引言

火力發(fā)電廠使用的凝汽器膠球清洗裝置可在機(jī)組不減負(fù)荷的情況下清洗凝汽器冷卻水管的內(nèi)壁,從而降低凝汽器的端差和汽輪機(jī)背壓,是保證汽輪機(jī)安全運(yùn)行和降低煤耗不可缺少的輔機(jī)配套設(shè)備。20世紀(jì)50年代初,德國人發(fā)明了膠球清洗裝置,其基本工作原理是在運(yùn)行的凝汽器冷卻管中投入一定數(shù)量的膠球,使它們連續(xù)地在凝汽器換熱管內(nèi)流過,對冷卻管內(nèi)壁起到清洗作用[1]。但是,由于選用膠球、冷卻水水質(zhì)、清洗裝置和凝汽器結(jié)構(gòu)等方面的影響,國內(nèi)大多數(shù)電廠膠球清洗裝置都沒有發(fā)揮出應(yīng)有的作用。

本文結(jié)合對膠球清洗系統(tǒng)中膠球的受力分析,判斷膠球清洗裝置什么環(huán)節(jié)影響膠球的收球率,并提出相應(yīng)的解決方案,找出了改造膠球清洗裝置的方法。同時,通過實驗驗證了該方法的有效性。

1膠球清洗裝置工作流程

膠球清洗裝置系統(tǒng)如圖1所示,膠球清洗過程可分為三個階段：

(1)膠球通過膠球泵打入至凝汽器循環(huán)水進(jìn)水管的階段:

(2)膠球通過凝汽器鈦管的清洗階段:

(3)膠球被循環(huán)水帶至凝汽器循環(huán)水出水管的階段。

膠球清洗裝置正常運(yùn)行時,收球網(wǎng)電動閥關(guān)閉,膠球泵和1號、2號、3號閥門開啟,膠球泵運(yùn)行。膠球通過膠球泵的吸力,從凝汽器循環(huán)水出口收球網(wǎng)前打到凝汽器循環(huán)水進(jìn)口。膠球清洗裝置收球時,關(guān)閉裝球室電動閥,膠球在膠球泵和循環(huán)水的共同作用下,被帶至裝球室內(nèi)。

2各個階段膠球的受力分析

2.1膠球在凝汽器循環(huán)水進(jìn)水階段的受力分析

如圖2所示,在上升階段,膠球向上受到膠球浮力和循環(huán)水流對它的沖擊力,向下受到重力作用。

由于實際中膠球的密度小于水的密度,膠球的浮力大于膠球重力,所以膠球浮力與水流沖擊力之和大于膠球的重力,此時膠球向上運(yùn)行,不會滯留在凝汽器鈦管中。

2.2膠球在清洗過程中的受力分析

在清洗過程中膠球的受力如圖3所示。

式中:p為流體密度:v為流體流速:g為重力加速度:h為該點(diǎn)所在的高度:P為流體的壓強(qiáng):C為一個常量:FC為膠球在鈦管中所受的沖擊力:s為鈦管的橫截面積:FM為膠球與鈦管壁之間的摩擦力:μ為膠球與凝汽器鈦管之間的摩擦系數(shù):FN為膠球?qū)δ麾伖艿恼龎毫Α?

由式(1)和式(2)可知,當(dāng)凝汽器鈦管出現(xiàn)大規(guī)模堵塞時,凝汽器循環(huán)水由于鈦管堵塞的截流作用,流速v減小,壓強(qiáng)P增加。由于凝汽器循環(huán)水管橫截面沒有變化,壓強(qiáng)P增大,膠球在鈦管中所受的沖擊力FC也增大。

由式(3)可知,膠球在鈦管中水平方向受到膠球與鈦管壁的摩擦力的作用,當(dāng)FC>FM時,膠球則可運(yùn)動。所以投球時,不宜選用體積過大的膠球,因為體積過大會導(dǎo)致膠球與鈦管之間摩擦力過大,從而影響膠球裝置的收球率。

那么,如何解決摩擦力影響膠球清洗裝置收球率高低的問題呢?

根據(jù)以上受力分析可知,膠球與凝汽器鈦管的摩擦力越大,裝置收球率就會越低,但如果膠球質(zhì)地過軟或直徑過小,又起不到膠球清洗的作用。某電廠凝汽器鈦管的直徑為25mm,為獲得膠球直徑與收球率關(guān)系的相關(guān)數(shù)據(jù),該廠分別使用27mm和32mm膠球進(jìn)行對照試驗,結(jié)果如表1所示。

由表1可知,膠球直徑越大,膠球清洗裝置收球率便越低。所以,該廠對膠球的選用做了如下規(guī)定:

(1)選用直徑比凝汽器鈦管內(nèi)徑大1~2mm的膠球:

(2)當(dāng)凝汽器鈦管結(jié)垢較為嚴(yán)重時,可選用直徑略小于管子內(nèi)徑的膠球進(jìn)行清洗:

(3)凝汽器循環(huán)水冷卻水流量較小時,可選用質(zhì)地較軟或直徑較小的膠球進(jìn)行清洗:

(4)由以上受力分析可知,所選用膠球浮力越小越容易收球,所以投入膠球清洗時,應(yīng)當(dāng)泡球:

(5)膠球在水中的膨脹率不超過10%。

通過選用合適直徑的膠球,該廠膠球清洗裝置的收球率從70%上升至85%。同時,凝汽器傳熱效果也得到了極大的提升。

2.3膠球在循環(huán)水出水管的受力分析

如圖4所示,膠球向下受到重力和循環(huán)水對膠球的沖擊力。

膠球的最后受力可以用下列方程表示:

式中:FI為膠球的最后受力:FC為水對膠球向下的沖力:C為膠球的重力:FF為膠球在水中所受的浮力:ps為水的密度:g為重力加速度:VP為膠球的排水量:α為系數(shù):sI為膠球截面積:n為水流的流動速度:m為膠球的質(zhì)量:pI為膠球的密度:V0為膠球的體積。

由上式可以看出,水流的流動速度越小,作用在膠球上的沖力FC就越小:速度越大,FC就越大。

(1)當(dāng)FC>FF-C時,膠球受力向下:

(2)當(dāng)FC<FF-C時,膠球受力向上:

(3)當(dāng)FC=FF-C時,膠球懸浮。

2.3.1凝汽器鈦管堵塞程度與膠球清洗裝置收球率的關(guān)系[2]

(1)當(dāng)凝汽器鈦管堵塞幾根時,凝汽器出口循環(huán)水動能變化不大。

(2)當(dāng)凝汽器鈦管大面積堵塞或收球網(wǎng)堵塞嚴(yán)重時,凝汽器出口循環(huán)水動能降低。動能公式如下:

式中:E為動能:m為質(zhì)量:w為速度。

當(dāng)水流動能降低,水流就會減弱,水流減弱,凝汽器循環(huán)水出水管循環(huán)水對膠球的沖力FC就會減小,這樣出口管道的膠球就可能漂浮在凝汽器循環(huán)水出水管頂部或懸浮在水中。當(dāng)膠球的密度過小、收球網(wǎng)堵塞嚴(yán)重或凝汽器鈦管大面積堵塞,FF>FC＋G時,膠球會懸浮在凝汽器循環(huán)水出水管頂部。

2.3.2如何解決膠球在循環(huán)水出水管的堵塞問題

收球網(wǎng)堵塞程度和膠球在鈦管里的堵塞程度會逐漸降低膠球清洗裝置的收球率,同時膠球的密度也是影響膠球清洗裝置收球率的重要原因。因此,該廠通過以下改進(jìn)措施使得膠球清洗裝置收球率從85%提升到了90%,結(jié)果如表2所示。

(1)定期清理一、二次濾網(wǎng)和收球網(wǎng)上的垃圾:

(2)選擇合適的二次濾網(wǎng),加強(qiáng)二次濾網(wǎng)的過濾性能,盡可能減少冷卻水中的雜質(zhì)。

3其他影響因素及解決方案

3.1收球網(wǎng)電動閥或裝球室電動閥關(guān)閉不嚴(yán)密

3.1.1原因分析

膠球清洗裝置收球階段,裝球室電動閥如果關(guān)閉不嚴(yán)密,在收球過程中就會有部分膠球在膠球裝置內(nèi)循環(huán)。當(dāng)膠球泵停止運(yùn)行后,凝汽器循環(huán)水管道內(nèi)仍有部分膠球并未被收集到裝球室,這時打開收球網(wǎng),凝汽器循環(huán)水管道內(nèi)的膠球就會漏出到系統(tǒng)外。

3.1.2解決方案

定期對膠球清洗裝置各電動閥做嚴(yán)密性試驗。

3.2工作人員收球時操作不當(dāng)

3.2.1原因分析

在膠球清洗裝置收球過程中,凝汽器循環(huán)水入口壓力大于凝汽器循環(huán)水出口壓力,即根據(jù)圖1所示,A處的壓力要大于B處的壓力。若收球過程中先停止膠球泵再關(guān)閉2號電動閥、3號電動閥,凝汽器循環(huán)水就會通過3號電動閥和2號電動閥而進(jìn)入裝球室,從而把膠球帶出裝球室,讓膠球從B處流出。

3.2.2解決方案

根據(jù)圖1所示,該廠通過在3號門出口處設(shè)置一個逆止門,讓水流只可從3號門出口打到凝汽器循環(huán)水進(jìn)水母管。這樣即便有人操作錯誤,也可避免膠球從裝球室反送到凝汽器循環(huán)水出口處的情況。

3.3膠球泵抽吸能力不足

3.3.1原因分析

若膠球泵抽吸能力不足,則會導(dǎo)致膠球不能在膠球清洗裝置內(nèi)循環(huán),從而導(dǎo)致膠球無法回收。

3.3.2解決方法

膠球清洗裝置運(yùn)行時,凝汽器循環(huán)水出口門并未在全開狀態(tài),若開大凝汽器循環(huán)水出口門,凝汽器循環(huán)水出水管壓力便會逐漸降低。由于膠球泵入口接在循環(huán)水出水管處,凝汽器循環(huán)水出水管壓力越低,則膠球泵抽吸能力越弱。根據(jù)圖1所示,該廠通過提升收球網(wǎng)布置位置,放低膠球泵入口位置,從而增大膠球泵入口靜壓力。根據(jù)靜壓力公式P=psgh(ps=1.0×103kg/m3:g=9.8m/s2:h為高度),該廠使膠球泵低于收球網(wǎng)入口1m,膠球泵的入口靜壓約等于增加0.01MPa,這樣便保證了開大循環(huán)水出水電動閥的開度來增加循環(huán)水的流速,從而改變膠球的受力,既避免了膠球漂浮在循環(huán)水出水管頂部的情況,又避免了開大循環(huán)水出水管電動閥致使膠球泵入口壓力不足的問題。

3.4收球網(wǎng)夾角的大小

3.4.1原因分析

當(dāng)凝汽器循環(huán)水出口流速非常大,膠球浮力FF已經(jīng)遠(yuǎn)小于水流對膠球的沖擊力FC時,膠球在膠球泵入口收球網(wǎng)處的受力情況如圖5所示。

根據(jù)圖示可知,膠球向下的力F1為水流沖力和膠球自身重力G的合力與膠球浮力FF的差值,收球網(wǎng)面向上受到摩擦力FM,向下受到F1的分力作用和膠球?qū)κ涨蚓W(wǎng)的正壓力F3(注:由于圖片原因,F3是垂直于收球網(wǎng)網(wǎng)面的)。

由圖5可知,F3垂直于收球網(wǎng)斜面,F1垂直于水平面,所以Zb=Za:由于F2與F3垂直,所以Zb=Zc。綜合可知,Za=Zb=Zc。

由圖5可知,F2和F3之間的關(guān)系為F2=F3tanZa,因為FM=μF3,根據(jù)以上各個方程式可知,FM=·F2。

由于膠球與收球網(wǎng)網(wǎng)面的摩擦系數(shù)μ不可知,則取最大值,設(shè)μ=1:又因為當(dāng)0О<Za<90О時,角度越大正弦值越大,則:

(1)當(dāng)膠球與收球網(wǎng)面夾角Za=45О時,因為tan45О=1,那么FM=F2,在不考慮膠球泵吸力的情況下,球會靜止在收球網(wǎng)上:

(2)當(dāng)膠球與收球網(wǎng)面夾角45О<Za<90О時,那么FM<F2,在不考慮膠球泵吸力的情況下,球會往收球網(wǎng)下面走而進(jìn)入膠球泵入口中:

(3)當(dāng)膠球與收球網(wǎng)面夾角0О<Za<45О時,那么FM>F2,在不考慮膠球泵吸力的情況下,球反而會沿著收球網(wǎng)往上走。

3.4.2解決方案

正常情況下,摩擦力系數(shù)μ<1。由于該廠收球網(wǎng)夾角為60О,所以排除此原因?qū)κ涨蚵实挠绊憽?

3.5膠球在膠球清洗裝置中活動空間過大

3.5.1原因分析

由于循環(huán)水出水管管徑非常大,所以膠球的活動范圍非常廣,而空間越大,越容易把膠球滯留其中。

3.5.2解決方案

該廠通過提高收球網(wǎng)的位置來減少膠球在凝汽器循環(huán)水出水管中的活動空間,同時設(shè)置一個膠球?qū)Я靼?如圖6所示,引導(dǎo)膠球進(jìn)入膠球泵入口位置。

改進(jìn)結(jié)果如表3所示。

4結(jié)語

該電廠通過選用合適直徑的膠球、定期清洗膠球系統(tǒng)內(nèi)垃圾、更改膠球泵的布置、設(shè)置好收球網(wǎng)夾角等改進(jìn)措施,使膠球清洗裝置收球率從70%最終上升到98%,有效提高了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。本文分析了影響膠球清洗裝置收球率的各種因素,提出了改善膠球清洗裝置收球率的相關(guān)措施,為電廠運(yùn)行人員提供了一定的參考。