超声波除垢技术在热电厂的技术应用

郭 亮

(四川大学化学工程学院 重庆 401254)

超声波除垢技术作为一种清洁的在线除垢技术在众多行业和领域得到了广泛的应用，其中中国石化集团四川维尼纶厂(简称川维厂)的1#汽轮发电机组就应用了这一技术。

川维厂发电车间1#、2#汽轮发电机组为同型号双抽凝汽式机组，额定负荷12 MW，最大蒸汽流量120 t/h，进汽压力为3.6 MPa，抽汽压力分别为0.9 MPa 和 0.02 MPa，0.9 MPa 蒸汽用于企业工业用汽，0.02 MPa蒸汽用于除氧器的除氧加热蒸汽，主要运行工况为主汽流量90 t/h，0.9 MPa抽汽30 t/h，0.02 MPa 抽汽20 t/h，凝结水40 t/h。凝汽器为单壳体对分单流程表面式换热，冷却面积1000 m2，内置Φ18×0.7 mm的不锈钢管3 800根。1#、2#汽轮发电机组是由四川维尼纶厂于二十世纪七十年代建厂初期就从罗马利亚引进的，最早负责向企业供应多种品质工业用汽和用电的重要热电能源基础设备，对于处在白热化国际市场竞争中的石化企业来说，时间就是效益，为保证企业安稳长满优生产，1#、2#机组必须持续稳定地向各生产装置提供热电能源保障，故此两台机组运行年限久远、周期超长、负荷很重，而两台机组凝汽器只有在每年全厂停产大修或设备大修时方有机会进行彻底清洗。凝汽器的带垢运行严重影响着机组的热经济性指标。由于机组凝汽器循环水工作压力为0.2 MPa，流量大约2 500 t/h，温度控制在32℃以内，加上机组循环水系统运行特点是流量大、扬程低，循环水水质不佳及循环水温适宜垢类生成等种种原因，导致长时间运行的机组凝汽器结垢严重，而凝汽器结垢问题长期以来一直是影响汽轮发电机组热经济性的重要因素。

目前国内常规的凝汽器除垢方式主要是停运清洗，包括胶球清洗法、高压水枪冲洗法、酸洗等手段，这些方法最大的弊端就在于必须要设备停运后方可进行清洗，一旦汽轮发电机组运行周期越长，便会造成除垢周期相对较长，对机组热经济性的影响也会日益严重。因此这些通用的除垢方法只能算是应急措施，仅能临时解决污垢问题，没有彻底解决设备生产过程中结垢和带垢运行的问题，必然也就无法解决设备带垢运行中带来的单位能耗增加、生产效率下降、垢下腐蚀、安全隐患等诸多相关问题，因此这些方法只是治标不治本，是企业在还没有找寻到更加行之有效的防除垢技术的情况下，被迫不得已而采取的应急措施。

多番实践论证，对机组凝汽器进行在线除垢是保持汽轮发电机组经济性指标，提高机组效率的有效节能措施之一。四川维尼纶厂经过考察、比较、筛选，选用了超声波在线除垢技术，于2011年先对其中一台机组凝汽器实施改造，对1#汽轮机组凝汽器加装超声波高效防除垢装置，通过与未改造机组(2#汽轮机组)的参数对比，来检验该技术的除垢效果。

1 超声波除垢技术的优势

超声波除垢技术采用微处理器和软件系统对超声震荡的发生、声压、频率、振幅、脉冲周期、脉冲宽度和加速度等参数实现调测和控制专利技术、超声波在金属中传播的技术，以及金属磁致伸缩式电/机能量转换模式专利技术进行除垢防垢处理。该项技术的优点在于:

(1)无论设备有无垢质，超声波都能提高换热器传热系数强化换热。

超声震荡波产生的空化气泡在向下运动过程中不断合并、长大及至崩溃，整束空化气泡会在传热表面产生强烈的射流作用，而单个空化气泡会在传热表面产生局部微射流，两者均使传热边界层厚度变薄，从而对传热起强化作用。

由于空化气泡直径很小，一般在微米量级，单个空化气泡的生成、长大及破灭直接影响加热表面气泡胚胎的生成、长大及脱离。声空化作用下，更大量的气泡在加热面上形成、长大，并跃离到液体主流中运动，于是一方面使液体快速蒸发而带走潜热，另一方面，由于液体媒介中声波的存在以及空化气泡在传输过程中与边界面和物体的相互作用而形成强烈的声冲流，声冲流对液体进行剧烈的扰动，造成对流热输运，从而增强了加热面与液体间的对流换热。因此，声空化作用下的换热壁面过热度减小，换热强度增加。

(2)利用超声凝聚效应达到防垢的目的。

当超声波在含有悬浮粒子(微粒杂质)的液体介质中传播时，会使悬浮粒子与液体介质一起产生振动，由于悬浮粒子的大小不同，相对振动速度不同，悬浮粒子间会相互碰撞、粘合、聚集，形成体积和重量均会增大的微小颗粒物，在流动的液体介质作用下带出热交换设备，这就是超声凝聚效应。超声凝聚效应起到了防垢作用。

(3)利用高速微涡效应达到防垢、除垢的效果。

当超声波在金属管、板壁传播时，产生高加速震荡波，使与该界面接触的液体产生高速微涡，阻碍了结垢、结晶、积垢等物质的附着，同时对金属界面进行清理。高速微涡效应起到了防垢与除垢的双重作用。

(4)利用超声波剪切应力效应实现除垢目的。

当超声波由结垢的金属外表面向里传播时，即会引起板结在金属换热界面上的垢质跟随金属振动。由于垢质的性态和弹性阻抗与金属不同，垢质与金属之间会在界面上形成剪切应力作用，导致板结在金属界面上的垢质层疲劳、裂纹、疏松、破碎而脱落。超声波剪切应力效应起到了除垢的效应。

(5)该项技术可实现在线安装，不需停运设备，不改变原设备工艺;可以在线连续工作、在线维护、不需人工操作;该技术属于纯物理方法，不腐蚀设备，无环境污染，无水资源浪费。

2 技术应用过程与效果

川维厂1#汽轮发电机组于2011年3月进行设备大修，检查发现凝汽器管束内垢层厚度约0.1～0.2 mm，呈白色的硬质垢以及灰褐色软泥浆状物。当月实施项目改造，在凝汽器附近的墙壁上安装超声波防除垢装置的4台主机，主机装置采用电源为AC220 V，通过内置的主控单元、参数调测单元、匹配单元、显示单元、功放单元、遥控单元等硬件设备和软件系统来实现对超声震荡的发生、频率、振幅、脉冲周期、脉冲宽度、加速度等参数实现实时调测和控制，产生功率一定的超声波——脉冲电信号。每台主机对应控制4只换能器，主机与换能器用RVV－3*1.0电缆连接。安装16只超声波换能器在凝结器左右两侧进出水管板外壳上，沿圆周均布，换能器通过金属磁致伸缩式电/机能量转换方式将主机发出的超声波—脉冲电信号沿金属管壁传输进凝汽器内，并转化为机械能，以达到防垢除垢的目的。

4月底机组投用超声波防除垢装置，1#机组运行6个月，在此期间，平均真空为－90.12 kPa，基本稳定，夏季酷热天气，循环水温偏高情况下也可保证真空在89.74 kPa;而同型号同工况运行的2#机组凝汽器(未使用超声波防除垢装置)，真空度平均为 －89.46 kPa。

川维厂发电车间于2011年11月3日，打开凝汽器观察，发现凝汽器管板表面较洁净，管束内壁有少量灰褐色软泥浆状物，经常压水冲洗后，灰褐色软泥浆状物可清除，冷却管端部向内300 mm用金属刮检查未见硬垢。以下为使用超声波防除垢装置前后凝汽器内部对比照片:

从真空度对比数据及图片资料来看，超声波除垢装置对于机组凝汽器防垢、除垢效果比较显著。

3 效益计算

表1 1#、2#汽轮发电机组运行数据对比

按表1中的数据计算安装超声波装置与未安装装置机组热量损失量(排汽量按平均40 t/h计算):

未安装超声波装置:

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

安装超声波装置:

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

减少热量损失:

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

考虑到汽轮机机械效率(以98%计)和发电机效率(以95%计)，修正减少热量损失值:

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

安装超声波装置后全年增加发电量为(以一年运行8 000小时计):

105.2 ×8 000=841 624 kWh

折合标煤103.4 t，直接经济效益大约每年11万元。

4 结束语

综上可见，超声波除垢技术在使用效果及经济效益方面效果明显，能够达到增强汽轮发电机组凝结器换热效果，提高机组经济性的目的，并且项目回收周期短，对环境无污染，所需消耗能耗低。笔者认为可以向中石化集团四川维尼纶厂2#汽轮发电机组及其他同行业推广，进行凝汽器超声波除垢技术节能改造。

［1］李欢竹.超声波清洗技术在制药机械行业的应用.应用能源技术，2010(5):18－20.

［2］梁成浩，白忻平.超声波阻垢性能的研究.中国给排水，2003(13).

［3］念保平，陈金平.超声波抑垢积垢的影响因素与机理研究［J］.天津化工，2001(09).

［4］吕汉迎.超声波防垢仪在浊水冷却循环系统中的应用［J］.现代制造技术与装备，2007(3).

［5］于文勇，王立海，杨慧敏.超声波木材缺陷检测若于问题的探讨［J］.森林工程，2006，22(6):7 －9.

［6］刘铁男，王立海.超声波在原木横断面裹减成像中接受方向角对振幅的影响［J］.森林工程，2009，25(3):60－62.