• 關鍵詞： 凝汽器 在線清洗機器人
• 摘要：凝汽器運行一定的時間后，會停機采用高壓水對冷卻管內部清洗，水射流進入冷卻管內清洗依然是凝汽器深度清洗的最有效的方法。采用自動化裝置將水射流清洗應用到凝汽器上，實現在線清洗。實驗數據表明，根據不同的水質環境定期清洗，端差相對于未清洗的工況，可以降低2℃以上，對節能減排具有極大的效益。

1   前言

凝汽器是汽輪發電機組的關鍵設備之一，用于冷卻汽輪機排出的乏汽，從而達到降低出口壓力，提高汽輪發電機組循環效率的目的。影響凝汽器冷卻效率的關鍵因素是其冷卻管的換熱效率。凝汽器的循環冷卻水采用自然水，根據水質不同，會出現污泥垢和鈣鎂鹽等類型結垢。凝汽器的污垢熱阻中，微生物的影響很大，特別是夏天，負荷高、冷卻水溫度高，污垢影響更大^【1】。結垢導致凝汽器冷卻水管換熱效率降低，從而降低汽輪機的運轉效率。對于長期結垢，還會加速冷卻管的腐蝕，可能造成事故。保持凝汽器冷卻管清潔度，對于降低能耗，保障生產安全，提高設備使用壽命，都有著重要的意義。

2   研究背景

凝汽器清洗有多種方法，目前常用的有膠球清洗和離線人工清洗。膠球清洗是利用水流作用使膠球通過冷卻管時帶走管壁的污垢。但是膠球清洗存在回收率低、易堵塞冷卻管、不能完全清除由化學反應而形成的析晶污垢等缺點。同時膠球清洗系統必須根據凝汽器系統的結構、運行工況及結垢特點配置膠球，對膠球（直徑、硬度、材料等）要求高，通常難以正確選擇，從而影響清洗效果，至今不能達到理想的清洗效果^【2】。

人工清洗采用高壓水管伸入冷卻管內部進行清洗，清洗有針對性，但是由于冷卻管數量多、長度長、勞動強度大、工人工作環境惡劣，而且需要機組停機或降負荷運行，難以滿足大規模生產的需要以及安全生產要求，而且難以長期保持清洗效果。

圖1 凝汽器清洗機器人

圖1展示了凝汽器在線清洗機器人，采用水射流清洗的原理、以機械臂定位、絞盤收放清洗軟管、高壓水泵提供清洗射流的方式，模擬人工清洗過程。操作員通過控制系統發出指令，機械臂帶動噴頭夾具對準需要清洗的冷卻管，高壓水泵接受指令開始工作，絞盤開始放管，噴頭在高壓水的反沖力下前行并實現清洗。水射流式凝汽器在線清洗機器人將人工清洗與在線清洗的優點結合起來，可以時刻保持凝汽器冷卻管的清潔，對于節能減排，降低能耗具有重大的意義。

3   理論依據

凝汽器清洗機器人是通過高壓水射流的作用，將凝汽器冷卻管內部的結垢去除，提高冷卻管的熱導率，降低汽輪機的排氣壓力和排氣溫度，提高循環效率。其理論依據主要分為兩部分，水射流清洗和節煤效率的計算。

3.1 水射流清洗

機器人用高壓水進行沖洗時，高壓水既有清洗作用，同時，還提供噴頭向前運動的推進力。機器人清洗與離線人工清理原理相同，都是采用水射流對冷卻管內壁進行沖洗。水射流方向與管壁方向呈一定的夾角，射流的沖擊切削作用使得管壁的污垢脫落，被冷卻水流帶走^【3】。

清洗機器人使用的高壓水管的內徑遠遠大于噴孔直徑，冷卻水壓力遠遠小于清洗水壓力。設清洗水壓力為P，噴孔出口速度為v，可以得到下式【4】：

v=44.7√P                                                                 (1)

泵的出口壓力為20MPa，經實測，流量為Q=20L/min，噴孔總面積為A=2.356mm^2，可以得到水流速度為：

v=Q/A=(20×〖10〗^6)/(2.356×1000×60)=141.5m/s          (2)

由（1）式經過變換。可以得到噴頭實際出口壓力為：

P= v^2/1998.1=〖141.5〗^2/1998.1=10MPa                             (3)

通過實驗驗證，這個射流沖擊力適合清除污垢，而不會傷害到凝汽器冷卻管。

3.2 節煤效率計算^【5】

清洗冷卻管，提高循環效率的主要原理是：通過清洗可以提高冷卻管的清潔系數，從而可以提高凝汽器的傳熱系數。在凝汽器冷卻水流量、熱負荷不變的情況下，傳熱系數的提高會降低傳熱端差，從而降低汽輪機的排氣溫度和排氣壓力，提高汽輪機的循環效率。

冷卻水溫升的計算式為：

Δt=(h_c-h_wc)/(C_w m)                                                       (4)

式中：

h_c，h_wc—凝汽器中的蒸汽比焓和凝結水比焓，kJ/kg；

C_w—水的比熱,kJ/kg；

m—循環倍率，冷卻水流量與進入凝汽器的當量蒸汽量的比值。

在凝汽器冷卻水流量、熱負荷不變（m不變）的情況下，同時對于高真空下的凝汽器來說，比焓差h_c-h_wc變動范圍很小。而C_w是常數，由式（4），冷卻水溫升不變。

凝汽器冷卻部分的傳熱面積A為凝汽器冷卻管管壁的面積，總體傳熱系數K與清潔系數ξ成正比。凝汽器清潔系數設計值一般為0.85～0.9，正常使用情況下凝汽器的清潔系數為0.6～0.7左右。傳熱端差計算公式為：

δt=Δt/(e^(KA/(C_w D_w ))-1)                                                 (5)

式中：

D_w—冷卻水流量,kg/s；

由式（5）可知，通過清洗冷卻管，提高凝汽器清潔系數，總體傳熱系數K提高，在冷卻水溫升不變時，端差δt下降。

排汽溫度（飽和溫度）可以根據式(6)進行計算：

t_s=t_w1+?t+δt                                          (6)

式中：

t_s-飽和溫度；

t_w1-冷卻水進口溫度。

根據式（4）、（5）、(6)可以看出，在凝汽器冷卻水入口溫度、流量、熱負荷不變的情況下，清潔系數ξ提高，使得端差降低，排氣溫度降低。

可以通過汽輪機排氣溫度t_s對真空度的影響來判斷清洗前后真空度的變化。凝汽器壓力P_k (kPa)與排氣溫度關系的經驗公式為：

P_k=((t_s+100)/78.82)^7.46×0.1                            (7)

排汽溫度每下降1℃，凝汽器壓力下降0.3~0.5kPa。根據經驗數據，對于超臨界機組，凝汽器壓力每改變1kPa，汽輪機功率平均改變1%~2%【6】【7】，即降低煤耗1%~2%。實際數據可以根據汽輪機背壓對機組功率的影響（汽輪機功率背壓特性曲線）來計算。

4   應用效果

機器人在某電廠300MW汽輪機凝汽器上進行了安裝使用。該機組配置兩個雙流程、不銹鋼管表面式凝汽器，具體設計參數如下：

表1凝汽器參數

在2014年10月小修期間在乙側凝汽器上下水室共安裝2套凝汽器清洗機器人，甲側凝汽器未安裝凝汽器清洗機器人，于10月下旬投入運行。目前該機組凝汽器清洗機器人每月運行兩次，上下水室兩套系統同時運行，每次運行沖洗時間70小時左右。在相同工況下可以對比甲、乙兩側凝汽器的傳熱效果，表2是甲乙兩側凝汽器的數據對比。由于凝汽器結構的影響，下水室中心有一根直徑約400mm抽真空管，直接影響到機械臂在水室內部的運動范圍，實際下水室清洗覆蓋率為70%，乙側上下水室總的清洗覆蓋率為85%。

表2 凝汽器清洗效果對比

由表2可以看出，清洗后由于乙側凝汽器清潔度提高，使乙側冷卻水溫升比甲側高了1.44℃、1.28℃。。乙側冷卻水溫升比甲側約高10.8%，乙側清洗后熱負荷提高了10.8%。另外，乙側清洗后端差始終低于甲側。由于乙側熱負荷高，其排汽溫度（真空）下降不明顯。可見，根據凝汽器使用工況，安排合理的清洗周期，可以長期保持凝汽器清潔度。

為明確清洗效果，表3將同期使用膠球進行清洗的效果與凝汽器清洗機器人的清洗效果進行了比較。數據采用了平均數，膠球清洗數據是2013年12月平均數，清洗機器人清洗數據是2014年12月的平均數。兩月冷卻水溫度相近、溫升相近、負荷也相近，具有可比性。

表3 清洗機器人清洗與膠球清洗數據比較

從表3可以發現，使用凝汽器在線清洗機器人之后，同種工況下端差下降將近1.86℃。端差（飽和溫度）每下降1℃，凝汽器壓力下降0.3~0.5kPa。排汽壓力影響按照0.35kPa/℃，汽輪機節能效率按照排汽壓力每下降1kPa，節能1.0%計算。機組煤耗為320g/kW?h，可降低煤耗2.08g/kW?h。全年運行5000h，節煤為：

300000×5000×2.08/1000000=3120(t)    (8)

按照每噸煤600元計算，只裝一側經濟效益187.2萬元。如果兩側都裝，節煤效果將更為可觀。

5   結論

凝汽器在線清洗機器人將自動化技術與水射流清洗技術結合起來，充分利用兩種技術的優點，既可以實現傳統人工清洗的清潔度，又可以實現一般在線清洗的便捷性。可以在很大程度上提高汽輪機的循環效率，是一種很有效的機組冷端節能措施，具有極為可觀的經濟效益和社會效益。

參考文獻

【1】  劉金平，劉雪峰，杜艷國，魏瑞軍，孔慶軍.凝汽器冷卻水污垢熱阻的研   究【J】.中國機電工程學報，2005，25(15)：100-105.

【2】  朱愉潔，劉偉，劉崗，韓秀峰.凝汽器清洗技術評述【J】.清洗世界，2012,28（6）：34-37.

【3】  劉玉洲，陸庭侃.管道自進式高壓水射流清洗技術的應用【J】.煤礦機械，2004，12：101-102.

【4】  薛勝雄等.高壓水射流技術工程【M】.合肥：合肥工業大學，2006：33

【5】  沈士一等.汽輪機原理【M】.北京：中國電力出版社，2011:210-219.

【6】  謝德宇，沈坤全，劉海宴.凝汽器最經濟真空運行工況的實驗研究【J】.上海電力學院學報，2002,18(1)：13-16.

【7】  于新穎.凝汽器運行參數對其性能的影響分析【J】.電站輔機，2001,1：4-9.