基于连杆机构的水射流锅炉除垢装置开发

李国韬

摘 要：水垢的存在不仅会降低锅炉热效率、增加其运行成本，同时水垢也是严重威胁锅炉安全平稳运行的重要因素，其常常会引发锅炉炉管的腐蚀、甚至爆管等安全事故。因此对锅炉水垢高效、安全、低成本、环保的清洗是急需解决的问题，而现有的煮炉除垢技术、酸洗除垢技术、运行除垢技术等水沟清除方法存在成本高或污染环境等缺点。该文提出了一种基于连杆机构的水射流锅炉除垢装置，可以实现对锅炉水垢高效、安全、低成本、环保的清除，力求对锅炉除垢作业有所指导。

关键词：连杆机构 水射流清洗 锅炉除垢

中图分类号：TK73 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）09（a）-0028-03

锅炉作为工业生产和人民生活中普遍使用的设备，其广泛用于工业用汽、加热、发电等。目前，我国各类锅炉数量总计超过65萬多台，90%以上的工业锅炉使用软水作为供给水，但是多数没有配置除氧器。由于锅炉给水本身不纯等原因，直接导致锅炉的腐蚀、结垢等问题。水垢会降低锅炉热效率、增加运行成本，还会导致炉管腐蚀、甚至爆管等，严重影响生产和安全。除垢则是解决这些问题的最主要方法。

工业锅炉常用的3种除垢技术：煮炉除垢、酸洗除垢、运行除垢，虽能在一定程度上减轻水垢的危害，但仍存在不足。如，煮炉除垢耗时长，除垢率最多达到80%；酸洗除垢虽除垢率高，但需大量化学清洗剂，耗费水资源，造成环境污染，且需专门清洗公司完成；运行除垢也需使用大量除垢药剂。该文结合连杆机构以及水射流清洗技术，从节能、环保、效率和成本多方面考虑研究开发了一种基于连杆机构的水射流锅炉除垢装置，实现对水垢的高效、环保、低成本清除，力求对工业锅炉除垢有所指导意义。

1 基于连杆机构的水射流锅炉除垢装置技术简介

1.1 连杆机构

连杆机构是指由低副连接刚性构件组成的机构，其可以分为平面连杆机构和空间连杆机构。连杆机构在工程中使用比较普遍，如，活塞发动机、纺织机械、印刷机械、联合收割机下割刀等[2]。连杆机构之所以被普遍使用，主要是因为具有如下优点：（1）连杆机构采用低副面接触、承载大、便于润滑、不易磨损，形状简单、易加工，容易获得较高的制造精度。（2）连杆曲线丰富，可以满足使用者不同要求。（3）连杆机构可以改变杆的相对长度，进而改变从动件运动规律。

1.2 水射流清洗技术

所谓水射流，是将普通自来水通过高压泵加压到几十、数百乃至数千大气压力，然后通过特殊的喷嘴（孔径只有1～2 mm）以极高的速度喷出的一股能量高度集中的水流。这一股一股的小水流如同小子弹一样具有巨大的打击能量，它能够进行切割、清洗、灭火等多种作业。利用这种具有能量的水射流进行清洗作业即为水射流清洗技术。水射流清洗技术是近几十年来迅速发展的一项新技术。作为清洗技术，水射流具有其独特的优越性，如，洗效率高、成本低、清洗质量好、不损伤设备、不污染环境、操作方便、安全等优点[3]。同时，其工作介质成本低廉、水射流机构具有喷头体积小、后坐力小、移动方便，水射流整套装置体积小，方便运输、安装和拆卸等优点。

1.3 距离传感器

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。距离传感器是检测物体距离的一种传感器。它可以通过超声波、电磁感应技术、激光等来检测物体间的距离，以辅助其他机构的正常工作与运行。距离传感器有着无可比拟的作用，它常常被用来检测事物的厚度、设备间的距离以及物体的速度等数据。

2 基于连杆机构的水射流锅炉除垢装置的原理、组成及工作过程

2.1 装置的工作原理

基于连杆机构的水射流锅炉除垢装置综合了连杆机构、水射流清洗、距离检测等相关技术。其以连杆机构作为装置的骨架，通过连杆机构的运动使装置收缩进而进入锅炉内部，再通过连杆机构的运动实现装置的伸展，进而将水射流输送到锅炉内壁附近实现清洗，距离传感器检测水射流清洗部件与锅炉内壁和锅炉底部之间的距离，防止因水射流清洗部件与锅炉内壁或锅炉底部之间碰触而堵塞水射流清洗部件或损坏锅炉。

2.2 装置的组成

基于连杆机构的水射流锅炉除垢装置主要由伞状旋转喷洒装置、电控箱、电机、旋转器、水射流接口器、导杆伸缩装置、水泵、储水箱、导杆等组成。伞状旋转喷洒装置主要包括距离传感器、拉伸器、铰接环、分流器、导流管、拉杆、环形伸缩管、水射流喷嘴、导流腔和环形喷嘴器等。如图1所示为基于连杆机构的水射流锅炉除垢装置的结构简图和机构单元的运动简图。

伞状旋转喷洒装置的骨架是由多个机构单元（即对心曲柄滑块机构单元）组成的。图1中连杆b和曲柄a相当于拉杆、机架c相当于导杆、滑块d相当于拉伸器。电控箱可以控制拉伸器沿着导杆移动进而控制伞状旋转喷洒装置的张开程度；同时电控箱可以控制电机驱动旋转器旋转进而带动伞状旋转喷洒装置旋转；电控箱进一步控制导杆伸缩装置使导杆伸长或收缩。水泵可以把储水箱中的水加压后输出，输出的高压水流（水压在20～30 MPa之间）通过水射流接口器引入导杆，再通过导杆引流到分流器，再通过导流管、导流腔、环形伸缩管等到达环形喷嘴器，然后经水射流喷嘴喷出进行水垢清除作业。距离传感器可以检测水射流喷嘴与锅炉内壁和锅炉底部之间的距离，并借助于蓝牙将信息传递给电控箱，防止因水射流喷嘴与锅炉内壁或锅炉底部之间碰触而堵塞水射流喷嘴或损坏锅炉。水射流接口器可以保证伞状旋转喷洒装置在旋转工作的过程高压水的稳定供应。环形喷嘴器、导流腔和环形伸缩管的数量根据清洗对象的不同而有所不同，其具体数目主要根据所清洗锅炉的内径尺寸决定。一般而言，环形喷嘴器可以设置在8～20个之间，导流腔可以设置在4～6个之间，环形伸缩管可以设置在12～26个之间。环形喷嘴器、导流腔和环形伸缩管彼此交替连接组成封闭型圆环，三者在圆环上均匀布置。环形伸缩管是可伸缩的，同时环形喷嘴器上设置有20～50水射流喷嘴。拉杆分为两种：一种一端铰接于导流腔或环形喷嘴器，另一端铰接于拉伸器；另一种一端铰接于导流腔或环形喷嘴器，另一端铰接于铰接环。铰接环固定设置在导杆末端。导流管的一端接于导流腔，另一端接于分流器。分流器固定设置在导杆末端，且导流管是可以收缩的。

2.3 装置的工作过程

首先，电控箱控制拉伸器沿导杆移动进而减小伞状旋转喷洒装置的张开程度，使其以较小姿态进入锅炉内部；伞状旋转喷洒装置进入锅炉内部后，拉伸器再次沿导杆反向移动进而使伞状旋转喷洒装置张开，距离传感器检测水射流喷嘴与锅炉内壁之间，当水射流喷嘴达到合适位置伞状旋转喷洒装置停止张开，做好清洗准备。然后，水泵将储水箱中的水加压后输出，输出的高压水流通过水射流接口器引入导杆，再通过导杆引流到分流器，进而通过导流管、导流腔、环形伸缩管等到达环形喷嘴器，然后经水射流喷嘴喷出进行水垢清除作业。之后，电控箱控制电机驱动旋转器使其旋转进而带动伞状旋转喷洒装置旋转；同时电控箱控制导杆伸缩装置使导杆伸长或收缩，距离传感器检测水射流喷嘴与锅炉底部之间防止碰触。通过旋转器的旋转和导杆的伸缩使该装置实现对锅炉内部全方位、无死角的水垢清除作业。最后，清洗完毕，伞状旋转喷洒装置收缩，导杆缩短进而从锅炉中退出。

3 结语

该锅炉水垢清除装置的主要创新点在于：（1）水垢清除效率高且无污染，该装置采用高压水射流对水垢进行清除，能够极大地提高清除效率和清除质量，且用水量很小，同时能减少或避免清洁剂的使用，避免环境污染和水资源浪费。（2）该装置适应性强，该水垢清洗装置的伞状旋转喷洒装置是可展收和可旋转的，且其导杆是可收缩的，针对不同内径的清洗对象，该装置可以调整其大小以适应工作对象。未来，可以对该锅炉水垢清除装置的自动化与智能化进行进一步提高，使其能够更好地为工业生产和人民生活服务。

参考文献

[1] 陈强.浅谈工业锅炉现行除垢技术[J].科学中国人，2016（6）：

29.

[2] 张华培，王志刚，王孙，等.连杆机构的应用研究及发展趋势综述[J].科技展望，2014（14）：119-120.

[3] 张正学，昊翔，刘寿华，等.水射流技术开发和应用综述[J].矿业研究与开发，2006，26（S1）：63-67.