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摘要 ：本文阐述了广东中南钢铁股份有限公司 N135- 13.24/535 型发电机组凝汽器冷端凝汽器管束结垢引起的 问题，并探讨了通过改造治理使用 RCCS® 凝汽器强化换 热系统的效果。通过对改造后凝汽器运行数据进行对比分 析，证明该装置能够显著提高凝汽器的换热系数，从而优 化真空度提高发电效率， 取得了显著的经济效益。
关键词 ：汽轮机,凝汽器,防除垢,强化换热系统
广东中南钢铁股份有限公司(以下简称“中南股份”) 拥有两台N135-13.24/535 型发电机组， 其中 1号机于2020 年4 月投产，2号机于2021 年 11 月投产。这两台机组采用 单元制运行模式，主机及辅助设备相同，每台机组配备一 个N9800 型表面式凝汽器、一座 3500m2 自然通风冷却塔 和四台 SLOW800-770 型循环水泵。唯一的区别在于，2号 机组在凝汽器中安装了一个RCCS® 凝汽器强化换热装置。 在投产初期满负荷运行时，1号机组的温度差为4.5℃, 而 2号机组的温度差则只有 3.5℃。这是由于凝汽器长时间运 行后，水质恶化等多种因素导致结垢，导致热阻增加，影 响了凝汽器的真空度。
目前，国内机组通常采用RCCS® 凝汽器强化换热技 术和胶球清洗技术来解决凝汽器的积泥和结垢问题。然 而，胶球清洗技术存在一些问题，如胶球无法完全通过铜 管、易导致换热管堵塞、维修成本高以及改进效果有限。 本文采用的RCCS® 凝汽器强化换热系统具有在线除垢和 强化换热的功能，可以有效解决N135-13.24/535型发电机 组凝汽器结垢问题，显著优化真空度并提高发电效率，取 得了明显的经济效益。
1 机组现状和改造必要性
为了响应公司零排放要求，2022 年 1 月，二台机组冷 却塔开始补充中水，而且排污量小 ;2022 年 6 月，受韶关 地区洪涝灾害影响，中南股份供水水库工农渠多处塌方， 造成二台发电机组 1个多月无法补充新水， 循环水电导率、 浊度、钙离子含量均严重超标，为易结垢水质，会导致凝 汽器总体传热效果变差， 真空度降低， 机组效率下降。
1.1 机组现状
2022 年 1 月～ 12 月期间，1号机组凝汽器端差从4.5℃开始缓慢上升，6 月、7 月快速上升 8.8℃, 8 月开始补充新 水后，端差又缓慢上升至 9.2℃, 共上升了 4.7℃。2 号机 从 3.5℃一直缓慢上升，到 12 月份上升至4.2℃, 共上升了 0.7℃。由于 1 号机组凝汽器端差上升至 9.2℃, 真空下降 至-87kPa，远高于同期-93kPa，2号机组运行真空对比同期 没有明显变化。
以上情况说明 1号机组凝汽器换热管内结垢严重，凝 汽器总体传热效果严重降低，从而导致端差升高，排气温 度升高，背压升高，进一步导致机组运行效率严重降低。 而通过RCCS® 凝汽器强化换热系统的改造治理，2号机机 组凝汽器管内传热效果得到明显改善，有效提高了凝汽器 的换热系数， 优化真空度， 提高发电效率。
1.2 凝汽器换热管内壁结垢原因
135MW 汽轮机组循环冷却水系统为闭式循环冷却水 系统， 造成凝汽器管内壁结垢主要有以下两个原因。
(1)循环水量偏少。由于冬季机组运行真空度高，达 到 -98kPa，只需要运行一台循环水泵，造成循环水量严重 偏少，远低于正常循环倍率 50 ～ 70 的要求，在超低流量 流速的情况下管内污垢极易沉积到换热管内壁形成硬垢， 造成凝汽器换热效率降低。
(2)循环水质较差。由于公司实施污水零外排和受韶 关地区洪涝灾害影响，污水经过处理后全部回收至中水管 网给各用户供水。冷却塔补水为中水，并且排污量较小， 造成循环水质较差，电导率、钙离子、浊度等数据超过工 业循环水要求， 属于严重易结垢水质。
1.3 改造必要性
凝汽器的传热总热阻主要由四部分组成 ：管内介质对 流热阻 + 污垢热阻 + 管壁传导热阻 + 管外凝结水膜热阻。 其中， 管内介质对流热阻 +污垢热阻占总热阻的 85% 以上， 是影响传热效果的决定因素。新投产的凝汽器，在运行一 段时间后，由于冷却管水侧内壁存在边界层，会逐渐形成 污垢(如水垢、微生物、泥沙等沉淀物)。水垢的形成对于 凝汽器传热效果影响很大。水垢厚度减小一半，热阻也减 小一半，传热系数提高了 31.5%。此外，打破边界层也可以 进一步提高传热系数， 这是提高机组运行真空的基本方法。
通过比较两台机组凝汽器端差和运行真空，我们发现，由于 1号 135MW 汽轮机组循环水质量较差，冷凝器结 垢非常严重，导致清洁系数下降，凝汽器端差上升，换热 能力降低，运行真空偏低。真空的降低不仅会导致机组运 行效率下降， 还会使排气温度升高， 引起机组轴中心偏移， 严重时会出现机组振动， 影响机组的安全运行。
2 RCCS®强化换热系统
2.1 RCCS® 工作原理
RCCS® 由高分子螺旋带、全密封水下微型陶瓷轴承 和特种钢连接件组成。该装置安装在每根换热管内的凝汽 器上，在机组运行时，无需外加动力，依靠循环水自身的 流速驱动装置内的旋转部件，在换热管内长时间快速旋转 (300r/min ～ 1800r/min)，改变管内水的流动状态， 打破 水温梯度，从而降低管壁处的水温，提高换热效果。同时， 该装置形成水流径向运动，使水垢和黏泥不能在管壁上滞 留，破坏水垢形成的机理。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。 在低流速和高流速、低雷诺数和高雷诺数条件下进行的强 化换热效率测试显示，RCCS® 能够显著提高凝汽器的换 热系数， 增加K值20% 以上。
该装置具有实时在线除垢功能，在防止换热管损伤和 腐蚀的同时， 具备以下优势。
(1)安全方便。安装简便，无需改动凝汽器，利用循环 水驱动螺旋带快速旋转，安全可靠 ;而其他清洗方法通常 需要安装外部设备， 并增加清洗成本。
(2)实时在线。强化换热和在线除垢，无需人工和化 学清洗， 防止换热器损伤和腐蚀。
(3)显著节能。与传统方法相比，RCCS® 能够大幅降 低凝汽器端差， 有效提高凝汽器的真空度。
(4)性能可靠。特殊高分子材料配方确保装置的强度、 韧性、耐候性和缺口敏感性能优良 ;独特的陶瓷轴承专利 技术保证轴承的耐磨性能， 旋转次数可达 50亿次以上。
(5)高精度生产。螺旋结构经过高精度加工，流体动 力结构特征独特， 能够增强扰流效果。
2.2 RCCS® 强化换热机理
RCCS® 通过改变传热管介质流动状态以提高换热效 果，其机理是。
(1)形成旋转流， 延长水流在单位长度内通过的时间。 (2)破坏边界滞留层。
(3)中心流体与管壁流体产生置换作用。
(4)产生二次旋流等。
2.3 RCCS® 的除垢、防垢机理
水侧污垢的形成一般要经历五个阶段 ：起始、运输、附着、老化、剥蚀。只要其中一个阶段遭到破坏， 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。
针对水侧管壁的结垢机理，RCCS® 打断或干扰了污 垢形成的三个关键阶段 ：
(1)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，从而降低了硬垢的析出 ;同 时在起始阶段破坏污垢微晶团， 减少污垢的形成。
(2)在污垢的附着阶段，RCCS® 通过刮扫管壁和强化 扰流， 防止垢的附着。
(3)在污垢的剥蚀阶段，RCCS® 通过刮扫管壁和强化 扰流， 加快垢的剥离。
RCCS® 能使换热管的清洁系数维持在 0.85 以上的高 水平， 这对降低凝汽器端差、提高换热效率非常有利。
2.4 RCCS® 特种陶瓷轴承的磨损、寿命
RCCS® 所采用的特殊陶瓷轴承， 在水质较好的环境中 旋转寿命达 50亿次以上。以每分钟 1800转计算，不停机运 行一年RCCS® 轴承旋转 9.46亿次， 可使用 5.28 年。
实际使用过程中，转速通常不到 1800r/min，同时机组 也不可能全年候运行。因此，RCCS® 陶瓷轴承设计寿命为 5 年以上。RCCS® 螺旋纽带本体为特殊高分子材料，其性 能稳定， 设计寿命为 10 年以上。
2.5 RCCS® 对管壁及本体磨损分析
将型号为RCCS®M/16/04(宽度 16mm， 厚度 0.8mm， 长度 12m)的产品放置在内径为 18.8mm 的不锈钢管内，以 4m/s 的水流速进行 180 天的极限磨损性能测试(转速为 2500 转 /min，相当于正常工作状态下 5 年的磨损量)。结 果显示扭带宽度仅减少了0.35mm，单边磨损量为0.18mm。 与未使用RCCS® 的不锈钢管相比，内置RCCS® 的不锈钢 管在运行前后没有明显变化， 质量也保持相当。
RCCS® 材料是一种特种高分子材料，化学性质稳 定，不溶于普通有机溶剂。它具有优良的强度、刚度、韧 性和缺口敏感度等性能，耐磨性能好，并且具有自润滑 性，不会发生断裂等现象。它的耐高温性能非常出色， 在 -50℃~ 220℃的温度范围内可以长时间运行而不会变 形。其硬度比不锈钢的氧化膜或铜管的氢氧化铁保护膜低 两个数量级。即使RCCS® 的本体完全磨损，凝汽器管壁内 侧的磨损量也仅为约0.03mm，大约相当于 3个月的生物腐 蚀量。同时，连接件部分采用特种钢支架，具有结构牢固 和高安全性的特点。
另一方面，电厂运行中导致凝汽器不锈钢或铜管腐蚀 的主要原因是垢下氯根或生物腐蚀。RCCS® 可以有效防 止结垢，并且可以避免垢下腐蚀，对延长换热管的使用寿命有显著作用。
2.6 RCCS® 工程实施
2023 年2 月，检查发现凝汽器管束的水侧结垢非常严 重，所有管束和水室都有结垢， 垢厚度约为 1mm。
取了一部分垢样进行化验，化验结果显示碳酸盐占 比 63%，磷酸盐占比 5%，铁氧化物占比 9%，硫酸盐占比 12%， 硅酸盐占比 8%， 其他占比 3%。
根据垢样化验结果，于2022 年 3 月对 1号机组进行了 改造。
(1)凝汽器全面彻底清洗。采用小循环凝汽器化学清 洗和高压水枪冲洗的方法，对凝汽器的冷却管进行全面彻 底的清洗， 彻底去除凝汽器的污垢。
(2)凝汽器加装RCCS®。安装RCCS® 无源动力强化 换热系统。该系统具有在线清洗和强化换热的功能，可以 大大提高凝汽器的换热效果。
凝汽器共有 11610 根管束，每根管束都安装了一套 RCCS® 凝汽器强化换热装置，共计 11610套。同时施工四 个水室， 总共耗时4 天。
为了监控RCCS® 在凝汽器中的运行情况，安装了 6组 转速测量装置在凝汽器回水侧。
3 改造后效果
3.1 RCCS® 对水阻的影响
机组实施RCCS® 后，在相同循环水压力的情况下，凝 汽器循环水压差比改造前高 0.01MPa ～ 0.02MPa， 从工程 应用角度， 上述压差和流量损失基本可以完全忽略。
3.2 RCCS® 增加重量对凝汽器影响
凝汽器设备参数，冷凝管管子规格(外径 × 壁厚 Φ25×0.5×10754mm、管子根数 11610 根， 加装的RCCS® 总重量约为 3.0t，对发电机组正常运行和检修没有影响。
3.3 RCCS® 安装后数据分析和对比
凝汽器真空度的影响因素很多，但所有的因素都反映 在凝汽器循环水入口温度、温升和凝汽器端差等可定量分 析的指标上。
通过加装RCCS®, 使得凝汽器长期保持清洁状态， 有效 提高了清洁系数， 凝汽器管内的冷却水流方式被强制改变。
1号机组安装RCCS® 凝汽器强化换热系统后，4 月份 机组投入运行，通过近三个月的稳定运行，通过RCCS® 的 在线除垢与强化换热功能，凝汽器端差从 9.5℃降至 3.8℃, 降低排汽温度， 运行真空提高了2KPa， 与2号机组相似。
3.4 经济效益计算(以同等输出功率来计)
凝汽器真空直接影响机组的运行效率，大量运行 实践表明，凝汽器真空每下降 1kPa，机组汽耗会增加1.5% ～ 2.5% ;凝汽器端差每升高 1℃, 供电煤耗月增加 1.5% ～ 2.5%。
1号机组安装RCCS® 凝汽器强化换热系统后，凝汽器 端差从 9.5℃降至 3.8℃, 运行真空提高了2kPa， 对比2号机 组，在相同凝汽器端差的前提下，夏季(5 月～ 10 月)平均 真空比 1号机真空高2kPa，参照 135MW 汽轮机背压 - 热耗 修正曲线图， 年度直接经济效益计算如下 ：
⊿ F=N×Ty×φ×P。
式中 ：N——汽轮机组额定功率 135MW ;Ty——机 组半年有效利用小时数，暂按4000h ;φ——真空度上升率 (%)，近似为真空提高值 ;P——单价。
⊿ F=135000×4000×0.02×0.5=540万元。
4 实际应用中可能存在的问题和改进方法
当前，该项目运行良好， 但若在长期运行中， 遇到填料 老化，且杂物进入凝汽器出现RCCS卡塞的情况，将导致长 时间运行损坏设备。为此，解决该问题，可通过加装2道梯 形滤网以及 1道后置滤网，可有效防止杂物进入凝汽器卡 塞RCCS。该新型滤网具有高可靠性、高安全性、维护简洁、 使用寿命长、造价低廉等优势， 实际运行效果非常好。
5 结语
通过对中南股份 1号机组RCCS® 凝汽器强化换热装 置的改造前后对比，此项技术安全、可靠，节能优化效果 明显，RCCS® 可长期保持凝汽器清洁，运行水阻小，不会 对换热器造成磨损， 对机组安全稳定运行没有影响。
(1)改造后，凝汽器端差平均值都保持在4℃以下，真 空保持在 91kPa 以上，全年多发电 1000万kW·h。
(2)RCCS® 无源动力强化换热系统技术可提高凝汽器 传热系数，一方面具备在线清洗功能 ;另一方面具备强化 换热功能，而且能起到阴垢作用，有效防止冷却管水侧结 垢，提高机组运行真空， 降低煤耗， 提高机组运行效率。
(3)RCCS® 材质为特种高分子材料，材料耐高温性、 理化性能、力学性能优异，可在 -50℃~ 220℃温度环境下 长期安全稳定运行。
(4)投资回收周期 8个月。
(5)加强循环水质的监控，保证水质在合格范围，防 止出现卡涩。
(6)建立监控参数台账，对比不同工况下凝汽器真空、 排汽温度、端差、过冷度， 并定期进行检查和清洗。
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