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摘要：芜湖电厂 2号机（600MW） 的胶球清洗装置采用TAPROGGE倒V型格栅式收球网，内置导流板等先进技术，经试验测试投球率维持在为 95%以上 。机组运行后对比试验表明，凝汽器平均端差降低2.2 ℃，机组煤耗降低1.023g/kWh，年节约燃煤成本143 万元。
关键词：胶球清洗装置;收球率;凝汽器清洁度;端差;煤耗
Abstract： The condenser tube cleaning system of Unit 2 （600MW） in Wuhu Power Plant used the advanced technologies such as TAPROGGE inverted V-type ball collecting screens and special guide plate， and the ball catching rate test is maintained above 95%. The comparative test after operation shows that the average TTD of condenser is reduced about 2.2 C， the coal consumption of unit is reduced to 1.023 g/kWh， and the annual cost of coal combustion is saved up to 1.43 million yuan.
Key words： Condenser tube cleaning system; Condenser cleanliness factor; Terminal temperature difference; Coal consumption.
0、 前 言
“十三五”期间，我国火电在节能减排方面制定了严苛的目标，将成为我国电力行业节能减排的重要战场。电力行业节能减排已成为发展的必然趋势。
中电传媒电力数据调查中心梳理发现到2020年现役燃煤发电机组改造后平均供电煤耗低于310克/千瓦时。[1]火电机组如何挖掘机组自身的发电潜力，降低单位煤耗，提高机组的运行效率，已经成为发电企业生产运行的重要工作。
对于已经投运的机组，运行中新蒸汽初参数变化量较小，而排汽压力受凝汽器入口水温、循环水温升、凝汽器端差变化影响较大，对机组经济性影响大。热力试验数据表明： 凝汽器真空每降低1 kPa，机组汽耗率约升高1. 5% ～ 2. 5%，热耗率约升高70kJ /（ kWh） ，煤耗率约升高3 ～ 3.29 g/（ kWh） ;凝汽器端差每升高10 ℃，供电标准煤耗率约升高1.5% ～ 2.5%。[2]
电厂凝汽器作為火电机组中最大的换热器，其换热效率对发电煤耗影响十分明显。采用先进、可靠的在线胶球清洗设备，是提高凝汽器热效率的有效途径。另外，胶球清洗系统能够高效率运行，不仅可给电厂带来直接的经济效益，还能减少冷凝管的腐蚀，延长冷凝管的使用寿命，减少因冷凝管泄露而造成的机组运行风险。
目前，国内胶球清洗的使用现状并不尽如人意。普遍存在设备质量差，收球率低，甚至一些电厂长期无法使用该系统。因胶球清洗设备的原因，致使一部分专业人员对这项成熟的在线清洗技术失去了信心。胶球清洗设备的收球率是反映该系统使用效率的一个重要指标，如果该系统无法正常可用，将导致凝汽器的清洁度降低，凝汽器端差升高，凝汽器真空降低。另外凝汽器管道结垢还易导致点蚀等后果。较清洁的凝汽器可以使用15 年以上，未及时清理污垢的可能会在3 年之内出现穿透的情况。[3]
2016 年 12 月，中电国际芜湖电厂 2 号机组对原有的胶球清洗设备进行了整体改造。 采用德国TAPROGGE最新的倒V型收球网，内置导流板的设计。自投运以来运行稳定，收球率一直保持在95%以上，节能效果明显。结合该厂 2号机组胶球系统的改造实际，本文在分析现有胶球系统问题的基础上提出了相应的解决方案，以及对改造效果进行了经济性评估。
1、 改造前的胶球系统的问题分析
芜湖发电厂2号机组为660MW超超临界国产燃煤发电机组，于2012年12月12日建成投产。循环冷却水的水源采用长江水，为开式循环。凝汽器为双背压、双壳体、表面式、单流程凝汽器，主要参数如下表。
该厂机组原有的胶球清洗系统为某国产设备，自2012年投产以来由于胶球收球网经常关不到位导致胶球清洗装置自动不能投运，只能手动定期投运。每天早班投运，投球数量要控制在500个以内，每次运行2h，胶球收球率能维持在60%附近。如将胶球清洗装置连续投运24h以上，则胶球收球率会急剧下降，甚至接近于0。
经过维护部门的反馈，其主要存在以下问题：
（1）收球网开关一段时间后，出现变形，虽经多次修复但依然有一定的间隙，造成跑球、漏球。
（2）收球网板设计流场分布不合理，导致部分球胶聚集在收球口附近无法回收。虽然胶球泵流量较大，但仍无法稳定有效回收胶球。
（3）配供的胶球质量不稳定，经浸泡后膨胀变化不一，相当一部分海绵球浸泡后发涨无法通过冷凝管。
2、 冷凝管污垢对凝汽器换热效率的影响
胶球在线清洗系统的运行目的是为了保持冷凝器管内壁的清洁，从而达到保持冷凝器换热系数和提高机组发电效率的目的。由于冷却管的清洁度与冷凝器端差及机组效率有密切关系，因此，冷却管的清洁系数应作为胶球在线清洗系统的重要考核指标之一。
冷却管的清洁度在使用初期较高，但随着使用时间的延长，清洁度逐渐下降。因此，保持冷却管的清洁度是采用胶球清洗装置的初衷。使用性能良好的胶球清洗装置对于保持冷却管的清洁度，进而保持冷凝器的换热效率有重要的影响，下图SIEMENS公司对冷凝管结垢程度与效率之间关系的一个研究结论。 图中一共四条曲线，下面两条斜向右上方的曲线代表冷凝管积垢厚度（belagstarke）与污垢系数（fouling factor）、清洁系数（cleaning factor）之间的关系，其中最下面一条红色曲线为生物积垢（mikroblologischer Belag）曲线，上面一条虚线为无机硬质积垢（anorganischer Belag）曲线。 由这两条曲线可以看出，污垢层越厚，污垢系数越大，清洁系数越小。举例来说，当生物积垢达0.15mm，或无机硬质垢达1.2mm，凝汽器清洁系数仅为0.60左右。
图中上部两条斜向右下方的曲线代表污垢系数或凝汽器清清洁系數与机组发电效率损失的关系。其中最上面一条为740MW透平机组，下面一条为1300MW透平机组。由图中所举示例可以看出，当清洁系数为0.60（也即当生物积垢达0.15mm，或无机硬质垢达1.2mm时），740MW机组发电功率下降0.9%;1300MW机组发电功率下降达1.6%。[4]
这是一个很让人触目惊心的结论。也正因如此，国外自五六十年代大力普及冷凝器在线清洗系统，并成为一项标准。下表由目前世界上最大的电站设备提供商ALSTOM公司所作的一项研究成果可能会更加直观地反映上述问题：
国内在这方面起步较晚，但最近十几年来也逐渐注意到了这个问题。一些电厂通过实践和理论计算得出有关凝汽器端差和汽机热耗的关系，也可以理解为冷凝器换热效率对机组效率的影响。凝汽器端差每升高10 ℃，供电标准煤耗率约升高1. 5% ～ 2. 5%[2]，按照机组煤耗310 g/kW.h计算，凝汽器端差减少1 ℃，供电标准煤耗率减少0.465g/kW.h～ 0.775g/kW.h，保守估计可按0.465g/kW.h作为依据。
3、 改造方案及技术特点
改造后的胶球清洗系统主要技术特点如下：
（1）、收球网采用倒V型结构，降低水阻。收球网设计时“度身定制”，收球网根据电厂提供的相关参数单独设计，确保最终设计结果能与现场的实际工况相符。设计结果通过专门的水动力试验平台检验;结合芜湖电厂实际进行了特殊的导流板设计，在收球管口附件形成扰流区，使胶球不会聚集在收球口。
（2）、专用胶球泵：采用的胶球泵为专门研究开发，并委托国外专业的厂家进行生产。该胶球泵具有宽流道、低转速的特点，从而确保胶球在运行过程中不会因叶轮切割而破损。同时4KW的电机功率也确保系统在长时间持续运行的过程中将能耗降到最低。
（3）、高质量胶球：胶球清洗系统配备的胶球均为德国原装进口，该胶球气孔分布均匀，能与循环水充分混合。吸足循环水后胶球的密度与循环水密度相近，在循环水中呈现悬浮状态，从而确保凝汽器上、中、下部的冷凝管均能被有效清洗。与此同时，胶球在循环水中膨胀率控制在0.5mm以内，当系统长时间运行时，胶球不会因膨胀而堵塞冷凝管。按照供货厂家建议的投球数量（每根冷凝管每小时通过12个胶球），胶球运行一年，对冷凝管造成的磨损低于0.7μm。
4、改造后效果评估
4.1改造效果
在改造新的胶球清洗系统后，以下为芜湖电厂2016年12月份汽轮机实际经济运行数据中凝汽器部分：
由表2可以直观地比较出凝汽器端差在胶球清洗系统改造后的12月份平均为5.9℃，与去年同期相比降低了2.2℃。而这一点最明显的是与没有改造的1号机组对比平均端差相差也为2.2℃。
4.1节能评估
中电国际芜湖发电厂进行胶球清洗系统改造后，凝汽器清洁度得到了明显提高，换热端差降低2.2℃。机组运行相同条件下节约燃煤，降低了污染排放。
根据端凝汽器端差与煤耗的对应关系，可知改造后胶球清洗装置后对于芜湖发电厂600MW机组可降低发电煤耗约1.023g/kWh（按照机组煤耗310 g/kW.h，凝汽器端差减小1℃影响供电煤耗减少0.465g/kW.h）。按照单机的年发电量20亿kWh，标准煤单价700元/吨计算，年节能收益：
年节约标准煤：20×108kWh×1.023 g/kWh×10-6=2046吨
年降低燃煤成本：2046t×700元/t×10-4=143.22万元
年减排CO2约0.536万吨、SO2约0.0017万吨、氮氧化物约0.0015万吨。
5、结论
（1）、芜湖电厂采用德国TAPROGGE最新的倒V型收球网，内置导流板的设计进行胶球清洗改造后，设备可用率得到了保证。胶球清洗系统收球率保持在95%以上。
（2）、凝汽器换热效率得到提升，机组节能减排效果明显。凝汽器经过比较，换热端差降低2.2℃，机组煤耗降低1.023g/kWh。年节约燃煤成本143万元，投资回收期小于两年。
参考文献：
[1].我国“十三五”电力行业节能减排展望[J].化工设计通讯，2016，42（07）：177
[2]张贵安. 影响凝汽器传热端差的因素及对应措施[J]. 能源与环境， 2004（ 1） ： 29 - 31.
[3]赵斌，吴斌. 凝汽器防垢除垢技术在火力发电厂中的应用[J]. 节能技术， 2005， 23（ 4） ： 375 - 377.
[4]NOSETANI， T.， ONDA， K.， ET AL.："Biofouling Control of Titanium Condenser Tubes by New-type Abrasive Sponge Balls" .Thermal and Nuclear Power Generating Magazine， Vol. 40， 1989， No. 2， KF 1907， English.
关键词：胶球清洗装置;收球率;凝汽器清洁度;端差;煤耗
Abstract： The condenser tube cleaning system of Unit 2 （600MW） in Wuhu Power Plant used the advanced technologies such as TAPROGGE inverted V-type ball collecting screens and special guide plate， and the ball catching rate test is maintained above 95%. The comparative test after operation shows that the average TTD of condenser is reduced about 2.2 C， the coal consumption of unit is reduced to 1.023 g/kWh， and the annual cost of coal combustion is saved up to 1.43 million yuan.
Key words： Condenser tube cleaning system; Condenser cleanliness factor; Terminal temperature difference; Coal consumption.
0、 前 言
“十三五”期间，我国火电在节能减排方面制定了严苛的目标，将成为我国电力行业节能减排的重要战场。电力行业节能减排已成为发展的必然趋势。
中电传媒电力数据调查中心梳理发现到2020年现役燃煤发电机组改造后平均供电煤耗低于310克/千瓦时。[1]火电机组如何挖掘机组自身的发电潜力，降低单位煤耗，提高机组的运行效率，已经成为发电企业生产运行的重要工作。
对于已经投运的机组，运行中新蒸汽初参数变化量较小，而排汽压力受凝汽器入口水温、循环水温升、凝汽器端差变化影响较大，对机组经济性影响大。热力试验数据表明： 凝汽器真空每降低1 kPa，机组汽耗率约升高1. 5% ～ 2. 5%，热耗率约升高70kJ /（ kWh） ，煤耗率约升高3 ～ 3.29 g/（ kWh） ;凝汽器端差每升高10 ℃，供电标准煤耗率约升高1.5% ～ 2.5%。[2]
电厂凝汽器作為火电机组中最大的换热器，其换热效率对发电煤耗影响十分明显。采用先进、可靠的在线胶球清洗设备，是提高凝汽器热效率的有效途径。另外，胶球清洗系统能够高效率运行，不仅可给电厂带来直接的经济效益，还能减少冷凝管的腐蚀，延长冷凝管的使用寿命，减少因冷凝管泄露而造成的机组运行风险。
目前，国内胶球清洗的使用现状并不尽如人意。普遍存在设备质量差，收球率低，甚至一些电厂长期无法使用该系统。因胶球清洗设备的原因，致使一部分专业人员对这项成熟的在线清洗技术失去了信心。胶球清洗设备的收球率是反映该系统使用效率的一个重要指标，如果该系统无法正常可用，将导致凝汽器的清洁度降低，凝汽器端差升高，凝汽器真空降低。另外凝汽器管道结垢还易导致点蚀等后果。较清洁的凝汽器可以使用15 年以上，未及时清理污垢的可能会在3 年之内出现穿透的情况。[3]
2016 年 12 月，中电国际芜湖电厂 2 号机组对原有的胶球清洗设备进行了整体改造。 采用德国TAPROGGE最新的倒V型收球网，内置导流板的设计。自投运以来运行稳定，收球率一直保持在95%以上，节能效果明显。结合该厂 2号机组胶球系统的改造实际，本文在分析现有胶球系统问题的基础上提出了相应的解决方案，以及对改造效果进行了经济性评估。
1、 改造前的胶球系统的问题分析
芜湖发电厂2号机组为660MW超超临界国产燃煤发电机组，于2012年12月12日建成投产。循环冷却水的水源采用长江水，为开式循环。凝汽器为双背压、双壳体、表面式、单流程凝汽器，主要参数如下表。
该厂机组原有的胶球清洗系统为某国产设备，自2012年投产以来由于胶球收球网经常关不到位导致胶球清洗装置自动不能投运，只能手动定期投运。每天早班投运，投球数量要控制在500个以内，每次运行2h，胶球收球率能维持在60%附近。如将胶球清洗装置连续投运24h以上，则胶球收球率会急剧下降，甚至接近于0。
经过维护部门的反馈，其主要存在以下问题：
（1）收球网开关一段时间后，出现变形，虽经多次修复但依然有一定的间隙，造成跑球、漏球。
（2）收球网板设计流场分布不合理，导致部分球胶聚集在收球口附近无法回收。虽然胶球泵流量较大，但仍无法稳定有效回收胶球。
（3）配供的胶球质量不稳定，经浸泡后膨胀变化不一，相当一部分海绵球浸泡后发涨无法通过冷凝管。
2、 冷凝管污垢对凝汽器换热效率的影响
胶球在线清洗系统的运行目的是为了保持冷凝器管内壁的清洁，从而达到保持冷凝器换热系数和提高机组发电效率的目的。由于冷却管的清洁度与冷凝器端差及机组效率有密切关系，因此，冷却管的清洁系数应作为胶球在线清洗系统的重要考核指标之一。
冷却管的清洁度在使用初期较高，但随着使用时间的延长，清洁度逐渐下降。因此，保持冷却管的清洁度是采用胶球清洗装置的初衷。使用性能良好的胶球清洗装置对于保持冷却管的清洁度，进而保持冷凝器的换热效率有重要的影响，下图SIEMENS公司对冷凝管结垢程度与效率之间关系的一个研究结论。 图中一共四条曲线，下面两条斜向右上方的曲线代表冷凝管积垢厚度（belagstarke）与污垢系数（fouling factor）、清洁系数（cleaning factor）之间的关系，其中最下面一条红色曲线为生物积垢（mikroblologischer Belag）曲线，上面一条虚线为无机硬质积垢（anorganischer Belag）曲线。 由这两条曲线可以看出，污垢层越厚，污垢系数越大，清洁系数越小。举例来说，当生物积垢达0.15mm，或无机硬质垢达1.2mm，凝汽器清洁系数仅为0.60左右。
图中上部两条斜向右下方的曲线代表污垢系数或凝汽器清清洁系數与机组发电效率损失的关系。其中最上面一条为740MW透平机组，下面一条为1300MW透平机组。由图中所举示例可以看出，当清洁系数为0.60（也即当生物积垢达0.15mm，或无机硬质垢达1.2mm时），740MW机组发电功率下降0.9%;1300MW机组发电功率下降达1.6%。[4]
这是一个很让人触目惊心的结论。也正因如此，国外自五六十年代大力普及冷凝器在线清洗系统，并成为一项标准。下表由目前世界上最大的电站设备提供商ALSTOM公司所作的一项研究成果可能会更加直观地反映上述问题：
国内在这方面起步较晚，但最近十几年来也逐渐注意到了这个问题。一些电厂通过实践和理论计算得出有关凝汽器端差和汽机热耗的关系，也可以理解为冷凝器换热效率对机组效率的影响。凝汽器端差每升高10 ℃，供电标准煤耗率约升高1. 5% ～ 2. 5%[2]，按照机组煤耗310 g/kW.h计算，凝汽器端差减少1 ℃，供电标准煤耗率减少0.465g/kW.h～ 0.775g/kW.h，保守估计可按0.465g/kW.h作为依据。
3、 改造方案及技术特点
改造后的胶球清洗系统主要技术特点如下：
（1）、收球网采用倒V型结构，降低水阻。收球网设计时“度身定制”，收球网根据电厂提供的相关参数单独设计，确保最终设计结果能与现场的实际工况相符。设计结果通过专门的水动力试验平台检验;结合芜湖电厂实际进行了特殊的导流板设计，在收球管口附件形成扰流区，使胶球不会聚集在收球口。
（2）、专用胶球泵：采用的胶球泵为专门研究开发，并委托国外专业的厂家进行生产。该胶球泵具有宽流道、低转速的特点，从而确保胶球在运行过程中不会因叶轮切割而破损。同时4KW的电机功率也确保系统在长时间持续运行的过程中将能耗降到最低。
（3）、高质量胶球：胶球清洗系统配备的胶球均为德国原装进口，该胶球气孔分布均匀，能与循环水充分混合。吸足循环水后胶球的密度与循环水密度相近，在循环水中呈现悬浮状态，从而确保凝汽器上、中、下部的冷凝管均能被有效清洗。与此同时，胶球在循环水中膨胀率控制在0.5mm以内，当系统长时间运行时，胶球不会因膨胀而堵塞冷凝管。按照供货厂家建议的投球数量（每根冷凝管每小时通过12个胶球），胶球运行一年，对冷凝管造成的磨损低于0.7μm。
4、改造后效果评估
4.1改造效果
在改造新的胶球清洗系统后，以下为芜湖电厂2016年12月份汽轮机实际经济运行数据中凝汽器部分：
由表2可以直观地比较出凝汽器端差在胶球清洗系统改造后的12月份平均为5.9℃，与去年同期相比降低了2.2℃。而这一点最明显的是与没有改造的1号机组对比平均端差相差也为2.2℃。
4.1节能评估
中电国际芜湖发电厂进行胶球清洗系统改造后，凝汽器清洁度得到了明显提高，换热端差降低2.2℃。机组运行相同条件下节约燃煤，降低了污染排放。
根据端凝汽器端差与煤耗的对应关系，可知改造后胶球清洗装置后对于芜湖发电厂600MW机组可降低发电煤耗约1.023g/kWh（按照机组煤耗310 g/kW.h，凝汽器端差减小1℃影响供电煤耗减少0.465g/kW.h）。按照单机的年发电量20亿kWh，标准煤单价700元/吨计算，年节能收益：
年节约标准煤：20×108kWh×1.023 g/kWh×10-6=2046吨
年降低燃煤成本：2046t×700元/t×10-4=143.22万元
年减排CO2约0.536万吨、SO2约0.0017万吨、氮氧化物约0.0015万吨。
5、结论
（1）、芜湖电厂采用德国TAPROGGE最新的倒V型收球网，内置导流板的设计进行胶球清洗改造后，设备可用率得到了保证。胶球清洗系统收球率保持在95%以上。
（2）、凝汽器换热效率得到提升，机组节能减排效果明显。凝汽器经过比较，换热端差降低2.2℃，机组煤耗降低1.023g/kWh。年节约燃煤成本143万元，投资回收期小于两年。
参考文献：
[1].我国“十三五”电力行业节能减排展望[J].化工设计通讯，2016，42（07）：177
[2]张贵安. 影响凝汽器传热端差的因素及对应措施[J]. 能源与环境， 2004（ 1） ： 29 - 31.
[3]赵斌，吴斌. 凝汽器防垢除垢技术在火力发电厂中的应用[J]. 节能技术， 2005， 23（ 4） ： 375 - 377.
[4]NOSETANI， T.， ONDA， K.， ET AL.："Biofouling Control of Titanium Condenser Tubes by New-type Abrasive Sponge Balls" .Thermal and Nuclear Power Generating Magazine， Vol. 40， 1989， No. 2， KF 1907， English.