包三1号机凝汽器改造方案.doc

一、 凝汽器成垢原因及除垢方法概述凝汽器是凝汽式汽轮机的的重要组成部分之一，其工作状况直接影响到整套发电设备的热经济性和运行稳定性。凝汽器在汽轮机的热力循环中起到冷源作用，降低汽轮机的排汽压力和排汽温度就可以减少汽轮机冷源损失，提高循环热效率。降低排汽参数的有效办法是将排汽引入凝汽器，使排汽凝结为水。凝汽器真空度、排汽温度和端差是衡量汽轮机凝汽器工作状况的重要指标参数。以300MW机组为例，凝汽器真空每下降1kPa，汽轮机汽耗会增加1.5%2.5%；若机组运行不当，使排汽压力比正常值升高1千帕，则机组效率降低1.2%以上，若使排汽温度降低5，机组效率将提高1%以上。真空过低时会限制机组出力，严重时要停机清洗，影响汽轮机组的经济效益；端差每升高1，机组单位煤耗将升高1克以上，当端差过高已经影响机组正常带负荷时，端差每升高1，机组单位煤耗将升高3.5克以上；通过以上数据可见真空度、排汽温度、端差是影响机组经济性的重要指标，也反应出汽轮机凝汽器的重要性。影响凝汽器真空度、排汽温度、端差的因素有很多也比较复杂，包括凝汽器的热传导特性、凝汽器热负荷、换热管清洁度、冷却水温、冷却水量、冷却水压以及冷却水系统特性等。对于一台已经投入运行的抽汽凝汽汽轮机机组，凝汽器的冷却面积、冷却水量、热负荷等已经基本固定，冷却水系统特性、冷却方式、冷却水温也受到发电厂地理位置的影响、季节气候等因素限制而基本无法人工调节。所以提高并保持换热管的清洁度是保持凝汽器真空度、排气温度、端差的最有效途径。凝汽器水侧的脏垢是导致凝汽器参数恶化的最重要和最常见的原因。水垢是一种与水的硬度密切相关的结晶体，当水被加热或蒸发时，水垢就会形成。污垢的形成是一种极其复杂的热量、动量和质量交换过程，而且污染现象遍及自然过程。电厂多采用井水、河水作为循环水，水中含有能溶解在水中的盐类、灰尘、泥沙、微生物等杂质，循环水系统的冷却水由于蒸发损失、风吹损失等不断浓缩，杂质在水中的比例也不断增高，因此，污垢的形成概率也高。水垢会阻塞凝汽器换热管管道或者附着沉淀在热传导表面，导致传热系数变大、热阻增加，使凝汽器的换热效率降低，降低凝汽器的使用率，不能及时的把汽轮机的所有排汽冷却成水，导致真空度下降、排汽温度升高、端差变大。对于凝汽器的结垢问题，在汽轮机检修时可以采用人工清洗、人工机械清洗、高压水清洗、化学清洗等办法，虽然可以解决部分结垢问题，但是都是在凝汽器已经结垢并且长期运行之后才停机除垢，汽轮机凝汽器在长周期带着垢的状况下运行产生了大量能量损失，严重影响汽轮机效率，影响汽轮机的经济性。对于正在运行的机组，解决凝汽器的结垢问题，可以采用反冲洗、加阻垢剂、胶球清洗的办法在线除垢；1、 反冲洗操作方便，安全可靠，可不停机进行，但是仅能冲去生物黏泥等松软的污垢，清洗不彻底；2、 加除垢缓蚀剂通过化学吸附，组织结晶成长或抑制晶体析出，但原水水质对阻垢效果有影响，需要经常添加除垢缓蚀剂以及排污，费用较高；3、 胶球清洗：不停机自动清扫，效果较好，但是要外加设备和动力，收球率低，无法去除钙镁等无机盐形成的盐垢，沉积物够下腐蚀现象普遍；所以几种在线除垢方法都达不到彻底除垢的目的，增加运行成本，还要等停机时采用机械和化学方法彻底解决除垢问题，但是随着机组的投运，凝汽器很快又将结垢，机组继续在凝汽器结垢的状态下低效率运行。二、在线式超声波除垢系统概述针对汽轮机凝汽器结垢问题严重，导致能源浪费和污染环境，以及有效除垢方法缺乏的现状，辽宁杰夫来国际科技发展有线公司通过国内国际上除垢技术的研究对比，独家引进了俄罗斯军工技术超声波在线除垢系统，该系统可以广泛应用与各种热交换设备，具有明显的除垢和阻垢效果，在提高生产效率的同时，实现节能环保目标，给用户带来巨大的经济效益和社会效益。在线式超声除垢技术，是利用超声波作用于管道内的流体介质，使其发生一系列的物理和化学变化以达到除垢、防垢目的。前苏联时期，该技术最先用于海军舰船动力系统的蒸汽动力装置，其主副锅炉的结垢一直是影响舰船锅炉寿命的主要原因，而且炉壁内壁腐蚀主要是由水垢引起的。水垢是一种盐类物质，具有较强的腐蚀作用，造成管道内壁的大量腐蚀，甚至被腐蚀穿孔。一艘舰船的主副锅炉一般使用三至四年就必须更换，每次需要几百万美元的经费，为了延长锅炉的使用寿命，通常的处理方法有化学软化法、离子交换软水法，以及除盐、除氧、加磷酸盐等方法，虽然这些措施在一定成都上缓解了海军舰船热交换循环系统的结垢情况，但由于各种原因，效果总是不尽人意，在经过大批的科技人员的长期研制之后，终于发明了超声防垢、除垢技术，并被前苏联海军大量采用，之后大大减轻了水垢的附着，对舰船延长寿命、降低油耗、节约经费、保持舰船动力性能有重要意义。在军工取得巨大的使用效果之后，这项技术已形成专利产品，随之应用于一些重要工业领域：核电、火力发电、石油化工、冶金矿山等。其中在发电厂凝汽器上的应用取得巨大成功，达到真正有效的除垢、防垢功能。三、 超声波防垢和除垢的原理超声波在线除垢系统利用超声波声能预防在换热器表面形成沉积物。在外壳和溶液介质间发生物理化学反应。由金属表面向水中释放空化气泡，形成大量结晶中心。在这些结晶中心的作用下，硬质盐类在没有解除设备内壁前，开始直接在水中晶化，水冷却流出换热设备。超声波振动促使液体中空化气泡打入换热器内壁水垢的毛孔和裂缝中。空化气泡的微型爆破能够使设备表面沉积水垢脱落。超声波在线除垢和防垢依靠空化效应、活化效应、剪切效应，以及抑制效应达到防垢、除垢效果。1). 空化效应超声波的辐射能使冷却水产生大量的空穴和气泡，也就是液体拉裂而形成无数极微小的局部空穴。当这些空穴和气泡破裂或相互挤压时产生一定范围的强大的压力，能使液体里的成垢物质粉碎，悬浮于液体介质中，使之生成的垢层破碎，易于脱落。 超声波的空化作用是在液体中的细小杂质溶解气体或固体物质的微粒周围发生的。水中的垢物微粒起到空化核的作用，引发空化作用，并在空化产生的能量作用下被粉碎、细化。空化使垢物微粒的体型改变，使垢物微粒团间聚合力降低。经超声波处理后的硬度盐微粒在成垢条件下只能析出疏散粉末状垢物，不在沉积板结超声波的空化作用是其发挥防垢、除垢效果的主要作用。超声空化是功率超声在液体介质中引起的一种特有的物理过程，是一个复杂的非线性声学问题。超声空化是这样产生的。存在于液体中的微气泡（空化核）在声场的作用下振动。当声压达到一定值时，气泡将迅速膨胀，然后突然闭合。在气泡闭合时产生冲击波，最终崩溃。这种微小气泡震动、膨胀、闭合、崩溃等一系列动力学过程称为超声空化。2). 活化效应超声波在液体介质中通过空化作用，可以是水分子裂解为H+和OH-。而OH-与成垢物质离子可形成诸如CaoH，MoH+等配合物，从而增加水的溶解能力，使其溶垢能力相对提高。3). 剪切效应因为超声波辐射在垢层和管壁上，吸收和传播速度不同，从而产生速度差。在垢层与管壁界面上形成相对剪切力，导致垢层产生疲劳而松脱。4). 抑制效应超声波改变了管道内液体的物理、化学物质，缩短了成垢物质的成核诱导期，刺激了微笑晶核的生成。这些晶核有很强的争夺水中离子的能力，能抑制粒子在壁面处成核和长大，使既定结构的晶粒长大，因此见笑了粘附于管壁上成垢离子的数量，从而减小了积垢的沉积速率。四、 在线式超声波除垢系统技术特点1、 在线运行：在不影响机组负荷和正常运行情况下，实时防垢2、 强力阻垢：在空化效应、活化效应、抑制效应下，新垢不再生成。3、 除垢彻底：在空化效应、剪切效应的作用下，沉积垢类逐渐膨胀、粉碎、松脱，直至彻底清除。4、 杀死和抑制生物活性物质：杀死在水中活性细胞，切断供氧来源，从而抑制生物生长，防止生物淤泥形成。5、 提高换热效率：在空化效应作用下，加速了冷却水内部热交换，提高了换热效率6、 防止换热管腐蚀：由于空化效应，金属 裂缝和水中的氧在压力的作用下，进入空化气泡中，起到除氧作用，减少收氧腐蚀，同时由于清除了老垢，消除了够累对换热器腐蚀7、 彻底消除滑雪除垢法对环境的污染。五、 包三电厂凝汽器运行现状包三电厂采用的是东汽N18000型单壳体双流程凝汽器。凝汽器参数表：序 号名 称单 位数 值1壳体设计压力及管侧设计压力MPa(g)0.1/0.252凝结器管子总有效面积184003传给循环水的净热负荷KJ/S3921184循环水量t/h365155管内平均循环水流速m/s2.36设计清洁系数0.97循环水设计进水温度208循环水允许最高进水温度339管子总水阻KPa(g)6610凝结器管子材料：顶部圆周段TP316L主凝结段TP316L空冷区TP316L11凝结器管子尺寸：管径壁厚250.7/0.5有效长度m10.915单根长度m11.04512管板材质、厚度Q235BTP316L13壳体材质、厚度Q235B、2514管板支撑板材质Q235B厚度16间隔750数量块6015凝结器热井容积m310016凝结器外形尺寸长宽高17凝结器与汽轮机排气联接不锈钢膨胀节18总重kg380000水室（每个）kg7300凝结器（不充水）kg340000凝结器（运行时）kg650000凝结器（满水时）kg120000019防腐措施 水室内壁采用涂环氧煤沥青20凝结器管子数量：顶部圆周段根780主凝结段根17569空冷区根1171合计:根19520备注：循环水温升10度5月20 实测凝汽器数据：循环水入口温度循环水出口温度排汽温度端差负荷真空162634.48.4186MW84.33KPa凝汽器设计值：入口温度端以上数据中可以看出凝汽器已经有结垢现象，在循环水入口温度为16时，凝汽器端差应为5，而实测温度8.4，比设计值高3.4度，现在是春季，循环水温度较低，以现状的端差比设计值高3.4度计算，单位能耗将增加3.4克以上，当夏季是循环水温度上升，端差将继续恶化，损失将是巨大的。六、 在线式超声波除垢系统改造方案为了解决凝汽器结垢问题，我公司的设计方案如下：1、 在凝汽器前入水口、前水室安装12套在线式超声波除垢系统，每侧各安装6套，每套各包含6个超声波发生器探头和一个脉冲电源；2、 在凝汽器后水室安装12套，每侧安装6套，每套各包含6个超声波发生器探头和一个脉冲电源；具体安装方案示意图如下：七、 安装超声波除垢系统能达到如下效果：1、提高热传导系数：不锈钢管内壁形成污垢的速度很快，根据文献，凝汽器不锈钢管清扫24h后，清洁系数从1.0变为0.692，实际传热系数由2.93kW/(m2)降到1.98 kW/(m2)，而0.1mm厚污垢的热阻足以让0.5mm厚的不锈钢管的导热热阻被忽略不计。如此短的积垢时间和低的传热效率，导致凝汽器长期处于低效率运行中。2、提高凝汽器真空度：真空每降低1，影响汽轮机热耗率增加086，真空降低2，影响热耗率增加172，影响供电煤耗增加697 gkWh（标煤）。凝汽器真空每下降1kPa，汽轮机汽耗会增加1.5%2.5% 3、降低排汽温度：污垢的导热系数很小，大大地增加了传热热阻，造成传热系数降低，使循环冷却水吸热不良，减缓了排汽的凝结速度，致使排汽压力升高、排汽温度升高。而排汽温度的升高又导致有更多的热量需要冷却水带走，使循环冷却水温度升得很快。冷却水温度升高后又进一步恶化真空，形成恶性循环。表面上看很容易判断为是由于冷却塔冷却效果不良所致，其实冷却水温度高的原因在冷却塔冷却效果一定的情况下是凝汽器真空低直接导致。4、使端差更接近设计值： N18000型凝汽器，正常运行中，循环水入口温度1430时凝汽器端差控制在5以内，运行一段时间后，凝汽器端差就升高到9左右，在夏季高温是端差将上升到10以上，严重影响机组经济运行。 安装在线式超声波除垢系统之后，凝汽器不再结垢，端差将接近设计值，使机组在最经济的状态下运行，使电厂单位能耗降低4度以上，节约大量能源。5、保护金属免受腐蚀：水动力强度降低的现象，在管壁表面和水垢的裂缝中，那里在一般条件下（无超声波）存有空气中的氧气，在超声波振动的作用下，它很容易从裂缝中排出来，清除管壁氧气，起到除氧作用；是一种清除钢管受氧腐蚀的设备。超声波的脉冲长期地作用于管的内壁表面，在微小裂缝附近使其更易变形的部分发生变化，借助于这些变形把裂缝的边缘封住，把水从设备里排出的时候里面不会渗入氧气。管子的内壁变得光滑了，而且微小裂缝的面积会迅速减小，减少了对管道的腐蚀。消除了换热器中的损坏，由此保护金属表面免受磨蚀。这种防腐蚀的作用取代了对管道表面的钝化。6、杀菌灭藻：当超声波使液体介质内许多微小的气泡破裂时，会产生能量极大的冲击波，把水体中的细菌细胞击碎，破坏了细胞膜的离子通道，改变了细胞的生存环境，使其丧失生存能力而死亡。同时激励后的水分子能将水中溶解氧包围封锁，切断了微生物进行生命活动所需氧的来源，从而达到了较好的杀菌灭藻效果，同时也防止了生物污泥的产生。八、 经济效益分析1、节煤效果显著根据端差和真空度的效益核算，一台300MW发电机组，单位能耗节约5克煤，按机组每年运行6000小时计算，每年节约标煤9000吨，按内蒙标煤300元计算，将每年节约270万元人民币，加上凝汽器的酸洗费用，化学添加剂的费用，人工费用，设备维修费用，其他费用按100万元；仅一年的直接费用就节约370万元以上，十年就是3700万元，可见凝汽器结垢问题造成的浪费是十分惊人的。所造成的环境污染及治理费用更是无法用价值估算的。2、 成本回收期短改造N18000型凝汽器需要24套超声波除垢系统，每套系统单价约15万元，24套约360万，改造后一年内可收回成本。3、降低运行费用水垢一般在凝汽器、热交换设备的管壁表面的生成，厚度取决于水的硬度、水处理的质量及专业人员的技术水平。有以下几种处理方法：化学处理、物理处理、水的磁化处理。在一个处理周期内（1-10年），各项处理费用和处