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凝汽器在線清洗機(jī)器人在火電廠的應(yīng)用

供稿:南京科遠(yuǎn)自動(dòng)化集團(tuán)股份有限公司 2016/6/7 15:35:11

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  • 關(guān)鍵詞: 凝汽器 在線清洗機(jī)器人
  • 摘要:凝汽器運(yùn)行一定的時(shí)間后,會(huì)停機(jī)采用高壓水對(duì)冷卻管內(nèi)部清洗,水射流進(jìn)入冷卻管內(nèi)清洗依然是凝汽器深度清洗的最有效的方法。采用自動(dòng)化裝置將水射流清洗應(yīng)用到凝汽器上,實(shí)現(xiàn)在線清洗。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,根據(jù)不同的水質(zhì)環(huán)境定期清洗,端差相對(duì)于未清洗的工況,可以降低2℃以上,對(duì)節(jié)能減排具有極大的效益。

1   前言

凝汽器是汽輪發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵設(shè)備之一,用于冷卻汽輪機(jī)排出的乏汽,從而達(dá)到降低出口壓力,提高汽輪發(fā)電機(jī)組循環(huán)效率的目的。影響凝汽器冷卻效率的關(guān)鍵因素是其冷卻管的換熱效率。凝汽器的循環(huán)冷卻水采用自然水,根據(jù)水質(zhì)不同,會(huì)出現(xiàn)污泥垢和鈣鎂鹽等類型結(jié)垢。凝汽器的污垢熱阻中,微生物的影響很大,特別是夏天,負(fù)荷高、冷卻水溫度高,污垢影響更大【1】。結(jié)垢導(dǎo)致凝汽器冷卻水管換熱效率降低,從而降低汽輪機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率。對(duì)于長(zhǎng)期結(jié)垢,還會(huì)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(duì)于降低能耗,保障生產(chǎn)安全,提高設(shè)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(shí)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(xué)反應(yīng)而形成的析晶污垢等缺點(diǎn)。同時(shí)膠球清洗系統(tǒng)必須根據(jù)凝汽器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行工況及結(jié)垢特點(diǎn)配置膠球,對(duì)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(dá)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(nèi)部進(jìn)行清洗,清洗有針對(duì)性,但是由于冷卻管數(shù)量多、長(zhǎng)度長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大、工人工作環(huán)境惡劣,而且需要機(jī)組停機(jī)或降負(fù)荷運(yùn)行,難以滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需要以及安全生產(chǎn)要求,而且難以長(zhǎng)期保持清洗效果。


圖1 凝汽器清洗機(jī)器人

圖1展示了凝汽器在線清洗機(jī)器人,采用水射流清洗的原理、以機(jī)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(tǒng)發(fā)出指令,機(jī)械臂帶動(dòng)噴頭夾具對(duì)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)清洗。水射流式凝汽器在線清洗機(jī)器人將人工清洗與在線清洗的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來,可以時(shí)刻保持凝汽器冷卻管的清潔,對(duì)于節(jié)能減排,降低能耗具有重大的意義。

3   理論依據(jù)

凝汽器清洗機(jī)器人是通過高壓水射流的作用,將凝汽器冷卻管內(nèi)部的結(jié)垢去除,提高冷卻管的熱導(dǎo)率,降低汽輪機(jī)的排氣壓力和排氣溫度,提高循環(huán)效率。其理論依據(jù)主要分為兩部分,水射流清洗和節(jié)煤效率的計(jì)算。

3.1 水射流清洗

機(jī)器人用高壓水進(jìn)行沖洗時(shí),高壓水既有清洗作用,同時(shí),還提供噴頭向前運(yùn)動(dòng)的推進(jìn)力。機(jī)器人清洗與離線人工清理原理相同,都是采用水射流對(duì)冷卻管內(nèi)壁進(jìn)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(jī)器人使用的高壓水管的內(nèi)徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于噴孔直徑,冷卻水壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于清洗水壓力。設(shè)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(jīng)實(shí)測(cè),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(jīng)過變換??梢缘玫絿婎^實(shí)際出口壓力為:

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

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,這個(gè)射流沖擊力適合清除污垢,而不會(huì)傷害到凝汽器冷卻管。


3.2 節(jié)煤效率計(jì)算【5】

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

冷卻水溫升的計(jì)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(jié)水比焓,kJ/kg;

C_w—水的比熱,kJ/kg;

m—循環(huán)倍率,冷卻水流量與進(jìn)入凝汽器的當(dāng)量蒸汽量的比值。

在凝汽器冷卻水流量、熱負(fù)荷不變(m不變)的情況下,同時(shí)對(duì)于高真空下的凝汽器來說,比焓差h_c-h_wc變動(dòng)范圍很小。而C_w是常數(shù),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(shù)K與清潔系數(shù)ξ成正比。凝汽器清潔系數(shù)設(shè)計(jì)值一般為0.85~0.9,正常使用情況下凝汽器的清潔系數(shù)為0.6~0.7左右。傳熱端差計(jì)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(shù),總體傳熱系數(shù)K提高,在冷卻水溫升不變時(shí),端差δt下降。

排汽溫度(飽和溫度)可以根據(jù)式(6)進(jìn)行計(jì)算:

t_s=t_w1+?t+δt                                          (6)

式中:

t_s-飽和溫度;

t_w1-冷卻水進(jìn)口溫度。

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

可以通過汽輪機(jī)排氣溫度t_s對(duì)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(guān)系的經(jīng)驗(yàn)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(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)于超臨界機(jī)組,凝汽器壓力每改變1kPa,汽輪機(jī)功率平均改變1%~2%【6】【7】,即降低煤耗1%~2%。實(shí)際數(shù)據(jù)可以根據(jù)汽輪機(jī)背壓對(duì)機(jī)組功率的影響(汽輪機(jī)功率背壓特性曲線)來計(jì)算。

4   應(yīng)用效果

機(jī)器人在某電廠300MW汽輪機(jī)凝汽器上進(jìn)行了安裝使用。該機(jī)組配置兩個(gè)雙流程、不銹鋼管表面式凝汽器,具體設(shè)計(jì)參數(shù)如下:

表1凝汽器參數(shù)

型號(hào)

冷卻水入口溫度

冷卻水流量

凝汽器背壓

冷卻面積

冷卻管總數(shù)

N-17400-4

20℃

32845t/h

5.4kPa

17400m2

20792根

在2014年10月小修期間在乙側(cè)凝汽器上下水室共安裝2套凝汽器清洗機(jī)器人,甲側(cè)凝汽器未安裝凝汽器清洗機(jī)器人,于10月下旬投入運(yùn)行。目前該機(jī)組凝汽器清洗機(jī)器人每月運(yùn)行兩次,上下水室兩套系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行,每次運(yùn)行沖洗時(shí)間70小時(shí)左右。在相同工況下可以對(duì)比甲、乙兩側(cè)凝汽器的傳熱效果,表2是甲乙兩側(cè)凝汽器的數(shù)據(jù)對(duì)比。由于凝汽器結(jié)構(gòu)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(jī)械臂在水室內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)范圍,實(shí)際下水室清洗覆蓋率為70%,乙側(cè)上下水室總的清洗覆蓋率為85%。

表2 凝汽器清洗效果對(duì)比

時(shí)間

負(fù)荷

(MW)

甲側(cè)凝汽器(未清洗)

乙側(cè)凝汽器(清洗)

排氣溫度

冷卻水進(jìn)水溫度

冷卻水出水溫度

冷卻水溫升

端差

排氣溫度

冷卻水進(jìn)水溫度

冷卻水出水溫度

冷卻水溫升

端差

2014

1216

282.35

35.42

8.53

25.08

16.55

10.34

34.71

7.98

25.97

17.99

8.74

2015

0114

263.51

34.23

9.41

24.55

15.14

9.68

33.59

8.63

25.05

16.42

8.54


由表2可以看出,清洗后由于乙側(cè)凝汽器清潔度提高,使乙側(cè)冷卻水溫升比甲側(cè)高了1.44℃、1.28℃。。乙側(cè)冷卻水溫升比甲側(cè)約高10.8%,乙側(cè)清洗后熱負(fù)荷提高了10.8%。另外,乙側(cè)清洗后端差始終低于甲側(cè)。由于乙側(cè)熱負(fù)荷高,其排汽溫度(真空)下降不明顯。可見,根據(jù)凝汽器使用工況,安排合理的清洗周期,可以長(zhǎng)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(jìn)行清洗的效果與凝汽器清洗機(jī)器人的清洗效果進(jìn)行了比較。數(shù)據(jù)采用了平均數(shù),膠球清洗數(shù)據(jù)是2013年12月平均數(shù),清洗機(jī)器人清洗數(shù)據(jù)是2014年12月的平均數(shù)。兩月冷卻水溫度相近、溫升相近、負(fù)荷也相近,具有可比性。

表3 清洗機(jī)器人清洗與膠球清洗數(shù)據(jù)比較

時(shí)間

負(fù)荷

(MW)

甲側(cè)進(jìn)水溫度

乙側(cè)進(jìn)水溫度

甲側(cè)出水溫度

乙側(cè)出水溫度

冷卻水溫升

甲側(cè)排氣溫度

乙側(cè)排氣溫度

端差

真空甲側(cè)(kPa)

真空乙側(cè)(kPa)

201312

256.8

8.5

8.1

23.2

23.8

15.3

34.38

33.89

10.64

-97.31

-97.52

201412

242.8

7.9

7.5

23.5

23.3

15.8

32.46

31.90

8.78

-98.05

-98.42

從表3可以發(fā)現(xiàn),使用凝汽器在線清洗機(jī)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(jī)節(jié)能效率按照排汽壓力每下降1kPa,節(jié)能1.0%計(jì)算。機(jī)組煤耗為320g/kW?h,可降低煤耗2.08g/kW?h。全年運(yùn)行5000h,節(jié)煤為:

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

按照每噸煤600元計(jì)算,只裝一側(cè)經(jīng)濟(jì)效益187.2萬元。如果兩側(cè)都裝,節(jié)煤效果將更為可觀。


5   結(jié)論

凝汽器在線清洗機(jī)器人將自動(dòng)化技術(shù)與水射流清洗技術(shù)結(jié)合起來,充分利用兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),既可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)人工清洗的清潔度,又可以實(shí)現(xiàn)一般在線清洗的便捷性??梢栽诤艽蟪潭壬咸岣咂啓C(jī)的循環(huán)效率,是一種很有效的機(jī)組冷端節(jié)能措施,具有極為可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

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

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

【3】  劉玉洲,陸庭侃.管道自進(jìn)式高壓水射流清洗技術(shù)的應(yīng)用【J】.煤礦機(jī)械,2004,12:101-102.

【4】  薛勝雄等.高壓水射流技術(shù)工程【M】.合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2006:33

【5】  沈士一等.汽輪機(jī)原理【M】.北京:中國(guó)電力出版社,2011:210-219.

【6】  謝德宇,沈坤全,劉海宴.凝汽器最經(jīng)濟(jì)真空運(yùn)行工況的實(shí)驗(yàn)研究【J】.上海電力學(xué)院學(xué)報(bào),2002,18(1):13-16.

【7】  于新穎.凝汽器運(yùn)行參數(shù)對(duì)其性能的影響分析【J】.電站輔機(jī),2001,1:4-9.


審核編輯(李晨暉)
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