郭 亮

(四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院 重慶 401254)

超聲波除垢技術(shù)作為一種清潔的在線除垢技術(shù)在眾多行業(yè)和領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，其中中國(guó)石化集團(tuán)四川維尼綸廠(簡(jiǎn)稱(chēng)川維廠)的1#汽輪發(fā)電機(jī)組就應(yīng)用了這一技術(shù)。

川維廠發(fā)電車(chē)間1#、2#汽輪發(fā)電機(jī)組為同型號(hào)雙抽凝汽式機(jī)組，額定負(fù)荷12 MW，最大蒸汽流量120 t/h，進(jìn)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(yè)工業(yè)用汽，0.02 MPa蒸汽用于除氧器的除氧加熱蒸汽，主要運(yùn)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(jié)水40 t/h。凝汽器為單殼體對(duì)分單流程表面式換熱，冷卻面積1000 m2，內(nèi)置Φ18×0.7 mm的不銹鋼管3 800根。1#、2#汽輪發(fā)電機(jī)組是由四川維尼綸廠于二十世紀(jì)七十年代建廠初期就從羅馬利亞引進(jìn)的，最早負(fù)責(zé)向企業(yè)供應(yīng)多種品質(zhì)工業(yè)用汽和用電的重要熱電能源基礎(chǔ)設(shè)備，對(duì)于處在白熱化國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中的石化企業(yè)來(lái)說(shuō)，時(shí)間就是效益，為保證企業(yè)安穩(wěn)長(zhǎng)滿(mǎn)優(yōu)生產(chǎn)，1#、2#機(jī)組必須持續(xù)穩(wěn)定地向各生產(chǎn)裝置提供熱電能源保障，故此兩臺(tái)機(jī)組運(yùn)行年限久遠(yuǎn)、周期超長(zhǎng)、負(fù)荷很重，而兩臺(tái)機(jī)組凝汽器只有在每年全廠停產(chǎn)大修或設(shè)備大修時(shí)方有機(jī)會(huì)進(jìn)行徹底清洗。凝汽器的帶垢運(yùn)行嚴(yán)重影響著機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。由于機(jī)組凝汽器循環(huán)水工作壓力為0.2 MPa，流量大約2 500 t/h，溫度控制在32℃以?xún)?nèi)，加上機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)是流量大、揚(yáng)程低，循環(huán)水水質(zhì)不佳及循環(huán)水溫適宜垢類(lèi)生成等種種原因，導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的機(jī)組凝汽器結(jié)垢嚴(yán)重，而凝汽器結(jié)垢問(wèn)題長(zhǎng)期以來(lái)一直是影響汽輪發(fā)電機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的重要因素。

目前國(guó)內(nèi)常規(guī)的凝汽器除垢方式主要是停運(yùn)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(shè)備停運(yùn)后方可進(jìn)行清洗，一旦汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行周期越長(zhǎng)，便會(huì)造成除垢周期相對(duì)較長(zhǎng)，對(duì)機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的影響也會(huì)日益嚴(yán)重。因此這些通用的除垢方法只能算是應(yīng)急措施，僅能臨時(shí)解決污垢問(wèn)題，沒(méi)有徹底解決設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程中結(jié)垢和帶垢運(yùn)行的問(wèn)題，必然也就無(wú)法解決設(shè)備帶垢運(yùn)行中帶來(lái)的單位能耗增加、生產(chǎn)效率下降、垢下腐蝕、安全隱患等諸多相關(guān)問(wèn)題，因此這些方法只是治標(biāo)不治本，是企業(yè)在還沒(méi)有找尋到更加行之有效的防除垢技術(shù)的情況下，被迫不得已而采取的應(yīng)急措施。

多番實(shí)踐論證，對(duì)機(jī)組凝汽器進(jìn)行在線除垢是保持汽輪發(fā)電機(jī)組經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，提高機(jī)組效率的有效節(jié)能措施之一。四川維尼綸廠經(jīng)過(guò)考察、比較、篩選，選用了超聲波在線除垢技術(shù)，于2011年先對(duì)其中一臺(tái)機(jī)組凝汽器實(shí)施改造，對(duì)1#汽輪機(jī)組凝汽器加裝超聲波高效防除垢裝置，通過(guò)與未改造機(jī)組(2#汽輪機(jī)組)的參數(shù)對(duì)比，來(lái)檢驗(yàn)該技術(shù)的除垢效果。

1 超聲波除垢技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

超聲波除垢技術(shù)采用微處理器和軟件系統(tǒng)對(duì)超聲震蕩的發(fā)生、聲壓、頻率、振幅、脈沖周期、脈沖寬度和加速度等參數(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)測(cè)和控制專(zhuān)利技術(shù)、超聲波在金屬中傳播的技術(shù)，以及金屬磁致伸縮式電/機(jī)能量轉(zhuǎn)換模式專(zhuān)利技術(shù)進(jìn)行除垢防垢處理。該項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于:

(1)無(wú)論設(shè)備有無(wú)垢質(zhì)，超聲波都能提高換熱器傳熱系數(shù)強(qiáng)化換熱。

超聲震蕩波產(chǎn)生的空化氣泡在向下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷合并、長(zhǎng)大及至崩潰，整束空化氣泡會(huì)在傳熱表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的射流作用，而單個(gè)空化氣泡會(huì)在傳熱表面產(chǎn)生局部微射流，兩者均使傳熱邊界層厚度變薄，從而對(duì)傳熱起強(qiáng)化作用。

由于空化氣泡直徑很小，一般在微米量級(jí)，單個(gè)空化氣泡的生成、長(zhǎng)大及破滅直接影響加熱表面氣泡胚胎的生成、長(zhǎng)大及脫離。聲空化作用下，更大量的氣泡在加熱面上形成、長(zhǎng)大，并躍離到液體主流中運(yùn)動(dòng)，于是一方面使液體快速蒸發(fā)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(guò)程中與邊界面和物體的相互作用而形成強(qiáng)烈的聲沖流，聲沖流對(duì)液體進(jìn)行劇烈的擾動(dòng)，造成對(duì)流熱輸運(yùn)，從而增強(qiáng)了加熱面與液體間的對(duì)流換熱。因此，聲空化作用下的換熱壁面過(guò)熱度減小，換熱強(qiáng)度增加。

(2)利用超聲凝聚效應(yīng)達(dá)到防垢的目的。

當(dāng)超聲波在含有懸浮粒子(微粒雜質(zhì))的液體介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)使懸浮粒子與液體介質(zhì)一起產(chǎn)生振動(dòng)，由于懸浮粒子的大小不同，相對(duì)振動(dòng)速度不同，懸浮粒子間會(huì)相互碰撞、粘合、聚集，形成體積和重量均會(huì)增大的微小顆粒物，在流動(dòng)的液體介質(zhì)作用下帶出熱交換設(shè)備，這就是超聲凝聚效應(yīng)。超聲凝聚效應(yīng)起到了防垢作用。

(3)利用高速微渦效應(yīng)達(dá)到防垢、除垢的效果。

當(dāng)超聲波在金屬管、板壁傳播時(shí)，產(chǎn)生高加速震蕩波，使與該界面接觸的液體產(chǎn)生高速微渦，阻礙了結(jié)垢、結(jié)晶、積垢等物質(zhì)的附著，同時(shí)對(duì)金屬界面進(jìn)行清理。高速微渦效應(yīng)起到了防垢與除垢的雙重作用。

(4)利用超聲波剪切應(yīng)力效應(yīng)實(shí)現(xiàn)除垢目的。

當(dāng)超聲波由結(jié)垢的金屬外表面向里傳播時(shí)，即會(huì)引起板結(jié)在金屬換熱界面上的垢質(zhì)跟隨金屬振動(dòng)。由于垢質(zhì)的性態(tài)和彈性阻抗與金屬不同，垢質(zhì)與金屬之間會(huì)在界面上形成剪切應(yīng)力作用，導(dǎo)致板結(jié)在金屬界面上的垢質(zhì)層疲勞、裂紋、疏松、破碎而脫落。超聲波剪切應(yīng)力效應(yīng)起到了除垢的效應(yīng)。

(5)該項(xiàng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)在線安裝，不需停運(yùn)設(shè)備，不改變?cè)O(shè)備工藝;可以在線連續(xù)工作、在線維護(hù)、不需人工操作;該技術(shù)屬于純物理方法，不腐蝕設(shè)備，無(wú)環(huán)境污染，無(wú)水資源浪費(fèi)。

2 技術(shù)應(yīng)用過(guò)程與效果

川維廠1#汽輪發(fā)電機(jī)組于2011年3月進(jìn)行設(shè)備大修，檢查發(fā)現(xiàn)凝汽器管束內(nèi)垢層厚度約0.1～0.2 mm，呈白色的硬質(zhì)垢以及灰褐色軟泥漿狀物。當(dāng)月實(shí)施項(xiàng)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(tái)主機(jī)，主機(jī)裝置采用電源為AC220 V，通過(guò)內(nèi)置的主控單元、參數(shù)調(diào)測(cè)單元、匹配單元、顯示單元、功放單元、遙控單元等硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲震蕩的發(fā)生、頻率、振幅、脈沖周期、脈沖寬度、加速度等參數(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)測(cè)和控制，產(chǎn)生功率一定的超聲波——脈沖電信號(hào)。每臺(tái)主機(jī)對(duì)應(yīng)控制4只換能器，主機(jī)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(jié)器左右兩側(cè)進(jìn)出水管板外殼上，沿圓周均布，換能器通過(guò)金屬磁致伸縮式電/機(jī)能量轉(zhuǎn)換方式將主機(jī)發(fā)出的超聲波—脈沖電信號(hào)沿金屬管壁傳輸進(jìn)凝汽器內(nèi)，并轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，以達(dá)到防垢除垢的目的。

4月底機(jī)組投用超聲波防除垢裝置，1#機(jī)組運(yùn)行6個(gè)月，在此期間，平均真空為－90.12 kPa，基本穩(wěn)定，夏季酷熱天氣，循環(huán)水溫偏高情況下也可保證真空在89.74 kPa;而同型號(hào)同工況運(yùn)行的2#機(jī)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(fā)電車(chē)間于2011年11月3日，打開(kāi)凝汽器觀察，發(fā)現(xiàn)凝汽器管板表面較潔凈，管束內(nèi)壁有少量灰褐色軟泥漿狀物，經(jīng)常壓水沖洗后，灰褐色軟泥漿狀物可清除，冷卻管端部向內(nèi)300 mm用金屬刮檢查未見(jiàn)硬垢。以下為使用超聲波防除垢裝置前后凝汽器內(nèi)部對(duì)比照片:

從真空度對(duì)比數(shù)據(jù)及圖片資料來(lái)看，超聲波除垢裝置對(duì)于機(jī)組凝汽器防垢、除垢效果比較顯著。

3 效益計(jì)算

表1 1#、2#汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比

按表1中的數(shù)據(jù)計(jì)算安裝超聲波裝置與未安裝裝置機(jī)組熱量損失量(排汽量按平均40 t/h計(jì)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(jī)機(jī)械效率(以98%計(jì))和發(fā)電機(jī)效率(以95%計(jì))，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(fā)電量為(以一年運(yùn)行8 000小時(shí)計(jì)):

105.2 ×8 000=841 624 kWh

折合標(biāo)煤103.4 t，直接經(jīng)濟(jì)效益大約每年11萬(wàn)元。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上可見(jiàn)，超聲波除垢技術(shù)在使用效果及經(jīng)濟(jì)效益方面效果明顯，能夠達(dá)到增強(qiáng)汽輪發(fā)電機(jī)組凝結(jié)器換熱效果，提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的目的，并且項(xiàng)目回收周期短，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，所需消耗能耗低。筆者認(rèn)為可以向中石化集團(tuán)四川維尼綸廠2#汽輪發(fā)電機(jī)組及其他同行業(yè)推廣，進(jìn)行凝汽器超聲波除垢技術(shù)節(jié)能改造。

［1］李歡竹.超聲波清洗技術(shù)在制藥機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用.應(yīng)用能源技術(shù)，2010(5):18－20.

［2］梁成浩，白忻平.超聲波阻垢性能的研究.中國(guó)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(jī)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(huán)系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2007(3).

［5］于文勇，王立海，楊慧敏.超聲波木材缺陷檢測(cè)若于問(wèn)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(duì)振幅的影響［J］.森林工程，2009，25(3):60－62.