凝汽器胶球清洗装置技术可行性及经济性分析
 

      为研究某核电工程凝汽器胶球清洗装置的技术可行性及经济性，以该项目凝汽器换热管的清洗方法为研究对象，先就该项目配置凝汽器胶球清洗装置的技术可行性对厂址条件等进行了分析，其次对该项目配置凝汽器胶球清洗装置的经济性进行了计算分析。结果表明：该核电工程配置凝汽器胶球清洗装置在技术上可行，在经济上合理，且配置此装置可以提高整个机组的经济效率。研究成果可为同类机组配置凝汽器胶球清洗装置提供参考。
     为保证核电机组凝汽器换热管的清洁度和换热性能，目前国内清洗核电机组凝汽器换热管主要有两种手段：利用凝汽器胶球清洗装置清洗和停机后采用高压水枪加橡胶子弹进行人工清洗。
     目前国内核电大部分机组仍沿用人工方法清洗凝汽器换热管。然而已有核电站检修记录表明，经传统人工方法清洗的凝汽器换热管管内结垢现象严重，清洁系数偏低，凝汽器真空度有逐年恶化的趋势，且人工清洗费用高、作业周期长。
     针对国内火电机组，《火力发电厂设计技术规程》（ＤＬ５０００Ｅ－２０００）对电厂凝汽器是否应安装胶球清洗装置作了明确规定。冷却水含沙量较多或其他原因可证明管内不结垢也不产生沉淀的直流供水系统，可不设胶球清洗装置。目前国内仅有４个核电机组安装了凝汽器胶球清洗装
置。
     为研究清洗效率和效果，满足凝汽器真空度要求，需综合考虑核电项目平均１８个月的换料周期以及厂址条件等适应性因素，结合实际项目，开展胶球清洗装置技术可行性和经济性分析。为此，针对某核电工程（下文简称Ａ项目）安装胶球清洗装置的技术可行性与经济性进行分析与研究。
1、凝汽器胶球清洗装置技术可行性分析
1.1工作原理
凝汽器胶球清洗装置技术可行性及经济性分析
     凝汽器胶球清洗装置的工作原理是利用胶球输送泵将装球室内的海绵胶球注入凝汽器循环水进口，胶球在水流驱动下进入凝汽器冷凝管，摩擦管壁起到清洗污垢的作用。
１.２海水结垢和地区水质
     Ａ项目为滨海电厂，凝汽器冷却管内壁可能产生的污垢有化学垢、泥沙垢、生物垢及油类垢等。人工清洗的方式可短时清除化学垢、泥沙垢，但生物垢和油类垢随水而生，因此对易产生生物垢的Ａ项目核电机组需要安装胶球清洗装置。
     国内在运机组的运行经验表明，海水含沙量低的项目更适合安装胶球清洗装置。Ａ项目工程可研报告中的水质泥沙数据表明，该区域海水平均含沙量在０.０２００ｋｇ／ｍ３以下，属于正常偏少。因此，Ａ项目核电机组可以安装凝汽器胶球清洗装置。
２案例分析
     Ｂ项目（沿海某核电厂）采用人工清洗方式，上一次人工清洗后经过１８个月的运行，需要进行再次清洗前的冷却管清洁状态如图１所示。图１表明，采用人工清洗方式的核电机组凝汽器冷却管有明显的红褐色污垢。Ｃ项目（沿海某核电厂）采用胶球清洗方式，其冷却管清洁状态如图２所示。图２表明，采用在线胶球清洗方式的凝汽器冷却管内壁无污垢，整体清洁度高。
图１Ｂ项目冷却管清洁状态（人工清洗前）
图２Ｃ项目冷却管清洁状态（胶球清洗）
     Ｂ项目核电机组凝汽器清洁度年变化图如图３所示。图３表明，即便经过人工清洗，凝汽器清洁度也无法恢复到设计值０.９，且大修后凝汽器冷却管会再次被海水污垢附着，凝汽器清洁度会迅速下降至０.８４左右，致使机组出力无法达到额定功率。
图３Ｂ项目凝汽器清洁系数试验结果（清洁度设计值０.９）
     Ｂ项目核电机组凝汽器循环水是海水，随着运行年份增加，海水腐蚀和海藻的附着致使冷却管清洁度下降、管内结垢，引起附加热阻，导致总体传热系数减小，凝汽器传热性能变差。Ｂ项目核电站采取的措施是在大修期间进行清洗。其１号机组在大修前后清洁度的变化如表１所示。表１显示，除了１０４号大修采用新的清洗工具外，其他几个循环周期内所降低的清洁度无法被恢复，导致凝汽器的性能逐年下降。若采用在线胶球清洗方法则可改善其性能。
表１Ｂ项目１号机凝汽器清洁度变化
大修编号循环周期内清洁度的降低大修清洗后增加的清洁度
１０１０.０４５０.０２５
１０２０.０２８０.０１
１０４０.０５８０.０９
１０５０.０３７０.０２１
１０７０.０４２０.０１７
凝汽器胶球清洗装置技术可行性及经济性分析热力透平
     胶球厂家提供的佳清洁度系数建议值如表胶球清洗装置后可达到的佳清洁度，作为经济
２所示。对比几种常用的冷凝管材料采用凝汽器分析的参考。
表２佳清洁度系数的建议值项目钛不锈钢铜合金开式循环（淡水）循环冷却塔海水清洁度系数清洗目的０.９５～１.００.９５～１.００.９５～１.００.９５～１.００.８５～０.９５达到可能的佳换热效果，钛管化学腐蚀可忽略防止污垢沉积附着，以达到可能的佳清洁度提高换热效率，若腐蚀出现，可换金刚砂胶球来清洗避免铜被腐蚀，可用金刚砂胶球清除锈蚀和有缺陷的保护涂膜采用干净海水可减少清洗次数，保护涂膜；采用一般海水则需持续进行清洗，避免锈蚀运行方式同钛胶球连续运行，每采用海绵胶球连续运采用标准胶球连续运用海绵胶球每天至少清洗管，在任何工况推荐运行方式隔１到３个月使用行，若管壁较粗糙，可行，若有需要可换金１ｈ，其余用标准胶球连续下应避免冷凝管表１Ｂ项目１号机凝汽器清洁度变化
参数项数据说明凝汽器冷却面积／ｍ２９８３３０设计参数循环水流量／（ｍ３·ｓ－１）７０.３设计参数凝汽器钛管流速／（ｍ·ｓ－１）２.２设计参数
循环水换热的总热流量／（ｋＪ·ｓ－１）２１７９２８５设计参数每台机组出力（额定工况）ＭＷｅ１２４５.７设计参数
循环水温／℃２４ＴＭＣＲ工况循环水温升（额定工况）／℃７.４热力计算［２］
钛管内径、壁厚／ｍｍ２４.４、０.５设计参数
基本总传热系数／（Ｗ·ｍ－２·℃－１）４０１３.５６２查表取得［２］
冷却水温度修正系数１.０２５查表取得［２］冷却管的材料与壁厚修正系数０.９５查表取得［２］
未启用凝汽器胶球清洗装置凝汽器清洁度系数０.８４参考以往工程多年平均清洁度系数
凝汽器冷却面积／ｍ２９８３３０设计参数循环水流量／（ｍ３·ｓ－１）７０.３设计参数
凝汽器钛管流速／（ｍ·ｓ－１）２.２循环水换热的总热流量设计参数
２１７９２８５／（ｋＪ·ｓ－１）每台机组出力（额定工况）设计参数１２４５.７／ＭＷｅ设计参数循环水温／℃２４ＴＭＣＲ工况循环水温升（额定工况）／℃７.４热力计算［２］
钛管内径、壁厚／ｍｍ２４.４、０.５基本总传热系数设计参数４０１３.５６２／（Ｗ·ｍ－２·℃－１）查表取得［２］冷却水温度修正系数１.０２５查表取得［２］冷却管的材料与壁厚修正系数０.９５查表取得［２］启用凝汽器胶球清洗装置
０.９５后凝汽器清洁度系数取厂家佳可能推荐值的下限总传热系数３７１２.８
／（Ｗ·ｍ－２·℃－１）ＨＥＩ［２］对数平均温差／℃５.９７热力计算［２］
凝汽器终端温差／℃３.０２热力计算［２］凝汽器饱和温度／℃３４.４２热力计算［２］
凝汽器当前背压／ｋＰａ５.４４查饱和水蒸气曲线金刚砂胶球清洗换标准胶球刚砂胶球清洗被堵塞）
３３所示，启用凝汽器胶球清洗装置后的方案计算如表４所示。从表３和表４可知，未启用和启用胶球清洗装置凝汽器背压分别为５.６６ｋＰａ和
５.４４ｋＰａ。
（续表３
凝汽器胶球清洗装置经济可行性分析
３.１数据输入与计算
３.１.１背压计算
未启用凝汽器胶球清洗装置的方案计算如表参数项数据说明
总传热系数／（Ｗ·ｍ－２·℃－１）对数平均温差／℃
凝汽器终端温差／℃凝汽器饱和温度／℃凝汽器当前背压／ｋＰａ３２８２.８９
６.７５３.７１３５.１１５.６６ＨＥＩ［２］热力计算［２］热力计算［２］热力计算［２］
     查饱和水蒸气曲线表３未启用凝汽器胶球清洗装置的方案计算／表４启用凝汽器胶球清洗装置后的方案计算
３.１.２启用凝汽器胶球清洗装置后的微增功率计算
     Ａ项目汽轮机微增出力曲线图如图４所示。根据该图，利用ＧｅｔＤａｔａ和Ｅｘｃｅｌ软件，拟合出如下相应机组功率的计算公式：
ｙ＝－０.２７ｘ６＋１５.２９ｘ５－３６５.６４ｘ４＋４７００.８６ｘ３－３３９５７３９１ｘ２＋１１６２９０.４２ｘ－１１１９２２０.７９（１）式中：ｙ为机组功率，ｋＷ；ｘ为背压，ｋＰａ。将两个背压值代入公式（１）得到相应机组功率，结果如表所示。从表５可知启用凝汽器胶球清洗装置后表５的微增功率为０.２２％。
图４汽轮机微增出力曲线
微增功率计算结果
凝汽器胶球清洗装置技术可行性及经济性分析
未启用凝汽器胶球清洗装置启用凝汽器胶球清洗装置后数值５.６６１２４６６９２５.４４１２４９３７７１２４５７００约０.２２％
说明查饱和水蒸气曲线公式（１）查饱和水蒸气曲线公式（１）设计参数ｙ２－ｙ１×１００％ｙ０
３.２.１单台机组投资收益分析
单台机组出力为１２４５.７ＭＷｅ，根据可研报告，上网电价（税前）为０.３６２元／（ｋＷ·ｈ），年运行小时数为７０００ｈ。同时根据调研结果，在冬季水温比较低、背压变化不明显的情况下，采用胶球清洗装置收益不明显，因此不考虑冬季４个月的收益，取年运行系数２／３，则安装凝汽器胶球清洗装置后单台机组每年可增加的收益为：
１２４５.７×１０３×０.２２％×７０００×２／３×
０.３６２×１０－４＝４６２.９７（万元／年）（２）
３.２.２单台机组投资及运行维护费用分析
     对于人工清洗方式而言，每年大修人工清洗费按每根管子２元计算，６８４６０根管子约１３.７万元。对于胶球清洗方式而言，单台机组需６套胶球设备，每套设备单价约２００万元，总计１２００万元。胶球数量为凝汽器钛管数量的１２％，胶球每
１个月更换一次，年运行系数为２／３，胶球单价为
３.５元／个，则每台机组年运行费用为２３万元。
根据以上单台机组收益、投资及运行维护费用分析，得出２台机组收益和年值如表６所示。
３.２.３２台机组动态回收年限分析
    ２台机组的动态回收现值计算如表７所示。从表７可见，１年到４年总现值为２６５４.４５万元，大于２台机组的初投资（２４００万元），可知动态回收年限为３～４年。
运行方式连续
台机组需要的凝汽器胶球
１２清洗装置数量／套厂家推荐
１台机组有６个水室，
１个水室安装１套凝汽器胶球清洗装置
套胶球清洗装置设备价格／万元约２００对应ＤＮ２６００循环水管道设备价格
台机组的初投资／万元２４００一共１２套
运行费用／万元４６对应２台机组
台机组人工清洗费／万元２７.４清洗１根管子按２元／根计
台机组增加的收益／万元９２５.９４公式（２）
台机组年值／万元９０７.３４
表７现值计算
年数利率［３］年金现值系数［３］年值／万元现值／万元［３］
１７％０.９３４６９０７.３４８４８
２７％０.８７３４８４８７４０.６４
３７％０.８１６３７４０.６４６０４.５８
４７％０.７６２９６０４.５８４６１.２３
    综上分析，Ａ项目启用胶球清洗装置后２台机组每年可增加收益９２５.９４万元，动态回收年限为３～４年，Ａ项目安装此装置在经济上合理，可以提高整个机组的经济效益。
４安装胶球清洗装置存在的风险
４.１运行风险
    机组运行时胶球清洗装置可运行也可不运行，即便出现问题也不影响机组安全运行。此装置正常运行时，收球网通常水阻为２～３ｋＰａ，当此装置不运行时，用电动或人工方式打开凝汽器出水管上的收球网，收球网水阻可忽略。据现场情况反馈，收球网压损对循环水系统基本无影响。在极端情况下，收球网可凭单人的手工操作从循环水系统中解列，保证循环水系统的安全。因此，胶球清洗装置对整个机组安全运行的风险影响很小。
４.２设备风险
    根据调研实际电站胶球清洗装置运行情况，胶球清洗装置虽简单，但需注意以下技术细节：
制造商需根据水质条件、凝汽器参数和循环水运行参数，设计选择不同密度的胶球，保证胶球均匀分布，保证每个凝汽器钛管被清洗；浸水后胶球的体积膨胀率不能太大，胶球使用寿命不能太短；收球网需采用防腐材料，保证较高的收球率和反冲洗功能。
    通过对某核电工程凝汽器换热管清洗方法进行研究，对该项目配置凝汽器胶球清洗装置的技术可行性及经济性进行分析，得到如下结论：该核电工程安装凝汽器胶球清洗装置在技术上可行；对该核电工程配置凝汽器胶球清洗装置后进行经济估算，结果显示该核电工程安装凝汽器胶球清洗装置在经济上合理，可以提高整个机组的经济效益。安装凝汽器胶球清洗装置需认真考核供货商的业绩和设计能力，并配合供货商提供配置凝汽器胶球清洗装置所需的设计数据，避免由于设备质量和设计质量带来的风险。