- 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後，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，端差相對於未清洗的工況，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(guan) 鍵設備之一，用於(yu) 冷卻汽輪機排出的乏汽，從(cong) 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(guan) 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(hui) 出現汙泥垢和鈣鎂鹽等類型結垢。凝汽器的汙垢熱阻中，微生物的影響很大，特別是夏天，負荷高、冷卻水溫度高，汙垢影響更大【1】。結垢導致凝汽器冷卻水管換熱效率降低，從(cong) 而降低汽輪機的運轉效率。對於(yu) 長期結垢，還會(hui) 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，對於(yu) 降低能耗，保障生產(chan) 安全，提高設備使用壽命，都有著重要的意義(yi) 。
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汙垢。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汙垢等缺點。同時膠球清洗係統必須根據凝汽器係統的結構、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(cong) 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(nei) 部進行清洗，清洗有針對性，但是由於(yu) 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(chan) 的需要以及安全生產(chan) 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。操作員通過控製係統發出指令，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，噴頭在高壓水的反衝(chong) 力下前行並實現清洗。水射流式凝汽器在線清洗機器人將人工清洗與(yu) 在線清洗的優(you) 點結合起來，可以時刻保持凝汽器冷卻管的清潔，對於(yu) 節能減排，降低能耗具有重大的意義(yi) 。
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(nei) 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(wei) 兩(liang) 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衝(chong) 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(yu) 離線人工清理原理相同，都是采用水射流對冷卻管內(nei) 壁進行衝(chong) 洗。水射流方向與(yu) 管壁方向呈一定的夾角，射流的衝(chong) 擊切削作用使得管壁的汙垢脫落，被冷卻水流帶走【3】。
清洗機器人使用的高壓水管的內(nei) 徑遠遠大於(yu) 噴孔直徑，冷卻水壓力遠遠小於(yu) 清洗水壓力。設清洗水壓力為(wei) P，噴孔出口速度為(wei) v，可以得到下式【4】：
v=44.7√P (1)
泵的出口壓力為(wei) 20MPa，經實測，流量為(wei) Q=20L/min，噴孔總麵積為(wei) A=2.356mm^2，可以得到水流速度為(wei) ：
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(wei) ：
P= v^2/1998.1=〖141.5〗^2/1998.1=10MPa (3)
通過實驗驗證，這個(ge) 射流衝(chong) 擊力適合清除汙垢，而不會(hui) 傷(shang) 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係數，從(cong) 而可以提高凝汽器的傳(chuan) 熱係數。在凝汽器冷卻水流量、熱負荷不變的情況下，傳(chuan) 熱係數的提高會(hui) 降低傳(chuan) 熱端差，從(cong) 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(wei) ：
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(yu) 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，同時對於(yu) 高真空下的凝汽器來說，比焓差h_c-h_wc變動範圍很小。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(chuan) 熱麵積A為(wei) 凝汽器冷卻管管壁的麵積，總體(ti) 傳(chuan) 熱係數K與(yu) 清潔係數ξ成正比。凝汽器清潔係數設計值一般為(wei) 0.85～0.9，正常使用情況下凝汽器的清潔係數為(wei) 0.6～0.7左右。傳(chuan) 熱端差計算公式為(wei) ：
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，提高凝汽器清潔係數，總體(ti) 傳(chuan) 熱係數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，清潔係數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後真空度的變化。凝汽器壓力P_k (kPa)與(yu) 排氣溫度關(guan) 係的經驗公式為(wei) ：
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，對於(yu) 超臨(lin) 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(liang) 個(ge) 雙流程、不鏽鋼管表麵式凝汽器，具體(ti) 設計參數如下：
表1凝汽器參數
型號 | 冷卻水入口溫度 |
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