CN102435098B - 一种凝汽器在线超声旋流除垢装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种凝汽器在线超声旋流除垢装置，主要由超声波除垢设备、显示操作系统、数据采集及控制装置、电源控制设备组成，所述显示操作系统和数据采集及控制装置通过RS485总线连接，数据采集及控制装置分别连接到超声波除垢设备、旋流除垢装置、电源控制设备、凝汽器；所述超声波除垢设备固定在凝汽器上，所述在线超声旋流除垢装置还包括旋流除垢装置，旋流除垢装置固定在凝汽器上，所述旋流除垢装置通过线路连接到电源控制设备；所述凝汽器通过超声波除垢设备发出的超声波清除凝汽器管壁的硬垢，同时通过旋流除垢装置产生的旋流清除凝汽器管壁的软垢，实现两种物理方法在线清除凝汽器的硬垢和软垢。
Description
技术领域
本发明涉及水垢处理技术领域，具体为一种用来清除凝汽器换热面水垢的凝汽器在线超声旋流除垢装置。
背景技术
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。
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、换热管清洁率、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抽汽凝汽式机组，凝汽器的冷却面积、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。提高并维持较高的换热管清洁率是保持凝汽器真空高的最有效途径。凝汽器换热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。
1、污垢的形成与分类
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。电厂多采用地下水或地表水作为循环水，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，杂质在水中的比例也不断增高，因此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。
一般来说，凝汽器换热管水侧污垢可以粗略按沉积物的形成机理分为三大类：硬垢、污垢、生物黏泥等。
污垢的形成及分类
2、污垢的危害
2.1热阻增大：循环水在凝汽器铜管内流动，吸收大量的热量，保证了汽轮机的正常运行。工业换热器内，一般管内流体的流动总是处于旺盛湍流状态。根据管内受迫流动换热理论，液体在管道内流动分为层流边界层、过渡流层、紊流区三种基本现象，并由于流体的粘性而具有不同的流动速度，见下图。层流边界层是贴附于管壁的一层，流速非常缓慢，水中的CaCO3等污垢最易滞留在管内壁上形成污垢；并且，层流边界层虽然很薄，但紧靠管壁，热阻很大，影响传热效果。
2.2使排汽温度升高：污垢的导热系数很小，大大地增加了传热热阻，造成传热系数降低，使循环冷却水吸热不良，减缓了排汽的凝结速度，致使排汽压力升高、排汽温度升高。而排汽温度的升高又导致有更多的热量需要冷却水带走，使循环冷却水温度升得很快。冷却水温度升高后又进一步恶化真空，形成恶性循环。表面上看很容易判断为是由于冷却塔冷却效果不良所致，其实冷却水温度高的原因在冷却塔冷却效果一定的情况下是凝汽器真空低直接导致。
2.3改变了设备的运行参数：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，使换热效率减小。
2.4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。
2.5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。
2.6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，成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。
2.7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1.98kW/(m2·℃)，致使排汽温度上升约4℃。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，导致凝汽器长期处于低效率运行中。
综上所述，自诞生火力发电以来，如何清除凝汽器内的水垢，就成了世界各国电力、相关部门及企业共同的研究课题。随着时代的进步，科技的发展，各类除垢方法层出不穷，在一定的历史阶段解决了凝汽器除垢的部分难题，但离电力企业运行的要求还有一定的差距。如何破解凝汽器除垢的世界性难题，本发明在借鉴已有的除垢技术的基础上，通过各类应用性试验，发明了一种凝汽器除垢新方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种凝汽器在线超声旋流除垢装置，能够解决大型机组凝汽器在线运行中，自动清除管板及换热管壁软硬垢；克服了已知的物理及化学方法除垢的各种弊端，通过超声波和旋流二种物理方法，清除凝汽器管壁的软硬垢，保证换热管的清洁度，以增强换热管内壁对流换热能力。
为了达到上述设计目的，本发明采用的技术方案如下：
一种凝汽器在线超声旋流除垢装置，主要由超声波除垢设备、显示操作系统、数据采集及控制装置、电源控制设备组成，所述显示操作系统和数据采集及控制装置通过RS485总线连接，数据采集及控制装置分别连接到超声波除垢设备、旋流除垢装置、电源控制设备、凝汽器；所述超声波除垢设备固定在凝汽器上，所述在线超声旋流除垢装置还包括旋流除垢装置，旋流除垢装置固定在凝汽器上，所述旋流除垢装置通过线路连接到电源控制设备；所述凝汽器通过超声波除垢设备发出的超声波清除凝汽器管壁的硬垢，同时通过旋流除垢装置产生的旋流清除凝汽器管壁的软垢，实现两种物理方法在线清除凝汽器的硬垢和软垢。
所述旋流除垢装置由加压装置、变幅器、气旋控制装置、连续流反应器、旋流导向喷出装置组成，所述加压装置是由电机拖动的旋叶式结构，加压装置锁固在连续流反应器一端，连续流反应器另一端锁固旋流导向喷出装置，所述连续流反应器至少设有三个以上的相通的独立空间，连续流反应器内设有变幅器，所述变幅器密封连接到气旋控制装置；所述旋流导向喷出装置端部开有四个45度的喷口；所述旋流除垢装置的旋流导向喷出装置固定在凝汽器内。
所述超声波除垢设备主要包括脉冲电源和换能器，换能器固定在凝汽器的水室内或水室外，内外结合安装使换能器振波能量就近到达垢层表面。
所述水室内的换能器连接到脉冲电源的线路通过引线密封组件密封穿入水室内，所述脉冲电源通过线路连接到换能器。
所述换能器主要包括变幅器、磁致变换器、保护冷却套、密封接头，变幅器一端密封套接保护冷却套一端，保护冷却套内设有磁致变换器，所述磁致变换器与变幅器的端面固定，所述保护冷却套另一端密封设有上盖，所述保护冷却套的侧面设有密封接头，或上盖上设有密封接头，密封接头内设有接线端子，脉冲电源通过接线端子引入磁致变换器，产生磁致效应，通过变幅器放大后，转换成超声波，进行除垢。
所述脉冲电源主要包括电源模块、脉冲模块、MCU模块、功率放大模块、数据采集模块、反馈电路、显示电路、调节电路。所述调节电路独立外置，具有现场工作频率、功率密度调试功能；所述反馈电路是将功率放大模块的信号反馈到MCU模块，进行工作状态监视和对过压、过流进行保护；所述MCU模块内置非故障自启动程序和累计工作时间显示功能。
所述引线密封组件包括引线管和密封接头，所述引线管一端设有密封接头，通过密封接头将引线管连接到换能器；所述引线管在凝汽器的壳体上密封穿过，与凝汽器之间的密封为焊接或法兰或螺纹连接；引线管一端引向水室外侧，另一端引向水室内侧并通过密封接头与换能器连接；所述引线管为金属硬管或金属软管或高压橡胶管或工程塑料管，引线管的直径为Φ10--40mm。
所述引线密封组件包括引线主管、接线主盒、分线管，所述引线主管密封穿过凝汽器的壳体，与凝汽器之间的密封为焊接或法兰或螺纹连接，所述凝汽器内的引线主管末端密封连接接线主盒，所述接线主盒的端面或侧面上设有多个分线管，分线管一端密封连接在接线主盒上，分线管另一端密封连接换能器；所述引线主管、分线管为金属硬管或金属软管或高压橡胶管或工程塑料管；所述引线主管的直径为Φ30--200mm；所述分线管的直径为Φ10--40mm。
所述引线密封组件包括引线主管、接线主盒、引线分管、接线分盒、分线管，所述引线主管密封穿过凝汽器的壳体，与凝汽器之间的密封为焊接或法兰或螺纹连接，所述凝汽器内的引线主管末端密封连接接线主盒，所述接线主盒的端面或侧面上密封连接多个引线分管，所述引线分管末端密封连接接线分盒，所述接线分盒的端面或侧面密封连接多个分线管，所述分线管末端密封连接换能器；所述引线主管、引线分管、分线管为金属硬管或金属软管或高压橡胶管或工程塑料管；所述引线主管的直径为Φ60--300mm，所述接线分管的直径为Φ30--200mm，所述分线管的直径为Φ10--40mm。
所述在线超声旋流除垢装置用于冷油器、空冷器、壁冷器、热网加热器、板式换能器、四效蒸发器、蒸汽发生器、冷却器、反应釜、容器、管道、锅炉的在线超声旋流除垢。
其原理为：
通过“空化效应”“剪切效应”实现除垢
超声波的声波作用于液体中时，液体内形成许多微小的气泡，形成“空化效应”，气泡的破裂会产生能量极大的冲击波，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，因此，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，从而带动碳化沉积物的膨胀和成片地脱落，将垢清除彻底。
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，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，导致垢层产生疲劳而松脱。
通过“活化效应”“超声凝聚”实现阻垢
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CaOH+、MgOH+等的化合物，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。
受热表面上的振动使金属与水之间产生高速微流和空化效应，破坏垢类生成和在管壁沉积的条件，阻碍了这些沙状物在管壁上的沉淀。水中尚未结晶的盐及以结晶后难溶解的盐形成悬浮的状态，随介质流走或通过排污排除。通过流层混合提高换热器效率。
超声波振动，形成其内部水和管壁的振动，减弱了水与管壁之间的流体力学阻力，从而提高了水流的速度。水与金属加热面之间的排出与进入加快，水与受热表面的交换速度也加快，使被加热液体的层流边界层、过度层和紊流区能进行更好的混合，水的热容增加，提高热量的传递。同时，由于凝汽器处于无垢状态下运行，换热热损耗很小，提高换热器效率。
通过金属的振动防止氧化腐蚀
在内管壁表面自然形成的裂缝中，存有水中溶解的氧气，在超声波振动的作用下，它被强制从裂缝中排出来。超声波的脉冲长期地作用于管的内壁表面，在微小的缝隙附近发生变形变化，这些变形变化把裂缝的边缘铆住，使它们被封住，水中的溶氧就不会渗入裂缝中，消除了腐蚀的源头，保护金属免受磨蚀。这种防腐蚀的效果在某种程度上取代了管子内表面的钝化，可有效防止水中溶氧对金属的腐蚀，相当于清除钢铁管受氧腐蚀的装置。
通过旋流和真空气泡实现杀菌灭藻、净化水质、去除软垢的作用
旋流装置装有换能器，在加压装置的作用下，循环水进入旋流装置，换能器振动使液体内形成许多微小的气泡，当气泡破裂时，会产生能量极大的冲击波，在水体中产生紊流，破坏了微生物细胞膜的离子通道，改变了细胞适应的内控电流和生存所需的环境条件，使其丧失生存能力而死亡。同时激励后的水分子能将水中溶解氧包围封锁，切断了微生物进行生命活动所需氧的来源，杀菌灭藻，同时也防止了生物污泥的产生。
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，在这些气泡的周围，形成许多的结晶中心，在水中开始形成硬盐，形成细小的沙状物，即产生超生“凝聚”现象，有很强的争夺水中离子的能力，使水中离子浓度逐渐降低。
超声波振动后，增加水分子的活性和融垢能力，水中成垢离子在前端水室即进入“微晶”诱导期，使其离子结合力增大，加快絮凝速度，降低成垢离子的数量。
循环水从旋流装置延切线方向多角度高速喷出，搅动水体呈旋转状进入冷却管，在气泡和旋流的双重作用下，将附着在管壁上的软垢带走。
纯物理方法、环保节能
物理方法防垢，对水体和环境无污染，对管线和容器无腐蚀。相对于结垢后在处理的其它方法而言，其在线式的工作方式，破坏了垢晶形成条件，使设备始终处于无垢状态下运行，其热传导效率提高。
本发明所述的凝汽器在线超声旋流除垢装置的有益效果是：
具有净化水质、清除软垢及硬垢的双重作用；又因为换能器水室内外结合安装，布点合理，振波能量就近到达除垢表面，避免了换能器单纯外部安装振波能量逐渐衰减的缺点，垢质去除效果均衡显著，且把除垢能效发挥到最大。
在技术指标上有很大的不同：设计了6个型号的脉冲电源、对应驱动2(3、4、6、9、12)只换能器，具有显示调节功能。又设计了5个型号的换能器，便于在各种类型的凝汽器的水室内和水室外安装使用；单只换能器的声功率达到200W，除垢能力达到80-110m2。
在安装方法上进行了改进：依据换热介质的流程和超声波传导的机理，全新设计了水室内安装的密封型换能器和水室引线密封组件。在凝汽器的外部和水室进行换能器的组合安装，避免了单纯外部安装换能器振波能量逐渐衰减的缺点，便于脉冲能量就近到达结垢表面，弥补脉冲能量损失，硬垢去除效果均衡显著且把除垢能效发挥到最大。
在调试方法上进行了变更：脉冲主机具有频率和功率密度现场调试功能，配套设计了“显示调节仪”。因为各类凝汽器结构及型号不同、运行参数也不同，其最佳谐振频率和功率密度也不同，现场必须对换能器的工作频率和功率密度进行对应调整，以获得最佳除垢效果。
在除垢机理上进行了革新：首先引入了DCS控制系统，将凝汽器各项运行参数送入上位机，根据凝汽器的端差、真空等运行参数，自动调整除垢设备的运行方式，实现最优化除垢。对凝汽器和除垢设备的运行参数存储，对故障进行在线监测并提示与报警。优化用户运行控制模式、运行管理模式、检修管理模式。其次最新设计了旋流除垢装置，具有净化水质、冲刷软垢的作用，使得凝汽器的软硬垢的去除效果更理想。
附图说明
图1为本发明所述的凝汽器在线超声旋流除垢装置的示意图；
图2为本发明所述的凝汽器在线超声旋流除垢装置的超声波除垢装置的示意图；
图3为本发明所述的凝汽器在线超声旋流除垢装置的换能器的示意图；
图4为本发明所述的凝汽器在线超声旋流除垢装置的旋流除垢装置的示意图；
图5为本发明所述的凝汽器在线超声旋流除垢装置的脉冲电源的示意图；
图6为本发明所述的凝汽器在线超声旋流除垢装置的变幅器的示意图；
图7为本发明所述的凝汽器在线超声旋流除垢装置的磁致变换器的示意图；
图8为本发明例所述的凝汽器在线超声旋流除垢装置的保护冷却套的示意图；
图9为本发明所述的凝汽器在线超声旋流除垢装置的引线密封组件的的示意图；
图10为本发明另一实施例所述的凝汽器在线超声旋流除垢装置的引线密封组件的的示意图；
图11为本发明第三实施例所述的凝汽器在线超声旋流除垢装置的引线密封组件的的示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例，对本发明加以进一步说明，但本发明不只限于下述实施例。
如图1、图2所示，本发明实施例所述的凝汽器在线超声旋流除垢装置，由超声波除垢设备4、旋流除垢装置6、显示操作系统1、数据采集及控制装置2、电源控制设备5组成，所述显示操作系统1和数据采集及控制装置2通过RS485总线连接，数据采集及控制装置2分别连接到超声波除垢设备4、旋流除垢装置6、电源控制设备5，所述超声波除垢设备4的换能器8与凝汽器3固定在一起，所述旋流除垢装置6固定在凝汽器3内并通过线路连接到凝汽器3一侧的电源控制设备5；所述显示操作系统1和数据采集及控制装置2安装在操作室内，通过RS485总线构成通讯网络，显示操作系统1通过专用的软件开发了视窗操作系统；数据采集及控制装置2主要采集凝汽器3运行参数(循环水进、出口的温度、压力、流量，排气温度和凝汽器真空等)和循环水化学指标(PH值、电导率)以及化验指标(总硬度、总碱度、浓缩倍率、离子饱和度、晶核密度)；采集超声波除垢设备4的脉冲电源和旋流除垢装置6的开关量工作状态信号，输出对脉冲电源和旋流除垢装置6的启停控制指令；所述超声波除垢设备4的脉冲电源安装在凝汽器3一侧，超声波除垢设备4的换能器8则分别安装在凝汽器3的水室内和水室外，所述电源控制设备5安装在凝汽器一侧，一是给脉冲电源供电，二是给旋流除垢装置6供电，三是将各用电设备的工作状态信号发送给数据采集装置2，四是接受显示操作系统1的启停控制指令；所述旋流除垢装置6前端安装在凝汽器3的水室内，由电源控制设备5供电并接受其控制；模拟量输入一次信号主要由温度、压力、流量仪表和、PH仪、电导率仪等组成，主要采集凝汽器3运行参数和循环水化学指标，通过信号电缆接入数据采集及控制装置2的AI模块；开关量输入信号，主要采集脉冲电源和旋流除垢装置6的工作状态信号，开关量输出信号输出对脉冲电源和旋流除垢装置6的启停指令，通过信号电缆接入数据采集及控制装置2的DI、DO模块。
超声波除垢设备4、旋流除垢装置6、显示操作系统1、数据采集及控制装置2、电源控制设备5和凝汽器3通过如上所述的拓扑网络，构成一个完整的凝汽器在线超声旋流除垢装置，通过超声波除垢设备4发出的超声波和旋流除垢装置6产生的旋流两种物理方法，清除凝汽器3管壁的软硬垢。
如图2所示，所述超声波除垢设备4主要包括脉冲电源7和换能器8，换能器8固定在凝汽器3的水室内和水室外，内外结合安装可以使换能器8振波能量就近到达垢层表面，所述脉冲电源7通过线路连接到换能器8。
所述水室内的换能器8连接到脉冲电源7的线路通过引线密封组件密封穿入水室内。
如图5所示，所述脉冲电源7是把AC220V的工频电压转换成驱动换能器的高频电压，频率一般为8Hz-35Hz，最佳频率为12Hz-25Hz；所述脉冲电源7由电源模块、脉冲发生模块、MCU模块、功率放大模块、数据采集模块、反馈电路、显示电路、调节电路组成；所述电源模块并行连接到脉冲模块、MCU模块、功率放大模块、数据采集模块、显示电路，并为脉冲模块、MCU模块、功率放大模块、数据采集模块、显示电路提供电能；所述脉冲模块可使用计算机控制的任意波形发生器，该任意波形发生器可由MCU模块上的输出功能自动调谐。也可以通过脉冲软件控制任意波形发生器，将脉冲频率调节到变换器共振频率而使超声输出最大化，将脉冲分量调节成使磁致伸缩效应最大化；所述功率放大模块使用四集成栅双极晶体管，进行全桥功率放大，对脉冲信号进行功率放大；所述数据采集模块主要采集换能器的工作参数和工作状态信号，反馈给上位机；所述显示电路是在输出电路上取信号，通过分压整流滤波后驱动二极管，显示换能器的工作状态；所述调节电路是调节微处理器的脉冲发生时间，改变脉冲模块的频率和分量，脉冲电源的工作频率、功率密度、通过该电路进行调节并直接显示调整数值，调节电路由微动开关、显示驱动电路、显示电路组成，可以显示累计工作时间，具有就地与远方调试功能。所述反馈电路是在功率放大模块上取信号，通过分压整流滤波后反馈到MCU模块，进行工作状态监视，根据程序设定值，对过压、过流进行保护，同时，该MCU模块还开发了非故障状态下自启动程序。
所述脉冲电源7的箱体由外壳、底板和配电板组成。在配电板上安装各单元模块(电源模块、脉冲发生模块、功率放大模块、数据采集模块、反馈电路)，在箱底板上安装开关、输出插头、调节端子、显示电路。在箱体前面开有显示电路指示灯显示窗口，其中：第一个灯为电源指示灯，其它灯为换能器工作指示灯，工作指示灯和换能器数量相同，并一一对应。散热风扇组件安装在电源箱底部或箱体两侧。
所述本发明设计了6个型号的脉冲电源7，即：一台脉冲电源驱动2只换能器、驱动3只换能器、驱动4只换能器、驱动6只换能器、驱动9只换能器、驱动12只换能器。
所述脉冲电源7还设有一个频率与功率密度调试仪器，就是将调节电路外置出来，装在一个独立壳体内，对脉冲电源进行现场调试。
所述频率与功率密度调试仪器频率调试功能：把频率与功率密度调试仪器通过专门的引线插入脉冲电源的接口，按动频率调试按钮，控制指令进入脉冲发生模块，改变脉冲发生时间，把原设定值为新设定值，实现频率调试的目的；具有功率密度调试功能：把频率与功率密度调试仪器通过专门的引线插入脉冲电源的接口，按动功率密度调试按钮，控制指令进入脉冲发生模块，改变脉冲分量，把原设定值为新设定值，实现功率密度调试的目的。
如图3所示，所述换能器8主要包括变幅器9、磁致变换器10、密封接头11、保护冷却套12，变幅器9一端密封套接保护冷却套12一端，保护冷却套12内设有磁致变换器10，所述磁致变换器10与变幅器9的端面固定，所述保护冷却套12另一端密封设有上盖13，所述保护冷却套12的侧面设有密封接头11，或上盖上设有密封接头11，密封接头11内设有接线端子，脉冲电源7通过接线端子引入磁致变换器10，产生磁致效应，通过变幅器9放大后，转换成超声波，进行除垢。
所述变幅器9是具有纵轴的固态金属细长体，能够传导并放大超声波振幅而耐疲劳的金属整体材料，该材料可以是合金铝，也可以是合金钢或碳钢；通过机械加工或铸造的方式实现。
如图6所示，所述变幅器9是两端横截面不同的圆柱体结构，所述横截面小的圆柱体与横截面大的圆柱体的过渡处为直径渐变结构，直径渐变结构两端的横截面百分比为10-90％，所述直径渐变外形的边缘线与圆柱体中心线的夹角为5°-90°。变幅器长度为50-800mm，最大直径为Φ10-160mm。
如图7所示，所述磁致变换器10是由环状多片磁致材料叠加在一起，长度为45-300mm，宽度为15-100mm。：磁致变换器10缠绕有导电线圈，且线圈按一定的顺序排列，当在线圈上施加电压时，在环中产生磁致效应。
所述磁致变换器10可由脉冲电压驱动，脉冲可以是任意波形，驱动电压为AC220V或AC380V，驱动功率为0.25kw-15kw，驱动频率为8kHz-35kHz，最佳频率为12kHz-25kHz。
如图8所示，所述保护冷却套12，采用金属圆管作为保护套管，在管的端面或侧面设计了防水密封接头。圆管的尺寸为Φ30--110mm，该件的长度为50-300mm，表面做防腐处理。通过焊接或粘结、压接与换能器连接在一起，具有密封、承压、耐腐蚀的特点。
所述引线密封组件是把脉冲电源线通过专门设计的密封装置引入凝汽器3水室内，与换能器7连接，把脉冲电压接入换能器7，使之振动工作。根据凝汽器3的换热面积和安装方式，本发明设计为3个型号：单引线管式，多引线接线主盒式，多引线接线主盒分盒式；单引线管式直接和换能器连接在一起。多引线接线主盒式则是把电源线引入接线盒，在通过分线管和换能器连接在一起。多引线接线主盒分盒式是为了安装更多的换能器，是把电源线引入接线主盒后，再接到各个接线分盒，最后通过分线管和换能器连接在一起。
如图9所示，所述单引线管式的引线密封组件包括引线管18和密封接头19，所述引线管18一端设有密封接头19，通过密封接头19将引线管18连接到换能器8；所述引线管18在凝汽器3的壳体上密封穿过，与凝汽器3之间的密封可以是焊接，也可以是法兰或螺纹连接。一端引向水室外侧，另一端引向水室内侧，通过密封接头19与换能器连接，完成换能器脉冲电压的密封接线。引线管18可以是金属硬管、也可以是金属软管、高压橡胶管或工程塑料管。引线管18的规格为Φ10--40mm，长度为管外侧端面到内侧换能器接头处，具有密封、承压、耐腐蚀的特点。
如图10所示，所述多引线接线主盒式的引线密封组件包括引线主管20、接线主盒21、分线管22，所述引线主管20密封穿过凝汽器3的壳体，与凝汽器之间的密封可以是焊接，也可以是法兰或螺纹连接，所述凝汽器3内的引线主管20末端密封连接接线主盒21，所述接线主盒21的端面或侧面上设有多个(2-36个不等)分线管22，分线管22一端通过密封接头连接在接线主盒21上，分线管22另一端通过密封接头连接换能器8，完成多个(2-36个不等)换能器脉冲电源的密封接线。所述引线主管20、分线管22可以是金属硬管、也可以是金属软管、高压橡胶管或工程塑料管。引线主管20的规格为Φ30--200mm，长度为凝汽器3外侧到内侧接线主盒21。分线管22的规格为Φ10--40mm，长度为从接线主盒21到换能器8接头处。都具有密封、承压、耐腐蚀的特点。
采用硬管的引线主管20和分线管22可以设计成伸缩式结构，便于调整换能器8的安装位置。
接线主盒21的外形可以是圆柱型，也可以是多边柱体型，可以选用金属材料，也可以选择工程塑料。外形尺寸为：周长150-1200mm，高度60--200mm。
如图11所示，所述多引线接线主盒分盒式的引线密封组件包括引线主管20、接线主盒21、分线管22、引线分管23、接线分盒24，所述引线主管20密封穿过凝汽器3的壳体，与凝汽器3之间的密封可以是焊接，也可以是法兰或螺纹连接，所述凝汽器3内的引线主管20末端密封连接接线主盒21，所述接线主盒21的端面或侧面上密封连接多个(2-10个不等)引线分管23，所述引线分管23末端通过密封接头连接接线分盒24，所述每一个接线分盒24的端面或侧面密封连接多个(2-24个不等)分线管22，所述分线管22末端通过密封接头连接换能器8；所述引线主管20、引线分管23、分线管22可以是金属硬管、也可以是金属软管、高压橡胶管或工程塑料管。引线主管20的规格为Φ60--300mm，长度为凝汽器外侧到内侧接线主盒21。引线分管23的规格为Φ30--100mm，长度为接线主盒到接线分盒24。分线管22的规格为Φ10--40mm，长度为从接线分盒到换能器8。都具有密封、承压、耐腐蚀的特点。
采用硬管的引线主管20、引线分管23和分线管22可以设计成伸缩式结构，便于调整换能器的安装位置。
所述接线主盒21、接线分盒24的外形可以是圆柱型，也可以是多边柱体型，可以选用金属材料，也可以选择工程塑料。接线主盒21外形尺寸为：周长300-1600mm，高度60--200mm。接线分盒24外形尺寸为：周长150-1200mm，高度60--200mm。
如图4所示，所述旋流除垢装置6由加压装置14、变幅器9、气旋控制装置15、连续流反应器16、旋流导向喷出装置17组成，所述加压装置14通过螺丝锁固在连续流反应器16一端，连续流反应器16另一端通过螺丝锁固旋流导向喷出装置17，所述连续流反应器16至少设有三个以上的相通的独立空间，连续流反应器16内设有变幅器9，所述变幅器9密封连接到气旋控制装置15。
所述旋流除垢装置6的旋流导向喷出装置17部分安装在凝汽器的水室内，所述加压装置14是由电机拖动的旋叶式结构，对进入前室腔内的循环水进行加压，然后进入连续流反应器16。循环水先后进入连续流反应器16的1室、2室再进入3室，在连续流反应器16内的超声波变幅器8的作用下，连续流反应器16的1室内壁圆周上和两个端面都在同步振动，把循环水拉裂而形成无数极微小的局部空穴和气泡，循环水尔后进入2室，被继续拉裂而形成更多的极微小的局部空穴和气泡，尔后进入3室，产生更多的气泡，完成气泡的叠加产生过程。气泡在循环水单位体积内的数量，还可以通过气旋控制装置15和超声波的输出功率来实现。
生成气泡的循环水进入旋流导向喷出装置17，该装置将循环水在装置内部进行旋流，在端部开有4个45度的喷口，生成气泡的循环水经这4个喷口按切线方向呈45度喷出，进入循环水，搅动循环水也产生旋流，并将大量的气泡扩散到循环水中，当气泡破裂时，会产生能量极大的冲击波，将水垢一点一点的击碎并随水流冲走。冲击波同时在水体中产生紊流，破坏了微生物细胞膜的离子通道，改变了细胞适应的内控电流和生存所需的环境条件，同时激励后的水分子能将水中溶解氧包围封锁，切断了微生物进行生命活动所需氧的来源，杀菌灭藻。
在这些气泡的周围，形成许多的结晶中心，在水中开始形成硬盐，形成细小的沙状物，即产生超声“凝聚”现象，增加水分子的活性和融垢能力，水中成垢离子在前端水室即进入“微晶”诱导期，使其离子结合力增大，加快絮凝速度，降低成垢离子的数量。循环水在旋流装置的作用下，呈旋转状进入冷却管，在气泡和旋流的双重作用下，将附着在管壁上的软垢带走。
根据需要，可以设计成30T/H、90T/H、220T/H、400T/H等多个参数。
所述显示操作系统1安装在操作室内，采用工业级计算机，显示操作系统1通过专用的软件开发了视窗操作系统；具有在线实时监测循环水中各项化学指标和化验指标(PH值、电导率、总硬度、总碱度、浓缩倍率、离子饱和度、晶核密度)，监测凝汽器各项运行参数(循环水进出口温度、压力、流量，排气温度，凝汽器真空)，监测凝汽器除垢装置各单元工作状态。
根据监测数据，通过调整旋流装置的气旋控制装置和超声波的输出功率来增加水的真空气泡数量、增加水分子的活性和融垢能力，水中成垢离子在前端水室即进入“微晶”诱导期，使其离子结合力增大，加快絮凝速度，降低成垢离子的数量。
根据凝汽器的端差、真空等运行参数，自动调整除垢设备的运行方式(感应场强、对应布点、功率密度、谐振幅值)，实现最优化除垢。
显示操作系统1具有数据存储与查询功能，对凝汽器、循环水和除垢设备的运行参数、监测数据、运行状态进行存储，对一次参数采集仪表和除垢设备故障进行在线监测、提示与报警，便于故障的查询和分析。
所述数据采集及控制装置2采用工业级的PLC搭建，安装在操作室内，通过RS485总线与显示操作系统构成通讯网络。即可以组成独立控制网络，又可以并入其它DCS网络。数据采集及控制装置配置模拟量和开关量输入输出模块，输入输出的模拟量和开关量点数依据实际需控制点数而定；一次原件由各参数采集仪表(凝汽器运行参数仪表、循环水监测仪表)组成，主要采集循环水进出口温度、压力、流量、PH值、电导率、总硬度、总碱度、浓缩倍率、离子饱和度、晶核密度，凝汽器排气温度，凝汽器真空；通过信号电缆接入数据采集及控制装置的AI模块。开关量输入模块主要采集脉冲电源和旋流除垢装置的工作状态信号，开关量输出模块输出对脉冲电源和旋流除垢装置的启停指令，通过信号电缆接入数据采集及控制装置的DI、DO模块，完成除垢系统的数据采集和控制指令的发出。
所述电源控制设备5由空气开关、交流接触器、启动及停止按钮、电流表计、电压表计、多路信号变送器、继电器、机箱等组成。上述器件在专业厂家选购，组装配线。1-10路控制，输出功率0.5-25KW。主要功能一是给脉冲电源供电，二是给旋流除垢装置供电，三是将各用电设备的工作状态信号发送给数据采集装置，四是接受显示操作系统的启停控制指令。
本发明与不同除垢方法的优缺点对比表
本发明与其它超声波除垢方法的差异性对比汇总表
以上，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围的内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。
所述本发明的实际应用是以凝汽器为例，其它类型的换热设备如：冷油器、空冷器、壁冷器、热网加热器、板式换能器、四效蒸发器、蒸汽发生器、冷却器、反应釜、容器、管道、锅炉等都应涵盖在本发明的保护范围的内，并以权利要求所界定的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种凝汽器在线超声旋流除垢装置，主要由超声波除垢设备、显示操作系统、数据采集及控制装置、电源控制设备组成，所述显示操作系统和数据采集及控制装置通过RS485总线连接，数据采集及控制装置分别连接到超声波除垢设备、旋流除垢装置、电源控制设备、凝汽器；所述超声波除垢设备固定在凝汽器上，其特征在于：所述在线超声旋流除垢装置还包括旋流除垢装置，旋流除垢装置固定在凝汽器上，所述旋流除垢装置通过线路连接到电源控制设备；所述凝汽器通过超声波除垢设备发出的超声波清除凝汽器管壁的硬垢，同时通过旋流除垢装置产生的旋流清除凝汽器管壁的软垢，实现两种物理方法在线清除凝汽器的硬垢和软垢。
2.根据权利要求1所述的凝汽器在线超声旋流除垢装置，其特征在于：所述旋流除垢装置由加压装置、变幅器、气旋控制装置、连续流反应器、旋流导向喷出装置组成，所述加压装置是由电机拖动的旋叶式结构，加压装置锁固在连续流反应器一端，连续流反应器另一端锁固旋流导向喷出装置，所述连续流反应器至少设有三个以上的相通的独立空间，连续流反应器内设有变幅器，所述变幅器密封连接到气旋控制装置；所述旋流导向喷出装置端部开有四个45度的喷口；所述旋流除垢装置的旋流导向喷出装置固定在凝汽器内。
3.根据权利要求1所述的凝汽器在线超声旋流除垢装置，其特征在于：所述超声波除垢设备主要包括脉冲电源和换能器，换能器固定在凝汽器的水室内或水室外，内外结合安装使换能器振波能量就近到达垢层表面。
4.根据权利要求3所述的凝汽器在线超声旋流除垢装置，其特征在于：所述水室内的换能器连接到脉冲电源的线路通过引线密封组件密封穿入水室内，所述脉冲电源通过线路连接到换能器。
5.根据权利要求3或4所述的凝汽器在线超声旋流除垢装置，其特征在于：所述换能器主要包括变幅器、磁致变换器、保护冷却套、密封接头，变幅器一端密封套接保护冷却套一端，保护冷却套内设有磁致变换器，所述磁致变换器与变幅器的端面固定，所述保护冷却套另一端密封设有上盖，所述保护冷却套的侧面设有密封接头或上盖上设有密封接头，密封接头内设有接线端子，脉冲电源通过接线端子引入磁致变换器，产生磁致效应，通过变幅器放大后，转换成超声波，进行除垢。
6.根据权利要求3所述的凝汽器在线超声旋流除垢装置，其特征在于：所述脉冲电源主要包括电源模块、脉冲模块、MCU模块、功率放大模块、数据采集模块、反馈电路、显示电路、调节电路；所述调节电路独立外置，具有现场工作频率、功率密度调试功能；所述反馈电路是将功率放大模块的信号反馈到MCU模块，进行工作状态监视和对过压、过流进行保护；所述MCU模块内置非故障自启动程序和累计工作时间显示功能。
7.根据权利要求4所述的凝汽器在线超声旋流除垢装置，其特征在于：所述引线密封组件包括引线管和密封接头，所述引线管一端设有密封接头，通过密封接头将引线管连接到换能器；所述引线管在凝汽器的壳体上密封穿过，与凝汽器之间的密封为焊接或法兰或螺纹连接；引线管一端引向水室外侧，另一端引向水室内侧并通过密封接头与换能器连接；所述引线管为金属硬管或金属软管或高压橡胶管或工程塑料管，引线管的直径为Φ10--40mm。
8.根据权利要求4所述的凝汽器在线超声旋流除垢装置，其特征在于：所述引线密封组件包括引线主管、接线主盒、分线管，所述引线主管密封穿过凝汽器的壳体，与凝汽器之间的密封为焊接或法兰或螺纹连接，所述凝汽器内的引线主管末端密封连接接线主盒，所述接线主盒的端面或侧面上设有多个分线管，分线管一端密封连接在接线主盒上，分线管另一端密封连接换能器；所述引线主管、分线管为金属硬管或金属软管或高压橡胶管或工程塑料管；所述引线主管的直径为Φ30--200mm；所述分线管的直径为Φ10--40mm。
9.根据权利要求4所述的凝汽器在线超声旋流除垢装置，其特征在于：所述引线密封组件包括引线主管、接线主盒、引线分管、接线分盒、分线管，所述引线主管密封穿过凝汽器的壳体，与凝汽器之间的密封为焊接或法兰或螺纹连接，所述凝汽器内的引线主管末端密封连接接线主盒，所述接线主盒的端面或侧面上密封连接多个引线分管，所述引线分管末端密封连接接线分盒，所述接线分盒的端面或侧面密封连接多个分线管，所述分线管末端密封连接换能器；所述引线主管、引线分管、分线管为金属硬管或金属软管或高压橡胶管或工程塑料管；所述引线主管的直径为Φ60--300mm，所述接线分管的直径为Φ30--200mm，所述分线管的直径为Φ10--40mm。
10.根据权利要求1所述的凝汽器在线超声旋流除垢装置，其特征在于：所述在线超声旋流除垢装置用于冷油器、空冷器、壁冷器、热网加热器、板式换能器、四效蒸发器、蒸汽发生器、冷却器、反应釜、容器、管道、锅炉的在线超声旋流除垢。
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