（江苏淮阴发电有限公司 江苏淮安市 223002）
摘要：本方分析了凝汽器污垢产生的原因及影响，比较了各种常用污垢清洗一元方程的优点和不足，针对现有除垢技术不足，国内出现了凝汽器在线清洗机器人。该在线清洗机器人主要综合了机器人技术、高压水射流技术和水下密封技术等关键技术，目前已在我某发电公司#3机应用。通过比较改造前后凝汽器性能指标，加装机器人后冷凝管清洁系数得到提高约，凝汽器端差降低，凝汽器压力降低，因背压降低引起发电煤耗降低。
关键词：机器人、在线清洗、凝汽器
1、引言
凝汽器系统是凝汽式火电机组的重要组成部分，它的主要作用是将凝汽式汽轮机做功后排出的蒸汽凝结成水，形成并保持凝汽器真空。降低汽轮机的排汽压力和排汽温度，可提高机组的循环热效率，提高运行经济性。
大型凝汽器由数以万计的小孔径冷凝管组成，流经冷凝管的循环水不清洁，热交换时发生化学反应，造成冷凝管内积聚污垢。污垢使凝汽器传热性能恶化，凝汽器真空降低，机组效率下降，尤其对于沿江、沿海的开式水循环冷却机组，冷凝管易出现泥沙沉积、生物粘泥等问题。冷凝管结垢严重，导致凝汽器真空降低。
2、凝汽器污垢产生的原因及其影响
凝汽器在运行过各工，由于循环水质的不洁净（特别是开式循环机组中循环水到自江、河、湖、渠等天然水源）、热交换时发生化学反应等原因，至使在换热管壁聚积的一些称之为污垢的固态混合物。凝汽器污垢形成是一个复杂的物理、化学过程，在很多情况下还包含有盐的溶解、材料腐蚀及微生物繁殖，再加上不同种类污垢之间的协同效应，使得换热面上的污垢特征是多种参数的函数，而且这些如循环水流速、水质、温度等还随差凝汽器运行工况的变化面变化。根据现场采集的结垢物进行，凝汽器冷凝管中的污垢主要分为以下同类：
（1）机械污垢
凝汽器中机械污垢通常是指循环水中的泥沙、塑料、木片、杂草、树叶、藻类、小贝壳、小鱼虾等产生的污垢，这种污垢往往带有明显有季节性，若不处处理、将堵塞部分管道。
（2）生物类污垢
凝汽器中的生物类污垢是指沉积在换热管内壁，少着的细胞生物和水藻类，它在管道表面形成一层生物膜
（3）盐类类污垢
凝汽器中的盐类污垢是指由于循环水中所含盐类物质慢速沉积在换热管内壁而形成的水垢，水垢的主要成分是CaCO3，同时也含有Ca2SO4、Ca3(PO4)2和MgSiO3等成分，它的形成与凝汽器运行工况密切相关。
实际污垢通常是上述三类污垢的混合体。
污垢是热的不良导体，其传热系数较低，换热面一旦有了污垢，液体与换热面之间的传热热阴增大，凝汽器传热性能恶化，从而导致机组经济效益降低。污垢对凝汽器的影响主要表现在以下几个方面：
（1）降低了换热面的传热能力，使得汽轮机排汽压力和排汽温度升高 ，热力循环效率降低，机组热耗率增加，经济性下降。
（2）污垢以换热管内沉积使管内通注面积减少，流动阻力增大，导致循环水泵的消耗功率增加，再加上自动清洗设备的动力消耗，使凝汽器总的能量消耗增加。
（3）污垢的积聚，还会引起换热管局部过热或超温而导致机械性能下降，引发事故。
（4）污垢的积聚，也常常引起换热管的局部腐蚀乃至穿孔，造成凝汽器泄漏，威胁机组运行安全。
由此可见，污垢对凝汽器的工作性能影响极大，为了消除上述不利影响，除万采取一系列防垢、抑垢措施外，还必须除垢。
3、冷凝管除垢技术现状
当凝汽器被污染到一定的程度就需要进行清洗，以除去换热面上的污垢，恢复传热性能，研发理想的清洗方法与清洗装置，使凝汽器的传热效率达到最佳，一直是人们努力的目标。
目前，电厂凝汽器除垢的方法分为离线和在线两种。离线清洗主要是指人工机械清洗。在线清洗包括凝汽器胶球清洗和电厂化学清洗两种。
人工离线清洗，是指在机组停机情况下，采用高压水射流进行凝汽器冷凝管束清洗。该方法用30MPa以上的高压水形成射流后冲洗凝汽器冷凝管内壁，对冷凝管积垢和粘泥有很好的清除效果。但是由于冷凝管数量多、长度长、劳动强度大、工人工作环境恶劣，并且需要机组停机或降负荷运行进入凝汽器内部工作等原因，难以满足大规模生产的需要以及安全生产要求，且难以长期保持清洗效果。
胶球清洗，即在冷却水循环管路里投放表面粗糙的胶球，利用胶球与管壁间的摩擦清洗凝汽器管道。胶球清洗可以实现在线连续清洗，但不能有效除去由化学反应而形成的析晶污垢。另外，还存在胶球回收率低，易堵塞冷凝管等缺点[2],[3]。
化学清洗，在循环管路中投放化学药剂，清除污垢，该办法一般用于闭式水循环冷却机组。这种方法清洗效果较好，但是化学清洗频繁使用后会腐蚀凝汽器冷凝管，降低使用寿命，而且化学清洗方法运行成本较高，需要大量的化学药剂才能达到清洗效果。
4、线清洗新技术
不同于上述现有凝汽器清洗技术，在线清洗机器人兼具人工离线清洗和在线连续清洗的优点。凝汽器在线清洗机器人主要综合了机器人技术、高压水射流技术和水下密封技术等关键技术，能够实现凝汽器冷却管的逐根清洗和智能运行。
4.1机器人技术
该凝汽器在线清洗机器人安装于凝汽器水室中，为二自由度关节型机器人。机器人主要由三个机械臂组成，通过机械臂精确定位目标管孔，对冷凝管内壁进行高压水清洗，如图1所示。机械臂关节处安装伺服电机和减速机，通过控制电机转动改变机械臂运动角度和距离，达到目标位置，进行高压水射流清洗。
4.2高压水射流技术
水射流是由喷嘴流出形成的不同形状的高速水流束，射流的流速取决于喷嘴出口截面前后的压力降。该清洗机器人系统采用了6孔喷头，出口水压可达到21MPa。在高压水射流至冷凝管内壁产生的反作用力带动下，清洗碰头深入冷凝管内进行清洗，在保证冷凝管安全的条件下可有效清除冷凝管内壁污垢，如图2所示。高压水射流清洗具有清洗成本低、速度快、清净率高等特点。
4.3水下密封技术
清洗机器人安装于水室，进行水下工作，具有高度密封要求。机器人关节处采用动密封技术，动密封分为往复式动密封和旋转式动密封两类。清洗机器人使用的是旋转密封。旋转式动密封分为运动件与静止件直接接触的接触式动密封和两者不直接接触的非接触式动密封。非接触式动密封，利用添加在密封间隙内流体的特殊性质达到密封的半流体动密封。
5、凝汽器在线清洗机器人的应用及清洗效果分析
5.1实施
2014年9月25日~10月10日，某发电公司#3机组C修期间，在#3机凝汽器北侧循环水进出水室内各安装一台关节型机器人，本次安装共2套关节机器人、2套绞盘、2套高压水泵站及一套控制系统。
2015年2月16日至2月24日， #3机组春节检修期间，在#3机凝汽器南侧循环水进出水室各安装一台关节型机器人，本次安装共2套关节机器人、2套绞盘、2套高压水泵站及一套控制系统。
运行方式采用定期清洗：每10天清洗一次，每次清洗时间需68小时。
5.2、实施效果
凝汽器清洁系数直接影响凝汽器冷凝管换热效率，清洁系数越大，换热效率越高。采用凝汽器在线清洗机器人可以长期保持凝汽器清洁系数达到大修时采用高压水冲洗后的状。
1、安全性方面：
（1）经试验，在28MPa下对在役凝汽器管进行1000次高压水冲洗(相当于20年清洗量)，涡流探伤试验表明高压水清洗对凝汽器铜管无可见机械损伤。
对水阻的影响：通过流场模拟得到机器人放入凝汽器回水室造成的压损为520Pa，不会对循环水泵的运行造成影响。
（2）实现了运行中进行清洗，不需要机组停机或降负荷进行清洗，减少启停机或降负荷操作，提高了运行性；
2、经济性
凝汽器经智能机器人清洗后，可降低机组端差，提高汽轮机低压缸排汽真空度，使机组煤耗下降。
理论上，随凝汽器管壁清洁系数的提高，凝汽器端差下降。但由于我公司智能机器人实施后，天气温度逐步下降，循环水温也逐步下降，机组的真空随之明显提高，但端差随循环水温的下降而上升，因此，无法通过端差的下降来反映清洗效果的提高。
如用端差来反映清洗效果，需克服不同的负荷、循环水温、循环水量、供热量等因素。或者进行热力试验来计算凝汽器的清洁度，但由于试验时循环水量、汽轮机排汽湿度等难以精确测量，因此，试验的误差也较大。
因此，拟从宏观上，按运行一年的周期来比较端差的变化。通过收集凝汽器运行一整年的数据，计算平均端差的大小，来较准确地反映出凝汽器清洗的效果。
（1）投入前后清洗效果对比
短期内，根据我公司实际情况，投入此装置后，循环水出水温度提高，也可间接反映出智能机器人投入效果。以2015年12月14日~16日（#3机北侧单侧机器人投入）清洗前后数据为例：
由对比可见：
清洗前，北侧循环水温度比南侧高0.61℃，清洗后，高出0.99℃，即表明，清洗后，北侧凝汽器因清洁度提高，使北侧出水温度上升了0.99-0.61＝0.38℃。
由于我公司北侧凝汽器每10天清洗一次，相对清洁度已比较高，因而温度上升有限。
（2）与历史同期数据对比
以智能机器人投入前后类似工况数据比较，下表列出2014年4月与2015年4月（均选取1日至19日）投入前后的数据对比，选取的原因是当月智能机器人每10天投入一次，从DCS中取点，取出2015年4月1日至20日的平均数据，2014年4月也为当月同时间段的平均数据，其数据均有较大的代表性。
由表中数据可以看出：两月循环水温升相近，负荷相近，循环水温度也相近，但清洗后端差由9.4℃下降到7.7℃，端差下降了1.7℃。
按降低端差1℃分析对经济性影响如下：
端差下降1℃，即排汽温度下降1℃，影响真空度0.3~0.5KPa，在真空较低——端差对排汽真空的影响更大，特别是在夏季，影响真度空达0.5KPa。年平均按真空度0.4 KPa计算，此时影响发电煤耗达0.4*2.8＝1.12g/kWh左右。
按年运行5000小时估算，全年可节标煤1848吨，按标煤价700元/吨计算，投入智能机器人全年可降低生产成本为：
1848*700/1.17＝110.5(万)
#3机凝汽器清洗机器人投入后端差下降1.7℃，按此预计，端差下降带来的年收入应为：110.5*1.7＝188万。
6、结论
针对目前火力发电厂凝汽器清洗效果不佳，尤其对于开式水循环机组，冷凝管结垢严重，直接影响机组运行效率，国内出现了凝汽器在线清洗机器人。该清洗机器人在公司机组中成功应用，取得良好的清洗效果。
通过凝汽器改造前后性能指标对比分析，相同负荷工况下，改造后凝汽器压力和端差明显降低，凝汽器清洁系数得到提高。可以看出，凝汽器在线清洗技术能够有效地清洗凝汽器冷凝管束，提高凝汽器真空，为火力发电厂带来显著的节能降耗效益。
参考文献
[1]王耀南,张志国,蔡玉连. 凝汽器水下清洗机器人的控制系统[J]. 控制工程,2009,(02):230-233+238.
[2]张志国. 火电厂凝汽器清洗机器人的控制系统研究[D].湖南大学,2008.
论文作者:姜福清
论文发表刊物:《电力设备》2017年第2期
论文发表时间:2017/4/6
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