• 關(guān)鍵詞： 凝汽器 在線清洗機(jī)器人
• 摘要：凝汽器運行一定的時間后，會停機(jī)采用高壓水對冷卻管內(nèi)部清洗，水射流進(jìn)入冷卻管內(nèi)清洗依然是凝汽器深度清洗的最有效的方法。采用自動化裝置將水射流清洗應(yīng)用到凝汽器上，實現(xiàn)在線清洗。實驗數(shù)據(jù)表明，根據(jù)不同的水質(zhì)環(huán)境定期清洗，端差相對于未清洗的工況，可以降低2℃以上，對節(jié)能減排具有極大的效益。

1   前言

凝汽器是汽輪發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵設(shè)備之一，用于冷卻汽輪機(jī)排出的乏汽，從而達(dá)到降低出口壓力，提高汽輪發(fā)電機(jī)組循環(huán)效率的目的。影響凝汽器冷卻效率的關(guān)鍵因素是其冷卻管的換熱效率。凝汽器的循環(huán)冷卻水采用自然水，根據(jù)水質(zhì)不同，會出現(xiàn)污泥垢和鈣鎂鹽等類型結(jié)垢。凝汽器的污垢熱阻中，微生物的影響很大，特別是夏天，負(fù)荷高、冷卻水溫度高，污垢影響更大^【1】。結(jié)垢導(dǎo)致凝汽器冷卻水管換熱效率降低，從而降低汽輪機(jī)的運轉(zhuǎn)效率。對于長期結(jié)垢，還會加速冷卻管的腐蝕，可能造成事故。保持凝汽器冷卻管清潔度，對于降低能耗，保障生產(chǎn)安全，提高設(shè)備使用壽命，都有著重要的意義。

2   研究背景

凝汽器清洗有多種方法，目前常用的有膠球清洗和離線人工清洗。膠球清洗是利用水流作用使膠球通過冷卻管時帶走管壁的污垢。但是膠球清洗存在回收率低、易堵塞冷卻管、不能完全清除由化學(xué)反應(yīng)而形成的析晶污垢等缺點。同時膠球清洗系統(tǒng)必須根據(jù)凝汽器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、運行工況及結(jié)垢特點配置膠球，對膠球（直徑、硬度、材料等）要求高，通常難以正確選擇，從而影響清洗效果，至今不能達(dá)到理想的清洗效果^【2】。

人工清洗采用高壓水管伸入冷卻管內(nèi)部進(jìn)行清洗，清洗有針對性，但是由于冷卻管數(shù)量多、長度長、勞動強度大、工人工作環(huán)境惡劣，而且需要機(jī)組停機(jī)或降負(fù)荷運行，難以滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需要以及安全生產(chǎn)要求，而且難以長期保持清洗效果。

圖1 凝汽器清洗機(jī)器人

圖1展示了凝汽器在線清洗機(jī)器人，采用水射流清洗的原理、以機(jī)械臂定位、絞盤收放清洗軟管、高壓水泵提供清洗射流的方式，模擬人工清洗過程。操作員通過控制系統(tǒng)發(fā)出指令，機(jī)械臂帶動噴頭夾具對準(zhǔn)需要清洗的冷卻管，高壓水泵接受指令開始工作，絞盤開始放管，噴頭在高壓水的反沖力下前行并實現(xiàn)清洗。水射流式凝汽器在線清洗機(jī)器人將人工清洗與在線清洗的優(yōu)點結(jié)合起來，可以時刻保持凝汽器冷卻管的清潔，對于節(jié)能減排，降低能耗具有重大的意義。

3   理論依據(jù)

凝汽器清洗機(jī)器人是通過高壓水射流的作用，將凝汽器冷卻管內(nèi)部的結(jié)垢去除，提高冷卻管的熱導(dǎo)率，降低汽輪機(jī)的排氣壓力和排氣溫度，提高循環(huán)效率。其理論依據(jù)主要分為兩部分，水射流清洗和節(jié)煤效率的計算。

3.1 水射流清洗

機(jī)器人用高壓水進(jìn)行沖洗時，高壓水既有清洗作用，同時，還提供噴頭向前運動的推進(jìn)力。機(jī)器人清洗與離線人工清理原理相同，都是采用水射流對冷卻管內(nèi)壁進(jìn)行沖洗。水射流方向與管壁方向呈一定的夾角，射流的沖擊切削作用使得管壁的污垢脫落，被冷卻水流帶走^【3】。

清洗機(jī)器人使用的高壓水管的內(nèi)徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于噴孔直徑，冷卻水壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于清洗水壓力。設(shè)清洗水壓力為P，噴孔出口速度為v，可以得到下式【4】：

v=44.7√P                                                                 (1)

泵的出口壓力為20MPa，經(jīng)實測，流量為Q=20L/min，噴孔總面積為A=2.356mm^2，可以得到水流速度為：

v=Q/A=(20×〖10〗^6)/(2.356×1000×60)=141.5m/s          (2)

由（1）式經(jīng)過變換?？梢缘玫絿婎^實際出口壓力為：

P= v^2/1998.1=〖141.5〗^2/1998.1=10MPa                             (3)

通過實驗驗證，這個射流沖擊力適合清除污垢，而不會傷害到凝汽器冷卻管。

3.2 節(jié)煤效率計算^【5】

清洗冷卻管，提高循環(huán)效率的主要原理是：通過清洗可以提高冷卻管的清潔系數(shù)，從而可以提高凝汽器的傳熱系數(shù)。在凝汽器冷卻水流量、熱負(fù)荷不變的情況下，傳熱系數(shù)的提高會降低傳熱端差，從而降低汽輪機(jī)的排氣溫度和排氣壓力，提高汽輪機(jī)的循環(huán)效率。

冷卻水溫升的計算式為：

Δt=(h_c-h_wc)/(C_w m)                                                       (4)

式中：

h_c，h_wc—凝汽器中的蒸汽比焓和凝結(jié)水比焓，kJ/kg；

C_w—水的比熱,kJ/kg；

m—循環(huán)倍率，冷卻水流量與進(jìn)入凝汽器的當(dāng)量蒸汽量的比值。

在凝汽器冷卻水流量、熱負(fù)荷不變（m不變）的情況下，同時對于高真空下的凝汽器來說，比焓差h_c-h_wc變動范圍很小。而C_w是常數(shù)，由式（4），冷卻水溫升不變。

凝汽器冷卻部分的傳熱面積A為凝汽器冷卻管管壁的面積，總體傳熱系數(shù)K與清潔系數(shù)ξ成正比。凝汽器清潔系數(shù)設(shè)計值一般為0.85～0.9，正常使用情況下凝汽器的清潔系數(shù)為0.6～0.7左右。傳熱端差計算公式為：

δt=Δt/(e^(KA/(C_w D_w ))-1)                                                 (5)

式中：

D_w—冷卻水流量,kg/s；

由式（5）可知，通過清洗冷卻管，提高凝汽器清潔系數(shù)，總體傳熱系數(shù)K提高，在冷卻水溫升不變時，端差δt下降。

排汽溫度（飽和溫度）可以根據(jù)式(6)進(jìn)行計算：

t_s=t_w1+?t+δt                                          (6)

式中：

t_s-飽和溫度；

t_w1-冷卻水進(jìn)口溫度。

根據(jù)式（4）、（5）、(6)可以看出，在凝汽器冷卻水入口溫度、流量、熱負(fù)荷不變的情況下，清潔系數(shù)ξ提高，使得端差降低，排氣溫度降低。

可以通過汽輪機(jī)排氣溫度t_s對真空度的影響來判斷清洗前后真空度的變化。凝汽器壓力P_k (kPa)與排氣溫度關(guān)系的經(jīng)驗公式為：

P_k=((t_s+100)/78.82)^7.46×0.1                            (7)

排汽溫度每下降1℃，凝汽器壓力下降0.3~0.5kPa。根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，對于超臨界機(jī)組，凝汽器壓力每改變1kPa，汽輪機(jī)功率平均改變1%~2%【6】【7】，即降低煤耗1%~2%。實際數(shù)據(jù)可以根據(jù)汽輪機(jī)背壓對機(jī)組功率的影響（汽輪機(jī)功率背壓特性曲線）來計算。

4   應(yīng)用效果

機(jī)器人在某電廠300MW汽輪機(jī)凝汽器上進(jìn)行了安裝使用。該機(jī)組配置兩個雙流程、不銹鋼管表面式凝汽器，具體設(shè)計參數(shù)如下：

表1凝汽器參數(shù)

在2014年10月小修期間在乙側(cè)凝汽器上下水室共安裝2套凝汽器清洗機(jī)器人，甲側(cè)凝汽器未安裝凝汽器清洗機(jī)器人，于10月下旬投入運行。目前該機(jī)組凝汽器清洗機(jī)器人每月運行兩次，上下水室兩套系統(tǒng)同時運行，每次運行沖洗時間70小時左右。在相同工況下可以對比甲、乙兩側(cè)凝汽器的傳熱效果，表2是甲乙兩側(cè)凝汽器的數(shù)據(jù)對比。由于凝汽器結(jié)構(gòu)的影響，下水室中心有一根直徑約400mm抽真空管，直接影響到機(jī)械臂在水室內(nèi)部的運動范圍，實際下水室清洗覆蓋率為70%，乙側(cè)上下水室總的清洗覆蓋率為85%。

表2 凝汽器清洗效果對比

由表2可以看出，清洗后由于乙側(cè)凝汽器清潔度提高，使乙側(cè)冷卻水溫升比甲側(cè)高了1.44℃、1.28℃。。乙側(cè)冷卻水溫升比甲側(cè)約高10.8%，乙側(cè)清洗后熱負(fù)荷提高了10.8%。另外，乙側(cè)清洗后端差始終低于甲側(cè)。由于乙側(cè)熱負(fù)荷高，其排汽溫度（真空）下降不明顯?？梢?，根據(jù)凝汽器使用工況，安排合理的清洗周期，可以長期保持凝汽器清潔度。

為明確清洗效果，表3將同期使用膠球進(jìn)行清洗的效果與凝汽器清洗機(jī)器人的清洗效果進(jìn)行了比較。數(shù)據(jù)采用了平均數(shù)，膠球清洗數(shù)據(jù)是2013年12月平均數(shù)，清洗機(jī)器人清洗數(shù)據(jù)是2014年12月的平均數(shù)。兩月冷卻水溫度相近、溫升相近、負(fù)荷也相近，具有可比性。

表3 清洗機(jī)器人清洗與膠球清洗數(shù)據(jù)比較

從表3可以發(fā)現(xiàn)，使用凝汽器在線清洗機(jī)器人之后，同種工況下端差下降將近1.86℃。端差（飽和溫度）每下降1℃，凝汽器壓力下降0.3~0.5kPa。排汽壓力影響按照0.35kPa/℃，汽輪機(jī)節(jié)能效率按照排汽壓力每下降1kPa，節(jié)能1.0%計算。機(jī)組煤耗為320g/kW?h，可降低煤耗2.08g/kW?h。全年運行5000h，節(jié)煤為：

300000×5000×2.08/1000000=3120(t)    (8)

按照每噸煤600元計算，只裝一側(cè)經(jīng)濟(jì)效益187.2萬元。如果兩側(cè)都裝，節(jié)煤效果將更為可觀。

5   結(jié)論

凝汽器在線清洗機(jī)器人將自動化技術(shù)與水射流清洗技術(shù)結(jié)合起來，充分利用兩種技術(shù)的優(yōu)點，既可以實現(xiàn)傳統(tǒng)人工清洗的清潔度，又可以實現(xiàn)一般在線清洗的便捷性?？梢栽诤艽蟪潭壬咸岣咂啓C(jī)的循環(huán)效率，是一種很有效的機(jī)組冷端節(jié)能措施，具有極為可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

參考文獻(xiàn)

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