引言凝汽器是电厂汽轮机组的核心部分，工作时其内侧冷却水管容易结垢。传热性能的下降、热阻的增加以及凝汽器排气温度的升高等均会导致真空度下降，这些问题均由管道上的污垢引起，从而使凝汽器乃至整个机组的经济性和稳定性降低。电厂普遍采取传统的凝汽器冷却水管道胶球清洗的方法进行除垢，该方法具有盲目性，胶球失球率较高，会造成人力、物力和财力的浪费；电厂还可以间隔一段时间采取酸洗的方法进行除垢，但该方法对设备管道有着很强的腐蚀性，会减少管道的寿命，有废酸排出，给环境造成负面影响。智能电磁抑菌除垢系统可以产生针对不同盐酸类垢和厌氧类细菌的磁场，使凝汽器冷却水管中的清洁度保持在较高的水平，且不会产生污染，对现场的工作环境要求不高。文中在电厂应用新一代智能电磁抑菌除垢系统。1智能电磁抑菌除垢系统智能电磁抑菌除垢系统采用模块化设计，避免信号之间相互干扰，其主要组成部分包括功率电路[1]、主控电路、显示电路、硬件保护电路[2]、驱动电路。智能电磁抑菌除垢系统模块如图1所示。系统采用数字化设计，主控采用驱动功率更大的STM32芯片，利用STM32芯片中的定时器生成方波，电压周期性变化，作为扫频信号的控制电压，控制功率电路的输出频率为10 Hz~100 kHz。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.026.F001图1智能电磁抑菌除垢系统模块低频磁场能够较好地抑制和灭杀冷却循环水中的细菌[3]。频率大于15 kHz时，属于高频电磁场。王建国[4]等控制实验磁场频率从低到高变化，发现高频磁场具有明显的阻垢除垢效果。为了使高频磁场和低频磁场均能顺利地穿透大口径的冷却水管，新一代智能电磁抑菌除垢系统采用载波设计，将低频信号带入管道。Hajizadeh[5]等采用STM32芯片中的PWM进行调制，对一系列脉冲的宽度进行调制，等效出所需要的波形，通过调节占空比的变化调节信号、能量等的变化。结果显示，该套系统调制出多种针对不同水质的频率磁场，使得抑菌除垢系统更佳。STM32芯片可以控制频率在10 Hz~100 kHz之间进行扫频，特定频率的磁场穿透大口径铁管并扫过管道里的水流，使管道内的水分子产生共振，提高了水的活化性，水分子可以渗出、包围、溶解、去除管道里的老垢，使水中的Ca2+、Mg2+和CO32-离子相互碰撞，形成柔软的文石晶体[6]。这些晶体表面无电荷，不再吸附在管壁上，从而达到除垢、阻垢的目的。运用载波设计低频穿透铁管，快速变化的低频交变磁场在水中产生紊流波，不停地撞击细胞的生存环境，使得微生物细胞壁损坏，水分子活化后包围溶氧，阻断了微生物在生命繁殖时需要的氧气来源，使细胞丧失生存能力而死亡，从而杀菌、抑菌。2智能电磁抑菌除垢系统应用效果的评价模型智能电磁抑菌除垢系统在江西某电厂的660 MW机组上进行的实际应用。为了更加准确地评价电磁抑菌除垢的效果，利用外界温度和湿度修正凝汽器端差，端差越小，则表明传热效率越高，冷却水管道污垢少，电磁抑菌除垢效果好；采用冷却水管道的清洁度对电磁抑菌除垢系统进行评价。2.1修正后端差的评价2.1.1评价模型凝汽器的端差δ为：δ=ts-t2 (1)式中：δ——凝汽器端差，℃；ts——凝汽器压力下的饱和温度，℃；t2——凝汽器冷却水出口温度，℃。凝汽器冷却水出口温度受外界天气影响较大，尤其在夏天，提出用外界温度和湿度去修正。使用Matlab软件中的函数分别得到外界温度、湿度与冷却水出口温度的相关系数，从而得到外界大气温度对冷却水出口温度的修正系数K1为0.990 02，外界大气湿度对冷却水出口温度的修正系数K2为0.991 52。修正后凝汽器的端差δ1为：δ1=ts-tw2 (2)tw2=t2K1K2 (3)式中：tw2——修正后凝汽器冷却水出口温度，℃。2.1.2评价模型的验证2021年12月在江西某电厂现场安装智能电磁抑菌除垢系统，对比分析安装设备前（2020年夏天7月和8月）的数据以及安装设备后（2022年夏天7月和8月）的数据，每0.5 h采集1组数据，一共采集2 851组数据。在大气温度相近、循环水泵台数相同的情况下，对比设备安装前后的端差变化。安装设备前、后的端差如图2和图3所示。设备安装前后的端差对比如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.026.F002图2安装设备前的端差10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.026.F003图3安装设备后的端差10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.026.F004图4设备安装前后的端差对比由图4可知，安装智能电磁抑菌除垢设备后，机组平均负荷升高，端差降低。设备安装前的平均端差为2.4 ℃，设备安装后的平均端差为1.4 ℃，平均端差低了1 ℃。这表明凝汽器铜管表面的结垢或脏污更少，传热效率更高，汽轮机排汽与冷却水的热交换更充分，从而提升了凝汽器的运行效率，使得煤耗减小，机组的经济性得到提升。2.2清洁系数的评价2.2.1评价模型通常采用传热系数法、水流阻力法、热阻法等判断凝汽器管束的脏污状况，这些方法在实际应用时均存在一定的缺陷。热阻法需要在冷却管上埋设改装热电偶，测量难度大，工程上难以实现；传热系数法对比凝汽器当前状态下的传热系数与理想传热系数，得到凝汽器运行清洁系数[7]，从而判断管道内的污垢情况，污垢越少，则传热效果越好，智能抑菌除垢系统越有效。根据传热学原理，建立电磁抑菌除垢系统应用效果的评价模型，采用凝汽器清洁度和凝汽器的管道污垢热阻评价抑菌除垢效果。现阶段关于凝汽器清洁度的计算方法包括美国传热学会公式(HEI)法、别尔曼公式(BTM)法和分布计算法。上述方法均可计算机组凝汽器的基本传热系数，文中采用HEI公式，凝汽器的基本传热系数K为：K=k0βcβtβm (4)式中：k0——冷却管的基本传热系数，W/(m2·℃)；βc——凝汽器的清洁系数；βt——冷却水进口温度修正系数；βm——管材和管壁厚修正系数。根据《凝汽器与真空系统运行维护导则》（DL/T 932—2019）[8]中附录C给出计算的相关数据表格，可以拟合出k0、βt和βm的数学公式。研究DL/T 932—2019中附录C给出的k0表格，可以得出k0与管径和管内的水流速相关。针对采集电厂现场的管径为25 mm的钛管，采用Matlab软件中的函数拟合曲线方程。k0=-152v2+1 564v+1 306 (5)式中：v——管道内循环水流速，m/s。根据DL/T 932—2019中附录C给出的βt表格，以拟合曲线方程。βt=-6.36×10-9t15+9.75×10-7t14-5.13×10-5t13+8.83×10-4t12+0.011 6t1+0.675 (6)式中：t1——凝汽器冷却水进口温度，℃。根据DL/T 932—2019中附录C给出的βm的表格，βm与管壁厚度相关，凝汽器管材选用TP304，拟合曲线方程。βm=0.019d3-0.075 2d2-0.007 52d+1.02 (7)式中：d——管壁的厚度，mm。汽轮机的能量平衡方程为：P1=G2h1-h2Wφ (8)式中：P1——汽轮发电机输出功率，kW；G2——凝汽器的蒸汽流量，kg/s；h1——汽轮机进气焓值，kJ/kg；h2——汽轮机排气焓值，kJ/kg；W——汽轮机轴耗功，kW；φ——汽轮机发电效率，%。凝汽器的热平衡方程为：Q=G2h2-h3=G3cpt2-t1=KAΔt (9)式中：Q——凝汽器热负荷，kW；h3——凝结水焓，kJ/kg；G3——凝汽器冷却水流量，kg/s；cp——冷却水的比热容；A——凝汽器传热面积，m2；Δt——凝汽器传热温差，K。凝汽器的传热温差方程为：Δt=t2-t1/lnts-t1ts-t2 (10)式中：ts——凝汽器压力下的饱和温度，℃。凝汽器内部被污染的情况可以用凝汽器管壁污垢热阻考量，污垢热阻值越大，表明凝汽器内部结垢污染越严重。凝汽器管壁污垢热阻R为：R=1K-10.92K0βtβm (11)根据上述计算模型可以快速得到βc，根据式(8)得到汽轮机排气焓，由式(9)和式(10)得到凝汽器的传热系数、凝汽器的热负荷以及循环水流量，最后由(4)式求出βc。2.2.2评价模型的验证在电厂机组的运行进程中，凝汽器部分参数的变化会直接影响评价模型中的传热系数以及污垢热阻。因此，需要充分考虑凝汽器的参数在运行中是否达到设计要求。表面式N-38000型凝汽器参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.026.T001表1表面式N-38000型凝汽器参数项目数值总有效面积/m238 000循环水流量/(t/h)69 408抽空气区有效面积/m22 280冷却管内最高流速/(m/s)2.3管束主凝汽器区数量/根33 280管束顶部外围部分数量/根1 478管束主凝汽器直径/mm25管束主凝汽器壁厚/mm0.5管束顶部外围直径/mm25管束顶部外围壁厚0.7管束有效长度/m13.08管束总长/m13.19管束材料TP304清洁系数0.85循环倍率55进出口管道规格DN2200取现场分散控制系统(DCS)中的数据，机组负荷为389.79 MW，凝汽器冷却循环水出口温度为37.5 ℃，凝汽器冷却循环水入口温度为31.2 ℃，汽轮机进气温度为599.63 ℃，汽轮机排气温度为39.5 ℃，热井温度为40.17 ℃，凝结水流量为810.4 t/h，化学补水管流量为31.47 t/h。根据式(8)求出汽轮机排气焓值为1 875.71 kJ/kg，根据式(10)计算出对数平均温度为4.47 ℃，根据式(9)计算凝汽器实际总有效面积为37 178.1 m2。根据表1中的设计参数，凝汽器设计总有效面积为38 000 m2，两者之间的误差为2.27%，符合设计要求。机组中凝汽器运行一段时间之后，相关的管道等器件微变，从而导致凝汽器传热性能略微降低，参数有些许变化。假设在胶球清洗管道过后凝汽器处于洁净的良好状态，在电厂，相关数据的采集也均在凝汽器胶球清洗系统过后开始，采集时间为2020年和2022年的7、8月，大气温度与压强基本一致，对采集数据进行处理分析。安装智能电磁除垢设备前后凝汽器清洁系数对比如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.026.F005图5安装智能电磁除垢设备前后凝汽器清洁系数对比凝汽器清洁系数在0.9以上为优秀，0.8~0.9为良好，0.7~0.8为一般，0.7以下为脏。由图5可知，安装智能电磁除垢设备后的凝汽器清洁系数整体优于未安装智能除垢设备的凝汽器清洁系数；安装设备后7、8月份凝汽器平均清洁系数为0.863，未安装设备时7、8月份凝汽器平均清洁系数为0.810，安装智能电磁除垢设备使凝汽器清洁系数提高0.053，凝汽器内部更加洁净。因此，安装智能电磁抑菌除垢设备后凝汽器清洁系数更高，凝汽器内污染程度降低，凝汽器的运行效率升高，机组热耗率降低，机组的经济性增加。在夏季，电厂机组负荷较大，冷却循环水温度较高，此时冷却循环水管比较容易生成微生物等形成的污垢，热阻较大，从而影响机组运行效率。因此，分析凝汽器中的污垢对评价智能抑菌除垢设备的应用效果具有重要意义。安装智能电磁除垢设备前后凝汽器污垢热阻对比如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.026.F006图6安装智能电磁除垢设备前后凝汽器污垢热阻对比由图6可知，安装智能抑菌除垢设备后污垢热阻明显降低，安装设备前在夏季7、8月的污垢热阻的平均值为0.110 (m2·K)/kW，安装设备前者在夏季7、8月的污垢热阻的平均值为0.065 (m2·K)/kW；应用智能抑菌除垢设备后，污垢热阻更低，传热性能更好，机组效率更高。3结语智能电磁抑菌除垢系统运用载波设计，使高频磁场和低频磁场均可以顺利穿透大口径的冷却水管，并控制频率在10 Hz~100 kHz之间进行扫频，实现高频除垢、低频抑菌。采集机组运行时外界温度和湿度的数据，用其对凝汽器冷却出水口温度进行修正，排除一些外部影响因素，从而得出更加准确的端差和传热效率数据。推导凝汽器的清洁系数和污垢热阻，在安装智能电磁抑菌除垢设备前后采集电厂的数据：机组负荷、低压凝汽器真空压力、高压凝汽器真空压力、汽轮机排气温度、凝汽器进口循环水温度、凝汽器出口循环水温度、凝汽器冷却水进口压力、凝汽器冷却水出口压力、热井温度、凝结水流量、化学补水量、汽轮机高压缸进气温度和汽轮机高压缸进气压力。对比分析设备安装前后的数据，可以更加清晰地掌握凝汽器内部的污染情况，从而得到机组的热耗率和运行效率。文中证实两种评价模型有效，验证了新一代智能电磁抑菌除垢系统的应用效果。机组中凝汽器冷却循环水管的结垢情况得到改善，机组的换热效率提高，电厂机组的整体经济效率升高。