提高胶球清洗装置收球率的方法研究

提高胶球清洗装置的收球率可以提高胶球清洗装置对凝汽器钛管的清洗效率，进而增强机组运行的经济性。现通过对某电厂胶球清洗装置中胶球的受力分析，找出了影响胶球清洗装置收球率高低的具体原因，改进了相关设备，进而使胶球清洗装置收球率从70%上升到98%，极大地提高了蒸汽轮机的运行效率。

0  引言

火力发电厂使用的凝汽器胶球清洗装置可在机组不减负荷的情况下清洗凝汽器冷却水管的内壁，从而降低凝汽器的端差和汽轮机背压，是保证汽轮机安全运行和降低煤耗不可缺少的辅机配套设备。20世纪50年代初，德国人发明了胶球清洗装置，其基本工作原理是在运行的凝汽器冷却管中投入一定数量的胶球，使它们连续地在凝汽器换热管内流过，对冷却管内壁起到清洗作用[1]。但是，由于选用胶球、冷却水水质、清洗装置和凝汽器结构等方面的影响，国内大多数电厂胶球清洗装置都没有发挥出应有的作用。

本文结合对胶球清洗系统中胶球的受力分析，判断胶球清洗装置什么环节影响胶球的收球率，并提出相应的解决方案，找出了改造胶球清洗装置的方法。同时，通过实验验证了该方法的有效性。

1  胶球清洗装置工作流程

胶球清洗装置系统如图1所示，胶球清洗过程可分为三个阶段：

（1）胶球通过胶球泵打入至凝汽器循环水进水管的阶段；

（2）胶球通过凝汽器钛管的清洗阶段；

（3）胶球被循环水带至凝汽器循环水出水管的阶段。

胶球清洗装置正常运行时，收球网电动阀关闭，胶球泵和1号、2号、3号阀门开启，胶球泵运行。胶球通过胶球泵的吸力，从凝汽器循环水出口收球网前打到凝汽器循环水进口。胶球清洗装置收球时，关闭装球室电动阀，胶球在胶球泵和循环水的共同作用下，被带至装球室内。

2  各个阶段胶球的受力分析

2.1  胶球在凝汽器循环水进水阶段的受力分析

如图2所示，在上升阶段，胶球向上受到胶球浮力和循环水流对它的冲击力，向下受到重力作用。

由于实际中胶球的密度小于水的密度，胶球的浮力大于胶球重力，所以胶球浮力与水流冲击力之和大于胶球的重力，此时胶球向上运行，不会滞留在凝汽器钛管中。

2.2  胶球在清洗过程中的受力分析

在清洗过程中胶球的受力如图3所示。

式中：ρ为流体密度；ν为流体流速；g为重力加速度；h为该点所在的高度；P为流体的压强；C为一个常量；FC为胶球在钛管中所受的冲击力；S为钛管的横截面积；FM为胶球与钛管壁之间的摩擦力；μ为胶球与凝汽器钛管之间的摩擦系数；FN为胶球对凝汽器钛管的正压力。

由式（1）和式（2）可知，当凝汽器钛管出现大规模堵塞时，凝汽器循环水由于钛管堵塞的截流作用，流速ν减小，压强P增加。由于凝汽器循环水管横截面没有变化，压强P增大，胶球在钛管中所受的冲击力FC也增大。

由式（3）可知，胶球在钛管中水平方向受到胶球与钛管壁的摩擦力的作用，当FC＞FM时，胶球则可运动。所以投球时，不宜选用体积过大的胶球，因为体积过大会导致胶球与钛管之间摩擦力过大，从而影响胶球装置的收球率。

那么，如何解决摩擦力影响胶球清洗装置收球率高低的问题呢？

根据以上受力分析可知，胶球与凝汽器钛管的摩擦力越大，装置收球率就会越低，但如果胶球质地过软或直径过小，又起不到胶球清洗的作用。某电厂凝汽器钛管的直径为25 mm，为获得胶球直径与收球率关系的相关数据，该厂分别使用27 mm和32 mm胶球进行对照试验，结果如表1所示。

由表1可知，胶球直径越大，胶球清洗装置收球率便越低。所以，该厂对胶球的选用做了如下规定：

（1）选用直径比凝汽器钛管内径大1～2 mm的胶球；

（2）当凝汽器钛管结垢较为严重时，可选用直径略小于管子内径的胶球进行清洗；

（3）凝汽器循环水冷却水流量较小时，可选用质地较软或直径较小的胶球进行清洗；

（4）由以上受力分析可知，所选用胶球浮力越小越容易收球，所以投入胶球清洗时，应当泡球；

（5）胶球在水中的膨胀率不超过10%。

通过选用合适直径的胶球，该厂胶球清洗装置的收球率从70%上升至85%。同时，凝汽器传热效果也得到了极大的提升。

2.3  胶球在循环水出水管的受力分析

如图4所示，胶球向下受到重力和循环水对胶球的冲击力。

胶球的最后受力可以用下列方程表示：

式中：FJ为胶球的最后受力；FC为水对胶球向下的冲力；G为胶球的重力；FF为胶球在水中所受的浮力；ρS为水的密度；g为重力加速度；VP为胶球的排水量；α为系数；SJ为胶球截面积；v为水流的流动速度；m为胶球的质量；ρJ为胶球的密度；VQ为胶球的体积。

由上式可以看出，水流的流动速度越小，作用在胶球上的冲力FC就越小；速度越大，FC就越大。

（1）当FC＞FF-G时，胶球受力向下；

（2）当FC＜FF-G时，胶球受力向上；

（3）当FC=FF-G时，胶球悬浮。

2.3.1  凝汽器钛管堵塞程度与胶球清洗装置收球率的关系[2]

（1）当凝汽器钛管堵塞几根时，凝汽器出口循环水动能变化不大。

（2）当凝汽器钛管大面积堵塞或收球网堵塞严重时，凝汽器出口循环水动能降低。动能公式如下：

式中：E为动能；m为质量；v为速度。

当水流动能降低，水流就会减弱，水流减弱，凝汽器循环水出水管循环水对胶球的冲力FC就会减小，这样出口管道的胶球就可能漂浮在凝汽器循环水出水管顶部或悬浮在水中。当胶球的密度过小、收球网堵塞严重或凝汽器钛管大面积堵塞，FF＞FC+G时，胶球会悬浮在凝汽器循环水出水管顶部。

2.3.2  如何解决胶球在循环水出水管的堵塞问题[3]

收球网堵塞程度和胶球在钛管里的堵塞程度会逐渐降低胶球清洗装置的收球率，同时胶球的密度也是影响胶球清洗装置收球率的重要原因。因此，该厂通过以下改进措施使得胶球清洗装置收球率从85%提升到了90%，结果如表2所示。

（1）定期清理一、二次滤网和收球网上的垃圾；

（2）选择合适的二次滤网，加强二次滤网的过滤性能，尽可能减少冷却水中的杂质。

3  其他影响因素及解决方案

3.1  收球网电动阀或装球室电动阀关闭不严密[4]

3.1.1  原因分析

胶球清洗装置收球阶段，装球室电动阀如果关闭不严密，在收球过程中就会有部分胶球在胶球装置内循环。当胶球泵停止运行后，凝汽器循环水管道内仍有部分胶球并未被收集到装球室，这时打开收球网，凝汽器循环水管道内的胶球就会漏出到系统外。

3.1.2  解决方案

定期对胶球清洗装置各电动阀做严密性试验。

3.2  工作人员收球时操作不当[4]

3.2.1  原因分析

在胶球清洗装置收球过程中，凝汽器循环水入口压力大于凝汽器循环水出口压力，即根据图1所示，A处的压力要大于B处的压力。若收球过程中先停止胶球泵再关闭2号电动阀、3号电动阀，凝汽器循环水就会通过3号电动阀和2号电动阀而进入装球室，从而把胶球带出装球室，让胶球从B处流出。

3.2.2  解决方案

根据图1所示，该厂通过在3号门出口处设置一个逆止门，让水流只可从3号门出口打到凝汽器循环水进水母管。这样即便有人操作错误，也可避免胶球从装球室反送到凝汽器循环水出口处的情况。

3.3  胶球泵抽吸能力不足

3.3.1  原因分析

若胶球泵抽吸能力不足，则会导致胶球不能在胶球清洗装置内循环，从而导致胶球无法回收。

3.3.2  解决方法

胶球清洗装置运行时，凝汽器循环水出口门并未在全开状态，若开大凝汽器循环水出口门，凝汽器循环水出水管压力便会逐渐降低。由于胶球泵入口接在循环水出水管处，凝汽器循环水出水管压力越低，则胶球泵抽吸能力越弱。根据图1所示，该厂通过提升收球网布置位置，放低胶球泵入口位置，从而增大胶球泵入口静压力。根据静压力公式P=ρSgh（ρS=1.0×103 kg/m3；g=9.8 m/s2；h为高度），该厂使胶球泵低于收球网入口1 m，胶球泵的入口静压约等于增加0.01 MPa，这样便保证了开大循环水出水电动阀的开度来增加循环水的流速，从而改变胶球的受力，既避免了胶球漂浮在循环水出水管顶部的情况，又避免了开大循环水出水管电动阀致使胶球泵入口压力不足的问题。

3.4  收球网夹角的大小

3.4.1  原因分析

当凝汽器循环水出口流速非常大，胶球浮力FF已经远小于水流对胶球的冲击力FC时，胶球在胶球泵入口收球网处的受力情况如图5所示。

根据图示可知，胶球向下的力F1为水流冲力和胶球自身重力G的合力与胶球浮力FF的差值，收球网面向上受到摩擦力FM，向下受到F1的分力作用和胶球对收球网的正压力F3（注：由于图片原因，F3是垂直于收球网网面的）。

由图5可知，F3垂直于收球网斜面，F1垂直于水平面，所以∠b=∠a；由于F2与F3垂直，所以∠b=∠c。综合可知，∠a=∠b=∠c。

由图5可知，F2和F3之间的关系为F2=F3tan∠a，因为FM=μF3，根据以上各个方程式可知，FM=μ/tan∠a·F2。

由于胶球与收球网网面的摩擦系数μ不可知，则取最大值，设μ=1；又因为当0°＜∠a＜90o时，角度越大正弦值越大，则：

（1）当胶球与收球网面夹角∠a=45°时，因为tan 45°=1，那么FM=F2，在不考虑胶球泵吸力的情况下，球会静止在收球网上；

（2）当胶球与收球网面夹角45°＜∠a＜90°时，那么FM＜F2，在不考虑胶球泵吸力的情况下，球会往收球网下面走而进入胶球泵入口中；

（3）当胶球与收球网面夹角0°＜∠a＜45°时，那么FM＞F2，在不考虑胶球泵吸力的情况下，球反而会沿着收球网往上走。

3.4.2  解决方案

正常情况下，摩擦力系数μ＜1。由于该厂收球网夹角为60°，所以排除此原因对收球率的影响。

3.5  胶球在胶球清洗装置中活动空间过大

3.5.1  原因分析

由于循环水出水管管径非常大，所以胶球的活动范围非常广，而空间越大，越容易把胶球滞留其中。

3.5.2  解决方案

该厂通过提高收球网的位置来减少胶球在凝汽器循环水出水管中的活动空间，同时设置一个胶球导流板，如图6所示，引导胶球进入胶球泵入口位置。

改进结果如表3所示。

4  结语

该电厂通过选用合适直径的胶球、定期清洗胶球系统内垃圾、更改胶球泵的布置、设置好收球网夹角等改进措施，使胶球清洗装置收球率从70%最终上升到98%，有效提高了机组运行的经济性。本文分析了影响胶球清洗装置收球率的各种因素，提出了改善胶球清洗装置收球率的相关措施，为电厂运行人员提供了一定的参考。