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(guó)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(guò),對(duì)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(guó)內(nèi)大多數(shù)電廠膠球清洗裝置都沒(méi)有發(fā)揮出應(yīng)有的作用。

本文結(jié)合對(duì)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(shí),通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(guò)程可分為三個(gè)階段：

(1)膠球通過(guò)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(guò)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(shí),收球網(wǎng)電動(dòng)閥關(guān)閉,膠球泵和1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)閥門開(kāi)啟,膠球泵運(yùn)行。膠球通過(guò)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(shí),關(guān)閉裝球室電動(dòng)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(gè)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(duì)它的沖擊力,向下受到重力作用。

由于實(shí)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(shí)膠球向上運(yùn)行,不會(huì)滯留在凝汽器鈦管中。

2.2膠球在清洗過(guò)程中的受力分析

在清洗過(guò)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(gè)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(shí),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(méi)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(shí),膠球則可運(yùn)動(dòng)。所以投球時(shí),不宜選用體積過(guò)大的膠球,因?yàn)轶w積過(guò)大會(huì)導(dǎo)致膠球與鈦管之間摩擦力過(guò)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(wèn)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(huì)越低,但如果膠球質(zhì)地過(guò)軟或直徑過(guò)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(duì)照試驗(yàn),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(duì)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(shí),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(shí),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(shí),應(yīng)當(dāng)泡球:

(5)膠球在水中的膨脹率不超過(guò)10%。

通過(guò)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(shí),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(duì)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(duì)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(dòng)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(dòng)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(shí),膠球受力向下:

(2)當(dāng)FC<FF-C時(shí),膠球受力向上:

(3)當(dāng)FC=FF-C時(shí),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(shí),凝汽器出口循環(huán)水動(dòng)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(shí),凝汽器出口循環(huán)水動(dòng)能降低。動(dòng)能公式如下:

式中:E為動(dòng)能:m為質(zhì)量:w為速度。

當(dāng)水流動(dòng)能降低,水流就會(huì)減弱,水流減弱,凝汽器循環(huán)水出水管循環(huán)水對(duì)膠球的沖力FC就會(huì)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(guò)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(shí),膠球會(huì)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(wèn)題

收球網(wǎng)堵塞程度和膠球在鈦管里的堵塞程度會(huì)逐漸降低膠球清洗裝置的收球率,同時(shí)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(guò)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(guò)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(dòng)閥或裝球室電動(dòng)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(dòng)閥如果關(guān)閉不嚴(yán)密,在收球過(guò)程中就會(huì)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(shí)打開(kāi)收球網(wǎng),凝汽器循環(huán)水管道內(nèi)的膠球就會(huì)漏出到系統(tǒng)外。

3.1.2解決方案

定期對(duì)膠球清洗裝置各電動(dòng)閥做嚴(yán)密性試驗(yàn)。

3.2工作人員收球時(shí)操作不當(dāng)

3.2.1原因分析

在膠球清洗裝置收球過(guò)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(guò)程中先停止膠球泵再關(guān)閉2號(hào)電動(dòng)閥、3號(hào)電動(dòng)閥,凝汽器循環(huán)水就會(huì)通過(guò)3號(hào)電動(dòng)閥和2號(hào)電動(dòng)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(guò)在3號(hào)門出口處設(shè)置一個(gè)逆止門,讓水流只可從3號(hào)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(cuò)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(huì)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(wú)法回收。

3.3.2解決方法

膠球清洗裝置運(yùn)行時(shí),凝汽器循環(huán)水出口門并未在全開(kāi)狀態(tài),若開(kāi)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(huì)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(guò)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(kāi)大循環(huán)水出水電動(dòng)閥的開(kāi)度來(lái)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(kāi)大循環(huán)水出水管電動(dòng)閥致使膠球泵入口壓力不足的問(wèn)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(duì)膠球的沖擊力FC時(shí),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?yàn)镕M=μF3,根據(jù)以上各個(gè)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?yàn)楫?dāng)0О<Za<90О時(shí),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(shí),因?yàn)閠an45О=1,那么FM=F2,在不考慮膠球泵吸力的情況下,球會(huì)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(shí),那么FM<F2,在不考慮膠球泵吸力的情況下,球會(huì)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(shí),那么FM>F2,在不考慮膠球泵吸力的情況下,球反而會(huì)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(dòng)空間過(guò)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(dòng)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(guò)提高收球網(wǎng)的位置來(lái)減少膠球在凝汽器循環(huán)水出水管中的活動(dòng)空間,同時(shí)設(shè)置一個(gè)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(yǔ)

該電廠通過(guò)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。