膠球清洗系統(tǒng)改造前后二次濾網(wǎng)、海綿膠球與管道污垢內的性能影響？
膠球清洗系統(tǒng)改造前后二次濾網(wǎng)、海綿膠球與管道污垢內的性能影響？膠球清洗系統(tǒng)基本組成有哪些？受哪些因素影響？今天連云港市宏琦電力輔機廠家?guī)е蠹乙黄鹋e例分析一下。
以張家口電廠６號機膠球清洗系統(tǒng)改造與運行效果為例分析。
張家口發(fā)電廠６號機（３００ＭＷ）的膠球清洗裝置采用自旋轉均布投球、旋轉自清潔固定二次濾網(wǎng)和收球網(wǎng)、膠球自動計數(shù)等新技術進行改造，經(jīng)試驗測試和運行優(yōu)化后投球率為２０％，每分鐘平均膠球循環(huán)率為１００％，５分鐘收球率達９８％，水阻達到ＤＬＴ５８１－９５的要求，采用的硅膠膠球壽命可達半年以上，冬季可正常運行。對比試驗表明，機組真空平均提高０．６５ｋＰａ，年平均節(jié)煤１．６３ｇｃｅ／（ｋＷ·ｈ），年節(jié)能效益１６５萬元。
隨著國家節(jié)能減排工作的持續(xù)深入，火電機組如何繼續(xù)挖掘機組自身潛力，降低單位煤耗，提高機組運行效率，已經(jīng)成為發(fā)電企業(yè)生產(chǎn)運行的重要工作。電廠凝汽器的真空度對供電煤耗影響十分明顯，通過選用先進、可靠的膠球清洗技術和設備，加強凝汽器膠球清洗系統(tǒng)的運行和管理，提高換熱效率，可有效提高凝汽器真空。以３００ＭＷ火電機組為例，如果凝汽真空平均提高０．６ｋＰａ，機組發(fā)電煤耗約降低１．８ｇ／（ｋＷ·ｈ），可節(jié)約標煤大約３０００噸／年。膠球清洗系統(tǒng)的正常投用，不僅可給電廠帶來直接的經(jīng)濟效益，還能減少金屬腐蝕，延長機組壽命，減少化學水處理費用，免除人工清洗，并減少停機時間及由此造成的間接損失。對大唐國際股份公司所屬的十余家電廠的膠球清洗系統(tǒng)運行情況調研表明，膠球收球率在９０％以上的不足１／３，完全不能投入的使用的占１／３。
２０１２年４月，大唐國際張家口發(fā)電廠６號機組膠球清洗系統(tǒng)采用清華大學自主研發(fā)的自旋轉均布投球、旋轉自清潔固定二次濾網(wǎng)和收球網(wǎng)、膠球自動計數(shù)等新技術進行改造，自２０１２年６月投運以來運行穩(wěn)定，節(jié)能效果明顯。結合大唐國
際張家口發(fā)電廠６號機組膠球清洗系統(tǒng)及二次濾網(wǎng)設備技術改造的實際情況，本文在分析現(xiàn)有膠球清洗系統(tǒng)問題的基礎上提出了相應的解決方案，以及改造實施效果。
改造前的膠球清洗系統(tǒng)的問題分析
大唐國際張家口發(fā)電廠共安裝了８臺國產(chǎn)３００ＭＷ火力發(fā)電機組，年發(fā)電量達１６０億千瓦時。電廠１號、２號汽輪機為高、中壓分缸機組，３號～８號機組為高、中壓缸合缸機組。機組凝汽器銅管數(shù)量１７６６０根，凝汽器循環(huán)冷卻水進、出管道管徑為ＤＮ１６００。電廠循環(huán)冷卻水采用地下水，水質較好，但在特殊季節(jié)含有雜草、樹葉、飛絮等漂浮物。機組原有膠球熱阻，降低換熱管的傳熱系數(shù)和清潔系數(shù)，進而影響機組真空。標準計算分析，在設計工況下凝汽器換熱管污垢對性能的影響見表２。
表２ 凝汽器換熱管污垢對性能的影響
污垢厚度清潔時傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù)清潔系數(shù)背壓背壓增加膠球清洗系統(tǒng)為上世紀９０年代國產(chǎn)設備，全套系統(tǒng)包括膠球泵、裝球室、收球網(wǎng)、二次濾網(wǎng)、電控裝置等。電廠的膠球清洗系統(tǒng)的運行機制為：
（１）單側每次投球１０００個，投球率（膠球數(shù)與單程管數(shù)比）為２０％；
（２）夏季：隔天投入運行一次，每次運行５．５小時，收球時間０．５小時；
（３）冬季：每周投入運行一次，每次運行５．５小時，收球時間０．５小時；
（４）冬季運行時，低速循環(huán)泵無法投球，需使用高速循環(huán)ｍｍ Ｗ／（ｍ２·Ｋ）Ｗ／（ｍ２·Ｋ）ｋＰａｋＰａ泵。
該廠膠球清洗系統(tǒng)普遍存在運行不夠穩(wěn)定的問題，設備投入運行一段時間后，跑球、漏球嚴重，收球率偏低，個別情況下收球率為０。２０１１年８月３０日進行了隨機投球、收球試驗，結果列于表１。
表１機組Ａ側凝汽器膠球清洗系統(tǒng)收球試驗結果
運行時間：１小時 收球時間：１５分鐘
投球數(shù)量：１０００個海綿膠球 投球率：２２％
收球數(shù)量：２８６ 收球率：２８．６％結論：收球率偏低，無法達到凝汽器管路清洗效果。（執(zhí)行標準：電力行業(yè)標準ＤＬＴ５８１－９５）經(jīng)綜合分析后，總結的問題主要原因為：
（１）開合式收球網(wǎng)運行一段時間后出現(xiàn)彈性變形，收球網(wǎng)可開合式濾網(wǎng)與循環(huán)水管道之間形成一定的間隙，致使跑球、漏球。通過多次調節(jié)電動門（即網(wǎng)板位置）后，收球會略有改善；
（２）二次濾網(wǎng)失效，致使雜草、樹葉等雜物進入，堵塞收球網(wǎng)網(wǎng)板，造成阻力過大，收球網(wǎng)變形加劇，每次清理網(wǎng)板雜物后，收球效果可提高；另外，二次濾網(wǎng)部分堵塞后水阻明顯增大，部分水阻達到１０ｋＰａ～１５ｋＰａ，遠超出電力行業(yè)標準ＤＬＴ５８１－９５的要求（直通式水阻小于４．９ｋＰａ，彎管式水阻小于６．９ｋＰａ）。
（３）原有海綿球質量不佳，經(jīng)浸泡后直徑變化差異較大，部分海綿膠球發(fā)漲后直徑超標，無法通過換熱管；原有的１個固定式投球管無法使膠球在循環(huán)水中有效擴散，使膠球在凝汽器換熱管入口處局部聚集，降低了膠球循環(huán)速率，很容易多球同時進入一根換熱管，造成暫時性膠球滯留換熱管或者堵管現(xiàn)象。
２凝汽器換熱管污垢對性能的影響分析
凝汽器換熱管的清潔狀況直接影響其換熱性能，與機組真空關系緊密。當膠球清洗系統(tǒng)失效，或無法正常投運時，循環(huán)水中的污泥及鈣鎂離子會在管路中沉積形成污垢，產(chǎn)生污垢注：污垢的導熱系數(shù)一般為０．２Ｗ／（ｍ·Ｋ）～１Ｗ／（ｍ·Ｋ），上表�。埃叮祝ǎ怼ぃ耍�。由表２計算分析可見，按污垢導熱系數(shù)�。埃叮祝ǎ怼ぃ耍┑谋Ｊ刂涤嬎�，當污垢厚度為０．０７５ｍｍ時，凝汽器真空下降０．５３ｋＰａ，當污垢厚度到達０．１５ｍｍ時，凝汽器真空下降并１．３７ｋＰａ，污垢厚度繼續(xù)增加則凝汽器真空顯著下降，污垢所產(chǎn)生的凝汽器傳熱性能降低對機組的真空影響較大。
３膠球清洗新技術與改造方案
為解決原有膠球清洗系統(tǒng)中存在的問題，張家口發(fā)電廠與清華大學合作，于２０１２年１月開始對大唐所屬的幾個電廠的膠球清洗系統(tǒng)實際運行情況進行調研和問題總結，對各類和各廠家的膠球清洗技術和產(chǎn)品進行對比分析，并形成調研報告。結合國家發(fā)改委“２０１３年低碳技術創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)化示范工程”項目的支持，６號機組的膠球清洗系統(tǒng)的改造終選擇了清華大學自主研發(fā)的新型膠球清洗技術，膠球清洗系統(tǒng)設備于２０１２年４月大修期間開始安裝，２０１２年６月正式投入運行。所采用的新技術的主要特點有：
１）采用旋轉自清潔固定網(wǎng)式收球網(wǎng)：新型結構的收球網(wǎng)的特點是收球網(wǎng)板為固定網(wǎng)結構，可以做到完全不跑球、漏球，克服了現(xiàn)有可開合反沖式收球網(wǎng)的跑球、漏球的問題，理論上的收球率為１００％，實際測試的３分鐘平均收球率為９５％和５分鐘平均收球率在９８％以上。對于固定網(wǎng)結構，循環(huán)水中的雜物和膠球容易停留和堵塞網(wǎng)板，設置的旋轉自清潔刮板和鋼絲刷可以有效地防止雜物和膠球停留和堵塞網(wǎng)板，始終可保證過濾網(wǎng)板的清潔。在將近一年內多次半側開人孔蓋進行檢查，收球網(wǎng)的過濾網(wǎng)板均無雜物和膠球停留網(wǎng)板，表明旋轉自清潔十分有效。旋轉自清潔固定網(wǎng)式收球網(wǎng)的原理結構見圖１中的部件⑥。
２）采用旋轉自清潔固定網(wǎng)式二次濾網(wǎng)：新型結構的二次濾網(wǎng)與上述新型收球網(wǎng)的結構類似，但過濾面積更大，其主要特點是，通過設置的螺旋清掃掛板和鋼絲刷進行清潔以及自動底部排污，可保證過濾效果。二次濾網(wǎng)的過濾效果和水阻均對機組能耗有比較大的影響，調研分析表明，未設置二次濾網(wǎng)或者二次濾網(wǎng)的過濾效果差則膠球清洗的收球率低甚至不能正常運行，而二次濾網(wǎng)的水阻則直接影響循環(huán)水流量而影響機組能耗。二次濾網(wǎng)的水阻要達到電力行業(yè)標準ＤＬＴ５８１－９５中的要求，二次濾網(wǎng)的過濾網(wǎng)孔面積率應達到或者超過１．５，也就是濾網(wǎng)的所有網(wǎng)孔面積與循環(huán)水管的截面積之比應達到或者超過１．５，而調研的情況是現(xiàn)有二次濾網(wǎng)的過濾網(wǎng)孔面積率一般只有０．８～１．０，這是現(xiàn)有二次濾網(wǎng)水阻普遍超標的主要原因之一。近１年的運行表明，新安裝的旋轉自清潔固定網(wǎng)式新型結構的二次濾網(wǎng)，單循環(huán)運行泵時，二次濾網(wǎng)平均壓差小于１ｋＰａ；雙循環(huán)泵運行時，二次濾網(wǎng)平均壓差小于４ｋＰａ，均低于行業(yè)標準。旋轉自清潔固定網(wǎng)式二次濾網(wǎng)的原理結構見圖１中的部件。
３）安裝均布投球裝置：通過多點、均布投球，改善了膠球在循環(huán)水管中的分布狀況，防止膠球在換熱管入口的局部聚集；保證系統(tǒng)可以在冬季、單低速泵運行的情況下投產(chǎn)使用。均布投球裝置的原理結構見圖１中的部件。
４）安裝自動在線數(shù)球器：實時監(jiān)控每分鐘膠球在系統(tǒng)中循環(huán)效率，膠球循環(huán)效率是考核系統(tǒng)清洗效果的關鍵，意義重大。自動在線數(shù)球器在收球儲罐（裝球室）之前的位置，見圖１中的部件。性能測試和運行表明，大唐國際張家口發(fā)電廠６號機組安裝的新型膠球清洗系統(tǒng)在投球率２０％的情況下其膠球循環(huán)效率可達１００％以上，也就是在凝汽器每側投球１０００個的情況下，每分鐘每側有１０００個以上的膠球對凝汽器的換熱管進行一次清洗，且運行穩(wěn)定，表明新的膠球清洗系統(tǒng)的運行效果良好。
５）采用新型硅膠膠球：硅膠材料澆鑄成型，密度、外形尺寸得到可靠保證，在水中浸泡密度和外形尺寸不發(fā)生變化，膠球使用壽命為半年以上，見圖１中的。普通發(fā)泡海綿膠球的正常使用壽命只有３周左右，新型硅膠膠球的壽命是普通發(fā)泡海綿膠球的近１０倍。測試表明，新型硅膠膠球的密度誤差可保證在２％以內。
６）采用新型免開蓋結構的裝球室：新型裝球室的主要特點是無須開蓋即可裝球、放球，避免了現(xiàn)有普遍采用的上開蓋結構的煩瑣勞動強度大的問題，再由于新型膠球清洗系統(tǒng)不跑球、自動在線數(shù)球和新型長壽命膠球等特色，不僅可以在中控室觀察和記錄膠球清洗系統(tǒng)的運行膠球循環(huán)效率和收球率，而且只需要半年更換一次膠球，大大降低了人工操作勞動強度。新型免開蓋結構的裝球室見圖１中的部件
。
７）采用新型雜物過濾罐：過濾、排污效果良好，且經(jīng)受了機組開車初期的高強度考驗，見圖１中的部件。
８）全功能程控柜：自動化高、安全可靠，通過膠球自動計數(shù)器、膠球泵超壓報警裝置等連鎖，可以實現(xiàn)無人值守自動投球、收球、排污功能，大大提高了勞動生產(chǎn)率，見圖１中的部件。
圖１新型膠球清洗系統(tǒng)示意圖
ＣＴ：計數(shù)；Ｐ：壓力測量；ＤＰ：壓差測量；ＤＦ：電控球閥；ＳＦ：手動球閥；Ｎ：旋轉測量；Ｔ：溫度測量；①旋轉自清潔二次濾網(wǎng)；②自旋轉均布投球器；③免開蓋裝球室；④膠球計數(shù)器；⑤膠球泵；⑥旋轉自清潔收球網(wǎng)；⑦反沖洗自潔雜物過濾器；⑧全功能測控柜；
⑨新型硅膠膠球；⑩凝汽器
４技術改造的效果與分析
４．１系統(tǒng)試驗
為檢驗改造后膠球清洗系統(tǒng)的運行及節(jié)能效果，張家口發(fā)電廠與設備廠家共同對設備收球性能和清洗效果節(jié)能進行多次對比試驗，試驗結果見表３～表５。
由表３～表５看出：
１）安裝有自旋轉均布投球裝置的膠球清洗系統(tǒng)，建議投球率為２０％比較合理，因為：較低投球率雖可獲得較好的收球率但影響清洗效果，過高的投球率則循環(huán)率明顯下降，進而收球時間延長，不僅影響運行效率、可能堵塞換熱管，而且也影響清洗效果。如果沒有安裝有自旋轉均布投球裝置的膠球清洗系統(tǒng)，建議投球率為１０％左右比較合理，這與電力行業(yè)標準ＤＬＴ５８１－９５的要求相符。
表３ 投球率試驗（投球時間：３０ｍｉｎ）
投球數(shù)量，個 投球率，％ 每分鐘平均循環(huán)膠球數(shù)量，個 每分鐘平均循環(huán)速率，％ １分鐘收球率，％ ３分鐘收球率，％５ 分鐘收球率，％
５００ １１．３ ６９２ １３８ ９７ ９７ ９８
８００ １８．１ ９８４ １２３ ９８ ９８ ９８
１０００ ２２．６ １０８１ １０８ ９３ ９８ ９８
１５００ ３３．９ １２３３ ８２ ８１ ９５ ９６
１８００ ４０．７ １１３５ ６３ ５９ ９１ ９５
２０００ ４５．３ ９５２ ４７．５ ４８ ８２ ９３
２５００ ５６．６ ７７６ ３１ ２７ ７５ ９０
２８００ ６３．４ ６４７ ２３ ２１ ６０ ８６
投球數(shù)量投球率收球率，％每分鐘平均循環(huán)實驗時間 循環(huán)泵投運ｋＰａ
個 ％ １分鐘收球率 ３分鐘收球率 ５分鐘收球率膠球數(shù)量，個
夏季（６月～８月）
秋季（９月～１０月）冬季（１１月～１月） 雙泵
單高速泵單低速泵 ＜４．５
＜２
＜１ １０００
１０００
１０００ ２０
２０
２０ ＞９２
＞９５
＞９５ ＞９５
＞９７
＞９８ ＞９８
＞９８
＞９９ ９５０～１０５０
９８０～１１００
１０５０～１２００
表５
清洗效果節(jié)能對比試驗（循環(huán)泵工況：單臺泵）
時間 發(fā)電 功率，ＭＷ 投球數(shù)量，個 循環(huán)水進口溫度，℃ 循環(huán)水出口溫度，℃排氣溫度，℃ 凝汽器真空度，ｋＰａ 端差，℃
４月１日 ３００ 不投球 １４．０３ ３０．０５ ３９．２３ ８９．５２ ６．３９
４月２日 ３００ 不投球 １８．８６ ３５．９０ ４２．２５ ８７．５１ ６．３５
４月３日 ３００ 不投球 １９．８２ ３５．４４ ４１．５５ ８８．１４ ６．１１
４月４日 ３００ 不投球 １４．４１ ３１．３６ ３３．５８ ８９．４０ ４．２２
４月５日 ３００ 不投球 １２．５９ ２９．７９ ３３．４６ ８９．４９ ３．６７
平均值 １５．９４ ３２．５１ ３８．０１ ８８．８１ ５．３５
４月８日 ３００ １０００ １４．１７ ３０．４８ ３４．５２ ８９．６３ ４．０４
４月９日 ３００ １０００ １３．８９ ２８．５２ ３２．３３ ８９．５９ ３．８１
４月１０日 ３００ １０００ １５．０１ ２８．０７ ３０．８０ ９０．２６ ２．７３
４月１１日 ３００ １０００ １４．２１ ２４．１０ ２８．２０ ９０．１６ ４．１０
４月１２日 ３００ １０００ １６．０３ ２９．１０ ３３．３０ ８９．３０ ４．２０
平均值 １４．６６ ２８．０５ ３１．８３ ９．７９ ３．７８
對比值 －１．２８ ＋０．９８ －１．５７
（２）由于采用特制的新型硅膠球，并安裝自旋轉均布投球裝置，因此膠球清洗系統(tǒng)在冬季、夏季的單、雙循環(huán)泵工況條件下，均可以運行，投球時無需開雙泵，或者切換高速泵。同時膠球循環(huán)速率和收球率未受到影響。
（３）在膠球清洗系統(tǒng)連續(xù)投運情況下，機組真空約平均提高０．９８ｋＰａ，端差降低約１．５７℃。由于環(huán)境溫度變化影響，入口水溫平均降低１．２８℃，按ＨＥＩ標準計算相當于影響凝汽器壓力０．３３ｋＰａ，數(shù)據(jù)經(jīng)修正計算后，機組平均真空提高０．６５ｋＰａ，折算節(jié)約標煤近１．６３ｇ／（ｋＷ·ｈ）（按１ｋＰａ節(jié)煤２．５ｇ／（ｋＷ·ｈ）標準計算）。
４．２綜合分析
從以上兩項試驗初步得出以下結論：
１）傳統(tǒng)的膠球清洗系統(tǒng)考核指標，即系統(tǒng)收球率，是檢驗系統(tǒng)可靠運行的一項關鍵指標。但單一考量收球率，尤其是忽略投球率和收球時間情況下統(tǒng)計收球率，無法真正體現(xiàn)膠球清洗系統(tǒng)的運行效率，也很難保證膠球的清洗效果。
２）作為替代性指標的“膠球循環(huán)速率”，即單位時間內，通過換熱管膠球的數(shù)量，是真正體現(xiàn)系統(tǒng)運行效率的關鍵性指標。膠球循環(huán)速率，不僅直接影響單位時間內換熱管的清洗次數(shù)，也間接影響著收球效果，即如果循環(huán)速率高，則清洗效果好，且短時間內（通常３分鐘）收球率高。
３）膠球清洗系統(tǒng)的正常、高效投運，對機組的真空與端差有較大影響。經(jīng)過一周停運與連續(xù)一周的投球對比試驗表明，膠球清洗系統(tǒng)投運一周后，機組真空平均提高０．９８ｋＰａ，端差下降約１．５７℃。數(shù)據(jù)經(jīng)過修正計算后，則機組真空約平均提高０．６５ｋＰａ。
４．３節(jié)能效果
４．３．１膠球清洗直接效益
大唐國際張家口發(fā)電廠采用膠球新技術對原有設備進行改造后，凝汽器換熱性能得到明顯提高，機組真空提高０．６５ｋＰａ，機組經(jīng)濟性和穩(wěn)定性顯著提高，節(jié)能降耗１．６３ｇ／（ｋＷ·ｈ）標煤，按單機年發(fā)電量１６．５億ｋＷ·ｈ，標煤單價６００元／噸計算，年節(jié)能效益：
年節(jié)約標煤：１６．５×１０８ｋＷ·ｈ×１．６３ｋＷ·ｈ×１０－６ｔ／ｇ
＝２６９０ｔ
年節(jié)煤效益：２６９０ｔ×６００元／ｔ＝１６１．４萬元
４．３．２單泵投球運行節(jié)約電耗
改造后冬季運行時（１１月１５日～４月１５日），單循環(huán)泵即可投球，因此：
節(jié)約廠用電：
W（高、低速泵實際輸出功率差）×H（實際投球工作小時數(shù)）＝（１５００ｋＷ－１２００ｋＷ）×３００ｈ＝９００００ｋＷ·ｈ
節(jié)約電費：
０．４４元／（ｋＷ·ｈ）×９００００ｋＷ·ｈ＝3.96萬元
以上節(jié)能直接經(jīng)濟效益大約１６５萬元，投資回收期小于兩年。由于大唐國際張家口發(fā)電廠采用地下水作為冷卻循環(huán)水，水質條件較好，節(jié)能效益已十分明顯，如果在江湖直排式，或者水質條件較差的電廠使用，預期節(jié)能效果將更為明顯。４６０的工況發(fā)生。
（４）由于機組轉子系統(tǒng)質量大，甩負荷后轉子系統(tǒng)在慣性作用下經(jīng)９８．６ｍｓ的動作延時后才達到扭轉剪切應力大值，而不是在甩負荷動作發(fā)生的瞬間就達到大應力值。
１）計算分析表明，當污垢的厚度為０．０７５ｍｍ時凝汽器真空下降０．５ｋＰａ，污垢所產(chǎn)生的凝汽器傳熱性能降低對機組的真空影響較大。
２）電廠膠球清洗系統(tǒng)是一個多部件復雜的系統(tǒng)，采用自旋轉均布投球、旋轉自清潔固定二次濾網(wǎng)和收球網(wǎng)、膠球自動計數(shù)和新型硅膠膠球等新技術進行改造，投球率為２０％時，每分鐘平均膠球循環(huán)率為１００％，５分鐘收球率達９８％，
水阻達到ＤＬＴ５８１－９５的要求，采用的硅膠膠球壽命可達半年以上，冬季可正常運行。
３）根據(jù)試驗結果，安裝有自旋轉均布投球裝置的膠球清洗系統(tǒng)，建議投球率為２０％比較合理，較低投球率可以獲得較好的收球率但影響清洗效果，過高的投球率則膠球循環(huán)速率明顯下降不僅可能堵塞換熱管而且也影響清洗效果。
４）大唐國際張家口發(fā)電廠６號機組采用新型膠球清洗技術進行改造，對比試驗表明，機組真空平均提高０．６５ｋＰａ，平均煤耗降低１．６３ｇｃｅ／（ｋＷ·ｈ），年節(jié)能效益大約１６５萬元，投資回收期小于兩年。
