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        超聲波檢測

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        超聲波檢測

        超聲波除垢技術在電廠中的應用

        發布日期:2015-05-11 13:07    瀏覽次數:

        張文雍,徐鴻
        華北電力大學能源與動力工程學院,北京(102206)
        E-mail:zwy_302@yahoo.com.cn
        摘 要:文章以“節能降耗”為出發點,綜述了電廠積垢問題的嚴重性以及帶來的經濟損失,介紹了超聲波除垢方法存在的優點,探討了超聲波應用于除垢的機理,并且從電廠換熱器方面介紹了超聲波在抑制結垢方面的應用。指出超聲波除垢是除垢技術今后的發展方向,同時也是今后電力行業防除積垢技術的發展方向。
        關鍵詞:超聲波;除垢;換熱器;應用
        中圖分類號:TB559
        1. 引言
        近年來,國家大力提倡“節能降耗”,簡言之就是節約能源、降低消耗,用最少的投入去獲取最大的經濟效益。節能降耗、點滴節約是企業的立身之本,誰怠慢了它,輕視了它,誰就會失去立足之基。我們不能不屑于一滴水、一度電、一塊煤的價值,這些都將直接影響到企業的經濟效益。
        電廠中的積垢問題就嚴重影響了電廠的經濟效益,換熱器是電力領域中的重要組成設備之一,換熱器在使用過程中,污垢沉積物會不可避免地出現在傳熱表面上,出現積垢現象,低溫換熱器也許是唯一的例外[1]。換熱器的積垢防治是急需解決的問題。污垢沉積物熱阻較高,大大降低了傳熱速率,有時由于污垢的存在使傳熱面積需增加 100%;同時由于結垢減小了流道面積,介質流動阻力增大,能耗增加,由此而造成了一系列的經濟損失。據統計,我國每年由于換熱器積垢而造成的損失高達100 億元以上。
        以一電廠600MW 機組雙背壓凝汽器為例進行計算,冷卻水管結垢0.3mm 時使凝汽器真空下降1.6Kpa,使機組的功率減少7572.304Kw,使機組的熱耗率增加95.91kJ/(Kw·h)。按每年300 天計算,一年減少收入:7572.3×24×300×0.35=1908 萬元?梢,電廠積垢問題對經濟效益的影響,從側面也就降低了能源的利用率問題,因此,我們要對污垢問題引起足夠的認識和重視。而超聲波除垢是最近幾年來研究很活躍的話題,由于無化學污染,運行費用低,可在線連續工作等優點而備受關注。
        2. 聲波除垢簡介
        超聲技術的用途可以分為兩大類:檢測超聲和功率超聲,兩者的主要區別是介質微粒的振動幅度不同。檢測超聲介質微粒的振動幅度很小,主要用于采集信息,對物體進行無損檢測;功率超聲則利用能量來改變材料的某些狀態,需要比較大的功率。超聲波防除積垢技術是功率超聲的應用。
        2.1 聲波除垢的機理
        近年來,超聲波技術在化學反應強化、化工過程強化、廢水處理以及設備防、除垢等方面的研究十分活躍[2,3,4]。
        2.1.1 活化效應
        超聲波在液體介質中通過空化作用,可以使水分子裂解為H·自由基和HO·自由基,甚至H+和OH-等。而OH·與積垢物質離子可形成諸如CaOH、MgOH 等的配合物,從而增加水的溶解能力,使其溶解積垢的能力相對提高。也就是說,超聲波能提高流動液體和積垢物質的活性,增大被水分子包裹著的積垢物質微晶核的釋放,破壞垢的生成和在管壁沉積的條件,使積垢物質在液體中形成分散沉積體而不在管壁上形成硬垢。超聲波能極大地提高過飽和溶液的成核速率,有利于在溶液中形成大量的小沉淀顆粒,從而消除溶液的過飽和度,緩解固體表面成垢的壓力。
        2.1.2 空化效應
        超聲波的輻射能對被處理液體介質直接產生大量的空穴和氣泡,也就是把液體拉裂而形成無數極微小的局部空穴,當這些空穴和氣泡破裂或互相擠壓時,產生一定范圍的強大的壓力峰,這一強壓力峰能使積垢物質粉碎懸浮于液體介質中,并使已生成的積垢層破碎使其易于脫落。根據理論和實踐測算,用20kHz、50W /cm2 的超聲波對1cm3 液體輻射時,發生空化的氣泡數為5×104/s,局部增壓峰值可達數百甚至上千大氣壓?栈拇嬖,很顯然超聲波不僅能增大溶液的電導率,而且會降低溶液的表面張力及粘度[5]。
        2.1.3 剪切效應
        當超聲波由結垢熱交換熱備金屬外表面向里傳播時,即會引起金屬換熱界面上的垢質跟隨金屬振動。但由于垢質的性態和彈性阻抗(彈性系數)不同,垢質與金屬會在換熱界面上形成剪切應力作用,導致金屬換熱界面上的垢質層疲勞、裂紋、疏松,破碎而脫落,這就是剪切效應[6]。剪切效應可以起到除垢的作用。此外,超聲波輻射壓力、聲學毛細管現象、科努瓦諾夫效應和聲流對積垢生成也有直接的防除效應。
        2.2 聲波除垢的特點
        傳統的清垢方法不外乎兩種:在線清垢和停工清垢。在線清垢的方法有:注入阻垢劑、涂料法、永磁法、電極法及高頻法。其中注入阻垢劑,用量難以把握,清垢效果時好時壞;涂料法對涂料工藝要求高且價格昂貴,若達不到工藝要求,會造成涂料脫落,起不到防垢作用。后三種方法因成本高或實施困難很少使用。停工清垢常常是計劃外停工、裝置局部停工或各設備切換條件下進行,不但給正常生產造成了影響,同時會增加計劃外費用。與傳統的除垢方法相比,超聲波除垢有以下優點[7]:
        (1) 使用超聲波防除積垢后,不再需要定期做化學除垢,會延長設備的壽命;
        (2) 使用超聲波防除積垢后,生產更加穩定、可靠,降低了設備的停機時間;
        (3) 從提高生產效率、消除化學除垢和提高機械設備壽命計算,超聲波防除積垢具有較好的經濟效益;
        (4) 超聲波防除積垢法,無化學污染,不造成任何環境危害,具有較好的社會效益;
        (5) 超聲波防除積垢法,運行費用低,可在線連續工作,可實現全自動化,無須設崗專人操作。
        3. 超聲波防垢器在凝汽器上的應用
        1998 年初, 大慶石化分公司根據安排,針對如何防止凝汽器在運行過程中結垢進行了調研和論證;诔啥紓鞲袚Q能技術研究所開發的超聲波防垢器在防垢領域中的先進技術,并且在油田管道應用效果較好,遂在1998 年4 月份裝置停工檢修期間與廠家合作,在裂解氣壓縮機凝汽器循環水入口管段安裝了兩臺C-5000 型時控超聲波防垢器,并于6 月份進行了現場調試。
        3.1 設備的安裝
        該廠凝汽器EH-1301 應用的C-5000 型防垢器主要由超聲波功率發生器(1)、傳輸電纜(2)和裝于凝汽器循環冷卻水入口管道內的壓電式換能器(3)組成,如圖1 所示。功率發生器機箱安裝在壓縮機廠房操作室內,將換能器安裝在凝汽器的兩條冷卻水入口管道內,經傳輸電纜引出,連到功率發生器上。超聲波功率發生器產生25kHz±3kHz 的超聲波電功率信號,經傳輸電纜到管道內的壓電式換能器,將交變的電信號轉換成相應的機械振動,即超聲波信號。圖2 為帶G 管的換能器EH-1301 循環水入口管段上的安裝示意圖。

        3.2 超聲波防垢器的應用效果
        1997 年6 月,超聲波防垢器安裝調試后,開始連續在線運行。該廠對防垢器投用后的防垢效果進行了長期跟蹤測試。由于1998 年裝置未進行檢修,至1999 年4 月末,凝汽器已連續安全運行兩年時間,從各項運行數據(表1)及檢修后檢查情況看,防垢效果非常明顯。

        3.3 使用前后效果對比
        (1)循環水出口溫度升高。該廠凝汽器入口循環水采用二級水,溫度一直控制在31℃~34℃之間。1997 年6 月份防垢器安裝后,凝汽器出水溫度一直保持在43℃以上,比防垢器投用前提高了5℃左右,循環水吸熱量增加。凝汽溫度與冷卻水出口的傳熱溫差降低。
        (2)透平排汽溫度降低,真空度上升。防垢器安裝后,透平真空度一直維持在0.085~0.087MPa范圍內,與安裝前相比,抽汽量不變,盡管透平排汽量增大,但排氣溫度平均下降了10℃,真空度上升了0.015MPa。
        4. 結語
        超聲波除垢具有既能防止積垢的形成,又能破壞已有積垢的雙重作用。超聲技術在石油化工等領域中的成功運用,可提高產品質量,保障生產和設備的安全運行,降低成本,提高生產效率[8]。超聲波防除積垢技術操作簡單、成本低,是今后電力行業防除積垢技術的發展方向。
        參考文獻
        [1]. Collier J G.Heat Exchanger Fouling and Corrosion[C].In Heat Exchanger: Thermal-Hydraulic Fundamentalsand Design(Kakac S, Bergles AE and Mayinger F,eds.),Hemisphere, Washington, D.C.1981:999-1011.
        [2]. 李淑琴,程永清.聲化學法除垢研究[J].陜西化工,1997,(9):22-23.
        [3]. 念保義,陳金平.超聲波抑制積垢的影響因素與機理的研究[J].天津化工,2001,(5):10-12.
        [4]. 羅憲中,李貴平,翁良華. 超聲波領域新拓展—超聲防垢[J].清洗世界,2004,(06):52-55.
        [5]. Cloke J B, Knowles E C, Anderson R J. Ethyl in irlocy-clopropanecarboxy late hydrochloride [J]. TheJournal of the American Chemical Society, 1936, 58:2547-2549.
        [6]. 李雅莉.超聲波清洗的原理與實際應用[J].清洗世界,2006,(07):31-35.
        [7]. 趙國華,姜峰,李修倫.超聲波技術在制鹽工業中的應用前景[J].海湖鹽與化工,2004,33(5):34-36.
        [8]. 胡愛軍,黃運賢,丘泰球等.超聲波防除積垢節能技術及設備的工業化應用[J].應用化工,2001,30(5):37-40.
        Application of Ultrasonic Scaling in the Power Plant
        ZHANG Wenyong, XU Hong
        Department of Energy and Power Engineering, North China Electric Power University, Beijing,102206
        Abstract
        In this paper, starting from the point “energy-saving and cost-reducing”, an overview of the seriousnessand the economic losses caused by power plant fouling are carried out. The paper investigates themechanism and the benefits of ultrasonic used in cleaning fouling, as well as its application in powerplant heat exchangers. It is possible to come to the conclusions that ultrasonic cleaning is the rightdirection of cleaning fouling technology development in the future, but also fouling control technologyin power industry.
        Keywords: ultrasonic; scaling; heat exchanger; application
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