超聲波除垢技術在熱電廠的技術應用

郭 亮

(四川大學化學工程學院 重慶 401254)

超聲波除垢技術作為一種清潔的在線除垢技術在眾多行業和領域得到了廣泛的應用，其中中國石化集團四川維尼綸廠(簡稱川維廠)的1#汽輪發電機組就應用了這一技術。

川維廠發電車間1#、2#汽輪發電機組為同型號雙抽凝汽式機組，額定負荷12 MW，最大蒸汽流量120 t/h，進汽壓力為3.6 MPa，抽汽壓力分別為0.9 MPa 和 0.02 MPa，0.9 MPa 蒸汽用于企業工業用汽，0.02 MPa蒸汽用于除氧器的除氧加熱蒸汽，主要運行工況為主汽流量90 t/h，0.9 MPa抽汽30 t/h，0.02 MPa 抽汽20 t/h，凝結水40 t/h。凝汽器為單殼體對分單流程表面式換熱，冷卻面積1000 m2，內置Φ18×0.7 mm的不銹鋼管3 800根。1#、2#汽輪發電機組是由四川維尼綸廠于二十世紀七十年代建廠初期就從羅馬利亞引進的，最早負責向企業供應多種品質工業用汽和用電的重要熱電能源基礎設備，對于處在白熱化國際市場競爭中的石化企業來說，時間就是效益，為保證企業安穩長滿優生產，1#、2#機組必須持續穩定地向各生產裝置提供熱電能源保障，故此兩臺機組運行年限久遠、周期超長、負荷很重，而兩臺機組凝汽器只有在每年全廠停產大修或設備大修時方有機會進行徹底清洗。凝汽器的帶垢運行嚴重影響著機組的熱經濟性指標。由于機組凝汽器循環水工作壓力為0.2 MPa，流量大約2 500 t/h，溫度控制在32℃以內，加上機組循環水系統運行特點是流量大、揚程低，循環水水質不佳及循環水溫適宜垢類生成等種種原因，導致長時間運行的機組凝汽器結垢嚴重，而凝汽器結垢問題長期以來一直是影響汽輪發電機組熱經濟性的重要因素。

目前國內常規的凝汽器除垢方式主要是停運清洗，包括膠球清洗法、高壓水槍沖洗法、酸洗等手段，這些方法最大的弊端就在于必須要設備停運后方可進行清洗，一旦汽輪發電機組運行周期越長，便會造成除垢周期相對較長，對機組熱經濟性的影響也會日益嚴重。因此這些通用的除垢方法只能算是應急措施，僅能臨時解決污垢問題，沒有徹底解決設備生產過程中結垢和帶垢運行的問題，必然也就無法解決設備帶垢運行中帶來的單位能耗增加、生產效率下降、垢下腐蝕、安全隱患等諸多相關問題，因此這些方法只是治標不治本，是企業在還沒有找尋到更加行之有效的防除垢技術的情況下，被迫不得已而采取的應急措施。

多番實踐論證，對機組凝汽器進行在線除垢是保持汽輪發電機組經濟性指標，提高機組效率的有效節能措施之一。四川維尼綸廠經過考察、比較、篩選，選用了超聲波在線除垢技術，于2011年先對其中一臺機組凝汽器實施改造，對1#汽輪機組凝汽器加裝超聲波高效防除垢裝置，通過與未改造機組(2#汽輪機組)的參數對比，來檢驗該技術的除垢效果。

1 超聲波除垢技術的優勢

超聲波除垢技術采用微處理器和軟件系統對超聲震蕩的發生、聲壓、頻率、振幅、脈沖周期、脈沖寬度和加速度等參數實現調測和控制專利技術、超聲波在金屬中傳播的技術，以及金屬磁致伸縮式電/機能量轉換模式專利技術進行除垢防垢處理。該項技術的優點在于:

(1)無論設備有無垢質，超聲波都能提高換熱器傳熱系數強化換熱。

超聲震蕩波產生的空化氣泡在向下運動過程中不斷合并、長大及至崩潰，整束空化氣泡會在傳熱表面產生強烈的射流作用，而單個空化氣泡會在傳熱表面產生局部微射流，兩者均使傳熱邊界層厚度變薄，從而對傳熱起強化作用。

由于空化氣泡直徑很小，一般在微米量級，單個空化氣泡的生成、長大及破滅直接影響加熱表面氣泡胚胎的生成、長大及脫離。聲空化作用下，更大量的氣泡在加熱面上形成、長大，并躍離到液體主流中運動，于是一方面使液體快速蒸發而帶走潛熱，另一方面，由于液體媒介中聲波的存在以及空化氣泡在傳輸過程中與邊界面和物體的相互作用而形成強烈的聲沖流，聲沖流對液體進行劇烈的擾動，造成對流熱輸運，從而增強了加熱面與液體間的對流換熱。因此，聲空化作用下的換熱壁面過熱度減小，換熱強度增加。

(2)利用超聲凝聚效應達到防垢的目的。

當超聲波在含有懸浮粒子(微粒雜質)的液體介質中傳播時，會使懸浮粒子與液體介質一起產生振動，由于懸浮粒子的大小不同，相對振動速度不同，懸浮粒子間會相互碰撞、粘合、聚集，形成體積和重量均會增大的微小顆粒物，在流動的液體介質作用下帶出熱交換設備，這就是超聲凝聚效應。超聲凝聚效應起到了防垢作用。

(3)利用高速微渦效應達到防垢、除垢的效果。

當超聲波在金屬管、板壁傳播時，產生高加速震蕩波，使與該界面接觸的液體產生高速微渦，阻礙了結垢、結晶、積垢等物質的附著，同時對金屬界面進行清理。高速微渦效應起到了防垢與除垢的雙重作用。

(4)利用超聲波剪切應力效應實現除垢目的。

當超聲波由結垢的金屬外表面向里傳播時，即會引起板結在金屬換熱界面上的垢質跟隨金屬振動。由于垢質的性態和彈性阻抗與金屬不同，垢質與金屬之間會在界面上形成剪切應力作用，導致板結在金屬界面上的垢質層疲勞、裂紋、疏松、破碎而脫落。超聲波剪切應力效應起到了除垢的效應。

(5)該項技術可實現在線安裝，不需停運設備，不改變原設備工藝;可以在線連續工作、在線維護、不需人工操作;該技術屬于純物理方法，不腐蝕設備，無環境污染，無水資源浪費。

2 技術應用過程與效果

川維廠1#汽輪發電機組于2011年3月進行設備大修，檢查發現凝汽器管束內垢層厚度約0.1～0.2 mm，呈白色的硬質垢以及灰褐色軟泥漿狀物。當月實施項目改造，在凝汽器附近的墻壁上安裝超聲波防除垢裝置的4臺主機，主機裝置采用電源為AC220 V，通過內置的主控單元、參數調測單元、匹配單元、顯示單元、功放單元、遙控單元等硬件設備和軟件系統來實現對超聲震蕩的發生、頻率、振幅、脈沖周期、脈沖寬度、加速度等參數實現實時調測和控制，產生功率一定的超聲波——脈沖電信號。每臺主機對應控制4只換能器，主機與換能器用RVV－3*1.0電纜連接。安裝16只超聲波換能器在凝結器左右兩側進出水管板外殼上，沿圓周均布，換能器通過金屬磁致伸縮式電/機能量轉換方式將主機發出的超聲波—脈沖電信號沿金屬管壁傳輸進凝汽器內，并轉化為機械能，以達到防垢除垢的目的。

4月底機組投用超聲波防除垢裝置，1#機組運行6個月，在此期間，平均真空為－90.12 kPa，基本穩定，夏季酷熱天氣，循環水溫偏高情況下也可保證真空在89.74 kPa;而同型號同工況運行的2#機組凝汽器(未使用超聲波防除垢裝置)，真空度平均為 －89.46 kPa。

川維廠發電車間于2011年11月3日，打開凝汽器觀察，發現凝汽器管板表面較潔凈，管束內壁有少量灰褐色軟泥漿狀物，經常壓水沖洗后，灰褐色軟泥漿狀物可清除，冷卻管端部向內300 mm用金屬刮檢查未見硬垢。以下為使用超聲波防除垢裝置前后凝汽器內部對比照片:

從真空度對比數據及圖片資料來看，超聲波除垢裝置對于機組凝汽器防垢、除垢效果比較顯著。

3 效益計算

表1 1#、2#汽輪發電機組運行數據對比

按表1中的數據計算安裝超聲波裝置與未安裝裝置機組熱量損失量(排汽量按平均40 t/h計算):

未安裝超聲波裝置:

2 226.8 ×40 ×103÷3 600=24.742 ×103kJ/s。

安裝超聲波裝置:

2 216.6 ×40 ×103÷3 600=24.629 ×103 kJ/s。

減少熱量損失:

24.742 ×103－24.629 ×103=0.113 ×103kJ/s。

考慮到汽輪機機械效率(以98%計)和發電機效率(以95%計)，修正減少熱量損失值:

0.113 × 103× 0.98 × 0.95=105.2 kJ/s=105.2 kW。

安裝超聲波裝置后全年增加發電量為(以一年運行8 000小時計):

105.2 ×8 000=841 624 kWh

折合標煤103.4 t，直接經濟效益大約每年11萬元。

4 結束語

綜上可見，超聲波除垢技術在使用效果及經濟效益方面效果明顯，能夠達到增強汽輪發電機組凝結器換熱效果，提高機組經濟性的目的，并且項目回收周期短，對環境無污染，所需消耗能耗低。筆者認為可以向中石化集團四川維尼綸廠2#汽輪發電機組及其他同行業推廣，進行凝汽器超聲波除垢技術節能改造。

［1］李歡竹.超聲波清洗技術在制藥機械行業的應用.應用能源技術，2010(5):18－20.

［2］梁成浩，白忻平.超聲波阻垢性能的研究.中國給排水，2003(13).

［3］念保平，陳金平.超聲波抑垢積垢的影響因素與機理研究［J］.天津化工，2001(09).

［4］呂漢迎.超聲波防垢儀在濁水冷卻循環系統中的應用［J］.現代制造技術與裝備，2007(3).

［5］于文勇，王立海，楊慧敏.超聲波木材缺陷檢測若于問題的探討［J］.森林工程，2006，22(6):7 －9.

［6］劉鐵男，王立海.超聲波在原木橫斷面裹減成像中接受方向角對振幅的影響［J］.森林工程，2009，25(3):60－62.