冷凝器强化换热技术.docx
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冷凝器强化换热技术
RCCS强化换热装置
概述：
汽轮机是火电厂的重要设备，通过汽轮机，蒸汽的热能转化为机械能，为发电机发电提供动力。
凝汽器是汽轮机的附属设备，在凝汽器里汽轮机排汽转化为凝结水，体积缩小，压力降低，汽轮机进出蒸汽焓差增大，做功能力提高。
凝汽器也为系统水汽循环提供了必要条件。
凝汽器工作性能的好坏直接影响到系统的热经济性。
衡量凝汽器工作性能的指标主要有端差和真空。
凝汽器是一个表面式换热器，在壳程里流动的是汽轮机排汽和凝结水，管程里流动的是冷却水。
冷却水吸收蒸汽热量后蒸汽凝结成水，冷却水温度升高后排出凝汽器。
表面式换热器存在换热管结垢的问题，凝汽器也不例外。
凝汽器铜管内壁结垢会严重影响换热效果，大大降低系统的热经济性。
凝汽器结垢影响主要体现在端差升高和真空降低。
在系统来说主要是发电汽耗增加，煤耗增加，经济效益下降。
水垢的形成：
（摘自火电节能技术文献）
汽轮机组运行时必须有大量的冷却水通过凝汽器来冷却汽轮机排汽，循环冷却水的水温在15℃—35℃之间，适宜藻类和微生物繁殖。
循环使用中，大量的水分被蒸发，而补充水中又含有杂质和盐类化物，冷却水的盐类不断浓缩，水中的碳酸氢钙浓度越来越高，游离CO2-却不断挥发，使Ca（HCO3）2分解为CaCO3而析出形成水垢：
Ca（HCO3）2=CaCO3↓+CO2↑+H2O
碳酸盐水垢的产生严重影响了金属的传热效果，循环水温又适合藻类和微生物繁殖生长，脱落下的藻类易发生粘垢，致使循环冷却水水质不断恶化。
循环水在凝汽器铜管内流动，吸收大量的热量，保证了汽轮机正常运行。
根据流体力学原理，液体在管道内流动分为层流和紊流两种基本现象。
层流边层是紧靠管壁的一层，流速很慢，水中的CaCO3和粘垢最易滞留在管内壁上，形成水垢。
水垢的危害：
（摘自火电节能技术文献）
1、凝汽器管内壁形成水垢后，换热效果下降，导致真空下降，能耗上升，严重时要降低发电负荷或停机清洗。
据有关资料介绍，水冷设备换热器中水垢厚度为2.16mm时，传热系数平均下降51%，设备运行效率下降50%，而形成水垢的时间仅25天。
如此短的积垢时间和低传热效率，导致凝汽器长期处在低效率中运行。
2、增加了冷却循环水系统的水流阻力，降低了冷却水的流量，增加了循环水泵的能耗。
3、由于水垢的热导率很低，因而急剧降低了凝汽器的传热系数，导致凝汽器真空降低，按照不同汽轮机的试验资料，真空度每降低1%，汽耗增加1～1.5%,当蒸汽流量不变，将降低汽轮机组的出力。
据有关资料介绍，水冷设备换热器中水垢厚度为2.16mm时，传热系数平均下降51%，设备运行效率下降50%，而形成水垢的时间仅25天。
凝汽器结垢对真空度的影响
机组容量（Mw）
水垢厚度（mm）
真空降低（kpa）
真空度降低（%）
汽耗增加（%）
100
1.2～2.0
26.7～33.3
3～5
3～7.5
50
0.8～1.2
20.0～40.0
2～4
2～6
注：
真空度降低1%，汽耗增加1～1.5%,当蒸汽量不够，降低汽轮机出力1～2%。
4、水垢的附着，特别是粘泥的附着，会在附着物下部发生局部腐蚀甚至破裂和穿孔。
水垢的附着凝汽器管会导致铜管堵塞，严重影响设备运行。
5、凝汽器管的损坏会造成凝汽器的严重泄露，情况严重或处理不当会造成锅炉水冷壁管的爆破，严重危及锅炉的安全运行。
RCCS装置原理：
（整理）
在凝汽器内安装本装置后，当汽轮机组运行时，无需外加动力，利用水的流速驱动本装置的旋转部件长期在铜管内不停地快速旋转，改变管内水的流动状态，强化换热。
同时，破坏水垢和粘泥的形成机理，使水垢和粘泥不能在管壁上滞留，排除了结垢的可能。
装置特点：
采用高分子聚合材料制成，耐温0℃≤T≤100℃，自润滑，耐酸碱腐蚀，耐磨，抗老化，其密度与水的密度相近，能较好地浮动在管的中心部位，在运行时可避免与金属的硬摩擦，使管内除垢均匀化，同时还保护了金属表面的氧化膜，较好地解决了冷却管的使用寿命。
适用范围：
（火电一般采用开式或闭式系统）
所有的开式循环和直流冷却系统都能安装本装置，解决凝汽器的结垢和换热效率低下的难题，大幅度提高发电经济效益。
装置作用：
1、强化凝汽器换热管水侧换热效果（提高真空，降低端差）。
2、保持凝汽器换热管内长期干净无垢，无需清洗，提高设备寿命及有效运行时间。
。
3、减缓垢下腐蚀，延长凝汽器换热管使用寿命。
4、减少发电汽耗0.1kg/kwh及以上,减少补充水量50％左右，减少加药量50％左右。
（摘自火电节能技术文献）
安装、运行注意事项：
1、在安装技术改造产品前甲方必须对凝汽器铜管进行彻底清洗，以免因存留水垢损坏改造装置和影响改造运行效果。
2、凝汽器的循环水中无塑料袋，杂物，烂草，大的水生物等杂物。
3、装置自安装完毕投入运行，循环水水质要保持安装改造前之状态，不能擅自改变，更不能突然停止加药。
具体的加药量和循环水水质要在运行中摸索，循序渐进，以机组整体经济效益最大为依据。
4、循环水量尽量维持在额定量，装置的自清洗和强化换热效果会更好，使凝汽器的换热性能处于最佳状态。
因此提高真空取得的经济效益远大于因加大循环水量而增加的泵耗。
5、定期检查各级滤网，及时清除杂物，减小流动阻力，保证循环水水质。
改造前：
凝汽器管内冷却水的流动呈现层流状态，中心区流速最大，管壁由于水的张力形成水阻，流速几乎为零。
改造后：
凝汽器铜管内壁水的流动呈现紊流状态，强化换热的同时，延缓和减轻了管壁的结垢。
备注：
以上结论摘自流体力学。
装置原理图（网络下载）
RCCS和胶球清洗装置的比较
胶球清洗装置的运行是人为控制的，是定期进行的。
由于凝汽器本体结构的先天性（如局部涡流、流速不均、铜管管径不一等），使胶球的运动呈现概率性和习惯性，有的铜管长期或始终得不到清洗，凝汽器整体清洗效果不好，胶球回收率不高。
胶球对硬垢无能为力，反而会使胶球卡塞在铜管里，造成换热损失。
更重要的是胶球清洗装置没有在线强化换热的能力，不能大幅度提高凝汽器的换热效果，充其量只能使凝汽器的换热效果达到铜管为光管时的状态。
自动除垢强化换热装置是在凝汽器每根铜管里安装，在线连续清洗和强化换热，保证了铜管始终干净无垢，大大增强了铜管内壁对流换热能力，使凝汽器整体换热效果增强，远高于铜管为光管时状态，即设计状态。
自动除垢强化换热装置还免除了胶球清洗装置人工操作的随意性和能耗，减少加药量，减轻铜管垢下腐蚀，免除头疼的停机人工清洗，持续经济效益巨大，是当前取代胶球清洗装置的最佳产品。
凝汽器强化换热装置与其它清洗方式的比较
清洗方式
自动除垢强化换热装置
胶球清洗
化学清洗
高压水枪
机械清洗
在线除垢能力
强
弱
无
无
无
在线强化换热
强
无
无
无
无
保护氧化膜
是
是
否
是
否
腐蚀铜管
减缓
腐蚀
腐蚀
腐蚀
腐蚀
维持效果时效
长
较长
短
短
短
需要外力
否
否
是
是
是
发电负荷
增加
维持
增加
增加
增加
发电汽耗
减少
维持
增加
增加
增加
端差
减少
维持
增加
增加
增加
真空
增大
维持
减小
减小
减小
阻垢剂量
减少50％
持续
持续
持续
持续
补充水量
减少50％
持续
持续
持续
持续
操作难度
易
较易
困难
困难
困难
各种清洗方式的优缺点
优点
缺点
反冲洗
操作方便，安全可靠，可不停机清洗
仅冲掉泥沙、生物黏泥等松软物质，对硬垢无能为力
加阻垢缓蚀剂
通过化学吸附，阻止结晶成长或抑制晶体析出
原水水质对阻垢效果影响较大，需要经常添加阻垢缓蚀剂，
加强排污，费用较高
人工机械清洗
不产生化学废液。
需停机清洗。
劳动强度大，清洗不彻底
高压水枪清洗
对铜管损伤小，安全可靠
需停机清洗，仅冲掉泥沙、生物黏泥等松软物质，对硬垢无能
为力
胶球清洗
不停机清洗，效果较好
需外加设备和动力，收球率低，无法去处钙、镁硬垢，沉积物
垢下腐蚀严重
化学清洗
清洗彻底，结合高压水枪可除去生物黏泥钙、镁硬垢
对铜管造成腐蚀破坏，周期长，需镀膜，费用高，化学废液污
染环境
自动除垢强化换热装置
运行安全，强烈扰动层流边界层，既能防止污垢形成，又能强化换热
成本略高于胶球清洗装置
备注：
以上文献摘自网络。
热力性能试验报告
1项目来源
XX电力有限公司1#机组在XX年XX月份的技改中，对凝汽器进行了改造，安装了XX强化换热装置。
为评价1#机组凝汽器自清洗强化换热装置的运行效果，为机组运行提供依据，XXX电力有限公司对X#汽轮机组进行热力性能试验及凝汽器性能试验。
2试验目的
应XX公司要求，对X#汽轮机组进行热力性能试验及凝汽器性能试验，测取有关热力参数及循环水系统的主要运行参数，评价凝汽器改造的效果，为机组经济运行提供依据。
3设备概述
3.1汽轮机技术规范
C60-8.83/1.27汽轮机主要技术规范：
调节方式：
喷嘴调节额定功率：
---MW
最大功率：
---MW主蒸汽流量：
----t/h
主蒸汽压力：
---MPa主蒸汽温度：
----℃
工业抽汽压力：
---MPa设计背压：
----MPa
设计冷却进口水温：
---℃给水温度：
---℃
额定工业抽汽量：
---汽耗（抽/冷）：
---/-----/kwh
热耗（抽/冷）：
---/-----kj/kwh
3.2凝汽器技术规范
凝汽器为对分、双道制、表面式结构，冷却水从下部的两个接管口流入前水室，流经第一道的铜管进入后水室，转折后，经过第二道铜管进入前水室上部排出凝汽器。
其主要技术参数如下：
型号：
----型
型式：
单壳体双流程
冷却面积：
---m2
冷却水流量：
---m3/h
冷却水温度：
---℃
铜管尺寸：
Φ--×--×---mm
铜管根数：
---
3.3试验结果的计算
△t：
循环水进出水温差δt：
凝汽器端差
A：
凝汽器换热面积----m2
X#凝汽器技改前
1#机组XX年X月XX日1:
00～24:
00抽汽回热运行工况
平均功率N=----KW主蒸汽流量G1=----t/h凝结水流量D2=----t/h排汽温度Tc=----℃表计真空=----MPa（排汽温度对应标准真空=---MPa）循环水进水温度t1=---℃出水温度t2=---℃凝汽器端差δt=---℃抽汽发电汽耗=---/kwh
根据热平衡原理，凝汽器内蒸汽放热与循环水吸热相等：
凝汽器循环水实际流量为D：
D＝---*---/-
循环水吸热量Q:
Q＝D*（h’2-h’1）
循环水进出水对数平均温度：
△tm＝△t/ln（1+△t/δtm）
由凝汽器的热量传递公式Q=KA△tm可知凝汽器传热系数K：
K＝Q/A/△tm
kW/（m2.℃）
W/（m2.℃）
X#凝汽器改造后
1#机组XX年X月X日10:
10～10:
45纯凝回热运行工况测试
平均功率N=--KW主蒸汽流量G1=---t/h凝结水流量D2=---t/h排汽温度Tc=--℃表计真空=---MPa（排汽温度对应标准真空=---MPa）循环水进水温度t1=--℃出水温度t2=---℃凝汽器端差δt=--℃纯凝发电汽耗=--kg/kwh
根据热平衡原理，凝汽器内蒸汽放热与循环水吸热相等：
凝汽器循环水实际流量为D：
D＝--
循环水吸热量Q:
Q＝--
循环水进出水对数平均温度：
△tm＝△t/ln（1+△t/δtm）
由凝汽器的热量传递公式Q=KA△tm可知改造后的凝汽器传热系数K：
K＝Q/A/△tm
4、结论
1#凝汽器改造前：
平均端差为--℃,传热系数平均为--W/（m2.℃）,抽汽工况下发电汽耗平均为--/kwh。
1#凝汽器改造后：
平均端差为--℃,传热系数平均为--W/（m2.℃）,纯凝工况下发电汽耗平均为--kg/kwh。
改造后传热系数提高了--W/（m2.℃），端差下降了--℃，纯凝工况下实际发电汽耗好于纯凝工况下设计发电汽耗--kg/kwh（设计参数为进水20℃，循环水量为额定水量等）。
综上所述，X#凝汽器安装自清洗强化换热装置后运行效果明显，改造是成功的。
X#凝汽器技改前运行24小时参数表
2006-5-12
改造前
时间
功率
主汽压力流量
真空
排汽
排汽温度
端差
凝结水
循环水
凝结水流量
汽耗率
#1
#2
小计
对应真空
温度
入口
出口（南）
出口（北）
温升
t
万KW
Mpa
T/h
Mpa
℃
Mpa
℃
℃
℃
℃
℃
℃
T/h
kg/KWh
备注：
每小时记录一次上述参数
X#凝汽器技改后运行24小时参数表
2006-7-18
改造后
时间
功率
主汽压力流量
真空
排汽
排汽温度
端差
凝结水
循环水
#1
#2
小计
对应真空
温度
入口
出口（南）
t
万KW
Mpa
T/h
Mpa
℃
Mpa
℃
℃
℃
℃
备注：
每小时记录一次上述参数
以上摘自电厂运行记录格式，公式摘自热力计算。
郎肯循环
T------温度
S-------熵
关于水阻：
（摘自网络）
备注：
1、冷却水的流速一般为1--3m⁄s，水阻大，造成冷却水量下降，影响冷凝器的热交换作用。
为克服水阻，需加大冷却水的流速。
不过，过大的流速易对冷却水管管壁造成磨损。
（摘自制冷技术）
关于热力学第一、第二定律
热力学第一定律（焓）
能量可以由一种形式变为另一种形式，但其总量既不能增加也不会减少，是恒定的。
二十世纪初爱因斯坦发现能量和质量可以互变后，此定律改为能质守恒定律。
这个定律应用到热力学上，就是热力学第一定律。
这一定律指出物质和能量既不能被消灭也不能被创造，一度曾被无神论当作宇宙永恒的根据。
热力学第二定律（熵）
分子有规则运动的机械能可以完全转化为分子无规则运动的热能；热能却不能完全转化为机械能。
此定律的一种常用的表达方式是，每一个自发的物理或化学过程总是向著熵（entropy）增高的方向发展。
熵是一种不能转化为功的热能。
熵的改变量等于热量的改变量除以绝对温度。
高、低温度各自集中时，熵值很低；温度均匀扩散时，熵值增高。
物体有秩序时，熵值低；物体无序时，熵值便增高。
冷凝器强化换热技术最早出现在2002年左右（处于理论阶段），经过十余年的发展，在应用性上取得了一定突破。
国内有一部分电厂已经运用了这项技术。
比较集中在华北、山东等地。
项目在可行性上国内还没有突破100MW机组，由于加装扰流装置，水阻的变化特别重要。
这方面我们还停留在理论上面，能否在实践里面得到详实的数据，至关重要。
在稳定性方面，由于扰流条和管壁的间隙很小，为避免扰流条被水流的杂物阻塞，通过冷却管的水流势必加设过滤装置。
孔径过小的滤网势必加大水阻和减少冷却水流量，过大孔径的滤网又能否确保扰流条运行的安全等等。
以上是这段时间的心得，发给苏总这些资料，希望能对苏总有一个借鉴作用。
黄剑于2013年11月21日
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