9MW超声波防垢除垢方案.doc

超声波防垢除垢技 术 方案湖北瑜晖电子科技有限公司一、 项目概述冷凝器、换热器在工业过程中应用广、数量大、种类多，它是化工、炼油、能源、动力、食品等许多工业中使用最广泛的设备在化工行业，换热设备占总投资的 30％左右，炼油行业占 70％左右，火力发电厂占 40％ 以上换热器结垢是一种极为普遍的现象凡是有流体介质的地方，都存在不同程度的结垢1.1 凝汽器是汽轮机组的一个重要组成部分，其作用是将汽轮机排汽冷却凝结成水，形成高度真空，使进入汽轮机的蒸汽能膨胀到远低于大气压力而多做功凝汽器工作性能的好坏直接影响整个机组的安全性和经济性凝汽器真空是表征凝汽器工作特性的主要指标，是影响汽轮机组安全经济运行的主要因素之一1.2 影响凝汽器真空的因素比较复杂，包括凝汽器传热特性、凝汽器热负荷、铜管清洁率、冷却水温、冷却水量、冷却水系统的特性等对于一台已经投运的凝汽器，其冷却面积、冷却水量、凝汽器热负荷等已基本固定，冷却水系统的特性、冷却方式、冷却水温也受到电厂的地理位置、季节气候等因素限制提高并维持较高的铜管清洁率是保持凝汽器真空高的最有效途径凝汽器铜管水侧的脏污和结垢是导致凝汽器真空恶化的最主要最常见的原因。

二、超声波防垢除垢机理及应用现状1.超声波对流体介质的空化作用，使流体内产生空穴，当其破裂时产生的强大压力峰可以加速 Ca2+、Mg 2+等的析出，并能够将已析出的碳酸盐垢及颗粒杂质（硬垢）击成细小的颗粒（纳米级）悬浮于介质中，从而起到防垢效果同时让淤泥及菌藻类分散成细小的颗粒悬浮于介质中，破坏软垢生成的条件2.超声波传播速度随着介质的变化而产生速度差，从而在界面上形成剪切应力，导致分子与分子之间，分子与管壁间结合力的减弱，阻止垢晶体附着在管壁上让经超声空化处理后的循环水中所有细小杂质流入冷却水池沉淀从而破坏软硬垢的沉积条件，达到防垢效果3.超声波对流体产生的热效应作用使得质点的温度有所提高，在该过程中产生的电离效应可以破坏垢物的结垢条件，起到防垢作用4.超声波具有明显抑垢能力在其他条件相同的条件下，20kHz 超声波的抑垢率好于 30kHz 的超声波20kHz 的超声波对硬水进行 2秒钟的超声处理，即可有效抑制碳酸钙在加热壁面的结垢，抑垢率达 98%以上且超声波沿流体流动方向传播，一般可达数百米以上据测定表明：在 Ф500 管道中超声波作用距离在 800 米,在试验中距发生超声波最近处的清垢效果与距其 800 米的效果没有差异。

2.超声波防除垢技术应用现状超声波防除垢技术目前已在石油、化工、冶金、钢铁、制糖、制药、电力、供水、环保、中央空调等系统结垢的各种水泵、阀门、管道、热交换器、水冷设备、容器、锅炉等工艺流程中得到广泛应用，它能有效地防止垢类的形成（主要包括水垢和污泥两大类，常见的水垢有碳酸钙镁、磷酸钙镁、硫酸钙镁等，常见的污泥有灰尘、泥渣、微生物群落等，水垢主要来源于循环水补充水中的溶解盐类，污泥主要来源于空气和循环水本身，空气中的沙土、泥渣、生物群落等被洗涤到循环水中及循环水系统本身的菌藻滋生产生生物粘泥而形成了污泥同时对钡、锶垢类也有明显的防垢功能） 能适应的流体介质包括：循环水、卤水、氨母液、油水混合物、糖浆、竹浆及各种弱酸弱碱溶液其工作时，不需添加任何防垢及除垢的化学药品，对流体设备无任何污染及腐蚀，是一种延长易结垢管线、水泵、锅炉、阀门、热交换器、容器等寿命的新型环保设备在国外盐化工中的卤水氨母液换热器、在化肥工业磷酸生产的浓缩阶段，印度已经采用超声波技术来防止换热器的结垢在硫酸钠生产中，国外发达国家也是采用超声波来阻止换热器表面的结垢等由此可见，超声波防除垢技术在国内国外已推广应用多年，以其效果明显、无污染和可重复长期使用，环保和节省能源等优点已被诸多领域所接受，并在实践中得以广泛运用。

三、电厂凝汽器应用超声波技术解决防垢、除垢问题的必要性1、凝汽器水侧污垢的形成及特性水垢是一种与水的硬度密切相关的沉淀物，当硬水被加热或蒸发时，水垢就会形成水垢会阻塞管道或沉淀在热传导表面，导致热耗和阻力损失增加污垢的形成是一种极其复杂的热量、动量、和质量交换过程，而且污染现象遍及自然过程电厂多采用井水、河水作为循环水，水中含有能溶解在水中的盐类、灰尘、泥砂、微生物等杂质，循环水系统的冷却水由于蒸发损失、风吹损失等不断浓缩，杂质在水中的比例不断增高，因此，污垢的形成概率较高一般来说，凝汽器铜管水侧污垢可以粗略按沉积物的形成机理分为三大类：水垢、污垢、生物黏泥，详见下表 污垢的分类及其特性分类 来源 特性水垢水垢的主要成分为 CaCO3，来源于Ca(HCO3)2的受热分解及 CO2的散失余量为镁、铜、铁等腐蚀产物泥渣沉积物坚硬、致密，不易清除，一般需采用化学清洗方式除垢污垢空气及补充水中杂质、灰尘、泥砂、微生物群体，以及金属腐蚀产物的沉积疏松，用机械方法可清除生物黏泥菌藻类的繁殖、滋生、新陈代谢产生的分泌物及微生物残骸松软，用高压水可清除2、污垢的危害2.1 污垢导致热阻增大，影响传热效果，使排汽温度升高，造成传热系数降低，凝汽器真空度降低。

2.2 使汽轮机组的经济效益降低：真空降低使蒸汽的有效焓降减小，会影响汽轮机组运行的经济性电站凝汽器一般运行经验表明：凝汽器真空每下降 1kPa，汽轮机汽耗会增加 1.5%～2.5%；真空过低时会限制机组出力，严重时要停机清洗，影响汽轮机组的经济效益2.3 威胁机组的安全运行：真空过低，会使低压缸、排汽缸温度升高，引起汽轮机轴承中心偏移，严重时会增大汽轮机组的振动；当真空降低时，为保证机组出力不变，必须增加蒸汽流量，从而导致轴向推力增大，使推力轴承过负荷，影响汽轮机组的安全运行2.4 引起垢下腐蚀：沉积物垢下腐蚀是凝汽器铜管腐蚀的主要形态沉积物造成铜管表面不同部位上的供氧差异和介质浓度差异会导致局部腐蚀铜被氧化生成的 Cu2+ 及 Cu+ 离子倾向于水解生成氧化亚铜，并使溶液局部酸化，加剧了腐蚀的发展，严重时造成针型腐蚀穿孔，导致铜管及管板泄漏，循环水进入凝结水，在无法预知的情况下，锅炉给水品质变差，威胁着锅炉及发电机组的安全运行，也直接影响发电厂的经济效益2.5 降低凝汽器的使用效率：铜管内壁形成污垢的速度很快，根据文献，凝汽器铜管清扫 24h 后，清洁系数从 1.0 变为 0.692，实际传热系数由 2.93kW/(m2·℃)降到 1.98 kW/(m2·℃)，致使排汽温度31.5℃上升到 35.5℃。

而 0.1mm 厚污垢的热阻足以让 1mm 厚的铜管的导热热阻被忽略不计如此短的积垢时间和低的传热效率，将导致凝汽器长期处于低效率运行中2.6 改变设备的运行参数：水侧污垢不仅使凝汽器清洁率下降和冷却面积减少，增加了冷却循环水系统的水流阻力，降低了冷却水的流量，还增加了循环水的出口压力和循环水泵的能耗1、 增大能耗换热器管壁的导热系数一般较大(钢的约为 50W/(m·K)，铜的约为 300 W/(m·K))，而污垢的导热系数相对而言很小(一般均在 1 W/(m·K)左右)，仅为前者的几十甚至几百分之一这就大大增加了换热器换热管两侧流体之间的传热热阻，降低了换热器的传热效率四、 超声波防垢除垢物理效应1、 什么是超声波可闻声与超声波的唯一区别就是后者是人耳所听不到的当某种物质的内部发生机械扰动时，就会产生声波表征振动的量是频率，即单位时间内(1 秒)所完成的周期性运动的次数，其单位是赫兹(Hz) 按照频率划分，可将声波划分为三个范围，具体形式如下图所示：2、 用于防垢除垢的超声波几大效应（1） 空化效应由于超声波连续不间断的工作，流体在超声波强声场的作用下，液体内形成大量非稳态的微小的气泡（直径约 50～500 微米） ，这些0 10 102 103 104 105 106 107次声波<16Hz声波（16Hz,20kHz ）超声波≥20kHz可闻声波；16Hz~16kHz功率超声；20kHz~100kHz ，适用于防垢除垢、超声化学等超声延展；100kHz~1MHz，适用于超声化学高频超声；1MHz~10MHz ，适用于医疗超声、化学分析等空化泡随超声波的振动反复生成并迅速膨胀、湮灭。

这种振荡、膨胀、湮灭等一系列动力学过程称为“空化效应” ，这些气泡称为“空化泡” 空化泡湮灭瞬间周围极小空间内会产生5000K 的高温及 200MPa 的高压，湮灭后，伴生强烈冲击波和时速达400km/h 的微射流由于空化效应极易在固体和液体交界面进行，这一强压力峰能使成垢物质粉碎悬浮于液体介质中根据理论和实践测算，用20KHz、1.5W/cm 2 的超声波对 1cm3 液体辐射时，其发生空化事件的气泡数为 5×104 个/s，局部增压峰值可达上千大气压这可极大地影响了碳化沉积物内部之内的牢固性，破坏了碳化沉积物和金属之间的关系，导致产生许多小裂缝当裂纹逐渐增多后，水垢便形成沙砾状颗粒，一部分从管壁表面脱落水在毛细的作用下通过细小裂缝渗入到受热表面，那里有水被蒸发，使已生成的垢层破碎使其易振子的高频振动产生气泡成长气泡临界气泡5000k1000atm爆裂气泡于脱落将垢清除彻底2) 活化效应超声波在液体介质中通过“空化效应” ，将水分子裂解为 H 自由基和 HO 自由基，甚至 H+和 OH-等, 而 OH 与成垢物质离子可形成诸如 Ca(OH)2 、Mg(OH) 2 等的配合物，从而增加水的溶解能力，使其溶垢能力相对提高，具有“活化效应” 。

也就是说，超声波能够提高流动液体和成垢物质的活性，增大被水分子包裹着的成垢物质微晶核的释放，破坏垢类生存和在管壁附着的条件，使成垢物质在液体中形成分散沉积体而不在管壁上形成硬垢从而起到防垢作用3) 剪切效应作用于金属表面的超声波振动产生了机械能量，使得金属、水垢、水随之震动，由于三者之间的频率响应不同，产生不同步振动，由于垢质的性态和弹性阻抗和金属不同，因 此 产 生 高 速 的 相 对 运 动 ，形成垢层与管壁界面上的相对剪切力，即形成“剪切效应” ，破坏了水垢和金属之间的结合，导致垢层产生疲劳、裂纹、疏松、破碎而脱落从而起到除垢作用4) 凝聚效应超声波的辐射把液体拉裂而形成无数极微小的局部空穴和气泡，超声波在含有悬浮粒子（微粒杂质）的液体介质中传播时，会使悬浮粒子与液体介质一起产生振动，在这些气泡的周围，形成许多的结晶中心由于悬浮粒子的大小不同，相对振动速度不同，悬浮粒子间会相互碰撞、粘合、聚集，形成体积和重量均会增大的絮状颗粒物，在水中开始形成硬盐，形成细小的沙状物，有很强的争夺水中离子的能力，在流动的液体介质作用下带出热交换设备，即产生“凝聚效应” ，从而起到了防垢作用5) 高速微涡效应当超声波在金属管、板壁传播时，产生高加速震荡波，使与该界面接触的液体产生高速微涡。

阻碍了结垢、结晶、积垢等物质的附着，同时对金属界面进行清理起到了防垢和除垢双重作用6) 抑制效应通过超声波的作用，改变了液体主体的物理化学性质，缩短了成垢物质的成核诱导期，刺激了微小晶核的生成新生成的这些微小晶核，由于体积小、质量轻、比表面积大，悬浮于液体中，生成比壁面大得多的界面，有很强的争夺水中离子的能力，能抑制离子在壁面处的成核和长大，让既定结构的晶粒长大，因此减少了粘附于换热面上成垢离子的数量，从而也就减小了积垢的沉积速率实验研究表明，当液体的过饱和系数一定时，在同一超声波参数下，超声波作用时间越长，则成垢物质的成核诱导期越短因 此 ， 超 声波 作 用 时 间 越 长 防 止 成 垢 物 质 结 垢 效 果 越 佳 即 所 谓 “抑 制 效 应 ”此外，超声波辐射压力、声学毛细管现象、科努瓦诺夫效应和声流也有直接的防除垢效应值得一提的是，超声波还具有“防腐机理” ，其原理是，在内管壁表面自然形成的裂缝中，存有水中溶解的氧气，在超声波振动。