1 概述
某电20 MW厂汽轮发电机组，年发电量约16000万kWh。配套凝汽器为双流程，冷却面积为2400 m2，设计冷却水量为8000 t/h，冷却管材料为锡黄铜管，冷却管总数量为3920根(Φ25×1.5× 7562，320根;Φ25×1×7562，3600根)。机组自投入运行以来保持满负荷稳定运行，由于凝汽器结垢，导致其换热效果下降，凝汽器排汽压力偏高，发电单耗明显升高，机组效率降低，端差较大，机组热效率下降。运行过程中机组的排汽温度时常超过报警值50℃，夏季最大可达58℃。
根据统计历史运行数据和查阅相关资料，机组凝汽器存在以下问题：
(1)由于循环水水质较差，凝汽器换热管结垢现象严重;
(2)凝汽器端差高，真空低，机组热效率不高;
(3)机组效率降低的同时机组膨胀增大，机组振动相对升高，威胁机组的安全运行。
凝汽器真空下降，排汽室温度升高，不仅影响机组的安全运行，而且导致机组发电单耗增加，凝汽器真空大小对汽轮发电机组的经济性有着直接影响。因此保持凝汽器良好的运行工况，是电厂节能的重要内容。
2 改造方案
设计考虑在凝汽器分别加装强化装置，RCCS(列管式换热器在线清洗及强化换热)就是针对凝汽器换热效率低下问题，通过革新性技术，强化凝汽器换热。RCCS工作原理是：在凝汽器每根换热管内安装本装置(图1)，当机组运行时，无需外加动力，利用循环水自身的流速驱动本装置的旋转部件，长期在换热管内不停地快速旋转(300～1800 r/min)，改变管内水的层流(图2)为紊流状态(图3)，破坏水垢的形成机理，在设计思想上摆脱了传统的被动清洗除垢概念，变被动除垢为主动防垢，同时强化换热，大幅度提高凝汽器的换热系数K值。
图1 RCCS装置图示
图2 加装RCCS前凝汽器管内水流状
图3 加装RCCS后凝汽器管内水流状
(1)加装RCCS对凝汽器水侧结垢机理的影响
水侧污垢的形成一般要经历5个阶段：起始、运输、附着、老化、剥蚀，见图4(a)。污垢形成的5个阶段中只要有一个环节遭到破坏，污垢就难以形成。因此，只要针对这五个阶段采取合适措施，就能有效除垢防垢。
图4 RCCS除垢机理
RCCS打断或干扰了污垢形成的3个关键阶段,见图4(b)。在污垢的起始阶段，RCCS通过强化扰流和换热，降低了换热管内壁局部温度，从而降低了以碳酸盐为主硬垢的析出;在污垢的附着阶段，RCCS通过刮扫管壁和强化扰流，防止了硬垢及软垢的附着;在污垢的剥蚀阶段，RCCS通过刮扫管壁和强化扰流，加快了硬垢及软垢的剥离。
(2)加装RCCS能强化换热
表1为RCCS强化换热测试数据。测试管型号为Φ20*0.6mm，材质为307不锈钢管。从低流速到高流速、低雷诺数到高雷诺数下的强化换热效率进行了测试。RCCS强化扰流作用非常明显，能有效提高水侧管壁的换热系数。
表1 内置RCCS的强化换热测试数据
(3)RCCS技术优势
凝汽器清洗的传统方法有胶球清洗、高压水清洗、毛刷清洗、化学清洗等，RCCS与其它清洗方式的比较见表2。
表2 RCCS与其它清洗方式的比较
通过高压水枪、毛刷等设备工具对凝汽器冷却管中的水垢和泥渣进行清洗去除，必须停机、拆开凝汽器端盖，这种方法的清洗效果差、效率低、劳动强度大、除垢部位受限，而且，清洗后无法长期保持清洁。凝汽器在清洗过后25天内开始逐步重新结垢，并逐渐增加汽轮机能耗，最终使汽轮机长时间地处于较高能耗的状况。同时，经常性的机械清洗，会磨损甚至磨穿换热管。
胶球清洗装置能不停机在线清洗，是解决凝汽器污垢的较佳方法，但也存在两个显著的问题：一是收球率常常偏低，二是无法对所有的冷却管都进行清洗，即只能清洗凝汽器中心部位的水力特性较好的冷却管，而相当数量的冷却管则长期得不到清洗，且对硬垢去除效果不佳。
化学除垢可分酸性陈垢和碱性除垢两种，方式有静泡法和循环法等，需要对垢物经过鉴别后，决定清除的方式。化学清洗对凝汽器换热管存在腐蚀和损伤延长，因此，在阻垢防垢的机理上，RCCS与传统机械清洗或化学清洗比较有突出的优势。
(4)RCCS常规性能
RCCS无毒，对水资源无害。RCCS本体部分由特种高分子材料组成，性能极佳，材料强度、韧性、耐候性、缺口敏感度等性能优良，不会发生断裂、水解(温度高于350℃时发生降解，产生的降解物为二氧化碳、水及含氮化合物，对环境安全)等现象;材料密度与水非常接近，使扭带能很好地沿着换热管轴心旋转，从而保护了换热管壁的氧化膜。RCCS连接件部分由特种钢材及高分子材料组成，能有效回收利用，保护环境。连接件尺寸大于换热管内径，设计紧凑不脱落，保证运行安全。RCCS具有良好机械耐磨性，凝汽器换热管内水流的紊流程度会得到加强，一方面强化扰流，另一方面也会使水阻增加。
(5)RCCS运行及维护
RCCS强化传热装置对凝汽器循环冷却水流量没有特别要求，只要水流速度大于1.2 m/s，即可正常旋转运行。安装RCCS后，凝汽器水侧管壁会持续保持清洁，日常无需维护，只是由于循环滞留层会给RCCS本体带来缓慢结垢，其速率一般在安装RCCS前凝汽器管壁结垢速率的10%以下。若水质较好，只需要在计划中修时检查有无杂质堵塞即可;若水质比较差，尤其是水中粘泥含量较高时，利用机组检修间隙，每半年冲洗一次即可，维护工作量低。
3 改造效果
以某电厂汽轮发电机组凝汽器上增设RCCS强化换热装置为例介绍改造前后的对比效果，安装RCCS后，凝汽器水侧清洁系数将长期保持在0.85以上，且强化换热，使凝汽器端差将持续保持在刚清洗后的端差值相当的低水平，从而使机组持续高效率运行。凝汽器经过改造后，减少机组运行端差，预计达到效果与改造前对比分别见表3。
表3 实施RCCS前后冷端(理论计算)月平均运行数据比较
说明：加装RCCS后理论端差是基于冷却循环水量、冷却循环水进出口温差不变的情况下，RCCS提高换热系数20%的条件下计算得出。
4 改造经济效益估算
依据机组《热力特性书》，额定工况下汽轮机背压-功率修正曲线如图5。
图5 汽轮机背压-功率修正曲线图
根据“汽轮机背压——功率修正曲线”及《水蒸汽热力性质表》，参照客户提供的运行数据，对机组安装RCCS后每月增加发电量进行计算。
排汽温度ts=安装前排汽温度-(安装前端差-安装后端差)
背压=排汽温度对应的饱和压力，查《水蒸汽热力性质表》可得
功率修正系数=背压对应的功率修正系数值，查图可得
增加功率系数=安装后功率修正系数-安装前功率修正系数
年增加发电量=增加功率系数×机组年发电量
计算结果如表4。
表4 年平均排汽温度压力端差计算结果
加装RCCS后效率提高值:1.11%;
年发电量：16000万kW.h;
增加发电量：178万kW.h。
加装RCCS前后对比可得：
(1)根据ts=tw1+Δt+δt，对照饱和蒸汽压力温度对照表得排汽温度与排汽压力;
(2)根据压力-功率对照表得功率修正系数;
(3)按单机组全年有效发电量1.6亿kWh(即16000万kWh)计算，该机组年增发电量=16000× 0.0111=178万kWh，按照0.6元/kWh计算，直接经济效益可达107万元。
通过以上简单测算，在汽轮发电机组增设RCCS强化换热装置有很好的经济效益。
5 结语
目前，国家大力提倡节能减排，对于火电厂来说，提高锅炉热效率，降低机组单耗，提升机组整体热效率是大势所趋。通过对凝汽器进行改造—加装RCCS强化换热装置，不但强化换热，而且减少结垢。提高凝汽器真空，减少端差，降低排汽温度，有利机组安全运行;提高了机组发电量，有很大的社会效益和经济效益。
原标题：RCCS强化换热装置在凝汽器上的应用
