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凝汽器超声波除垢设备

凝汽器是汽轮机组的一个重要组成部分,其作用是将汽轮机排汽冷却凝结成水,形成高度真空,使进入汽轮机的蒸汽能膨胀到远低于大气压力而多做功。凝汽器工作性 能的好坏直接影响整个机组的安全性和经济性。凝汽器真空是表征凝汽器工作特性的主要指标,是影响汽轮机组安全经济运行的主要因素之一。 影响凝汽器真空的因素比较复杂,包括凝汽器传热特性、凝汽器热负荷、铜管清洁率、冷却水温、冷却水量、冷却水系统的特性等。对于一台已经投运的抽汽凝汽式 机组,凝汽器的冷却面积、冷却水量、凝汽器热负荷等已基本固定,冷却水系统的特性、冷却方式、冷却水温也受到电厂的地理位置、季节气候等因素限制。提高并 维持较高的铜管清洁率是保持凝汽器真空高的最有效途径。凝汽器铜管水侧的脏污和结垢是导致凝汽器真空恶化的最主要最常见的原因。
1
、凝汽器水侧污垢的形成及危害
1.1
污垢的形成及特性:
    水垢是一种与水的硬度密切相关的结晶体,当水被加热或蒸发时,水垢就会形成。水垢会阻塞管道或附着沉淀在热传导表面,导致热耗和热阻力增加。
垢的形成是一种极其复杂的热量、动量、和质量交换过程,而且污染现象遍及自然过程。电厂多采用井水、河水作为循环水,水中含有能溶解在水中的盐类、灰尘、 泥砂、微生物等杂质,循环水系统的冷却水由于蒸发损失、风吹损失等不断浓缩,杂质在水中的比例也不断增高,因此、污垢的形成概率也高。
   
一般来说,凝汽器铜管水侧污垢可以粗略按结晶体的形成机理分为三大类:水垢、污垢、生物黏泥。
污垢的分类及其危害
(1)
、水垢:

水垢的主要成分为CaCO3,来源于Ca(HCO3)2的受热分解及CO2的散失。余量为镁、铜、铁等腐蚀产物泥渣沉积物 坚硬、致密,不易清除,一般需采用化学清洗方式除垢冷却效率降低、真空下降、端差上涨、负荷降低,且易产生垢下腐蚀。
(2)
、污垢:

 空气及补充水中杂质、灰尘、泥砂、微生物群体,以及金属腐蚀产物的沉积、疏松,用机械方法可清除 危害小于水垢,但能加速水垢的生成和引起管道腐蚀。

(3)、生物黏泥:

菌藻类的繁殖、滋生、新陈代谢产生的分泌物及微生物残骸,形状松软,附着力强,成絮状,用高压水可清除 冷却效率降低、真空下降、端差上涨,易产生黏泥下腐蚀
1.2
污垢的危害
1.2.1
热阻增大:

环水在凝汽器铜管内流动,吸收大量的热量,保证了汽轮机的正常运行。工业换热器内,一般管道内水流的流动总是处于湍流状态。根据管道内受迫流动换热理论, 液体在管道内流动分为层流边界层、过渡流层、紊流区三种基本现象,并由于流体的粘性而具有不同的流动速度。层流边界层是贴附于管壁的一层,流速非常缓慢, 水中的CaCO3等污垢最易滞留在管内壁上形成污垢;并且,层流边界层虽然很薄,但紧靠管壁,热阻很大,影响传热效果。
1.2.2
使排汽温度升高:

垢的导热系数很小,大大地增加了传热热阻,造成传热系数降低,使循环冷却水吸热不良,减缓了排汽的凝结速度,致使排汽压力升高、排汽温度升高。而排汽温度 的升高又导致有更多的热量需要冷却水带走,使循环冷却水温度升得很快。冷却水温度升高后又进一步恶化真空,形成恶性循环。表面上看很容易判断为是由于冷却 塔冷却效果不良所致,其实冷却水温度高的原因在冷却塔冷却效果一定的情况下是凝汽器真空低直接导致。
1.2.3
改变了设备的运行参数:

水侧污垢不仅使凝汽器清洁率下降和冷却面积减少,增加了冷却循环水系统的水流阻力,降低了冷却水的流量,还增加了循环水的出口压力和循环水泵的能耗,使换热效率减小。
1.2.3
使汽轮机组的经济效益降低:

真空降低使蒸汽的有效焓降减小,会影响汽轮机组运行的经济性。

电站凝汽器一般运行经验表明:凝汽器真空每下降1kPa,汽轮机汽耗会增加1.5%2.5%;真空过低时会限制机组出力,严重时要停机清洗,影响汽轮机组的经济效益。
1.2.4
威胁机组的安全运行:

真空过低,会使低压缸、排汽缸温度升高,引起汽轮机轴承中心偏移,严重时会增大汽轮机组的振动;当真空降低时,为保证机组出力不变,必须增加蒸汽流量,从而导致轴向推力增大,使推力轴承过负荷,影响汽轮机组的安全运行。
1.2.5
引起垢下腐蚀:

水垢下腐蚀是凝汽器铜管腐蚀的主要形态。水垢造成铜管表面不同部位上的供氧差异和介质浓度差异会导致局部腐蚀。铜被氧化生成的Cu2+ Cu+ 离子倾向于水解生成氧化亚铜,并使溶液局部酸化,加剧了腐蚀的发展,严重时造成针型腐蚀穿孔,导致铜管及管板泄漏,循环水进入凝结水,在无法预知的情况下,锅炉给水品质变差,威胁着锅炉及发电机组的安全运行,也直接影响发电厂的经济效益。
1.2.6
降低凝汽器的使用效率:

铜管内壁形成污垢的速度很快,根据文献,凝汽器铜管清扫24h后,清洁系数从1.0变为0.692,实际传热系数由2.93kW/(m2•℃)降到1.98 kW/(m2•℃),致使排汽温度从31.5℃上升到35.5℃。而0.1mm厚污垢的热阻足以让1mm厚的铜管的导热热阻被忽略不计。如此短的积垢时间和低的传热效率,导致凝汽器长期处于低效率运行中。
2
、不同除垢方式的优缺点对比:
   
着传热技术的发展,污垢已经成为传热的主要障碍之一。通常采用加除垢缓蚀剂、胶球清洗、周期性停机人工或机械清理、化学清洗等以提高汽轮机热效率,但效果 均不理想。只得采取缩短凝汽器处理周期的方法来提高传热性能,这又增加了处理费用,减少了机组的有效运行时间,影响机组的经济效益。
2.1
、不同除垢方式的优缺点对比:
    1、反冲洗 :操作方便,安全可靠,可不停机进行,仅能冲去生物黏泥等松软的污垢,清洗不彻底,加除垢缓蚀剂 通过化学吸附,阻止结晶成长或抑制晶体析出,但原水水质对阻垢效果有影响,需要经常添加除垢缓蚀剂以及排污,费用较高;

2、人工机械清洗:方便可靠,不产生化学废液,但是,劳动强度大,清洗不彻底;

3、高压水冲洗:对铜管损伤小,操作周期短,安全可靠,但是,清洗不彻底,效果不明显;

4、胶球清洗:不停机自动清扫,效果较好 要外加设备和动力,收球率低,无法去除钙镁等无机盐形成的盐垢,沉积污垢下腐蚀现象普遍;

5、化学清洗: 清洗彻底,可对设备和系统管道进行循环清洗去除污垢和水垢,化学物质对铜管造成一定的腐蚀伤害,操作周期长,费用比较高,化学废液还会污染环境。
2.2
、物理方法的优缺点对比:
   
冲洗、人工机械清洗、高压水冲洗、胶球清洗、热风烘干、等多种形式均属于物理法。物理法方便、安全、环保;但对硬垢处理不理想。电磁、永磁、强磁、高频、 静电等人们对电子除垢的研究到目前为止已经经历了半个世纪,电子除垢几上几下,除垢效果众说纷纭,常常是此地有效果,彼处就可能没有效果,刚装上的时候效 果好,用一段时间,效果就不明显了;

这也就是为什么尽管化学除垢存在这样或那样的问题,但目前还必须大量使用的关键所在。
2.3
、化学方法的优缺点对比:
   
学法主要是使用离子交换、加除垢缓蚀剂、化学加药或阶段性酸洗等方法。化学清洗是利用某些化学药剂的水溶液(比如:稀释盐酸)将金属壁上的各种沉积物以化 学方法将它们溶解下来,常用化学清洗剂是酸洗法;酸洗过程中,酸有除去金属表面沉积物的能力,同时也对钢铁发生溶解腐蚀作用,使H2从金属铁Fe中析出,还会使H2渗入工件基体表面,造成金属的氢脆,(Fe3C+H2→Fe+CH4↑),从而使金属的韧性大大降低,脆性增大。酸洗过程中还会3+铁溶解O2 电化学腐蚀,这些都导致材料遭受不同程度的破坏,(为防止这些危害,通常办法是:在酸溶液中加入少量缓蚀剂,如在盐酸,氢氟酸中加入粗吡啶,页氮,四甲基 吡啶鉴残等,以减缓对金属的腐蚀速度,但治标不治本,对金属的腐蚀仍巨大,易损坏设备,且环境污染大,非正常停机进行清洗次数多,成本高。
   
前有许多工业循环水是采用化学加药的,如加阻垢剂等,但是在低温循环水、冷却水的工作温度下,水中的微生物是极易生长的,而许多阻垢剂常常又是微生物的营 养源,所以,通常在加阻垢剂的同时,还需加入大量的杀菌剂、灭藻剂、平衡剂等等。另外化学药剂本身对设备、凉水塔、管道的腐蚀也是很严重的。进行阶段性酸 洗虽然比较简单,但需要停设备,影响生产,费事费力;另外,清洗的废液对环境的污染也是不可忽视的。
3
、数字式超声波系列除垢技术和设备的特点
   
数字式超声波除垢设备》是有青岛升雷电子科技开发有限公司生产,用于防止和清除热转换设备大面积产生水垢,超前可控制防止和清除水垢的方法,实现设备连续不间断的工作的需要,降低资源消耗,减少和避免因产生水垢而造成的各种经济损失。

3.1、防垢除垢机理和技术特点主要表现在:

超声波发射机发出高频震荡信号,通过换能器转换成高频机械震荡,使之在介质中散播,使液体流动而产生无数的微小气泡,这些气泡在超声波传播过程中形成的负压区成型、生长,在正压区迅速闭合。此过程产生超过1000个大气压的瞬界间高压,且连续不断爆破,称之为“空化效应”。

对于半波长为1mm的高频超声波,在这样小的距离中,就要出现方向相反,相当于重力加速度数百万倍的加速度变化。

于超声波以正压和负压重复交替变化的方式向前传播,负压时在媒液中造成微小的真空洞穴,这时溶解在媒液中的气体会很快进入空穴并形成气泡;而在正压阶段, 空穴气泡被绝热压缩,最后被压破,在气泡破裂的瞬间对空穴周围会形成巨大的冲击,使空穴附近的介质受到上千个大气压的高压。释放出巨大的能量。产生激烈振 荡,致使空穴突然爆破,把物体表面的水垢击破,达到防垢除垢的目的。

以下是超声波防垢除垢设备在水中的工作状态的照片。

超声波发射的波束 

 图①超声波防垢除垢设备在水中的工作状态。  被超声波束打碎的锡铂纸   图②

 

锡铂纸在几秒钟内被超声波束打碎

当超声波空化能量作用于金属表面时,使溶解于水中的钙镁离子在水中结晶,形成粉末状颗粒沉淀析出,防止水垢的生成。在空化能量作用下,管道表面的水垢,及化学处理时都难以除掉的铁氧化合物,会不断剥落下来。

超声波震荡还有助于清除管壁表面小孔和裂缝中的含氧气泡,从而减轻管壁的氧化锈蚀,延长其使用寿命。


  超声波在液体介质中通过空化效应,可以使水分子裂解为H?自由基和HO?自由基,甚至H+OH-等。而OH 与成垢物质离子可形成诸如CaOH MgOH 等的配合物,从而增加水的溶解能力,使其溶垢能力相对提高,具有"活化"效应。也就是说,超声波能提高流动液体和成垢物质的活性,增大被水分子包裹着的成垢物质微晶核的释放,破坏垢类生成和在管壁沉积的条件,使成垢物质在液体中形成分散沉积体而不在管壁上形成硬垢。
   
作用于金属表面的超声波振动产生了机械能量,使得金属、水垢、水随之震动,由于三者之间的频率响应不同,产生不同步震动,吸收和传播速度不同,产生速度差,形成垢层与管壁界面上的相对剪切力,形成"剪切"效应,影响了水垢内部之间的牢固性,破坏了水垢和金属之间的结合,因此,产生许多微小裂缝,导致垢层产生疲劳而松脱。
3.2
、防止新的水垢生成
   
声波的辐射能对被处理液体介质产生的空穴和气泡,把液体介质拉裂而形成无数极微小的局部空穴和气泡,在这些气泡的周围,好象许多的结晶中心,在水中开始形 成硬盐,形成细小的颗粒状物质,悬浮在水中。超声波的辐射还改变了液体介质主体的物理化学性质,缩短了成垢物质的成核诱导期,刺激了微小晶核的生成。新生 成的这些微小晶核,由于体积小、质量轻、表面积大,悬浮于液体中,有很强的争夺水中离子的能力,能抑制离子的成核后的聚合力,因此,减少了附着于热交换面 上成垢离子的数量,从而也就减小了积垢的沉积速率。实验研究和应用表明,当液体介质的过饱和系数一定时,在同一超声波参数下,超声波作用时间越长,则成垢 物质的成核诱导期越短。
受热表面上的振动使金属与水之间产生高速微流和空化效应,阻碍了这些颗粒状物质在管壁上的沉淀,因此,水中结晶盐及以结晶后难溶解的盐基本上不会在设备的管壁表面附着,而是形成悬浮的絮状物质和颗粒状物质,这些物质随水流通过排污排除。
  此外,超声波辐射压力、声强现象、声场也有直接的防垢除垢作用。
3.3
、减少水阻、提高热量的传递
   
超声波振动,形成其内部水和管壁的振动,在水和管壁之间产生微小的水流,因此,减弱了水与管壁之间的流体力学阻力,从而提高了水流的速度,并增加加热表面的热量传递。
   
在超声波振动的作用下,水与金属表面产生了许多真空气泡,加速了水与受热表面的交换速度,使被加热介质能进行更好的交换混合,同样能够提高热量的传递。
3.4
、保护金属免受腐蚀:
   
动力强度降低的现象,在管壁表面和水垢的裂缝中,那里在一般条件下(无超声波)存有空气中的氧气,在超声波振动的作用下,它很容易从裂缝中排出来,清除管 壁氧气,起到除氧作用;是一种清除钢管受氧腐蚀的设备。超声波的脉冲长期地作用于管的内壁表面,在微小裂缝附近使其更易变形的部分发生变化,借助于这些变 形把裂缝的边缘封住,把水从设备里排出的时候里面不会渗入氧气。管子的内壁变得光滑了,而且微小裂缝的面积会迅速减小,减少了对管道的腐蚀。消除了换热器 中的损坏,由此保护金属表面免受磨蚀。这种防腐蚀的作用取代了对管道表面的钝化。
3.5
、杀菌灭藻
   
超声波使液体介质内许多微小的气泡破裂时,会产生能量极大的冲击波,把水体中的细菌细胞击碎,破坏了细胞膜的离子通道,改变了细胞的生存环境,使其丧失生 存能力而死亡。同时激励后的水分子能将水中溶解氧包围封锁,切断了微生物进行生命活动所需氧的来源,从而达到了较好的杀菌灭藻效果,同时也防止了生物污泥 的产生。
3.6
、技术成熟、可靠性较高,方便用户的选择和使用。
    该项生产技术已取得国家发明专利。

《数字式超声波除垢设备》及技术,是目前国际国内众多防垢方法中,技术最先进、效果最持久、应用领域最广泛的高技术项目。
   
本设备的安装不要求与工程设计的单位进行协商。对原设备本体不做改动,对原设备无任何损伤,对人员无任何人和危害和影响。
   
操作简单:超声波仪器自动化程度高,操作只需一键,大大减轻了人工除垢的劳动强度,减少了除垢环节。
   
防垢效果显著:一台《数字式超声波除垢设备》可去除300m管线的水垢,可以除去100-200m2的水垢。有多种型号的机器可供用户选择。
3.7
、环保节能
   
物理方法防垢,相对于传统化学加药法而言,对水体无污染,对环境无污染,对管线无腐蚀,符合国家的节能减排和环保的产业政策。
   
主动防垢与除垢:相对于化学加药法而言,其表现为破坏垢晶形成条件,防垢于未然。
   
节能降耗:其在线式的工作方式,阻碍了水垢的凝结,改变了液体介质的分子活性,使热传导效率提高了722%,节能可达1030%。机器自身的耗电在1KW5KW,节省电能和水资源。

目前,在俄罗斯的锅炉监督局和国家城市设施监督部门,同意采用此机器清除锅炉、各类换热器设备中的水垢(2005520日的证明第NO12—1/378号),作为一项节约能源的有效方法;据报道超声波除垢技术在俄罗斯已经成功使用了近7年,在国内尚未有使用。

4、经济效益分析:

水垢一般在凝汽器、热交换设备的管壁表面的生成,厚度取决于水的硬度、水处理的质量及专业人员的技术水平。有以下几种处理方法:化学处理、物理处理、水的磁化处理。在一个处理周期内(1-10年),各项处理费用和处理效果与本设备相对比,都是非常昂贵的,且处理效果不如本设备,并需要专业的技术人员。
   
根据《检修规程》要求,热交换设备的内表面的水垢厚度在0.5mm以上就要清洗,所以,水垢的清除以及降低其生长速度就产生了以下费用:

1 采用水处理设备所产生的设备折旧和消耗材料的直接费用。

2 定期做化学或物理清冼的费用。

3 由于垢下腐蚀而导致铜管损坏,由此产生的计划外材料更换及维修费用。

4 化学废物回收利用所产生的费用,由于污染周围的环境而产生的罚款。

5 冷凝器、热网加热器、换热器等热交换设备因结垢可能影响系统参数降低,严重时可能造成系统全停,由此而造成各项直接或间接损失。
   
使用化学方法对水进行预处理,必然增加处理费用,即使是质量最好的水处理也不能阻止内表面水垢的增长。如果水的硬度很高,水垢的增层速度就快,所以必须定期清洗热转换设备,由此,必然发生定期清洗费用。
   
采用超声波的方法杜绝了有害废水对周围环境的污染,用这种方法清洗1立方米的价格,大约算来要比化学处理低200-250倍。
使用本机器,只是一次投资,几乎很少的运行费用(每小时用电1KW/时),使用有效期大于10年,并不再发生定期清洗换热器、凝汽器设备的费用。
   
用于购买使用《数字式超声波除垢设备》的成本,在工作以后的6个月至一年就会全部收回投资。《数字式超声波除垢设备》降低了对钢铁的腐蚀和提高了凝汽器、热交换设备的工作效率。 降低生产成本,不仅有技术和经济上的意义,而且具有社会意义,是构建节约型社会的一种技术手段和装备。
4.1
 端差对效益的影响  
   
100MW机组为例,装配N68152型凝汽器,正常运行中凝汽器端差控制在6℃以内,运行一段时间后,凝汽器端差就升高到9℃左右,严重影响机组经济运行。
    
造成端差大的主要原因是循环水中的污泥、微生物和溶于水中的碳酸盐析出附在凝结器铜管水侧产生水垢,形成很大的热阻,使传过同样热量时传热端差增大,凝结器排汽温度升高,真空下降。
   
根据N68152型凝汽器热力计算说明书查得:设计传热端差为404 ℃。经测试机组的平均传热端差为9 ℃左右,较设计值大5 ℃左右,根据公式tz t1 △t δt,式中:循环水入口温度t120 ℃,循环水温升△t1314 ℃,端差δt9℃,则: tz4214 ℃。对应的排汽压力,Pk′00085 MPa。由于端差增大5 ℃,使汽轮机热耗率增加1.69%,供电煤耗增加8.31gkW•h(标煤)。

经过计算,机组发电煤耗率增加8.31gkW•h(标煤),年多耗标准煤9700吨,标煤按800/T计算,折合人民币776万元,造成很大的浪费,增加了发电成本。
4.2
 真空对效益的影响  
   
根据《火电厂节能工程师培训教材》介绍的实验数值:真空每降低1%,影响汽轮机热耗率增加086%,真空降低2%,影响热耗率增加172%,影响供电煤耗增加697 gkW•h(标煤)。
   
凝汽器真空每下降1kPa,汽轮机汽耗会增加1.5%2.5% ;以100MW机组为例,真空每下降1kPa,煤耗增加3.485g/kWh;正常情况下,一般真空都会下降5kPa,煤耗增加17.425g/kWh
   
根据等效焓降法计算,真空度每提高1%,标准煤耗下降3.485g/kwh。若100MW机组满负荷运行则可节约标准煤:1.45t/h以上 ,标煤按800/T计算,则可节约人民币1160/h,若每年发电按8000小时计算,每年增加的发电成本928万元。

43 经济效益的分析:

根据端差和真空度的效益核算,按一台100MW发电机组计算,一年增加的直接费用多达1704万元;加上凝汽器的酸洗费用,化学添加剂的费用,人工费用,设备维修费用,其他费用按300万元;仅一年的直接费用就使2000多万元,十年就是2亿元,浪费是十分惊人的。所造成的环境污染及治理费用更是无法用价值估算的。

如果改造一台100MW发电机组的凝汽器投入200万元,使用十年,平均内年投资20万元,仅为1%的费用,一年节约1980万元,十年可节约19800万元的费用。

            用超声波技术改造100MW发电机组费用对比核算表    (单位:万元)

除垢方法

初期投资

一年费用

十年费用

累计费用

 

直接费用

 

1704

17040

17040

酸洗费用

化学添加剂费用人工费用

设备维修费用

其他费用

300

3000

3000

超声波改造

设备投资

200

20

200

200

其他费用

 

 

 

 

节省费用

 

1984

19840

19840

4.4 社会效益的分析

我们国家是以燃煤为主发电的国家,全国有大大小小的火力发电厂约计2000多座,有凝汽器、热交换器上万台,每年的浪费的费用多达2000亿元,十年就是20000亿元的费用,浪费是惊人的。如果能对发电厂的凝汽器进行改造,投入20亿元的资金,即可节约1980亿元的资金,十年可节约资金19800亿元,为国家节约了资金,减少了资源浪费,缓解煤炭紧张的局面,增加发电能量,起到积极的作用。

如果实现上述改造计划,可以节约建电厂,开煤矿的建设资金,延长煤碳资源的开采周期,提高电厂的发电能力,提高水资源的利用率,减少环境污染,所产生的社会效益是不可忽视的。

5.发电机的凝汽器无垢设备的改造:

主要解决的问题:防止凝汽器、换热器生成水垢,除去凝汽器、换热器原有水垢。

选用的方案:

在凝汽器、换热器冷却水的入口处,或根据凝汽器的设计要求设计、安装。

功率选择:

超声波清洗除垢设备,根据超声波的功率配备。本方案选用功率时,采用矩阵式单台或多台组合的方法 ,功率在10KW50KW不等。

安装改造费用:

   改造一台凝汽器、换热器80万元至200万元,根据设计要求计费。我公司实行设计改造一条龙服务。

诚邀合作:

我们为凝汽器、换热器专门设计的《超声波清洗除垢设备》,欢迎各电厂家及用户与我公司合作,创造电厂凝汽器、换热器防垢除垢的高科技的无垢设备。

[来源:原创] [作者:国创电气] [日期:10-11-03]
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