除菌抑垢作用，并获得了1.5 m 口径的成功应用，是全球目前唯一一个成功应用于大型凝汽器的设备，在化工、石油等行业同样具有广泛的应用前景。

4 结论

本文对凝汽器除垢技术进行了较为系统的分析，结果表明，各种方法均具有一定的除垢效果，但也不同程度上存在不足，如人工清洗耗费大量的人力、财力，同时会影响机组运行，造成一定的经济损失；酸洗碱洗会产生污染液体，并且会对凝汽器造成损害腐蚀；胶球清洗对硬质水垢效果不佳，并且回收率低成本较高；高压水射流清洗则会对设备造成一定的损害。相比而言，智能电磁储能式抑菌除垢系统兼顾了经济性和除垢效果，且不会影响汽轮机组的正常运行，具有较为广阔的应用前景。