凝汽器除垢技術在電廠節能減碳降污中的應用分析

朱 鵬 趙 晟 劉潮立 雷 鳴 齊星越 吳 江

1.華能國際電力股份有限公司井岡山電廠

2.上海電力大學能源與機械工程學院

0 引言

“雙碳”目標的實現需要立足我國能源稟賦，積極穩妥地推進。2022 年火電裝機容量占全國總裝機容量的50%以上，起到了能源“壓艙石”的作用?；鹆Πl電的節能與減碳降污，一直是研究的重要課題，也是實現“雙碳”目標的重要內容。凝汽器作為熱力循環的“冷端”，在凝汽器式汽輪機組中起著重要作用［1］，其冷源損失在火力發電各類損失中占到絕對比例。結垢是造成凝汽器冷源損失的重要原因，因此，采用適當的技術除垢防污，降低凝汽器冷源損失，從而降低廠用電，實現電廠節能和減碳降污，具有重要意義。

1 凝汽器結垢的原因及危害

1.1 結垢原因

凝汽器中循環冷卻水的污垢主要是由污泥以及難溶性碳酸鹽如碳酸鈣等，結晶析出附著于汽輪機凝汽器的銅管換熱面上形成的復合型硬質水垢。

凝汽器管道中的蒸汽、水是經過化學處理的，但其中的無機離子仍會吸附于管壁，濃縮析出后結成CaCO3、CaSO4、MgSO4等無機鹽垢。水中鈣、鎂等鹽類的晶核在范德華力作用下也極易被管壁上原有的水垢吸附。此外，系統設備被溶解在水中的氧腐蝕將形成鐵銹垢，菌類繁殖和死亡則帶來生物黏泥垢。各種因素使得水垢層不斷增厚，管道的有效通徑逐漸減少［2］。

1.2 結垢危害

凝汽器結垢會增加能耗、運維成本，并降低凝汽器的使用壽命，造成安全隱患［3］。

1）增加能耗

水垢的導熱系數小且有一定的厚度，增大了熱阻，會導致傳熱惡化，當傳導同樣多的熱量時會使溫差增大，從而使端差增大，真空度降低，引起汽耗率增加。垢層還會使高溫蒸汽在凝汽器中的冷卻效果變差，排汽溫度升高，也使真空度下降，從而增加了熱耗率和汽耗率。而且，垢層的存在減少了凝汽器中冷卻水與冷凝器有效的換熱面積。以上這些都會致使凝汽器傳熱效率降低，能耗增加［4］。

2）增加成本

結垢影響電廠的經濟效益。為了除垢，要增加設備和人力物力的投入，而且影響電廠的正常運營以及除垢設備后期維護等，增加運行成本，降低經濟效益和凝汽器的使用壽命并存在安全隱患。結垢使真空度降低，必須增加蒸汽流量來保障輸出不變，因此增加了設備載荷，嚴重的甚至會損害機組設備。

3）生物污染

冷卻系統為微生物提供了溫暖潮濕的生存環境。細菌會在冷凝器和冷卻塔填充物中生長，真菌會在冷卻塔木材中生長，藻類會在暴露在陽光下的潮濕冷卻塔組件中生長。殺菌劑處理對于保持冷卻系統的性能和完整性非常重要，但即使有良好的殺菌劑處理，微生物仍可能附著在冷凝器管上。因此，必須清洗管子上的污垢。

2 常用的化學除垢技術

2.1 常規化學清洗

凝汽器化學水清洗方案如圖1 所示，首先在凝汽器水側建立化學水循環系統，關閉循環水閥門或用盲板把凝汽器原來的循環水系統隔離，利用凝汽器水室上下的排氣、排水口，用耐酸膠管將凝汽器、化學水泵、化學水槽組成1個循環系統，并設置取樣點、排氣口、pH 監測點、排污口等。系統運行過程中，需動態監測化學水pH 值變化，并根據監測結果及時添加藥劑。

圖1 化學清洗系統示意圖［5］

人工化學清洗是最廣為人知和應用最廣泛的方法，但也有其不足，在對換熱器進行人工化學清洗后的壓力測試過程中，經常會發生泄漏。既不能達到完全清潔的效果，也達不到設備的有效利用和節能的目的?；瘜W試劑的使用不僅增加了機組報廢的可能性，而且其試劑的排放給客戶帶來了污染問題。

2.2 在線化學清洗

在線化學清洗是近年來在化學清洗的基礎上發展起來的，與化學清洗的最大不同是裝置不停止運行［6］。在線單側解列化學清洗采用氨基磺酸、剝離劑+緩蝕劑的工藝，耗時短，藥耗少，效果好，但與傳統的化學清洗相同，化學試劑的使用會帶來一定的環境污染，在一定程度上限制了其在工業上的應用。

以色列CQM 公司開發的自動清洗管道系統(ATCS)是水冷卻系統在線清洗技術之一［7］。它以水為工作流體，通過在預設的時間周期內運行軟聚合物球，使熱交換器和冷凝器保持清潔，消除污垢和殘留物沉積，并且無有害化學物質的積聚。

2.3 在線機器人清洗技術

機器人清洗技術所用到的機器人主要有坐標移動機器人、關節機器人、化學清洗機器人等［8］。在線機器人清洗技術主要流程如下：

1)坐標移動機器人

在凝汽器4 個水室中分別設置有移動清洗管道，通過伺服電機控制滾珠絲杠的轉動。2 MPa 高壓水(高壓水泵提供)射流噴頭在水平面內水平或垂直移動，在線清洗凝汽器管板和管道。

2)關節機器人

通過機械臂精確定位，引導高壓水(10 MPa)射流噴頭對凝汽器冷卻管內壁進行清洗。在機械臂兩個關節內裝有伺服電機與減速器，通過下拉控制兩個伺服電機轉動，改變機械臂手部的坐標，使其移動到預先設定好的位置以實現對高壓水射流定位。

3)化學清洗機器人

利用“柱塞流”原理，采用“非進入式”清洗模式，運行中利用8個噴頭，同時向凝汽器管道注入氨基磺酸并進行密封，浸泡酸洗后再進行酸液回收，實現在線酸洗。

凝汽器結垢化學清洗，隨著清洗技術的不斷發展、高效緩蝕劑的成功研制、化學清洗監控手段的進一步完善，得到了廣泛的應用。用于凝汽器清洗時，具有清洗時間短、除污垢率高、勞動強度低、工藝簡單等優點，而且可有效防止銅管的殘余污垢腐蝕。

3 常用的物理除垢技術

3.1 人工捅洗

人工捅洗凝汽器是，采用捅條由人工對凝汽器管進行往復捅刷，以除掉管內的結垢。由于是人工捅洗，因此只能清除軟垢和少量的硬垢，清除不徹底，勞動強度大，無法達到令人滿意的效果。同時，對銅管的機械損傷較嚴重，而且沒有除盡的老垢又作為晶核，加快了結垢速度。

3.2 膠球清洗

膠球清洗技術是電廠中廣泛使用的凝汽器除垢技術，膠球清洗裝置主要由噴球管道、二次濾網、膠球循環泵和收球室幾部分組成。其工作原理是利用膠球輸送泵將裝球室內的海綿膠球送入凝汽器循環水進口，膠球在水流帶動下進入凝汽器冷凝管，摩擦管壁起到清洗污垢的作用［5］。膠球清洗主要適用于較為嚴重的沉積污垢，優勢為系統簡單，設備投資低，維護工作量較少。但也存在一些問題，比如膠球易造成管壁的磨損，投球、收球需人工操作，工作量大等，為此人們研究了在線膠球清洗技術等來改善這些問題。

3.3 高壓水清洗

凝汽器高壓水射清洗就是利用高壓水對凝汽器冷凝管內壁進行水射清洗。利用高壓水泵，經過高壓水槍，對每根冷凝管進行水射物理清洗，高壓水射流技術取得了很好的效果，特別是在凝汽器冷凝管堵塞的情況下高壓水射流清洗方面尤為突出。但是，凝汽器高壓水射清洗也有嚴重局限性，高壓水離開高壓水槍噴嘴大概50 cm 后，水壓受空氣阻力迅速下降，使冷凝管只能清洗一小段距離，更深的則很難清洗。

3.4 超聲波除垢技術

現有超聲波防除垢裝置由三部分組成：大功率超聲波發生器、換能器和信號傳輸線。由超聲波電源產生大功率超聲頻交流信號，該信號驅動換能器產生高頻振動，之后通過變幅桿放大振動，使凝汽器的冷凝水中產生很多微小的空氣泡，這些氣泡破裂時會連續產生高溫高壓沖擊壁面上的水垢，阻礙污垢生成并且使污垢軟化脫落最終達到去除水垢的作用。長期保持凝汽器冷卻管清潔，從而保持凝汽器真空，穩定機組發電效率［9-11］。

3.5 螺旋紐帶清洗技術

螺旋紐帶在線清洗技術是近些年發展較快并具有較好發展前景的方法，通過在換熱管內裝入螺旋紐帶，在一定冷卻水動能帶動下，螺旋紐帶在換熱管內長期產生振擺和300～1 800 r/min 的自轉。在周向刮掃剪切和徑向振擺碰撞的共同作用下，達到對已有水垢的連續清理作用，并破壞垢質的形成機理，使垢不能在管壁上附著，對換熱管有很好的防垢保潔作用［5］，示意圖見圖2。

圖2 螺旋紐帶示意圖［5］

螺旋紐帶清洗技術清洗流程：在每根凝汽器換熱管內安裝高分子螺旋紐帶，機組運行時無需外加動力，利用循環水自身的流速驅動，長期在換熱管內不停地快速旋轉。螺旋紐帶清洗技術將管內水的層流狀態變為紊流狀態，破壞水垢的形成，從而避免泥垢等在冷卻管壁滯留，提高換熱系數。60 MW 凝汽器，如果采用螺旋紐帶自動除垢裝置，年平均端差可降低5 ℃［12］。濟鋼燃氣發電一期工程和新礦集團協莊煤礦的自備電廠采用了此技術。

3.6 智能電磁儲能式抑菌除垢系統

智能電磁儲能式抑菌除垢系統的作用機理是在電磁力的作用下，雙向性水分子及附著在凝汽器表面的磁性氧化鐵對水垢的滲透性得到加強，因此，改變了管壁和污垢的黏附力，使原有管垢逐漸脫落。而在電磁場力的作用下金屬陽離子和酸根離子的取向運動使正負離子結合概率顯著增加，生成鈣、鎂鹽類從介質中析出，因此便不存在離子吸附管壁而后濃縮析出成垢的過程。析出的溶解態的鈣、鎂鹽類，在高溫下，隨著其溶解度下降，形成碳酸鈣、硫酸鈣、碳酸鎂、硫酸鎂等顆粒狀晶核懸浮在介質中，介質的流動會將它們帶走，從而使凝汽器管壁上不容易結成新污垢，起到了除垢防垢的作用。同時在抑菌方面，電廠智能電磁儲能式抑菌除垢系統也有優異的效果，該系統產生的高頻電壓脈沖和高頻電流脈沖，再結合微弱電流作用下產生的活性氧，可破壞微生物的細胞壁和細胞核，起到殺菌滅藻的作用［13］。

除上述特點外，智能電磁儲能式抑菌除垢系統還具備以下優點：主機全自動化，并具備故障自診斷功能；根據不同的介質，不同的負載能力，可以自動調節有效的輸出參數，使其達到最優；采用智能組合式電磁技術，具有較好的穩定性；選用進口電子元件，使用壽命超過5 年；能源消耗低，不產生污染，不需要專業人員管理，環保經濟；抗垢、除垢作用顯著，殺菌、滅藻能力強，一次投資終生受益，節省能源，運行成本僅為傳統化學水處理成本的20%；體積小，重量輕，安裝使用維護簡單，勞動強度低，節省人力和物力，從而實現火電廠的減碳降污。

該設備在井岡山電廠、安慶電廠、洛河電廠等多個電廠相繼投入運行，其中最好的設備已經投入運行2年以上。結果顯示，在該系統的作用下，管道內的舊垢在15 天左右就會被腐蝕、剝離，30 天后會有大量的脫落（根據污垢的厚度和數量而定）。與常規的電磁清洗系統比較，它對大直徑的管道有著更好的除菌抑垢作用，并獲得了1.5 m 口徑的成功應用，是全球目前唯一一個成功應用于大型凝汽器的設備，在化工、石油等行業同樣具有廣泛的應用前景。

4 結論

本文對凝汽器除垢技術進行了較為系統的分析，結果表明，各種方法均具有一定的除垢效果，但也不同程度上存在不足，如人工清洗耗費大量的人力、財力，同時會影響機組運行，造成一定的經濟損失；酸洗堿洗會產生污染液體，并且會對凝汽器造成損害腐蝕；膠球清洗對硬質水垢效果不佳，并且回收率低成本較高；高壓水射流清洗則會對設備造成一定的損害。相比而言，智能電磁儲能式抑菌除垢系統兼顧了經濟性和除垢效果，且不會影響汽輪機組的正常運行，具有較為廣闊的應用前景。