歐少明，余偉權(quán)

(廣東省粵電集團(tuán)珠海發(fā)電廠，珠海 519050)

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汽輪機(jī)凝汽器鈦管化學(xué)清洗的創(chuàng)新研究及應(yīng)用

歐少明，余偉權(quán)

(廣東省粵電集團(tuán)珠海發(fā)電廠，珠海 519050)

當(dāng)凝汽器結(jié)垢的厚度超過一定程度時(shí)會(huì)造成鈦管換熱效率及汽輪機(jī)效率下降，需對(duì)鈦管進(jìn)行化學(xué)清洗。傳統(tǒng)的大循環(huán)化學(xué)清洗有很多缺點(diǎn)且實(shí)施困難，造成鈦管內(nèi)的垢無法及時(shí)清除。為此，研發(fā)了小循環(huán)化學(xué)清洗工藝，利用外接管道將鈦管串聯(lián)起來，清洗的化學(xué)藥劑只在鈦管內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，能徹底清除鈦管內(nèi)的結(jié)垢。該工藝具有安全、快捷、清洗時(shí)間安排靈活、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于凝汽器鈦管結(jié)垢嚴(yán)重的火電機(jī)組可大幅提高汽輪機(jī)真空，降低煤耗，對(duì)節(jié)能降耗起到積極的作用。

凝汽器；鈦管；硬垢；大循環(huán)化學(xué)清洗；小循環(huán)化學(xué)清洗

隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能降耗的要求越來越高，火力發(fā)電機(jī)組的節(jié)能壓力越來越大。為降低發(fā)電能耗，必須對(duì)造成能耗增加的因素進(jìn)行消除或進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)改進(jìn)。汽輪機(jī)凝汽器真空度降低是汽輪機(jī)能耗升高的主要原因，真空度降低會(huì)使煤耗上升，對(duì)于600 MW等級(jí)機(jī)組，真空度每降低1 kPa，煤耗升高2 g/kWh。

影響凝汽器真空度的主要因素是凝汽器冷卻水管結(jié)硬垢，熱阻增大，冷卻效果變差。凝汽器經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，在冷卻水管內(nèi)壁形成了致密硬垢，從而導(dǎo)致冷卻水管換熱效率下降。鈦具有良好的耐腐蝕性能，其表面氧化膜浸潤(rùn)性差，表面光滑不易結(jié)垢，因此火力發(fā)電機(jī)組凝汽器冷卻水管廣泛采用鈦管替代銅管和不銹鋼管[1-4]。鈦金屬的傳熱效率是水垢?jìng)鳠嵝实?00～400倍，結(jié)垢會(huì)使管束截面積變小，造成冷卻水用量減少，能耗增加。凝汽器結(jié)垢容易造成垢下腐蝕，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致設(shè)備穿孔，縮短設(shè)備使用壽命。發(fā)電廠在停機(jī)期間會(huì)采用高壓水沖洗鈦管，但這種方式只能清除鈦管內(nèi)壁浮泥及吸附的海生物，不能清除致密硬垢。為了保證凝汽器的換熱效率，提高真空度，垢厚不小于0.5 mm或污垢導(dǎo)致端差大于8 ℃時(shí)應(yīng)進(jìn)行化學(xué)清洗[5]。通過鈦管化學(xué)清洗可以提高機(jī)組的出力[6]。

1　鈦管硬垢產(chǎn)生的原因

鈦材表面有一層致密性鈍化膜，它在氧化性、中性和一些弱酸性介質(zhì)中非常穩(wěn)定，表面光滑，污垢系數(shù)小[7]，投運(yùn)后，一般不易附著污垢，無需進(jìn)行化學(xué)清洗。但是，鈦管在高溫、惡劣水質(zhì)條件下，結(jié)垢速度快。鈦管硬垢主要包括水垢、泥垢和腐蝕物垢。

1.1水垢成因

珠海發(fā)電廠凝汽器為單元制一次循環(huán)系統(tǒng)，冷卻水源為高鹽分海水，海水通過兩根循環(huán)水管先進(jìn)入凝汽器冷卻，然后直接排放至大海。凝汽器冷卻水中溶解的鹽類(如重碳酸鹽、硫酸鹽、氯化物、硅酸鹽等)受熱結(jié)晶濃度升高，一些鹽因過飽和而析出，發(fā)生如下反應(yīng)：

冷卻水通過凝汽器時(shí)受熱，溶解在水中的CO2逸出，水的pH值升高，此時(shí)重碳酸鹽在堿性條件下發(fā)生如下反應(yīng)：

當(dāng)水中溶有氯化鈣時(shí)，會(huì)發(fā)生下列置換反應(yīng)：歐少明，等：汽輪機(jī)凝汽器鈦管化學(xué)清洗的創(chuàng)新研究及應(yīng)用

如水中有適量的磷酸鹽時(shí)，磷酸根將與鈣離子產(chǎn)生磷酸鈣，反應(yīng)為

上述反應(yīng)產(chǎn)生的CaCO3和Ca(PO4)2均屬微溶性鹽，它們的溶解比CaCl2和Ca(HCO3)2要小得多。此外，CaCO3和Ca3(PO4)2的溶解度隨著溫度的升高而降低。因此在冷凝器的傳熱表面上，這些微溶性鹽很容易達(dá)到過飽和狀態(tài)而從水中結(jié)晶析出。當(dāng)水流速度較小或傳熱表面比較粗糙時(shí)，這些結(jié)晶沉積物就容易沉積在傳熱表面上，形成水垢。

1.2泥垢及腐蝕物垢的成因

泥垢一般由顆粒細(xì)小的泥沙、塵土、不溶性鹽類的泥狀物、膠狀氫氧化物、雜質(zhì)碎屑、腐蝕產(chǎn)物、油污、菌藻的尸體及粘性分泌物等組成。上述物質(zhì)在冷卻水中起到CaCO3微結(jié)晶的晶核作用，這就加速了CaCO3結(jié)晶析出的過程。當(dāng)含有這些物質(zhì)的水流經(jīng)換熱表面時(shí)，容易形成污垢沉積物，特別是流速較慢的部分污垢沉積物更多。這種沉積物一般體積較大，質(zhì)地疏松稀軟，是引起垢下腐蝕的主要原因，也是某些細(xì)菌生存和繁殖的溫床。

換熱表面常有銹瘤附著，與水垢微生物及粘泥一起沉積在傳熱表面，除了影響傳熱外，更嚴(yán)重的是助長(zhǎng)某些細(xì)菌的繁殖，最終導(dǎo)致?lián)Q熱表面腐蝕穿孔而泄漏。

2　鈦管大循環(huán)化學(xué)清洗

2.1鈦管大循環(huán)化學(xué)清洗工藝流程

為了清除凝汽器鈦管內(nèi)壁已形成的致密硬垢，采用化學(xué)清洗的辦法，一般用弱酸進(jìn)行酸洗。傳統(tǒng)一般采用大循環(huán)的工藝流程(如圖1所示)，需經(jīng)過凝汽器水室清掃及鈦管疏通、凝汽器汽側(cè)灌水查漏、進(jìn)出口水室封堵、連接清洗管道及設(shè)備(如圖2所示)、堿洗、水沖洗、酸洗、水沖洗、壓縮空氣吹膠球、進(jìn)出口水室封堵解除等步驟[8]。

圖1　大循環(huán)流程

圖2　大循環(huán)設(shè)備連接圖

2.2大循環(huán)工藝流程的缺點(diǎn)

DL/T 957—2005《火力發(fā)電廠凝汽器化學(xué)清洗及成膜導(dǎo)則》中明確了凝汽器常規(guī)化學(xué)清洗工藝，該工藝在火力發(fā)電廠凝汽器化學(xué)清洗工作中使用較為普遍，技術(shù)較為成熟，但存在以下缺點(diǎn)：

a) 在化學(xué)清洗前要將循環(huán)水進(jìn)出水管用鋼板封堵嚴(yán)密，通過凝汽器人孔重新建立循環(huán)系統(tǒng)。清洗結(jié)束還要拆除封堵的鋼板，工作量巨大，工作煩復(fù)。封堵時(shí)需要破壞襯膠，有可能導(dǎo)致酸液滲漏到管道內(nèi)造成腐蝕。這也是很多電廠不輕易采用大循環(huán)化學(xué)清洗的重要原因。

b) 需配備獨(dú)立大容積藥劑箱。由于大循環(huán)清洗需要將體積巨大凝汽器進(jìn)出水室灌滿酸液，因此需要配備獨(dú)立的大容積藥劑箱，需要消耗大量的酸液，而這部分是不起作用的，過多的酸液也容易造成環(huán)境污染。

c) 清洗過程造價(jià)較高，耗時(shí)長(zhǎng)。

d) 需要進(jìn)行凝汽器灌水查漏，需要時(shí)間較長(zhǎng)。

e) 由于酸液在水室內(nèi)流動(dòng)、積存，當(dāng)水室襯膠有破裂時(shí)，無法發(fā)現(xiàn)，酸液會(huì)腐蝕碳素鋼，造成水室腐蝕穿孔。

f) 因凝汽器換熱管為水平布置，生成的CO2氣體常因管內(nèi)清洗液流速低而被滯留在管內(nèi)的上半側(cè)，影響清洗液在管內(nèi)與上半側(cè)水垢接觸。故清洗凝汽器時(shí)管內(nèi)下半側(cè)水垢容易清洗干凈，而管內(nèi)上半側(cè)水垢則不易洗凈。

g) 不能快速檢查清洗效果。

h) 在化學(xué)清洗過程中產(chǎn)生的CO2必須定期排放，否則容易造成超壓，損壞設(shè)備。

i)一般通過打開凝汽器孔蓋目測(cè)的方法檢查化學(xué)清洗效果，容易存在死區(qū)。清洗結(jié)束后如發(fā)現(xiàn)某部分清洗效果不好，無足夠的時(shí)間重新進(jìn)行化學(xué)清洗。

3　鈦管小循環(huán)化學(xué)清洗

3.1小循環(huán)化學(xué)清洗

3.1.1小循環(huán)化學(xué)清洗介紹

為解決大循環(huán)化學(xué)清洗中出現(xiàn)的問題，采用小循環(huán)化學(xué)清洗。該技術(shù)通過換熱管接頭(該換熱管接頭獲得國(guó)家專利)進(jìn)行管與管之間的串連，以形成單獨(dú)的管路循環(huán)(如圖3、圖4所示)；用循環(huán)泵將藥劑直接打入凝汽器換熱管內(nèi)，使清洗藥劑只在換熱管內(nèi)流動(dòng)，不與凝汽器水室接觸，更有針對(duì)性地清洗換熱管。

由于鈦材設(shè)備的化學(xué)清洗有別于碳鋼，在進(jìn)行凝汽器化學(xué)清洗時(shí)，采取針對(duì)垢型和合適鈦材的安全、高效的清洗配方和工藝，在除垢的同時(shí)能夠有效抑制凝汽器鈦管的腐蝕與吸氫[9](影響鈦吸氫的因素有溫度、pH值、應(yīng)力、鈦的表面狀態(tài)等[10])，這對(duì)防止重大的設(shè)備損壞事故的發(fā)生非常重要。

圖3　鈦管連接示意圖

圖4　鈦管實(shí)際連接圖

氨基磺酸(NH2SO3H)對(duì)金屬的腐蝕性很低，化學(xué)清洗采用氨基磺酸為酸洗介質(zhì)，可以不成膜直接投運(yùn)[11]。經(jīng)過化學(xué)專業(yè)的試驗(yàn)，驗(yàn)證氨基磺酸對(duì)鈦管的腐蝕性非常低，因此采用其作為酸洗介質(zhì)。凝汽器鈦管的硬垢96%以上是CaCO3，氨基磺酸與CaCO3反應(yīng)式如下：

CaCO3+2NH2SO3H→Ca(NH2SO3)2+H2O+CO2↑.

3.1.2小循環(huán)化學(xué)清洗流程

小循環(huán)工藝的流程是：凝汽器水室清掃及鈦管疏通→接管→查漏→化學(xué)清洗→水沖洗→壓縮空氣吹掃。

系統(tǒng)由配液箱、清洗泵、母管閥門，母管、壓力表、支管連箱及支管、鈦管接頭等組成。按比例配好的清洗劑通過循環(huán)泵輸送至支管連箱，藥劑通過支管流經(jīng)連接好的單組鈦管管程然后回至配液箱，形成循環(huán)(如圖5所示)。

圖5　小循環(huán)設(shè)備連接圖

3.1.3清洗過程

a) 清洗系統(tǒng)安裝，鈦管連接。根據(jù)管板的鈦管布局合理地進(jìn)行每組鈦管串連，并用標(biāo)記筆做好標(biāo)記。檢查管口是否有過多的結(jié)垢或者雜物，以保證快速接頭安裝牢固無泄漏。

b) 管線安裝完畢以后，打開消防水向配液箱注水，同時(shí)開啟循環(huán)清洗泵按正向流程由下而上開始向凝結(jié)器鈦管送水，讓消防水在管內(nèi)循環(huán)，進(jìn)行試壓和接頭、鈦管泄漏檢查。如有接頭泄漏馬上進(jìn)行緊固處理，如鈦管有漏則進(jìn)行堵管處理。

c) 計(jì)算出清洗系統(tǒng)管程水容積，并保證配液箱水位在1 m，首先根據(jù)配液箱水容積把緩蝕劑按比例加入并循環(huán)10 min，確保混合均勻，然后依次加入鈦金屬專用清洗劑、助溶劑。清洗過程中要連續(xù)監(jiān)測(cè)清洗液pH值的變化，當(dāng)清洗液pH值不發(fā)生變化時(shí)，停泵拆除最上部一個(gè)鈦管接頭對(duì)除垢效果進(jìn)行檢查。

d) 清洗結(jié)束后清洗液排放至備用配液箱，通過酸度檢測(cè)決定能否利用，如果不能利用，加入水處理藥劑將pH值調(diào)整至中性，然后對(duì)外排放。

e) 采用淡水補(bǔ)水沖洗的方式?jīng)_洗30 min，并用pH試紙檢測(cè)pH值，pH值為7左右停止沖洗，本組清洗結(jié)束。

f) 進(jìn)行下一組清洗。

3.2小循環(huán)化學(xué)清洗的優(yōu)點(diǎn)

a) 確保對(duì)凝汽器合理保護(hù)。藥水直接接觸換熱管道，不會(huì)與循環(huán)水母管和水室內(nèi)壁襯膠接觸，將清洗的范圍直接縮小到需要清洗的換熱管本身，對(duì)襯膠起到很好的保護(hù)，對(duì)其他部位不需要額外進(jìn)行隔離。

b) 不需要對(duì)水室和循環(huán)水管道有任何破壞性的改變。傳統(tǒng)的清洗方法需要將循環(huán)水蝶閥進(jìn)行封堵，這樣對(duì)凝汽器造成了結(jié)構(gòu)性破壞，清洗后的恢復(fù)是一個(gè)巨大的工程?；謴?fù)過程中若襯膠處理不好，容易造成水室碳鋼腐蝕穿孔，嚴(yán)重時(shí)可能造成水室報(bào)廢。

c) 對(duì)環(huán)境的影響降到最低。由于小循環(huán)清洗對(duì)大量的凝汽器換熱管的清洗是一個(gè)劃整為零的清洗，清洗藥水可以重復(fù)利用。由于不需要對(duì)水室灌滿酸液，藥水使用量是傳統(tǒng)清洗藥水的70%，藥水的循環(huán)又是在小管道內(nèi)部，其回收和處理完全受控制，不需對(duì)外排放，解決了排放帶來的后顧之憂。

d) 除垢效果更徹底。藥劑在管程內(nèi)流動(dòng)性好，與垢化學(xué)反應(yīng)更充分，除垢效率和效果更好，清洗效果便于控制、檢查。

e) 不需要進(jìn)行凝汽器灌水查漏，減少水的浪費(fèi)，縮短查漏時(shí)間。

f) 沖洗時(shí)間及沖洗部位可以靈活掌握，可以根據(jù)需要及停機(jī)時(shí)間對(duì)部分鈦管進(jìn)行化學(xué)清洗。

g) 對(duì)于化學(xué)清洗效果不好的部位可以在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行重新化學(xué)清洗，而大循環(huán)化學(xué)清洗的準(zhǔn)備工作量大，短時(shí)間內(nèi)不可能再次化學(xué)清洗。

4　小循環(huán)化學(xué)清洗效果

珠海電廠700 MW亞臨界機(jī)組配套徑向流動(dòng)、分隔水箱、表面式凝汽器，以海水為冷卻介質(zhì)，采用23 056根直徑為25.4 mm,厚度為0.5 mm鈦管為冷卻管材，殼體為碳素鋼，水室為碳素鋼表面襯膠，清洗前結(jié)垢厚度為0.5～0.8 mm。凝汽器布置如圖6所示。

圖6　凝汽器布置圖

小循環(huán)清洗工藝每天最多可清洗2 000根鈦管，大概11天就可以將23 056根鈦管清洗干凈，小修工期一般為30天，在一個(gè)小修期內(nèi)完全可以將所有鈦管清洗一遍。

在2015年9月份珠海電廠1號(hào)機(jī)大修期間，用20天就將23 056根鈦管內(nèi)0.5～0.8 mm的硬垢徹底清理干凈。經(jīng)過抽查，本次鈦管化學(xué)清洗除垢率達(dá)到98%。經(jīng)過化學(xué)試驗(yàn)，酸洗的平均腐蝕速度為0.001 g/(m2·h)。由于清洗時(shí)間短，每根鈦管的酸洗時(shí)間控制在1 h以內(nèi)，腐蝕總量為0.001 g/m2。根據(jù)DL/T 957—2005《火力發(fā)電廠凝汽器化學(xué)清洗及成膜導(dǎo)則》要求，除垢率大于95%為優(yōu)良，酸洗的平均腐蝕速度應(yīng)小于1 g/(m2·h)，總腐蝕量應(yīng)小于10 g/m2，本次鈦管化學(xué)清洗達(dá)到優(yōu)良水平。表1是用小循環(huán)方式化學(xué)清洗鈦管前后的效果比較。

從表1可以看出，采用小循環(huán)方式化學(xué)清洗鈦管后，真空值有較大提高，端差大幅度下降。圖7、圖8分別為化學(xué)清洗前后鈦管內(nèi)部結(jié)垢情況，從圖8可以看出絕大多數(shù)垢已被清除干凈。

表1　小循環(huán)化學(xué)清洗鈦管前后效果比較(700 MW)

圖7　化學(xué)清洗前鈦管內(nèi)部結(jié)垢情況

圖8　化學(xué)清洗后鈦管內(nèi)部結(jié)垢情況

600 MW亞臨界機(jī)組背壓每降低1 kPa, 標(biāo)準(zhǔn)煤耗降低2 g/kWh；按背壓降低2 kPa保守計(jì)算，標(biāo)準(zhǔn)煤耗可降低4 g/kWh。2臺(tái)機(jī)組按年發(fā)電量6.9 TWh算，每年約可節(jié)標(biāo)煤27 600 t，按1 t原煤等于0.714 t標(biāo)準(zhǔn)煤算，可約節(jié)約原煤38 655 t，按原煤價(jià)格500元/t計(jì)，每年約節(jié)省1 933萬元，節(jié)能降耗、節(jié)約成本的效果十分明顯。

5　結(jié)束語

小循環(huán)化學(xué)清洗是一種創(chuàng)新型的鈦管化學(xué)清洗工藝，珠海發(fā)電廠參與了研發(fā)，并首次將其應(yīng)用于汽輪機(jī)凝汽器鈦管的化學(xué)清洗，取得了良好的效果。鈦管小循環(huán)化學(xué)清洗工藝已獲國(guó)家專利，它克服了傳統(tǒng)的大循環(huán)化學(xué)清洗的缺點(diǎn)，具有安全、快捷、清洗時(shí)間安排靈活、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、效果顯著等特點(diǎn)，對(duì)于凝汽器鈦管結(jié)硬垢嚴(yán)重的熱電機(jī)組可大幅提高汽輪機(jī)真空，降低煤耗，值得大范圍推廣應(yīng)用。

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(編輯查黎)

Innovative Research and Application of Chemical Cleaning for Titanium Tube of Steam Turbine Condenser

OU Shaoming, YU Weiquan

(Zhuhai Power Station of Guangdong Yudean Group Co., Ltd., Zhuhai, Guangdong 519060, China)

It will cause declination of heat-exchange efficiency of titanium tubes and efficiency of the steam turbine, therefore, it needs chemical cleaning for titanium tubes. Traditional large circulation chemical cleaning has many shortages and difficulties in implementation which may cause failure in timely cleaning for scales in titanium tubes. Thus, small circulation chemical cleaning is developed which uses circumscribed tubes to connect titanium tubes in series. Chemical agent for cleaning only circulates in titanium tubes and is able to thoroughly eliminate scales in titanium tubes. This small circulation chemical cleaning technology has advantages of security, quickness, flexible arrangement for cleaning time, simple system, remarkable effect, and so on. It is useful to greatly improve turbine vacuum and reduce coal consumption for those thermal generators with serious scales in titanium tubes in condensers, which can play a positive role in energy conservation.

condenser; titanium tube; hard scale; large circulation chemical cleaning; small circulation chemical cleaning

2016-03-10

2016-05-27

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.09.006

TM621

A

1007-290X(2016)09-0027-05

歐少明(1973)，男，廣東高州人。工程師，工學(xué)學(xué)士，主要從事火力發(fā)電廠汽輪機(jī)技術(shù)管理工作。

余偉權(quán)(1970)，男，廣東龍川人。高級(jí)工程師，工學(xué)碩士，主要從事火力發(fā)電廠管理工作。