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凝汽器膠球清洗裝置技術可行性及經濟性分析
為研究某核電工程凝汽器膠球清洗裝置的技術可行性及經濟性，以該項目凝汽器換熱管的清洗方法為研究對象，先就該項目配置凝汽器膠球清洗裝置的技術可行性對廠址條件等進行了分析，其次對該項目配置凝汽器膠球清洗裝置的經濟性進行了計算分析。結果表明：該核電工程配置凝汽器膠球清洗裝置在技術上可行，在經濟上合理，且配置此裝置可以提高整個機組的經濟效率。研究成果可為同類機組配置凝汽器膠球清洗裝置提供參考。
為保證核電機組凝汽器換熱管的清潔度和換熱性能，目前國內清洗核電機組凝汽器換熱管主要有兩種手段：利用凝汽器膠球清洗裝置清洗和停機后采用高壓水槍加橡膠子彈進行人工清洗。
目前國內核電大部分機組仍沿用人工方法清洗凝汽器換熱管。然而已有核電站檢修記錄表明，經傳統人工方法清洗的凝汽器換熱管管內結垢現象嚴重，清潔系數偏低，凝汽器真空度有逐年惡化的趨勢，且人工清洗費用高、作業周期長。
針對國內火電機組，《火力發電廠設計技術規程》（ＤＬ５０００Ｅ－２０００）對電廠凝汽器是否應安裝膠球清洗裝置作了明確規定。冷卻水含沙量較多或其他原因可證明管內不結垢也不產生沉淀的直流供水系統，可不設膠球清洗裝置。目前國內僅有４個核電機組安裝了凝汽器膠球清洗裝
置。
為研究清洗效率和效果，滿足凝汽器真空度要求，需綜合考慮核電項目平均１８個月的換料周期以及廠址條件等適應性因素，結合實際項目，開展膠球清洗裝置技術可行性和經濟性分析。為此，針對某核電工程（下文簡稱Ａ項目）安裝膠球清洗裝置的技術可行性與經濟性進行分析與研究。
1、凝汽器膠球清洗裝置技術可行性分析
1.1工作原理
凝汽器膠球清洗裝置技術可行性及經濟性分析
凝汽器膠球清洗裝置的工作原理是利用膠球輸送泵將裝球室內的海綿膠球注入凝汽器循環水進口，膠球在水流驅動下進入凝汽器冷凝管，摩擦管壁起到清洗污垢的作用。
１.２海水結垢和地區水質
Ａ項目為濱海電廠，凝汽器冷卻管內壁可能產生的污垢有化學垢、泥沙垢、生物垢及油類垢等。人工清洗的方式可短時清除化學垢、泥沙垢，但生物垢和油類垢隨水而生，因此對易產生生物垢的Ａ項目核電機組需要安裝膠球清洗裝置。
國內在運機組的運行經驗表明，海水含沙量低的項目更適合安裝膠球清洗裝置。Ａ項目工程可研報告中的水質泥沙數據表明，該區域海水平均含沙量在０.０２００ｋｇ／ｍ３以下，屬于正常偏少。因此，Ａ項目核電機組可以安裝凝汽器膠球清洗裝置。
２案例分析
Ｂ項目（沿海某核電廠）采用人工清洗方式，上一次人工清洗后經過１８個月的運行，需要進行再次清洗前的冷卻管清潔狀態如圖１所示。圖１表明，采用人工清洗方式的核電機組凝汽器冷卻管有明顯的紅褐色污垢。Ｃ項目（沿海某核電廠）采用膠球清洗方式，其冷卻管清潔狀態如圖２所示。圖２表明，采用在線膠球清洗方式的凝汽器冷卻管內壁無污垢，整體清潔度高。
圖１Ｂ項目冷卻管清潔狀態（人工清洗前）
圖２Ｃ項目冷卻管清潔狀態（膠球清洗）
Ｂ項目核電機組凝汽器清潔度年變化圖如圖３所示。圖３表明，即便經過人工清洗，凝汽器清潔度也無法恢復到設計值０.９，且大修后凝汽器冷卻管會再次被海水污垢附著，凝汽器清潔度會迅速下降至０.８４左右，致使機組出力無法達到額定功率。
圖３Ｂ項目凝汽器清潔系數試驗結果（清潔度設計值０.９）
Ｂ項目核電機組凝汽器循環水是海水，隨著運行年份增加，海水腐蝕和海藻的附著致使冷卻管清潔度下降、管內結垢，引起附加熱阻，導致總體傳熱系數減小，凝汽器傳熱性能變差。Ｂ項目核電站采取的措施是在大修期間進行清洗。其１號機組在大修前后清潔度的變化如表１所示。表１顯示，除了１０４號大修采用新的清洗工具外，其他幾個循環周期內所降低的清潔度無法被恢復，導致凝汽器的性能逐年下降。若采用在線膠球清洗方法則可改善其性能。
表１Ｂ項目１號機凝汽器清潔度變化
大修編號循環周期內清潔度的降低大修清洗后增加的清潔度
１０１０.０４５０.０２５
１０２０.０２８０.０１
１０４０.０５８０.０９
１０５０.０３７０.０２１
１０７０.０４２０.０１７
凝汽器膠球清洗裝置技術可行性及經濟性分析熱力透平
膠球廠家提供的佳清潔度系數建議值如表膠球清洗裝置后可達到的佳清潔度，作為經濟
２所示。對比幾種常用的冷凝管材料采用凝汽器分析的參考。
表２佳清潔度系數的建議值項目鈦不銹鋼銅合金開式循環（淡水）循環冷卻塔海水清潔度系數清洗目的０.９５～１.００.９５～１.００.９５～１.００.９５～１.００.８５～０.９５達到可能的佳換熱效果，鈦管化學腐蝕可忽略防止污垢沉積附著，以達到可能的佳清潔度提高換熱效率，若腐蝕出現，可換金剛砂膠球來清洗避免銅被腐蝕，可用金剛砂膠球清除銹蝕和有缺陷的保護涂膜采用干凈海水可減少清洗次數，保護涂膜；采用一般海水則需持續進行清洗，避免銹蝕運行方式同鈦膠球連續運行，每采用海綿膠球連續運采用標準膠球連續運用海綿膠球每天至少清洗管，在任何工況推薦運行方式隔１到３個月使用行，若管壁較粗糙，可行，若有需要可換金１ｈ，其余用標準膠球連續下應避免冷凝管表１Ｂ項目１號機凝汽器清潔度變化
參數項數據說明凝汽器冷卻面積／ｍ２９８３３０設計參數循環水流量／（ｍ３·ｓ－１）７０.３設計參數凝汽器鈦管流速／（ｍ·ｓ－１）２.２設計參數
循環水換熱的總熱流量／（ｋＪ·ｓ－１）２１７９２８５設計參數每臺機組出力（額定工況）ＭＷｅ１２４５.７設計參數
循環水溫／℃２４ＴＭＣＲ工況循環水溫升（額定工況）／℃７.４熱力計算［２］
鈦管內徑、壁厚／ｍｍ２４.４、０.５設計參數
基本總傳熱系數／（Ｗ·ｍ－２·℃－１）４０１３.５６２查表取得［２］
冷卻水溫度修正系數１.０２５查表取得［２］冷卻管的材料與壁厚修正系數０.９５查表取得［２］
未啟用凝汽器膠球清洗裝置凝汽器清潔度系數０.８４參考以往工程多年平均清潔度系數
凝汽器冷卻面積／ｍ２９８３３０設計參數循環水流量／（ｍ３·ｓ－１）７０.３設計參數
凝汽器鈦管流速／（ｍ·ｓ－１）２.２循環水換熱的總熱流量設計參數
２１７９２８５／（ｋＪ·ｓ－１）每臺機組出力（額定工況）設計參數１２４５.７／ＭＷｅ設計參數循環水溫／℃２４ＴＭＣＲ工況循環水溫升（額定工況）／℃７.４熱力計算［２］
鈦管內徑、壁厚／ｍｍ２４.４、０.５基本總傳熱系數設計參數４０１３.５６２／（Ｗ·ｍ－２·℃－１）查表取得［２］冷卻水溫度修正系數１.０２５查表取得［２］冷卻管的材料與壁厚修正系數０.９５查表取得［２］啟用凝汽器膠球清洗裝置
０.９５后凝汽器清潔度系數取廠家佳可能推薦值的下限總傳熱系數３７１２.８
／（Ｗ·ｍ－２·℃－１）ＨＥＩ［２］對數平均溫差／℃５.９７熱力計算［２］
凝汽器終端溫差／℃３.０２熱力計算［２］凝汽器飽和溫度／℃３４.４２熱力計算［２］
凝汽器當前背壓／ｋＰａ５.４４查飽和水蒸氣曲線金剛砂膠球清洗換標準膠球剛砂膠球清洗被堵塞）
３３所示，啟用凝汽器膠球清洗裝置后的方案計算如表４所示。從表３和表４可知，未啟用和啟用膠球清洗裝置凝汽器背壓分別為５.６６ｋＰａ和
５.４４ｋＰａ。
（續表３
凝汽器膠球清洗裝置經濟可行性分析
３.１數據輸入與計算
３.１.１背壓計算
未啟用凝汽器膠球清洗裝置的方案計算如表參數項數據說明
總傳熱系數／（Ｗ·ｍ－２·℃－１）對數平均溫差／℃
凝汽器終端溫差／℃凝汽器飽和溫度／℃凝汽器當前背壓／ｋＰａ３２８２.８９
６.７５３.７１３５.１１５.６６ＨＥＩ［２］熱力計算［２］熱力計算［２］熱力計算［２］
查飽和水蒸氣曲線表３未啟用凝汽器膠球清洗裝置的方案計算／表４啟用凝汽器膠球清洗裝置后的方案計算
３.１.２啟用凝汽器膠球清洗裝置后的微增功率計算
Ａ項目汽輪機微增出力曲線圖如圖４所示。根據該圖，利用ＧｅｔＤａｔａ和Ｅｘｃｅｌ軟件，擬合出如下相應機組功率的計算公式：
ｙ＝－０.２７ｘ６＋１５.２９ｘ５－３６５.６４ｘ４＋４７００.８６ｘ３－３３９５７３９１ｘ２＋１１６２９０.４２ｘ－１１１９２２０.７９（１）式中：ｙ為機組功率，ｋＷ；ｘ為背壓，ｋＰａ。將兩個背壓值代入公式（１）得到相應機組功率，結果如表所示。從表５可知啟用凝汽器膠球清洗裝置后表５的微增功率為０.２２％。
圖４汽輪機微增出力曲線
微增功率計算結果
凝汽器膠球清洗裝置技術可行性及經濟性分析
未啟用凝汽器膠球清洗裝置啟用凝汽器膠球清洗裝置后數值５.６６１２４６６９２５.４４１２４９３７７１２４５７００約０.２２％
說明查飽和水蒸氣曲線公式（１）查飽和水蒸氣曲線公式（１）設計參數ｙ２－ｙ１×１００％ｙ０
３.２.１單臺機組投資收益分析
單臺機組出力為１２４５.７ＭＷｅ，根據可研報告，上網電價（稅前）為０.３６２元／（ｋＷ·ｈ），年運行小時數為７０００ｈ。同時根據調研結果，在冬季水溫比較低、背壓變化不明顯的情況下，采用膠球清洗裝置收益不明顯，因此不考慮冬季４個月的收益，取年運行系數２／３，則安裝凝汽器膠球清洗裝置后單臺機組每年可增加的收益為：
１２４５.７×１０３×０.２２％×７０００×２／３×
０.３６２×１０－４＝４６２.９７（萬元／年）（２）
３.２.２單臺機組投資及運行維護費用分析
對于人工清洗方式而言，每年大修人工清洗費按每根管子２元計算，６８４６０根管子約１３.７萬元。對于膠球清洗方式而言，單臺機組需６套膠球設備，每套設備單價約２００萬元，總計１２００萬元。膠球數量為凝汽器鈦管數量的１２％，膠球每
１個月更換一次，年運行系數為２／３，膠球單價為
３.５元／個，則每臺機組年運行費用為２３萬元。
根據以上單臺機組收益、投資及運行維護費用分析，得出２臺機組收益和年值如表６所示。
３.２.３２臺機組動態回收年限分析
２臺機組的動態回收現值計算如表７所示。從表７可見，１年到４年總現值為２６５４.４５萬元，大于２臺機組的初投資（２４００萬元），可知動態回收年限為３～４年。
運行方式連續
臺機組需要的凝汽器膠球
１２清洗裝置數量／套廠家推薦
１臺機組有６個水室，
１個水室安裝１套凝汽器膠球清洗裝置
套膠球清洗裝置設備價格／萬元約２００對應ＤＮ２６００循環水管道設備價格
臺機組的初投資／萬元２４００一共１２套
運行費用／萬元４６對應２臺機組
臺機組人工清洗費／萬元２７.４清洗１根管子按２元／根計
臺機組增加的收益／萬元９２５.９４公式（２）
臺機組年值／萬元９０７.３４
表７現值計算
年數利率［３］年金現值系數［３］年值／萬元現值／萬元［３］
１７％０.９３４６９０７.３４８４８
２７％０.８７３４８４８７４０.６４
３７％０.８１６３７４０.６４６０４.５８
４７％０.７６２９６０４.５８４６１.２３
綜上分析，Ａ項目啟用膠球清洗裝置后２臺機組每年可增加收益９２５.９４萬元，動態回收年限為３～４年，Ａ項目安裝此裝置在經濟上合理，可以提高整個機組的經濟效益。
４安裝膠球清洗裝置存在的風險
４.１運行風險
機組運行時膠球清洗裝置可運行也可不運行，即便出現問題也不影響機組安全運行。此裝置正常運行時，收球網通常水阻為２～３ｋＰａ，當此裝置不運行時，用電動或人工方式打開凝汽器出水管上的收球網，收球網水阻可忽略。據現場情況反饋，收球網壓損對循環水系統基本無影響。在極端情況下，收球網可憑單人的手工操作從循環水系統中解列，保證循環水系統的安全。因此，膠球清洗裝置對整個機組安全運行的風險影響很小。
４.２設備風險
根據調研實際電站膠球清洗裝置運行情況，膠球清洗裝置雖簡單，但需注意以下技術細節：
制造商需根據水質條件、凝汽器參數和循環水運行參數，設計選擇不同密度的膠球，保證膠球均勻分布，保證每個凝汽器鈦管被清洗；浸水后膠球的體積膨脹率不能太大，膠球使用壽命不能太短；收球網需采用防腐材料，保證較高的收球率和反沖洗功能。
通過對某核電工程凝汽器換熱管清洗方法進行研究，對該項目配置凝汽器膠球清洗裝置的技術可行性及經濟性進行分析，得到如下結論：該核電工程安裝凝汽器膠球清洗裝置在技術上可行；對該核電工程配置凝汽器膠球清洗裝置后進行經濟估算，結果顯示該核電工程安裝凝汽器膠球清洗裝置在經濟上合理，可以提高整個機組的經濟效益。安裝凝汽器膠球清洗裝置需認真考核供貨商的業績和設計能力，并配合供貨商提供配置凝汽器膠球清洗裝置所需的設計數據，避免由于設備質量和設計質量帶來的風險。