� 收稿日期: 2006�02�01� � � � �
� 作者简介:吴剑恒 ( 1975�) ,男,河南人,工程师,主要从事电厂生产运行和技术管理工作。
螺旋纽带自动除垢防垢和强化传热技术
的原理及应用
吴剑恒
(福建省石狮热电有限责任公司,福建 石狮 362700)
摘要: 受到凝汽器结构、循环水水质和流速等因素影响,凝汽器铜管水侧形成污垢,致使凝汽器传热性能下降、真空
降低。安装在凝汽器铜管内的螺旋纽带装置利用循环水的自身流动驱动纽带自动旋转和径向摆动,使水旋涡运动
不断冲刷管壁产生强烈扰动和径向混合,基本消除了层流边界层, 实现了自动除垢防垢和强化传热,达到汽轮机组
节能、降耗、增效的目的。
关键词: 凝汽器;螺旋纽带; 除垢;防垢; 强化换热
分类号: TK264. 1+ 1� � � 文献标识码: B� � � 文章编号: 1001�5884( 2007) 02�0151�04
Principle andA pplication for Auto�Anti�fouling& Improv ing�H eat�T ransfer
Technology o f the Tw isted�Tape
WU Jian�heng
( Fujian Sh ish iH eat& Pow er Cogeneration C o. L td. , Sh ish i 362700, Ch ina)
Abstrac t: A s a result of the construc tion of the condenser, the qua lity o f c ircu lating w ater and the speed o f flow, sca les
form in the copper p ipe o f the condenser, causing condenser vacuum to be reduced. The tw isted�tape that install in the con�
dense r copper pipe, causes the tape to autom atica lly ro tate and radia l osc illa te by the stream o f circu lating w ater. The wa ter
w ith a radia l spiral fo rce, sw eeps the pipew a ll continuously, causing to ag ita te and tom ix, basically rem ov ing the layers o f
contam ination or preventing them from eve r form ing. This action keeps the p ipe c lean, increases hea t transfe r, and m akes
the un it mo re econom ica l and e ffic ient.
K ey
s: condenser; tw isted tape; removes d irty stu ff; an ti�fou ling; strengthened heat transfer; econom ic e ffect
0� 前 � 言
凝汽器冷却铜管水侧污垢是导致凝汽器真空恶化的最
主要也是最常见的原因 [ 1, 2]。循环冷却水中杂质等引起铜管
内表面积垢或脏污, 并随着时间的推移逐渐增多加厚, 导致
铜管清洁率和总传热系数下降、凝汽器换热效果差、真空下
降, 机组热效率降低,影响机组出力和运行经济性; 并且垢下
腐蚀可能造成针型腐蚀穿孔, 导致铜管及管板泄漏 ,威胁着
汽轮机组的安全运行。
凝汽器铜管内壁形成污垢的速度很快。根据文献 [ 3],
凝汽器铜管清洗 24h后, 铜管清洁系数就会从 1. 00变为
0. 692, 实际传热系数由 2. 93 kW / ( m2� ) 降低到 1. 98
kW /( m2� ),致使排汽温度从 31. 5 上升到 35. 5 。而
0. 1mm 厚污垢的热阻足以让 1. 0mm厚铜管的导热热阻被忽
略不计。如此快的积垢速度和低的传热效率, 导致凝汽器长
期处于低效率运行中 [ 4]。
随着传热技术的发展,污垢已经日益成为强化传热的主
要障碍之一。为解决这一障碍, 有关专家和各个电厂采取了
各种方法, 如添加除垢缓蚀剂、高压水冲洗、胶球清洗、电子
除垢甚至停机人工机械清洗或化学清洗等方法,但这些方法
没有从根本上消除结垢的隐患,虽然短时间内对提高铜管清
洁系数和传热性能是有效的, 但是对提高常年的平均效率
却作用不大。对污垢清洗理想技术的最基本
, 是能够
自动地连续清洗 , 将传热面上的污垢及时除去并能防止结
垢 [ 5]。安装在凝汽器铜管内的螺旋纽带装置本着 !预防为
主, 防清结合∀的原则 [ 6] , 利用循环水的自身流动驱动纽带自
动旋转和径向摆动, 迫使水旋涡运动不断冲刷管壁, 对铜管
内表面层流边界层产生强烈扰动和径向混合 ,基本消除了层
流边界层的存在,防止污垢在铜管上集结, 省去了清洗的麻
烦, 实现了强化换热及除垢防垢, 达到节能、降耗、增效的目
的, 确保机组长周期安全、稳定、经济运行。
1� 凝汽器铜管水侧污垢的形成及其危害
1. 1� 设备简介
某热电厂拥有 2台 C6- 35/8型调整抽汽冷凝式汽轮机
( 1号、2号机组 )和 1台背压式汽轮机。1号、2号机组配置
第 49卷 第 2期 汽 � 轮 � 机 � 技 � 术 Vo.l 49 No. 2
2007年 4月 TURB INE TECHNOLOGY Apr. 2007
N- 560- 1型分列二道制表面式凝汽器, 冷却面积 560m2,设
计冷却水量 2 208 t/h,水阻 2. 47mH 2O, 铜管总数为 2 344根,材
质为海青铜 H 70 - 1, 铜管外径 20mm, 壁厚 1mm, 长度 3 800
mm。管子两端胀接在管板上, 中间有管板支撑。管板材质
为 Q235- A。该厂采用敞开式循环方式, 自来水作为循环水
的补充水, 配置 4台 FBL( # ) DW 型机力通风冷却塔。循环
水设计温度 27 , 最高水温 33 ,设计排汽压力为5. 8kPa。
3台机组共配置 4台 350S - 26型循环水泵, 流量 1 440
t/h,扬程 22. 5m,电动机功率 132kW, 正常情况下 2台循环水
泵运行、2台联锁热备用, 必要时 3台循环水泵并联运行、1
台热备用。
1. 2� 存在问题
1号机组于 1999年 1月投入商业运行。投运不到 1年,
凝汽器真空逐渐恶化, 出力受到限制、能耗增加,尤其夏秋高
温季节更为明显, 即使有 20 t/ h抽汽量带 6MW 负荷时凝汽
器真空只有 - 84kPa~ - 86kPa,纯凝工况基本无法带满 6MW
负荷, 只有投入 3台循环水泵并联运行才能带 5. 3MW ~ 5. 7
MW负荷, 致使循环水进水温度高达 37 , 循环水进、出水温
度差仅为 5 ~ 6 , 而端差却在 15 以上。经过做真空严
密性试验、凝汽器汽侧灌水查漏以及检查抽气器工作性能等
工作后, 确认真空降低的原因最可能是凝汽器铜管水侧污
垢。打开凝汽器检查发现铜管内壁有一层 0. 5mm ~ 0. 8mm
厚的污垢, 管板上面有较厚的污垢和黏泥, 部分污垢较坚硬,
不易清除。
1. 3� 凝汽器铜管水侧污垢的影响因素分析
经过化验分析, 认为凝汽器铜管水侧的污垢类型主要是
微粒污垢和生物污垢 [ 7], 其主要受到凝汽器结构、循环水水
质和流速等因素影响 :
1. 3. 1� 凝汽器结构的影响
温度较低的循环水从凝汽器下部流入铜管与汽侧蒸汽
进行热交换, 再流经凝汽器上部高温部分排出。由于凝汽器
上部管束布置较密及流程损失等原因, 循环水流经上部管束
时水温逐渐升高、流速变缓, 使凝汽器汽侧高温蒸汽不能被
及时冷凝, 导致凝汽器上部管束温度较高。而 Ca2+、M g2+等
离子溶解度随温度升高而降低 (析出 ), 致使凝汽器铜管水侧
结垢, 且上部结垢比下部严重得多 [8]。
1. 3. 2� 循环水水质的影响
循环冷却水水质对凝汽器铜管水侧结垢的影响也很重
要。循环水流经冷却系统时由于蒸发损失、风吹损失等不断
浓缩, Ca2+、Mg2+、氯根、总碱度、总硬度等均被浓缩。并且,
由于当地用水紧张, 该厂除了大约 50 t/h的锅炉放灰用水外,
基本不对循环水进行排污,循环水浓缩倍率在 5. 0以上, 致使
循环水中 Ca2+约为 2. 5mm o l/L、M g2+为 0. 5mm o l/L、总硬度大
于 3 mm o l/L,凝汽器铜管水侧结垢倾向十分严重 [ 9] ,长时间
运行容易在冷却铜管内表面形成一层坚硬的水垢。同时,循
环冷却水系统的温度环境非常适合藻类及真菌等微生物的
生长繁殖, 容易在铜管内壁形成具有内聚性和粘着性的生物
污垢。
1. 3. 3� 循环水流速的影响
循环水在凝汽器中的换热过程主要以对流换热为主,而
对流换热效果与循环水流速有很大的关系。循环水流速主
要取决于设计 ,包括循环水系统的设计、循环水的压力范围、
冷却铜管的合理冷却面积和排列方式以及管束的几何形状
等。实际运行中一般通过调整并联运行循环水泵的台数以
改变冷却水量的方式来实现。增加循环水流速,可以增大凝
汽器水侧换热系数和减小污垢热阻,同时会使循环水泵功耗
和水耗增加 [ 7], 需要进行机组功率微增量与循环水泵耗功微
增量和耗水微增量的经济性分析。该厂 1号、2号机组凝汽
器铜管内设计水速为 1. 03m / s, 略为偏低; 而在实际运行中,
正常情况下 2台循环水泵并联运行时, 铜管内循环水速仅为
0. 67m /s(进口水压为 0. 102MPa), 而 3台循环水泵并联运行
时水速接近 0. 90m /s(水压 0. 148M Pa)。较低的循环水流速,
容易使污垢在铜管内表面沉积 [ 7]。
1. 4� 凝汽器铜管水侧污垢的危害
污垢的导热系数很小, 大大地增加了传热热阻, 造成传
热系数降低, 严重削弱了凝汽器的换热能力, 使循环水吸热
不良, 减缓了汽轮机排汽的凝结速度, 致使排汽压力和排汽
温度均升高。而排汽温度的升高又导致有更多的热量需要
循环水带走, 使循环水温度升得很快。循环水温度升高后又
进一步恶化真空、增大端差, 形成恶性循环。表面上看很容
易判断为是由于冷却塔冷却效果不良所致, 其实循环水温度
高的原因在冷却塔冷却效果一定的情况下是凝汽器真空低
直接导致 [ 2]。铜管水侧污垢不仅使凝汽器清洁率下降和冷
却面积减少, 还增加了循环水流动阻力从而减少了循环水流
量, 进一步降低了凝汽器真空。所以, 凝汽器铜管水侧污垢
是导致真空恶化的最主要的原因。
凝汽器真空降低使蒸汽的有效焓降减小 ,会影响汽轮机
组运行的安全性和经济性 [ 1]。一般运行经验表明: 凝汽器真
空每下降 1kPa, 汽轮机汽耗会增加 1. 5% ~ 2. 5% ; 真空过低
时会限制机组出力, 严重时要停机清洗 ,影响汽轮机组的经
济效益。而且 ,真空过低会使低压缸、排汽缸温度升高,引起
汽轮机轴承中心偏移, 严重时会增大汽轮机组的振动; 当真
空降低时, 为保持机组出力不变, 必须增加蒸汽流量, 导致轴
向推力增大、推力轴承过负荷, 影响汽轮机组的安全运行。
同时, 沉积物下腐蚀是凝汽器铜管腐蚀的主要形态 [9]。
沉积物造成铜管表面不同部位上的供氧差异和介质浓度差
异, 导致局部腐蚀。管因腐蚀壁面变得粗糙而使污垢更易于
附着, 又进一步加速了沉积物下腐蚀, 形成恶性循环。铜被
氧化生成的 Cu2+及 Cu+离子倾向于水解生成氧化亚铜, 并
使溶液局部酸化,加剧了腐蚀的发展, 严重时造成针型腐蚀
穿孔, 导致铜管及管板泄漏, 循环水泄漏到汽侧,造成凝汽器
满水, 严重威胁着汽轮机组的运行安全 ,也直接影响发电厂
的经济效益。
针对凝汽器铜管水侧污垢的情况, 该厂先后采用循环水
反冲洗、添加除垢缓蚀剂、不停机半边人工机械清洗、高压水
冲洗、停机化学清洗等方法, 效果均无法令人很满意。 2003
年 6月, 该厂了解到杭州力通科技有限公司生产的专利产品
螺旋纽带装置自动除垢防垢与强化换热技术的工作原理及
应用情况后, 经过认真调研, 在 1号机组凝汽器铜管内加装
了螺旋纽带装置 , 在 !除∀垢的同时进行 !防∀垢, !防 ∀重于
!治∀, 才彻底解决了这一难题,并提高了凝汽器换热效率。
152 汽 � 轮 � 机 � 技 � 术 � � 第 49卷
2� 螺旋纽带自动除垢防垢和强化传热技术
的工作原理
2. 1� 流体在管内流动情况
对工业换热器, 一般管内流体受迫流动总是处于旺盛湍
流状态 [ 4]。根据管内流体受迫流动换热理论 [ 10] , 由于流体
黏度所形成的粘滞力,流体在管内流动分为 3种基本现象:
层流边界层、过渡区、紊流区, 并具有不同的流动速度 �(见
图 1)。层流边界层紧贴附于管壁, 流速非常缓慢, 循环水中
的 CaCO3等杂质最易滞留在管内壁上形成污垢, 从而影响汽
轮机组运行的安全经济性;并且, 层流边界层虽然很薄, 但仅
依靠导热方式进行换热,热阻很大, 严重影响传热效果。
图 1� 管内流体受迫流动情况及速度分布
1∃ 凝汽器铜管; 2∃ 层流边界层; 3∃ 过渡区; 4∃ 紊流区
2. 2� 螺旋纽带自动除垢防垢和强化传热技术的工作原理
螺旋纽带装置安装在凝汽器铜管内 (见图 2) ,不需对凝
汽器本体作任何改动, 不需添加外加任何动力, 只要在每一
根铜管内加一支螺旋纽带并将内塞 4固定牢固,用手旋转轴
7几周, 灵活可动即可。杭州力通科技有限公司可根据不同
设备的实际需要生产制造不同规格的螺旋纽带装置。安装
在该厂 1号机组凝汽器的螺旋纽带装置的规格 (外径 %厚度
%长度 )为 �14 % 1. 3 % 3 800mm、节距 B = 85mm,在纽带与管
内壁之间有约 2. 5mm的间隙,可以自由旋转和摆动。
图 2� 螺旋纽带装置结构示意图
1∃ 凝汽器铜管; 2∃ 螺旋纽带; 3∃ 连接环;
4∃ 内塞; 5∃ 支架; 6∃ 垫片; 7∃ 轴
螺旋纽带装置实际是一种在线机械清洗防垢技术, 其自
动除垢防垢和强化传热的工作原理 [6]是: 当汽轮机运行时,
大量的循环冷却水在铜管内流动,螺旋纽带装置利用循环水
的流速作动力, 驱动进口端固定的纽带长期在铜管内自动旋
转和摆动, 可达到以下目的:
( 1)除垢: 纽带本身具有一定柔性, 旋转时还产生径向摆
动。纽带的边刃对污垢层产生碰撞挤压, 侧刃刮扫对污垢层
作用以周向的剪切力。在径向碰撞挤压和周向刮扫剪切的
共同作用下, 达到对已有污垢的连续、自动的清洗目的, 对原
本无垢的传热面则具有很好的自动防垢作用。湘潭大学进
行的塑料纽带除垢能力试验 [ 5]
, 铜管内安装除垢塑料纽
带 3天后, 油垢、硫酸钙水玻璃混制的垢、水玻璃水泥混制的
垢已经除净, 水玻璃碴水泥制的垢、磷酸钙水泥混制的垢基
本除净, 而 15天后水玻璃碴水泥制的垢、磷酸钙水泥混制的
垢则完全除净。该试验结果表明, 塑料纽带的除垢能力强,
完全能够满足换热器、凝汽器、蒸发器等各种列管式水冷设
备的除垢能力要求, 也足以满足绝大多数工业生产中其它
传热设备的除垢要求。
( 2)防垢: 同时,水在纽带的作用下形成涡流不断冲刷管
壁, 对层流边界层产生强烈扰动, 基本不存在沿管壁低流速
层, 使冷却水中的 CaCO 3、污垢和微小杂物等不易在管壁内
停留而全部带出铜管, 有效防止污垢在管壁上集结, 起到了
长期保持铜管内壁清洁干净无垢的作用, 彻底改变了要停机
才能彻底清理凝汽器污垢的传统办法, 解决了汽轮机真空下
降的难题, 有效降低了发电能耗, 并能防止发生凝汽器铜管
沉积物下腐蚀 ,提高了机组运行的经济性和安全性。
( 3)强化传热:旋转和摆动的螺旋纽带引起管内流体的
强制旋流和二次流,促进从层流边界层到旺盛紊流区的径向
混合, 从而使流体产生旋涡运动, 基本消除了层流边界层,缩
小了过渡区, 扩大了紊流区 [ 10] , 加快了冷热水之间的混和,
提高了换热性能,强化了铜管的传热效果, 使凝汽器的换热
效率得到了显著的提高,从而提高汽轮发电机组的经济性。
螺旋纽带装置各部件除连接环 3和垫片 6为不锈钢外,
其余均采用与水密度基本相同的复合型高分子材料制成,具
有以下优点 [ 5, 6]:
( 1)纽带受到流体的浮力几乎等于自身的重量, 纽带能
较好地浮动在铜管的中心部位,使传热管上下半周的除垢防
垢均匀化;
( 2)具有优异的耐腐蚀性能, 能很好地满足大多数或绝
大多数传热介质的腐蚀性要求;
( 3)具有优异的耐磨性能,不仅解决了纽带自身的磨损
寿命问题, 而且它不会损坏铜管表面的氧化膜, 最大限度地
延长了铜管的使用寿命;
( 4)螺旋纽带耐温大于 100 , 抗蠕变性能和抗冲击性
能良好, 能够满足凝汽器等各种水冷设备以及其它传热设备
的要求;
( 5)支架作为轴承座和螺旋纽带相连, 耐磨性和自润滑
性好, 配合使用球面点接触结构的轴承 ,以最低限度地减小
运转摩擦, 能够满足纽带长期旋转的需要;
( 6)不锈钢 0C r18N i9制成的连接环 3和垫片 6, 具有良
好的耐蚀性、耐热性、低温强度和机械特性, 可长期在水质较
差的循环水中运行。
螺旋纽带装置可以在换热器、冷凝器、蒸发器等各种列
管式传热设备中推广应用, 对设备的新旧程度没有任何要
求, 设备结构上立式与卧式均可以。在旧设备改造过程中,
对设备的本体可以不作任何改变和
, 这在推广应用中具
有非常大的简便性。对设备的管程数、传热管的管数和直径
大小及其长度均没有什么限制。因此, 该技术适用的范围
非常广阔。
3� 螺旋纽带在火力发电厂的的应用情况及
经济效果分析
3. 1� 应用情况
该厂 2003年 6月在 1号机组凝汽器铜管内加装了螺旋
153第 2期 吴剑恒:螺旋纽带自动除垢防垢和强化传热技术的原理及应用 � �
纽带装置, 经过 2年多的运行实践, 1号机组在抽汽和纯凝工
况下均能带满 6MW负荷, 达到预期效果,具体表现在:
( 1)在夏秋高温季节抽凝机组在纯凝工况下可带 6MW
满负荷运行, 凝汽器真空在 - 87kPa以上, 有效地解决了汽轮
机真空下降而出力不足的难题;
( 2)在同等条件下安装螺旋纽带装置后凝汽器真空上升
了 6kPa~ 8kPa,并且真空基本稳定, 运行 2年多后与刚安装
时相比没有较大变化 ;
( 3) 2台循环水泵并联运行就能基本满足 3台机组运行
需要, 高温季节可少开 1台循环水泵; 并且, 安装后凝汽器进
水阻力仅增加 3kPa~ 4kPa,对循环水泵功耗影响不大;
( 4)凝汽器开盖检查, 其铜管内壁干净如初, 基本没有结
垢现象, 也不存在沉积物下铜管腐蚀, 但管板存在结垢和腐
蚀现象;
( 5)螺旋纽带装置状态良好,旋转灵活, 只是纽带由于磨
损, 外径由 14mm减为 12. 9mm;纽带上粘附一些生物黏泥和
污垢, 用清水即可冲洗干净。
由于螺旋纽带装置在 1号机组凝汽器上取得了成功,除
垢防垢效果令人满意, 该厂又在 2号机组凝汽器铜管、3台机
组空气冷却器铜管内安装了螺旋纽带装置, 均取得了良好的
应用效果, 并计划在 3台机组冷油器铜管内安装螺旋纽带装
置。
3. 2� 经济效果分析
在汽轮机凝汽器铜管内安装螺旋纽带装置取得的经济
效果, 可从提高真空降低汽耗、少停机多发电、节省电耗和水
耗等方面进行分析:
( 1)提高真空、降低汽耗。根据 2年多的运行情况, 按凝
汽器真空平均提高 6kPa, 抽凝机组年折算纯凝工况运行
2 500h,纯凝工况设计汽耗为 4. 80t /(MW� h),取凝汽器真空
每下降 1kPa汽轮机汽耗增加 2%计算 [ 1] ,则每年可少消耗蒸
汽量为: 4. 80t/ (MW� h) % 6 % 2% % 6MW % 2 500h= 8 640 t,
折算年节约 930t标准煤。
( 2)多发电、少停机。安装前,每年大约有 2 500h因为凝
汽器真空低 6MW机组只能带 5. 3MW ~ 5. 7MW电负荷, 平均
每小时少发电 0. 5MW。另外, 每年需清洗凝汽器 3次、每次
至少需停机 60h。安装螺旋纽带装置后, 1台 6MW 机组每年
可多发电 2 500h % 0. 5MW + 3 % 60h % 6MW = 2 330MW� h,除
去成本按利润 100元 / (MW� h)计算,增加利润 233 000元。
( 3)节省电耗和水耗。在夏秋高温季节一般运行 2台循
环水泵即可满足 3台机组的运行要求, 少运行 1台 132kW循
环水泵, 降低了生产用电量,还减少了循环冷却水的损失,每
年至少可节约 300MW� h电能和 50 000t水。
( 4)成本不高。安装螺旋纽带装置为一次性投资, 使用
时只需定期检查运行情况, 基本不需要运行维护费用。按每
4年更新螺旋纽带装置一次计算, 成本仅相当于使用除垢缓
蚀剂的 40% , 相当于化学清洗费用的 30%。
可见, 在凝汽器铜管内安装螺旋纽带装置, 取得的经济
效益是非常显著的。若考虑到螺旋纽带装置能有效避免凝
汽器铜管沉积物下腐蚀 ,从而提高汽轮机组安全经济运行、
降低更换维护工作量和检修费用,效果将更加可观。
4� 建议与结论
( 1)受到凝汽器结构、循环水水质和流速等因素影响,凝
汽器铜管水侧形成微粒污垢和生物污垢, 造成凝汽器传热系
数降低、真空下降及沉积物下腐蚀, 影响汽轮机组运行的安
全性和经济性 ;
( 2)螺旋纽带装置安装在凝汽器铜管内部, 利用循环水
的自身流动驱动螺旋纽带在铜管内自动旋转和径向摆动,使
水旋涡运动不断冲刷管壁,对铜管内部层流边界层产生强烈
扰动和径向混合,基本消除了铜管内表面层流边界层, 有效
地实现了强化换热及防垢除垢,从而达到节能、降耗、增效的
目的, 确保机组长周期安全、稳定、经济运行;
( 3) 安装螺旋纽带装置前最好采用化学清洗方法彻底
清洗凝汽器; 同时在进水口加装滤网, 以防止柔性条状物缠
绕纽带影响转动而达不到预期目的; 若循环水硬度大于
6mmo l/L, 建议加酸软化以减缓水中 CaCO3 的生成, 并且循
环水 pH 值最好控制在 8以下;
( 4)建议每年凝汽器开盖检查一次, 并清洗除去纽带上
粘附的黏泥等, 防止纽带无法自由旋转而起不到应有的作
用; 同时, 根据纽带的磨损情况, 建议 3~ 5年更新螺旋纽带
装置一次;
( 5)杭州力通科技有限公司生产的螺旋纽带装置既能防
止凝汽器铜管内壁水垢的生成, 又能强化铜管传热效果, 多
年的运行实践已证明是一项成熟的实用性新技术新产品,完
全能够满足凝汽器及直管表面式换热器等各种水冷设备的
要求, 也足以满足绝大多数工业生产中列管式水冷设备的
要求, 值得大力推广。
参 考 文 献
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