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电厂汽轮机冷凝器污垢自动清洗及其传热强化
俞夭兰 彭德其 俞秀民 蒋少青 刘桂英 支校衡 宁立伟
(株洲工学院机械清洗研究所)
摘要：以调查实例强调了保持传热面清洁的重要性，通过水垢对汽轮机冷凝器传热系数影响的计算，论证了即使只有厚0. 25mm的水垢也可以使传热系数下降31. 2%，介绍了自转塑料纽带的自动清洗防垢和传热强化的原理及其试验结果，并且进一步计算分析了应用该技术可以为电厂汽轮机带来的增产效益。
关键词：换热器节能塑料自转纽带污垢清洗
1 引言
传热设备普遍存在着不同程度的结垢。污垢热阻大，严重降低设备的传热效率。文献[1〕报道，污垢使我国换热器的运行效率下降的平均幅度为5000。例如，湖南大乘资氮集团公司是同行业内管理水平和效益都比较好的单位，笔者对该公司自备电厂冷凝器的污垢及其清洗情况调查记录是:1.2万千瓦机组，冷凝管
内径18mm。加药的资江水作为循环冷却水，流速2.Om /s。胶球清洗装置不好用，已经拆除。冷却水压差大，0.1 6^-0.2 6MPa。清洗前后的真空度相差1000，并且一个月以后就严重下降。循环水出口温度比较高，在31^39 C范围。运行真空度不高，900okW(即75%负荷)时，真空度只有9200。可见文献对污垢问题的论述相当深刻和精辟:“传热面上的污垢可能会使提高性能的任何尝试都归于零，得不到什么结果。⋯⋯就节能措施来说，对污垢进行评价和防止结垢是最大的焦点之一。”川因此，研究保持传热面洁净的自动清洗防垢技术，对电厂的增产增效具有重大的意义。
2 污垢的影响
2. 1 无 垢时的传热系数K
以直排冷却水的进出口年平均温度分别为18C .30C，铜管φ＝20X 1 ，流速u=2.Om /s为例，冷凝器管内冷却水的对流传热膜系数按SIEDER和TAKE关联式计算[31，算得:
2.2 污 垢影响计算
以直接取江河湖水冷却为例讨论，污垢成分以硅酸盐为主的带粘性泥沙为多，按文献[5]查得其导热系数为1. 163^-0. 175W/(m"K)，查阅文献〔6]软质垢的导热系数为1.163-3.49W/(m"K)，两者相去甚远。本文对污垢影响的计算取其为1.75 W/(m " K)，计算所得的不同厚度水垢对K值的影响幅度例于表1。由表1可见，即使污垢厚度不大，其影响也是相当明显的。因此，十分有必要采用自动的在线连续清洗防垢技术。
3 自转纽带的自动清洗和传热强化作用
3.1 自动清洗原理
在冷凝器的每根冷凝管内设置一条与管内壁有一定间隙的自转塑料纽带(如图1所示)在冷却水流动能带动下，产生自转和振动摆动。自转纽带的侧刃刮扫，对污垢层作用以周向的剪切力，径向振摆纽带的边刃对污垢层产生碰撞挤压。周向刮扫剪切和径向碰撞对污垢具有自动连续清洗的作用，对原本无垢的传热面则有很好的自动防垢作用。
3.2 自 动清洗能力试验
自转塑料纽带的自动清洗能力模拟试验中，将三种不同塑料成分的纽带分别安装在串联的3根铜管内，以便在完全相同的流速条件下进行对比。管内均预制好厚约1. Omm的人工污垢。人工污垢用水泥200o.碳酸钙80%和乳胶调制而成。人工污垢比实际水垢要硬许多。安装好纽带后，开泵通水进行污垢清洗能力试验。一周后拆开观察，清洗效果如表2所示。
可见，2#, 3#材质制成的塑料纽带都可以有效地实现自动连续在线清洗。
3.3 传热强化作用
自转纽带不仅具有自动清洗防垢的基本功能，还具有一定的传热强化功能。其原理主要是对边界层的扰动，一方面管中近壁区的流体在纽带的导向作用下发生旋转，增加了近壁区的紊流强度;另一方面纽带的旋转和刮扫直接对边界滞留层进行了扰动。在传热强化试验中，仿照实际生产过程在φ＝20X1的铜管内通冷却水，管外蒸汽加热，测试无垢管内在有、无纽带两种条件下的传热系数K值，试验结果见图2。当Re=5.O X1 0‘时，安装自转塑料纽带可以使传热系数K值提高大约16％。
4 自动清洗纽带的增产效益
“在 汽 轮 机 进 汽温度不变的条件下，排汽温度每降低10 C，装置效率可提高3. 5%左右;凝汽器压力每改变10 0 ，中压汽轮机功率将改变100，高压汽轮机将改变。.8 Y ")。下面按此计算真空度提高和汽轮机出力增大的幅度。比较 的前 提条件是，冷凝管内是否安装塑料纽带，凝汽器的负荷不变。根据方程Q=K Sit ,=const，传热系数K值提高后，需要的传热温差减少，蒸汽的冷凝温度一冷凝压力降低，真空度上升，汽轮机的出力增大。管内安装自转塑料纽带后，不仅使冷凝管内保持洁净无垢，并且还可起强化传热作用，提高传热效率达场%。
凝汽器冷却水的进口温度18C，出口温度30C，对应的真空度为93 0o，相应的蒸汽冷凝温度约为39C。分别计算出污垢厚度不同的原(既未清洗又无传热强化)冷凝器的真空度和相应的蒸汽冷凝温度，进而计算出真空度提高的百分比以及汽轮机出力增大的幅度。
根据上述计算方法，采用清洗纽带所产生的经济效益见表,,，有关计算过程如下所述:以 12 MW 的机组为例，若原先的污垢厚度分别为。、0.05, 0. 10, 0. 15, 0.20, 0.25mm,采用自转塑料纽带自动清洗技术后，传热系数分别可以提高24.3环、31.400, 37.4`,.42.600, 47.20o，相应的出力分别可以提高0. 66%、1.24%、1.52%、2.21%、2.7000、3. 21%。机组的年运行时间为6000h，每度电的效益为0. 20元，则经济效益分别可以达到每年17.86, 22.18, 31.82, 38.88, 46.22万元。
5 结论
(1)即使管内壁的污垢厚度不大，只有0. 25mm，对传热系数K值的影响也已经相当明显，达到31. 2 Y a
(2)自转塑料纽带作为一种新型的在线机械清洗方法，具有良好的清洗防垢功能。
(3)自转塑料清洗纽带还具有一定的传热强化作用，这是胶球清洗和往复刷清洗等国内外现用的技术所没有的功能。
(4)全国火电装机容量约1.6 1亿千瓦，每年新增装机容量1100万千瓦以上6，该技术的应用市场十分广阔。若按50%的技术推广率、真空度平均提高2%计，机组的年平均运行时间6000h，每度电的增产效益。. 20元，则每年的增产效益可达24亿元。
参考文献
1 余德渊.我国换热器研究及其工业化进程，机械州石油机械研究所.1988:3
2 口本实用节能机器全书编委会.实用节能全书.北京:化学工业出版社.1987:9 7
3 姚玉英.化工原理(_匕册).天津天津科技出版社1994.
4 机械工程手册(第2卷第3册)机械丁业出版社.1997.
5 朱聘冠换热器原理及计算.北京:清华大学出版社19 87 : 3 56
6 中国动力T-程学会编.火力发电没备技术手姗又第四卷 ). 北 京:机械工业出版社·1998: 9 4
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