CN103977990A - 一种利用压缩空气吹扫清洁螺旋管式换热器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用压缩空气吹扫清洁螺旋管式换热器的方法，包括以下步骤：1)该螺旋管式换热器包括多个螺旋管，依据单个被吹管道所测各处的吹管系数是否大于1，判断所提供压缩空气吹管可行性，确保被吹管道所测各处的吹管系数均大于1；2)重复步骤1)，得到所有螺旋管所需的压缩空气质量流量，将各螺旋管压缩空气质量流量相加，得到所需压缩空气总量；用能够提供的压缩空气量除以所需压缩空气总量的1.20倍，得到比值A，当比值A大于等于1时，利用压缩空气一次即可吹扫清洁螺旋管式换热器；当比值A小于1时，利用压缩空气单次吹扫清洁螺旋管式换热器管束的根数不大于螺旋管式换热器管束总根数的A倍。本发明解决了螺旋管式换热器的清洁问题。

Description

一种利用压缩空气吹扫清洁螺旋管式换热器的方法

【技术领域】

本发明涉及电力及化工领域，具体涉及一种利用压缩空气吹扫清洁螺旋管式换热器的方法。

【背景技术】

电站的加热器、火电厂锅炉的省煤器、核电站的蒸汽发生器等大型换热设备都采用了换热管束。而这些换热管束管径小、管子长、管壁薄、排列紧密，有的管子还是由特殊材料制作而成。换热管内从生产制造到交付使用经历了生产制造、包装运输、现场堆放、安装等众多环节，不可避免会产生一些杂质。

目前火力发电厂锅炉蒸汽系统采用蒸汽吹管。蒸汽吹管的原理是在吹管时蒸汽的动量如果大于额定运行工况下蒸汽的动量，则吹管无法清除的杂质在额定运行工况下也不会从系统脱落，从而不会对后面系统和设备造成危害。将吹管时蒸汽的动量与额定运行时蒸汽的动量比定义为吹管系数，如果吹管系数大于1，则认为是有效的吹管。

蒸汽在压力较低状况下比容较大，因此蒸汽吹管的参数可以低于额定运行工况下的参数，从而使得蒸汽吹管可以安全的实现。

高低压加热器及省煤器等水系统，无法自身产生蒸汽，而一般来说大型电厂的启动蒸汽量及参数无法达到吹管系数大于1的要求，因此也无法进行蒸汽吹管。

核电厂蒸汽发生器在核燃料投入后一般只能稳压运行，因此如果需要吹管系数大于1，则只能使蒸发器超额定参数运行，这是一种不安全的运行方式，因此不能采取这种方式吹管。

这类无法进行蒸汽吹扫的换热器，目前一般进行水冲洗和化学清洗。

水冲洗无法使得冲洗时的动量大于额定运行的动量，从原理上来说不能保证将杂质冲洗干净。化学清洗工作量及成本比较高，一些杂质无法彻底请洗干净，另外还涉及到管材的腐蚀问题。

【发明内容】

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种利用压缩空气吹扫清洁螺旋管式换热器的方法。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种利用压缩空气吹扫清洁螺旋管式换热器的方法，包括以下步骤：

1)依据被吹管道所测各处的吹管系数是否大于1，判断所提供压缩空气吹管可行性，其中，吹管系数λ的计算公式如下：

$\mathrm{\λ}=\frac{{Q_m}^2\×v}{{Q_{\mathrm{vwo}}}^2\×V_{\mathrm{vwo}}}---\left(1\right)$

式中：

Q_m-吹管压缩空气质量流量，kg·s^-1；

v-吹管压缩空气比容，m³·kg^-1；

Q_vwo-额定负荷时介质质量流量，kg·s^-1；

V_vwo-额定负荷时介质比容，m³·kg^-1；

其中，吹管压缩空气质量流量Q_m和吹管系数λ按照以下步骤试算：

a)假定被吹管道入口处的吹管系数λ为1，利用公式(1)计算吹管压缩空气质量流量Q_m；

b)利用公式(2)计算出被吹管道的压缩空气体积流量Q_v，m³·s^-1，具体如下；

Q_v＝Q_mv      (2)

c)利用公式(3)计算出被吹管道的空气流速u_x，m·s^-1，具体如下：

$u_x=-\frac{{4Q}_v}{{\mathrm{\πd}}^2}---\left(3\right)$

式中：

d-被吹管道的内径，m；

d)利用公式(4)计算出雷诺数Re，具体如下：

$\mathrm{Re}=\frac{\mathrm{ud}}{\mathrm{\γ}}---\left(4\right)$

式中：

u-压缩空气平均速度，m·s^-1；

Υ-压缩空气的运动粘度，m²·s^-1，其根据压力和温度查表取得；

e)利用公式(5)计算出摩擦阻力系数f_c，具体如下：

$f_c={2.552\mathrm{Re}}^{-0.15}{\left(\frac{d}{D}\right)}^{0.51}---\left(5\right)$

式中：

D-螺旋管圈直径，m；

f)利用公式(6)计算压缩空气压降ΔP，具体如下：

$\mathrm{\ΔP}=\frac{f_c}{4}\·\frac{\mathrm{n\πD}}{d}\·\frac{{\mathrm{\ρu}}^2}{2}---\left(6\right)$

式中：

n-螺旋管匝数；

ρ-压缩空气的密度，kg·m^-3；

g)重复步骤a)至f)，依次增大吹管系数试算，直至计算出的压缩空气压降ΔP和实际入口出口压力差ΔP_出入口接近时，即时，此时的入口吹管系数所对应的压缩空气质量流量即为吹管时压缩空气质量流量Q_m，根据此压缩空气质量流量Q_m计算被吹管道所测各处的吹管系数，如果所测各处吹管系数均大于等于1，认为气源所提供的压缩空气可行，此时最小的吹管系数为单个被吹管道的压缩空气吹管系数；

2)重复步骤1)，得到所有螺旋管所需的压缩空气质量流量，将各螺旋管压缩空气质量流量相加，得到所需压缩空气总量；用能够提供的压缩空气量除以所需压缩空气总量的1.20倍，得到比值A，当比值A大于等于1时，利用压缩空气一次即可吹扫清洁螺旋管式换热器；当比值A小于1时，利用压缩空气单次吹扫清洁螺旋管式换热器管束的根数不大于螺旋管式换热器管束总根数的A倍。

本发明进一步改进在于，步骤1)中，吹管压缩空气比容v的计算公式如下：

$V=0.773\×\frac{t+273}{273}\×\frac{101325}{P}---\left(7\right)$

式中：

t-压缩空气温度，℃；

P-压缩空气压力，Pa。

本发明进一步改进在于，步骤1)中，对于不存在相变的螺旋管式换热器，被吹管道所测各处选取入口处、中间处以及出口处，分别计算其吹管系数；对于存在相变的螺旋管式换热器，被吹管道所测各处选取入口处、饱和水处、中间处、饱和汽处以及出口处，分别计算其吹管系数。

本发明进一步改进在于，步骤1)的步骤g)中，如果所测各处吹管系数有一处小于1，认为气源所提供的压缩空气不可行。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明解决了类似于高温气冷堆蒸发器这种无法进行蒸汽吹扫，又不宜进行化学清洗的螺旋管式换热器的清洁问题。对于普通换热器，相对于化学清洗来说，利用压缩空气进行吹扫简单易行、成本低，且不必担心化学腐蚀。

【具体实施方式】

本发明一种利用压缩空气吹扫清洁螺旋管式换热器的方法，具体包括如下步骤：

A、吹管系数基本计算公式：

吹管系数＝((吹管时空气流量)²×(吹管时空气比容))/((额定负荷介质流量)²×(额定负荷时介质比容))；

B、吹管计算点的选择

压缩空气吹管气源来自厂用空压机站，供气压力即为吹管时换热器入口压力，换热器出口空气压力近似为大气压力。压缩空气在换热管中流动可看作恒温过程，压力均匀降低，比容近乎均匀增长，动量在出口最大。

对于不存在蒸发受热面的换热器，水在螺旋管中流动，通过加热，温度逐渐升高，压力几乎不变，出口处温度最高，比容也最大。对于这类换热器，选择入口、中间点、出口作为计算点。

对于存在蒸发、过热受热面的换热器，水在螺旋管中流动，通过加热，温度逐渐升高，压力几乎不变，水经预热段、蒸发段、过热段变成过热蒸汽。在预热段，水加热逐渐变为饱和水，比容增加十分缓慢；在蒸发段，饱和水蒸发为饱和蒸汽，比容迅速增大；在过热段，饱和蒸汽被继续加热为过热蒸汽，比容增长渐趋缓慢。对于这类换热器，选择入口、饱和水点、饱和汽点、中间点和出口点作为计算点。

C、吹扫空气参数计算

计算点处压缩空气压力根据供气压力、排气压力(令其为大气压)及计算点相对位置，按压力均匀下降求取；计算点处比容可根据压力及温度计算或查表得到(温度取气源温度)；【(额定负荷介质流量)²×(额定负荷时介质比容)】可根据额定运行时的参数计算求得；通过给定入口吹管系数，便可计算出吹管所需压缩空气质量流量，根据螺旋管单项流相关知识，求得螺旋管阻力。

入口吹管系数由小向大增加，计算出的压缩空气质量流量也在增加，计算出的螺旋管阻力也在增加。当计算阻力与螺旋管入出口差压接近时(即的吹管系数所对应的压缩空气质量流量为吹管压缩空气流量，此时各计算点处所对应的吹管系数均大于1，则该压缩空气可用于该螺旋管换热器的吹扫。否则，该压缩空气不能作为该螺旋管换热器的吹扫气源。

如果该气源可行，计算出所有管子的压缩空气量，求得所需压缩空气总量。

D、吹扫次数确定

用能够提供的压缩空气量除以所需压缩空气总量的1.20倍，得到比值A，当比值A大于等于1时，利用压缩空气一次即可吹扫清洁螺旋管式换热器；当比值A小于1时，令B为A的倒数取整，B即为吹完所有管道需要的次数。将所有管道按照吹扫次数均分为组，每次吹扫一组管子其余不吹的管子采取措施进行封堵。被吹扫的管子吹扫合格后进行封堵，打开待吹的下一组管子的封堵，进行下一组管子的吹扫，直到所有管道吹扫合格为止。

E、实际吹管系数校核

实际吹管系数计算可通过测定吹管时压缩空气流量、出入口压缩空气压力、温度，进行核定。如果吹管系数偏低，可以适当提高吹扫压缩空气压力或减少每一组吹扫管子的数目。

F、吹扫效果的评价

空气吹扫过程中当目测排气无烟尘时，在被吹洗管末端的临时排气管内(或排气口处)装设靶板，靶板可用铝板制成，其面积不小于压缩空气通流面积的10％；在保证吹管系数大于1的前提下，连续两次更换靶板检查，靶板上冲击斑痕粒度不大于0.8mm，且粒度在0.2～0.8mm范围内斑痕不多于8点即认为吹洗合格。

吹管系统的设计要点：

a、按照每一次能够吹扫的管子数目，将换热器管子均分为若干组，每次吹一组管子，其余管子前后采取可靠措施封堵；

b、入口管道连接压缩空气气源管，要有可靠的隔离措施，以便于吹管过程中进行切换。

c、出口安装快速开启阀门，作为吹管控制阀门；出口安装靶板，用来检验吹管质量。

d、在压缩空气气源管上安装流量测点，换热器出入口安装压力、温度测点，在吹管过程中记录吹管流量及出入口压力和温度。

吹管系数核算：

在吹管过程中记录压缩空气流量及出、入口压力温度，核算实际吹管系数，如果实际吹管系数偏低，增加压缩空气压力或者减少每次吹管的管数，加大空气流量，提高吹管系数。

压缩空气吹扫实施要点：

a)确认吹扫系统连接、安装工作结束，具备吹扫条件；

b)关闭出口排气阀，打开入口隔离门，系统充入压缩空气，压力至吹管压力；

c)开启吹管临时气动控制阀，开始吹扫。

d)吹扫30分钟左右，当目视排气清净、无杂色杂物时，停止供气并关闭临时电动阀，打开气动阀，在靶板架上加装靶板。

e)再次吹扫，连续两次更换靶板检查，靶板上冲击斑痕粒度不大于0.8mm，且粒径在0.2～0.8mm的斑痕不多于8点即认为吹扫合格。

f)检验合格后，切换封堵，进行下一组管子的吹扫。

g)重复以上工作，直到吹扫完所有螺旋管。

h)最后将封堵全部取出，同时对全部螺旋管吹扫10分钟。

i)恢复系统，对吹干净的系统进行保养。

下面以某电厂蒸汽发生器的压缩空气吹扫为例，说明该发明的具体实施方式。

1、相关参数计算

该厂蒸发器有665根换热管，每根管长超过60m，管子尺寸为19×3mm。额定运行工况蒸发器入口水(t_入＝205℃，P_入＝15MPa)进入蒸汽发生器被加热，经预热段、蒸发段、过热段变成过热蒸汽(t_出＝570℃，P_出＝14MPa)，相变点发生在33m左右。电厂能够提供0.75MPa(表压)的压缩空气量为0.52m³·s^-1。

经计算蒸发器吹管需要0.7MPa的压缩空气6m³·s^-1，考虑20％裕量，则蒸发器665根传热管需要分8次吹扫。

2、吹管系统的设计

蒸汽发生器入口和压缩空气系统之间采用临时管联接，临时管上靠近蒸发器处侧面开一人孔，人孔应能严密封闭；

蒸汽发生器螺旋管口在出入口联箱圆形管板平面上呈均匀分布，采用扇形板封闭每次不吹扫的螺旋管口，根据吹扫次数确定扇形板缺口角度，扇形板固定及旋转可采用连杆装置实现。连杆穿过焊接在临时管内中心线上的套筒，可在套筒内前后滑动及旋转，套筒上设置螺栓对连杆进行固定。套筒上固定量角器，用于调整出入口扇形板缺口角度；

蒸发器入口临时管上装设临时电动闸阀，用于系统隔离，阀前装就地压力表；

在蒸发器出口，采用临时管同主蒸汽联箱筒体联接，临时管末端装设开关迅速的气动闸阀，作为吹扫控制阀；

为满足分部吹扫的打靶要求：靶板架可焊接在蒸发器出口扇形板连杆上合适位置，靶板架中心线对准扇形板缺口中心线。靶板架随扇形板转动，架上可安装并固定扇形靶板，所用靶板面积应大于缺口面积的10％。蒸发器出口扇形靶板旋转及靶板拆装工作均通过临时管出口(打开气动闸阀)操作；

蒸发器出入口位置临时管上均装设压力测点，用于测定蒸发器吹扫时出入口压力；

空气吹扫管线布设应尽量平直简捷，越短越好。吹扫中使用的所有临时管道、靶板架、连杆、套筒等材料均采用不锈钢材质，焊接采用氩弧焊打底施焊；

吹扫气源由压缩空气系统储气罐出口接出，蒸发器主给水联箱之前系统在联接蒸汽发生器主给水联箱之前应吹扫干净；

吹扫的临时管道安装牢固可靠的支吊架；

空压机出口至吹扫控制阀处做气密性试验。

3、吹扫过程

将蒸发器出入口扇形板缺口调至相同角度，然后分别压紧在蒸发器出入口管板平面上并固定；

关闭临时管侧面的人孔；

关闭出口临时气动阀，打开入口临时电动阀；

待蒸发器出入口压力稳定后记录入口压力数值，开启临时气动控制阀，开始吹扫。吹扫过程中监视蒸汽发生器出入口压力，吹扫30分钟左右停止吹扫，等待5分钟后再次吹扫，循环这一操作；

当目视排气清净和无杂色杂物时，停止吹扫并关闭临时电动阀，打开气动阀，在靶板架上加装靶板；

再次吹扫，在保证吹管系数大于1的前提下，连续两次更换靶板检查，靶板上冲击斑痕粒度不大于0.8mm，且粒度在0.2～0.8m范围内斑痕不多于8点即认为吹洗合格；

检验合格后，关闭临时电动阀，打开蒸发器入口临时管道上的人孔放气，出口处打开气动闸阀。将出入口扇形板均旋转一定角度(为保证扇形板缺口边缘处的螺旋管吹扫，旋转角度应小于扇形板缺口角度)并压紧固定，封闭临时管上人孔，关闭吹扫控制阀；

重复以上工作，直到吹扫完所有蒸汽发生器二次侧传热管。

Claims (4)

1.一种利用压缩空气吹扫清洁螺旋管式换热器的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)该螺旋管式换热器包括多个螺旋管，依据单个被吹管道所测各处的吹管系数是否大于1，判断所提供压缩空气吹管可行性，其中，吹管系数λ的计算公式如下：

$\mathrm{\λ}=\frac{{Q_m}^2\×v}{{Q_{\mathrm{vwo}}}^2\×V_{\mathrm{vwo}}}---\left(1\right)$

式中：

Q_m-吹管压缩空气质量流量，kg·s^-1；

v-吹管压缩空气比容，m³·kg^-1；

Q_vwo-额定负荷时介质质量流量，kg·s^-1；

V_vwo-额定负荷时介质比容，m³·kg^-1；

其中，吹管压缩空气质量流量Q_m和吹管系数λ按照以下步骤试算：

a)假定被吹管道入口处的吹管系数λ为1，利用公式(1)计算吹管压缩空气质量流量Q_m；

b)利用公式(2)计算出被吹管道的压缩空气体积流量Q_v，m³·s^-1，具体如下：

Q_v＝Q_mv      (2)

c)利用公式(3)计算出被吹管道的空气流速u_x，m·s^-1，具体如下：

$u_x=-\frac{{4Q}_v}{{\mathrm{\πd}}^2}---\left(3\right)$

式中：

d-被吹管道的内径，m；

d)利用公式(4)计算出雷诺数Re，具体如下：

$\mathrm{Re}=\frac{\mathrm{ud}}{\mathrm{\γ}}---\left(4\right)$

式中：

u-压缩空气平均速度，m·s^-1；

Υ-压缩空气的运动粘度，m²·s^-1，其根据压力和温度查表取得；

e)利用公式(5)计算出摩擦阻力系数f_c，具体如下：

$f_c={2.552\mathrm{Re}}^{-0.15}{\left(\frac{d}{D}\right)}^{0.51}---\left(5\right)$

式中：

D-螺旋管圈直径，m；

f)利用公式(6)计算压缩空气压降ΔP，具体如下：

$\mathrm{\ΔP}=\frac{f_c}{4}\·\frac{\mathrm{n\πD}}{d}\·\frac{{\mathrm{\ρu}}^2}{2}---\left(6\right)$

式中：

n-螺旋管匝数；

ρ-压缩空气的密度，kg·m^-3；

g)重复步骤a)至f)，依次增大吹管系数试算，直至计算出的压缩空气压降ΔP和实际入口出口压力差ΔP_出入口接近时，即时，此时的入口吹管系数所对应的压缩空气质量流量即为吹管时压缩空气质量流量Q_m，根据此压缩空气质量流量Q_m计算被吹管道所测各处的吹管系数，如果所测各处吹管系数均大于等于1，认为气源所提供的压缩空气可行，此时最小的吹管系数为单个被吹管道的压缩空气吹管系数；

2)重复步骤1)，得到所有螺旋管所需的压缩空气质量流量，将各螺旋管压缩空气质量流量相加，得到所需压缩空气总量；用能够提供的压缩空气量除以所需压缩空气总量的1.20倍，得到比值A，当比值A大于等于1时，利用压缩空气一次即可吹扫清洁螺旋管式换热器；当比值A小于1时，利用压缩空气单次吹扫清洁螺旋管式换热器管束的根数不大于螺旋管式换热器管束总根数的A倍。

2.根据权利要求1所述的一种利用压缩空气吹扫清洁螺旋管式换热器的方法，其特征在于，步骤1)中，吹管压缩空气比容v的计算公式如下：

$V=0.773\×\frac{t+273}{273}\×\frac{101325}{P}---\left(7\right)$

式中：

t-压缩空气温度，℃；

P-压缩空气压力，Pa。

3.根据权利要求1所述的一种利用压缩空气吹扫清洁螺旋管式换热器的方法，其特征在于，步骤1)中，对于不存在相变的螺旋管式换热器，被吹管道所测各处选取入口处、中间处以及出口处，分别计算其吹管系数；对于存在相变的螺旋管式换热器，被吹管道所测各处选取入口处、饱和水处、中间处、饱和汽处以及出口处，分别计算其吹管系数。

4.根据权利要求1所述的一种利用压缩空气吹扫清洁螺旋管式换热器的方法，其特征在于，步骤1)的步骤g)中，如果所测各处吹管系数有一处小于1，认为气源所提供的压缩空气不可行。