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高压水射流清在洗凝汽器清洗应用

发布时间：2009/10/18 阅读次数：1150 字体大小: 【小】【中】【大】

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摘要本文以高压水射流的原理为基础，论述了高压水射流技术清洗凝汽器在发电厂的具体应用，从清洗前后的技术经济比较表明，该清洗技术清洗凝汽器是一种事半功倍、效益巨大的好办法，值得积极推广。

前言高压水射流技术在工业生产中的应用，是近几年发展起来的一门新技术，在我国电力系统中的应用还处于开始阶段，但带来的经济效益相当可观。

对于用高压水射流技术清洗凝汽器，国外在本世纪80年代初就进行了研究和试验，并在实际应用中获得了较好的效果。高压水射流技术的应用不只局限于凝汽器，在龙桥电厂还用于发电机空冷器、冷油器、汽轮机转子及隔板的清洗，本文主要论述其清洗凝汽器的应用情况。

高压水射流的工作原理主要有以下三点：

1．通过清洗喷咀将高压水的压力能转换成高速流体，正向、切向击向被清洗面，在被清洗面上产生很大的瞬时碰撞动量，这是高压水除垢、除灰、除焦的主要原理。

2、由于清洗喷咀在设计中其水束与被清洗面的法线方向有一定的夹角，这样易在铜管内壁与污垢之间形成带有压力的水膜层，产生对污垢由外向内的挤压，这种效果从清洗下来的垢块中可以看出，最大的垢块为20×150毫米。

3．在清洗喷咀设计中要考虑到喷咀自身对水束的干扰，使水束在接触水垢的过程中产生强烈脉动。实践证明，如果考虑到这种因素，清洗效果就会更好一些。

一、高压水射流清洗所需要的设备和高压水射流的技术性质

高压水射流清洗工作系统见图1。对系统中的一些设备说明如下：

1.高压柱塞泵：给清洗工作提供高压水。一般的清洗工作要求该泵的出口压力在250-350公斤/厘米²，流量在3吨/时以上。压力的高低和流量的大小，对清洗速度和效果影响较大，一般的流量能满足一只清洗喷咀即可。

2.钢丝编织胶管：一般选用能耐压400公斤/厘米²的钢丝编织胶管。

3.清洗操作杆：一般清洗直管和外表面时选用钢管，清洗弯曲管时选用钢丝编织胶管。喷咀的前进是利用喷咀水束产生的反作用力推进。

4.清洗喷咀：其结构要根据所清洗设备的构造和垢质等到具情况来确定。在工作水压确定后，根据试验可知喷咀结构是否合理。喷咀对清洗速度和效果影响很大，如果喷咀结构合理，清洗的洁净率可达100%。

利用高压水射流清洗设备时，由于清洗喷咀出口处水束的速度W₀很大，一般都在100米/秒以上，喷咀孔一般都在3毫米以下，所以可将清洗喷咀出口后的水束看作是圆形紊流射流，又因所制做的喷咀距被清洗面很近，可将出口到被清洗面这段内水束看作为淹没自由射流。

图2为射流的速度分布变化示意图。流体由直径为D₀的喷咀以初速度W₀流出，在喷咀的出口截面上速度均匀都为W₀。由于射流微团的不规则运动，特别是其中横向脉动速度所造成的、与周围介质间进行的质量交换，引起或带动周围介质的直径扩展，射流的速度降低。在喷咀出口边界内的射流核心区内，射流全部保持着其初速度W₀，随着射流方向，射流核心区逐渐缩小，到达转折截面上成为一个点，因而射流核心区为一个底圆等于喷咀直径D₀的圆锥形。射流沿x方向前进，射流边界层逐渐增加，射流体的速度逐渐降低，在射流的初始段，其中心还保持初速W₀，在转折截面上仅射流中心点保持初速W₀。转折截面以后射流的中心速度也开始逐渐降低，即在射流基本段的射流边界层内任何一点的速度都低于初速度W₀。

二、清洗工作中各参数的确定

1.清洗水工作压力的确定

在前面曾提到，清洗水工作压力P的高低，对清洗效果影响很大。我们曾在凝汽器铜管上作过试验，清洗水流量基本不变，清洗水压分别用320、300、250、170、150公斤/厘米²作试验。发现清洗的洁净度随压力下降，压力在320公斤/厘米²以上时，洁净度为100%，压力低于150公斤/厘米²时，几乎没有除垢能力。通过理论计算，得知，射流对垢的作用动量与值成正比。国外是用P=（0.4-0.7）б来确定清洗水压力的，式中：б为铜管水垢单向耐压强度。根据我们的试验，且考虑到清洗速度，在一般情况下清洗水压力P不应低于如下关系：

P≥0.8б (1)

一般情况下，凝汽器铜管内水垢单向耐压强度S=300-500公斤/厘米²，这样清洗水工作压力应在240-400公斤/厘米²以上。从理论上可知清洗水工作压力越高，射流对被清洗面的作用动量也就越大。也就是说P越高，清洗效果就越好，清洗速度也就越快。考虑到目前国内生产的高压柱塞泵类型和工作可行性，并为了搬运方便，选用P值太高是不现实的，按（1）式选择清洗水工作压力已能满足需要，只是比更高的P值用的清洗时间较长而已。

2.清洗水流量的确定

这里所谓清洗水流量是指每一个喷咀所需要的流量。清洗水流量的大小在工作水压确定以后，对清洗喷咀的结构和清洗速度影响很大。国外也介绍了一个计算公式，通过试验，发现用这个公式计算，有两个缺点：第一是这个关系式带有一定的局限性，它是仅从凝汽器铜管清洗总结出来的，对其它清洗工作是否适用，还待验证；第二，这个公式没有考虑到清洗喷咀结构的变化。根据试验可知，按这个公式计算出来的流量偏小。在清洗水工作压力确定以后，应主要考虑喷咀小孔的个数和喷咀的出口流速。通过实践验证，用下式确定清洗水流量比较合理。

∑Q₀=1.2×10^－6n·πR₀²ω₀（2）

式中，∑Q₀：每只清洗喷咀所用的流量（吨/秒）；n：清洗喷咀的小孔数；R₀：清洗喷咀小孔半径（毫米）；ω₀ ：清洗喷咀小孔射流的出口速度（米/秒）。上式中的系数主要考虑W₀的计算误差和R₀的加工误差及清洗中R₀值的增大。按（1）（2）两式我们就可以确定清洗工作中所需要的高压柱塞泵。

3.清洗喷咀小孔数n的确定

清洗喷咀小孔数n的多少，主要由射流对清洗面的覆盖率E来确定。所谓覆盖率就是射流所作用的清洗面与被清洗面的比值。对凝汽器铜管来说，就是射流所作用的清洗面的圆周长L′与管子内圆长L″的比值。从道理上来说，E值越大越好，但E太大时，喷咀上的小孔数目太多，就会造成一部分高压水的浪费。同时射流之间容易相互干扰。一般情况下，射流对清洗面的覆盖率E值接近100%就可以。某排喷咀一个小孔沿清洗管内壁分布Li：

Li= （0.5Si+D₀i）（3）

式中，Si、D_oi为对应Li的清洗喷咀小孔出口截面到清洗面的距离和喷咀小孔的直径。

α、β为射流与被清洗面法线方向沿圆周和轴线方向的夹角。

Si可以用下式近似求得：

Si=

喷咀某排所需要的小孔ni: ni=

清洗喷咀所需要的小孔数n=∑ni

一般情况下，喷咀小孔数n=6-20个，n不能太少，否则清洗喷咀在管内不稳定，易偏向一侧，与清洗面发生摩擦。

4.喷咀出口截面到清洗面的距离S

由理论推导可知，在清洗水工作压力P确定，即W₀确定之后，射流对垢面的碰撞动量几乎由喷咀出口截面的距离S来确定，且与S值成反比。S值取的太大，清洗所需要的碰撞动量不够；S值取的太小，一是被清洗的管内容易形成高压区，使管子产生变形或损坏；二是影响射流的覆盖率。一般情况下，S值的选取应遵守下列几点：

（1）如果所需清洗的垢质的耐压强度б较低时，S值可取得较大，否则S值较小。

（2）在一般清洗工作中，取射流体的工作区段在其基本段内，也就是

S≥5D₀ （4）

S值大于或等于5倍的喷咀小孔直径。这个取值标准对所清洗的垢质比较松散的设备很好，但对垢质坚硬的设备清洗时还得修改。

如果按S≥5D₀来选择S值，由理论计算可知，这时射流到被清洗面的平均速度仅为喷咀出口速度的20%。由此可知射流对单位面积垢面的作用动量也就很小，不易破坏垢面形成的张力。解决问题的办法一般是缩小S值，但S值最好不小于1.5毫米，否则就会导致覆盖率降低。我们解决这个问题的办法是，喷咀小孔分两排布置，第一排小孔的S值取得很小，第二排小孔S值取得较大，这样既考虑了射流对垢面的作用力，也考虑了射流的覆盖率。前排小孔S值小，对垢面的作用力大，将垢面的张力破坏后，所剩下的大量水垢仅靠附作力贴在管壁上，由后排小孔的射流来清洗，在实际应用中也证明这种喷咀结构合理，清洗效果很好。这样结构的喷咀前后排小孔要拉开一定的距离，防止产生射流之间的干扰。

5.射流与被清洗面法线方向的夹角α、β

在清洗喷咀结构上考虑射流与被清洗面法线方向沿圆周和轴线的夹角分别为α和β，主要有下列几点原因：

（1）射流垂直的冲击水垢面，只对水垢形成一个正向作用力，如果让它与清洗面的法线方向沿圆周和轴线方向有一定的夹角，这样射击流不光对垢面有一个正向作用力，而且还有一个沿圆周和轴线方向的切向作用力，切向作用力容易在垢和管内壁之间形成一定的压力，对垢形成向心的挤压，使除垢效果更好。

（2）由于在喷咀结构上考虑了射流与被清洗面的法线方向沿轴线有一定的夹角，除上述对水垢有一切向作用外，还有对工作后的水及冲下的水垢有一个向前的引射作用，减少射流的淹没损失，另外还有冲击喷咀前进方向障碍物的作用，减少射流的淹没损失，另外还有冲击喷咀前进方向障碍物的作用，对管内泥沙堵塞严重的设备清洗时，该夹角可适当取大些或在喷咀的正前方增加一个小孔。

（3）由公式（3）可知，由于在喷咀结构上考虑了α、β角，也使射流对清洗面的覆盖率增加。

α、β值一般取的比较小，且取α=β，如α、β取得过大，影响射流对清洗面的作用动量很大，通常取α=β＜30^。。

6.喷咀小孔D₀的选择

喷咀小孔的直径D₀的大小与Wc、n、E、∑Q₀等有关。一般情况下D₀＜3毫米，在选取D₀时应注意下列几个问题：

（1）D₀值不能太大，否则清洗水的∑Q₀就会很大。在∑Q₀一定后就会使喷咀小孔数n很小，使喷咀在管内冲洗时不稳定，靠向一侧发生磨擦。D₀太大时也会对喷咀的设计加工困难，E值降低。

（2）D₀值也不能太小，由流体力学原理可知，如果D₀太小，流体经过喷咀小孔时阻力太大，使喷咀出口的射击流速度降低，同时也使喷咀小孔数n太多。

（3）所选取的D₀值使每只喷咀的流量在2—5吨/时之间。

7.喷咀小孔出口截面射流的速度W₀

清洗工作水压P、喷咀小孔径D₀及其n确定以后，喷咀出口截面的速度W₀也就确定了。W₀的计算关键是流量系数的确定。

（1）喷咀各部水头损失系数

射流喷咀腔室进入小孔，水头损失系数ε₁=0.5

射流经过小孔水头损失系数：ε₂=3.2-3.5,条件是D₀与该处喷咀壁厚H₀的比值在一定范围内。

射流在喷咀小孔出口处水头损失系数：ε₃=1

清洗水由泵到喷咀腔室的各项损失不计。

（2）喷咀的流量系数u

u= =0.447-0.461

越小，u值越大。

（3）清洗喷咀小孔射流的出口速度W₀

W₀=u

上式g=9.82米/秒²，γ=1000公斤/米³（水的比重），B为当地大气压，由于它远小于清洗水压力P，可略去不计，则上式可写成：

W₀=14u

在一般清洗工作中，W₀的值都来在100米/秒以上。

注：由上述可以看出，射流在射咀小孔通道中水头损失系数ε₂最大，即清洗水在该处损失的作功能力最大，所以在喷咀设计中只要满足强度要求，应尽量缩小的比值，一般情况下不要太大。

清洗喷咀结构见图。

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