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RCCS®强化换热装置在凝汽器上的应用

RCCS®强化换热装置在凝汽器上的应用

  1 概述
  某电20 MW厂汽轮发电机组,年发电量约16000万kWh。配套凝汽器为双流程,冷却面积为2400 m2,设计冷却水量为8000 t/h,冷却管材料为锡黄铜管,冷却管总数量为3920根(Φ25×1.5× 7562,320根;Φ25×1×7562,3600根)。机组自投入运行以来保持满负荷稳定运行,由于凝汽器结垢,导致其换热效果下降,凝汽器排汽压力偏高,发电单耗明显升高,机组效率降低,端差较大,机组热效率下降。运行过程中机组的排汽温度时常超过报警值50℃,夏季最大可达58℃。
  根据统计历史运行数据和查阅相关资料,机组凝汽器存在以下问题:
  (1)由于循环水水质较差,凝汽器换热管结垢现象严重;
  (2)凝汽器端差高,真空低,机组热效率不高;
  (3)机组效率降低的同时机组膨胀增大,机组振动相对升高,威胁机组的安全运行。
  凝汽器真空下降,排汽室温度升高,不仅影响机组的安全运行,而且导致机组发电单耗增加,凝汽器真空大小对汽轮发电机组的经济性有着直接影响。因此保持凝汽器良好的运行工况,是电厂节能的重要内容。
  2 改造方案
  设计考虑在凝汽器分别加装强化装置,RCCS®(列管式换热器在线清洗及强化换热)就是针对凝汽器换热效率低下问题,通过革新性技术,强化凝汽器换热。RCCS®工作原理是:在凝汽器每根换热管内安装本装置(图1),当机组运行时,无需外加动力,利用循环水自身的流速驱动本装置的旋转部件,长期在换热管内不停地快速旋转(300~1800 r/min),改变管内水的层流(图2)为紊流状态(图3),破坏水垢的形成机理,在设计思想上摆脱了传统的被动清洗除垢概念,变被动除垢为主动防垢,同时强化换热,大幅度提高凝汽器的换热系数K值。
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图1 RCCS®装置图示
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图2 加装RCCS®前凝汽器管内水流状
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图3 加装RCCS®后凝汽器管内水流状
  (1)加装RCCS®对凝汽器水侧结垢机理的影响
  水侧污垢的形成一般要经历5个阶段:起始、运输、附着、老化、剥蚀,见图4(a)。污垢形成的5个阶段中只要有一个环节遭到破坏,污垢就难以形成。因此,只要针对这五个阶段采取合适措施,就能有效除垢防垢。
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图4 RCCS®除垢机理
  RCCS®打断或干扰了污垢形成的3个关键阶段,见图4(b)。在污垢的起始阶段,RCCS®通过强化扰流和换热,降低了换热管内壁局部温度,从而降低了以碳酸盐为主硬垢的析出;在污垢的附着阶段,RCCS®通过刮扫管壁和强化扰流,防止了硬垢及软垢的附着;在污垢的剥蚀阶段,RCCS®通过刮扫管壁和强化扰流,加快了硬垢及软垢的剥离。
  (2)加装RCCS®能强化换热
  表1为RCCS®强化换热测试数据。测试管型号为Φ20*0.6mm,材质为307不锈钢管。从低流速到高流速、低雷诺数到高雷诺数下的强化换热效率进行了测试。RCCS®强化扰流作用非常明显,能有效提高水侧管壁的换热系数。
表1 内置RCCS®的强化换热测试数据
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  (3)RCCS®技术优势
  凝汽器清洗的传统方法有胶球清洗、高压水清洗、毛刷清洗、化学清洗等,RCCS®与其它清洗方式的比较见表2。
表2 RCCS®与其它清洗方式的比较
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  通过高压水枪、毛刷等设备工具对凝汽器冷却管中的水垢和泥渣进行清洗去除,必须停机、拆开凝汽器端盖,这种方法的清洗效果差、效率低、劳动强度大、除垢部位受限,而且,清洗后无法长期保持清洁。凝汽器在清洗过后25天内开始逐步重新结垢,并逐渐增加汽轮机能耗,最终使汽轮机长时间地处于较高能耗的状况。同时,经常性的机械清洗,会磨损甚至磨穿换热管。
  胶球清洗装置能不停机在线清洗,是解决凝汽器污垢的较佳方法,但也存在两个显著的问题:一是收球率常常偏低,二是无法对所有的冷却管都进行清洗,即只能清洗凝汽器中心部位的水力特性较好的冷却管,而相当数量的冷却管则长期得不到清洗,且对硬垢去除效果不佳。
  化学除垢可分酸性陈垢和碱性除垢两种,方式有静泡法和循环法等,需要对垢物经过鉴别后,决定清除的方式。化学清洗对凝汽器换热管存在腐蚀和损伤延长,因此,在阻垢防垢的机理上,RCCS®与传统机械清洗或化学清洗比较有突出的优势。
  (4)RCCS®常规性能
  RCCS®无毒,对水资源无害。RCCS®本体部分由特种高分子材料组成,性能极佳,材料强度、韧性、耐候性、缺口敏感度等性能优良,不会发生断裂、水解(温度高于350℃时发生降解,产生的降解物为二氧化碳、水及含氮化合物,对环境安全)等现象;材料密度与水非常接近,使扭带能很好地沿着换热管轴心旋转,从而保护了换热管壁的氧化膜。RCCS®连接件部分由特种钢材及高分子材料组成,能有效回收利用,保护环境。连接件尺寸大于换热管内径,设计紧凑不脱落,保证运行安全。RCCS®具有良好机械耐磨性,凝汽器换热管内水流的紊流程度会得到加强,一方面强化扰流,另一方面也会使水阻增加。
  (5)RCCS®运行及维护
  RCCS®强化传热装置对凝汽器循环冷却水流量没有特别要求,只要水流速度大于1.2 m/s,即可正常旋转运行。安装RCCS®后,凝汽器水侧管壁会持续保持清洁,日常无需维护,只是由于循环滞留层会给RCCS®本体带来缓慢结垢,其速率一般在安装RCCS®前凝汽器管壁结垢速率的10%以下。若水质较好,只需要在计划中修时检查有无杂质堵塞即可;若水质比较差,尤其是水中粘泥含量较高时,利用机组检修间隙,每半年冲洗一次即可,维护工作量低。
  3 改造效果
  以某电厂汽轮发电机组凝汽器上增设RCCS®强化换热装置为例介绍改造前后的对比效果,安装RCCS®后,凝汽器水侧清洁系数将长期保持在0.85以上,且强化换热,使凝汽器端差将持续保持在刚清洗后的端差值相当的低水平,从而使机组持续高效率运行。凝汽器经过改造后,减少机组运行端差,预计达到效果与改造前对比分别见表3。
表3 实施RCCS®前后冷端(理论计算)月平均运行数据比较
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  说明:加装RCCS®后理论端差是基于冷却循环水量、冷却循环水进出口温差不变的情况下,RCCS®提高换热系数20%的条件下计算得出。
  4 改造经济效益估算
  依据机组《热力特性书》,额定工况下汽轮机背压-功率修正曲线如图5。
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图5 汽轮机背压-功率修正曲线图
  根据“汽轮机背压——功率修正曲线”及《水蒸汽热力性质表》,参照客户提供的运行数据,对机组安装RCCS®后每月增加发电量进行计算。
  排汽温度ts=安装前排汽温度-(安装前端差-安装后端差)
  背压=排汽温度对应的饱和压力,查《水蒸汽热力性质表》可得
  功率修正系数=背压对应的功率修正系数值,查图可得
  增加功率系数=安装后功率修正系数-安装前功率修正系数
  年增加发电量=增加功率系数×机组年发电量
  计算结果如表4。
表4 年平均排汽温度压力端差计算结果
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  加装RCCS®后效率提高值:1.11%;
  年发电量:16000万kW.h;
  增加发电量:178万kW.h。
  加装RCCS®前后对比可得:
  (1)根据ts=tw1+Δt+δt,对照饱和蒸汽压力温度对照表得排汽温度与排汽压力;
  (2)根据压力-功率对照表得功率修正系数;
  (3)按单机组全年有效发电量1.6亿kWh(即16000万kWh)计算,该机组年增发电量=16000× 0.0111=178万kWh,按照0.6元/kWh计算,直接经济效益可达107万元。
  通过以上简单测算,在汽轮发电机组增设RCCS®强化换热装置有很好的经济效益。
  4 结语
  目前,国家大力提倡节能减排,对于火力发电厂来说,提高锅炉热效率,降低机组单耗,提升机组整体热效率是大势所趋。通过对凝汽器进行改造—加装RCCS®强化换热装置,不但强化换热,而且减少结垢。提高凝汽器真空,减少端差,降低排汽温度,有利机组安全运行;提高了机组发电量,有很大的社会效益和经济效益。
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