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凝汽器胶球清洗装置技术可行性及经济性分析
发布时间:2023/9/25 点击次数:294

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。