电厂凝汽器加装在线清洗机器人装置.docx

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电厂凝汽器加装在线清洗机器人装置

华润电力首阳山有限公司

凝汽器加装在线清洗机器人装置

可行性方案

郑州赛为机电设备有限公司

二O一六年七月

凝汽器加装在线清洗机器人装置

可行性方案

一、背景及必要性

1、背景

凝汽器是煤电机组重要的冷端设备，凝汽器真空是衡量煤电机组效率的关键指标。

提高并保持机组最佳真空，是发挥660MW超超临界机组冷端设备经济性能，有效降低发电成本的有效路径之一，也是发电企业目前需要研究解决的重要课题。

影响凝汽器真空因素很多，如真空严密性、循环水量和水温、凝汽器清洁系数等，在真空严密性合格、循环谁系统相同运行工况下，清洁系数直接影响到凝汽器真空指标。

以660MW机组为例，新管清洁系数为0.90，如果管内垢厚0.10mm,清洁系数就会降至0.75，真空降低约0.6kPa,影响煤耗1.6g/kwh；泥垢厚度0.20mm，清洁系数就会降至0.57，真空降低约1.8kPa,影响煤耗4.8g/kwh。

对一般大型煤电机组来说，不同程度地存在泥垢或清洗方面的问题，机组运行中清洁系数一般在0.7左右，有的长期在0.6以下运行，可见清洁系数对机组经济性影响是比较明显的。

随着国家环保政策的加强和落实，新建电厂循环水大多采用城市中水等二次用水，来水的COD及离子含量普遍偏高，水质不稳定，凝汽器运行中极易沉积泥垢，长期结垢不仅会造成换热效率降低，汽轮机热耗增加，而且长时间结垢还会造成换热管内壁发生电化学腐蚀，导致换热管穿孔泄漏，使用寿命缩短。

冷却水泄漏还会污染机组的汽水品质，造成锅炉结垢，燃烧效率下降，严重时导致锅炉爆管事故，影响机组安全运行。

因此，提高并保持凝汽器换热管清洁度，对发电机组的安全经济运行十分重要。

现有的胶球清洗技术属于常规清洗技术，由于胶球是随机分布，受循环水质和流速影响较大，尤其是大型机组大部分时间采用单泵或低速循环泵运行，循环水流速长期低于设计流速，导致胶球堵塞管口，收球率降低，泥沙更加容易沉积，造成循环水水阻增大等问题。

因此，常规胶球清洗系统不仅清洗效果差，而且一旦胶球系统故障或收球率降低，凝汽器就没有有效的清洗手段，只能等待停机处理，随着机组长期运行和热交换，泥垢容易变成硬垢，严重时须采用化学清洗，给机组带来更大的经济损失。

2、运行现状

1、设备基本情况

首阳山电厂建设2×600MW容量燃煤超临界发电机组、一次中间再热、单轴、三缸双排汽、凝汽式汽轮机，配套东方汽轮机厂生产的N-38000型单壳体、双流程、表面式凝汽器，采用地表水和城市中水作为循环水补充水。

循环水系统采用闭式循环方式，每台机配置2台混流式循环泵，冬季采用低速泵运行。

循环泵前池装有平板滤网，无二次滤网设备，由于冬季结冰或填料老化破碎等原因，容易产生填料碎片堵塞凝汽器管口。

循环水补水采用城市中水作为补充水，除了钙镁离子含量较高外，COD等有机物指标也比较高，容易产生生物泥垢和硬垢。

每台机组配套两套国产胶球清洗系统，大部分时间胶球收球率可达90%以上，其它季节收球率偏低，尤其是冬季低速循环泵运行时，胶球收球率更低，每月需要定期开启高速循环泵回收胶球。

机组停机没有清洗手段，只能在计划检修中安排人工清洗。

每次清洗费用大约8万元左右，耗时10天左右。

以下是机组检修中检查照片，管板和管口内部均有一层0.1-0.2mm的粘泥，有的换热管已经结有硬垢。

图1进水侧图2出水侧

分析原因：

一是循环水来水存在问题：

由于循环水来水水质不稳，含泥量较大，循环水质控制难度较大，冷凝管容易产生较厚的泥垢；二是循环水中杂物较多，流速长期偏低运行：

循环水中填料碎片和胶球易堵塞管口，不仅影响胶球通行，还会造成凝汽器水阻加大，循环泵电耗增加，再加上循环水流速长期偏低，尤其是冬季采用单台循环泵运行方式，泥沙或微生物更加容易沉积；三是胶球清洗系统问题：

传统的胶球清洗系统更易出现收球率低、低流速下堵塞冷凝管并造成泥垢沉积等问题，而且一旦胶球系统故障，凝汽器就失去在线清洗手段，长期泥垢沉积会导致硬垢产生，导致凝汽器换热效率下降。

因此，胶球系统不能满足大机组对凝汽器更高清洁度的要求。

以600MW机组为例，凝汽器泥垢厚度大约在0.1-0.2mm，加上结垢及胶球堵塞问题，夏季就会影响机组真空在1.0kPa左右，全年平均影响真空0.6kPa，每年多消耗煤炭4000多吨，增加CO2排放10000余吨，因此，对机组的经济性和环境影响较大。

因此，现有的清洗技术远不能满足大型机组经济运行的需要，凝汽器作为汽轮机重要的冷端设备，需要重视其清洁系数对机组经济指标的影响因素，采取切实有效的措施，对提高大机组运行经济性和安全性具有重要的意义。

二、国内外调研报告：

近几年，汽轮机冷端节能技术受到业界的高度重视，国家发改委在《2014-2020煤电机组深度节能行动计划》中，明确把汽轮机冷端设备的先进节能技术作为重点推广项目。

根据目前情况，国内外凝汽器清洗技术包括以下几类：

1、传统凝汽器清洗技术

凝汽器胶球系统是目前最常规的清洗方式，属于电厂标准配置。

胶球清洗系统虽然在一定程度上能够缓解凝汽器结垢问题。

但是在大容量煤电机组使用中，经常存在以下几方面问题。

①收球率偏低。

由于中大型机组凝汽器采用新型水室结构，循环水管路规格较大，水力流场复杂，胶球清洗系统故障率较高，容易存在收球率低、堵球、跑球等问题，见图一。

②清洗效果差。

由于胶球清洗系统是按冷凝管数量的一定比例投加胶球，进入凝汽器是随机分布，无法对所有冷凝管进行清洗。

此外，水质、胶球质量、循环水杂物堵塞等，均会造成部分冷凝管长期得不到清洗而集聚泥垢。

③运行和维护工作量较大。

由于胶球清洗系统的加球、收球、查球、筛选等程序均靠人工操作，自动化程度较低，运行操作比较繁琐，缺陷也比较多，维护工作量大，消耗人力和材料。

2、大比例胶球清洗技术

近几年，胶球清洗系统也出现一些新的改进和发展。

如国内某公司或以色列CQM采用大比例（加球率100%）的集中发球胶球清洗系统，原理是通过压缩气体和大容量胶球泵，将大比例胶球同时注入凝汽器，靠胶球压差自动分布管口，达到清洗覆盖率提高的目的。

此类技术需要更换传统的胶球清洗系统与控制系统，占用场地大，施工量较大，在胶球加球量、收球网、控制技术方面有了较大改进。

如华润南京热电厂、浙能嘉兴电厂等厂就是采用此类技术。

600MW机组改造费用在400万元左右，运行中需要消耗胶球。

从使用效果考察情况看，真空提升效果与传统胶球系统相当。

3、凝汽器在线清洗机器人技术

随着现代科技的不断进步和工业机器人技术的快速发展，国内也推出了多种凝汽器在线清洗机器人技术，进入实际应用的有高压水驱动式软管清洗机器人和WSD（水蜘蛛式）凝汽器在线清洗机器人两种技术。

前者利用安装在凝汽器水室内部的机械臂和定位系统，采用20MPa压力的高压除盐水驱动冲洗软管前行冲洗，利用绞盘回收软管，对换热管进行全过程冲洗。

如大唐南京热电厂，扬州二电厂采用该技术，600MW费用在600万元左右。

由于该技术应用高压水软管逐根换热管冲洗，存在着清洗时间过长（600MW机组完成一次清洗大约10天以上），清洗覆盖率低（约70%左右），尤其是系统可靠性较差（如高压软管容易卡死和磨损破裂等），投资额较大，且需要消耗宝贵的除盐水。

因此，该技术业绩尚不够成熟。

4、WSD（水蜘蛛式）凝汽器在线清洗机器人技术

该技术是国内大机组推广应用比较成熟的凝汽器在线清洗技术。

其采用水蜘蛛仿生机器人技术，将精细化生产方式应用到电力清洁生产中，形成了集在线水冲洗、化学清洗、气水脉冲清洗、通风保养于一体的清洗工作模式，采用一键启动，实现了凝汽器等冷端设备精细化管理和便捷运行。

原理：

通过计算机程序协调控制供水装置和清洗机器人装置，采用外部移动电机带动凝汽器内部的机器人装置定向行走，多功能泵组通过水力机械臂向机器人清洗机构提供（1.5-2.0）MPa的中压水，经喷嘴组喷出后在冷凝管口形成若干喷射泵，快速增加管内循环水流量，确保换热管内部流速在一定时间内达到（4-5）米/秒的流速和紊流状态，从而加快管内水和泥垢的流速，使泥垢逐渐剥离随水流冲走，保持凝汽器内部长期清洁。

其主要有以下特点：

①可靠性高。

由于采用了高密封性、高可靠性设计，机器人构造合理，导向稳定，采用外部伺服驱动与感应机构，凝汽器内部不存在复杂的电气和易损设施，设备耐腐蚀性和耐水力扰动性强，正常运行不产生明显的水阻。

②清洗效率高。

采用大流量喷嘴组逐排冲洗技术，喷嘴与管口一一对应，与常规高压水单只喷嘴清洗相比，清洗速度高数百倍，清洗时间短（大机组清洗一次大约4小时左右），适应于运行中定期清洗。

③清洗效果好。

智能化控制，逐行（排）点对点冲洗，清洗覆盖率达98%以上，具有全方位精准清洗的特点，不存在传统的漏洗和堵塞问题，可保持凝汽器长期清洁高效运行。

④智能化程度高。

采用PLC控制和触摸屏控制按钮，一键启动，自动运行/停止，数据记录与保护功能齐全，清洗状态检测，实时判断清洗状态，人机画面友好。

⑤较强的延展性功能。

通过管路走向设计和泵站设置，可实现凝汽器检修中气水脉冲冲洗，化学加药清洗，停机通风保养等功能，解决凝汽器硬垢和粘泥问题，节约检修清洗费用。

⑥运行成本低。

除每次消耗数XX电外无需其它材料消耗，运行操作简单，维护工作量少。

以下是东方600MW机组凝汽器在线清洗系统效果图。

图3600MW机组凝汽器在线清洗系统示意图

该技术应用业绩比较多：

如豫能天益电厂（600MW，闭冷）、华润常熟#1、2、3机组（3×600MW，江水直流）、张家港沙洲电厂#1、2机组（2×630MW，江水直流）、镇江电厂（2×630MW，江水直流）、大唐鲁北电厂#1、2机组（2×300MW，海水直流）、华润登封电厂（600MW，闭冷）、华电莱州电厂#1、2机组（1050MW，海水，直流）等十多台大机组上成功应用。

上述电厂真空提升（0.5-1.2）KPa不等，夏季真空提高幅度相对较大，尤其是采用单台循环泵或低速泵运行时，可明显提高胶球收球率和凝汽器真空，节能效果明显。

该技术运行方便，可靠性高，维护工作量较少，深受电厂人员好评。

近期，我们重点调查了华润登封电厂（东方600MW，中水，闭式冷却）和江苏镇江电厂（上海630MW，江水，直流）加装WSD凝汽器清洗机器人后运行情况，以下是华润登封电厂#3机凝汽器WSD在线清洗装置现场实物。

图4WSD在线清洗上水系统图5WSD在线清洗机器人喷嘴对孔准确

图6WSD在线清洗控制系统图7WSD多功能清洗泵站

以下是江苏镇江电厂#1、2机组凝汽器在线清洗现场情况

图8WSD在线清洗上水系统图9WSD装置停机清洗工作状态

图10WSD装置投运前图11WSD装置投运后

三、项目建议

结合我公司机组的实际，由于设计采用城市中水，配套国产胶球清洗系统，相对每台凝汽器来说就是单套胶球清洗装置，一旦胶球系统故障，或者出现收球率低等问题，凝汽器没有备用清洗手段，而且无法解决机组低负荷或循环水低流速工况下管口胶球和杂物堵塞等问题，因此，建议加装WSD凝汽器在线清洗机器人装置。

在不改变原有胶球清洗系统设计的基础上（也代替胶球系统），在凝汽器水室内部加装WSD在线清洗机器人装置，采用顺流布置方式，零米增加一套多功能清洗泵站和控制柜，自循环水连通管或开冷水母管引出水源进入泵站，经泵站升压后送至机器人清洗机构，采用就地与远方控制相结合方式，实现凝汽器运行中在线水冲洗和停机后及时冲洗。

该项目优点：

不改变原有系统和凝汽器结构设计，结构紧凑合理，运行可靠性高，自动化程度高，投入产出也比较高，应用业绩成熟，尤其适合管口经常有杂物堵塞的机组。

该技术作为先进的凝汽器真空提高与保持节能技术，其应用不仅为大容量机组凝汽器清洁高效运行提供了高可靠性的在线清洗手段，弥补胶球清洗系统存在的不足，尤其是在循环水低流速工况下，冲走管口堵塞物和管内泥垢，提高胶球收球率和凝汽器清洁度，在提升凝汽器换热效率的同时，充分发挥低负荷低流速工况下循环泵节电效益，对于有效提升机组整体经济运行水平有着深远的意义。

四、构成和内容：

1、项目要求

1）项目采用的WSD凝汽器在线清洗机器人技术是先进的，可靠的，经济的，业绩成熟的技术，完全能够满足660MW机组凝汽器定期在线清洗和停机清洗的需求。

2）项目采用数字化控制技术的点对点逐排冲洗技术，清洗覆盖率超过98%，最大程度上清除换热管内积存泥垢，甚至是硬垢。

在确保清洗效果的前提下尽可能减少冲洗时间，达到节能降耗的目的。

3）项目由多功能泵站、WSD清洗机器人装置、控制柜与传感系统、清洗管路系统构成，完全能够满足现场安装条件，在安装施工过程中不损坏凝汽器原设备部件。

4）项目的控制方式以就地/远方操作方式，设置多机自动/单机自动方式功能，机器人传动机构设置多重保护,采用伺服马达控制位移速度和方式。

控制柜采用带液晶显示单元的PLC控制，程控柜防护等级为IP54。

5）项目采用PLC控制和触摸屏控制按钮，一键启动，自动运行/停止，数据记录与保护功能齐全，人机画面准确清晰。

6）项目的整体使用寿命不低于20年，年运行小时数将不低于5000小时。

机械设备大修周期不少于5年，电子元器件及易损件寿命不低于2年，日常投用故障率低，维护工作量少，设备整体性能可以满足机组检修周期要求。

2、系统配置和参数

1）在HP和LP凝汽器进水室分别安装一套WSD凝汽器清洗装置，采用双驱动顺流水平移动清洗方式。

四套机器人装置并联布置，逐列清洗，配用一套供水装置和控制系统。

2）供水装置采用ZD200-50×4型大流量、高扬程、自平衡多级离心泵，优质不锈钢结构，配套精密自动过滤器，清洗水源取自电厂循环水供水母管（或凝汽器联络管）。

泵站设置自动再循环，防止水泵频繁启动造成管道冲击。

3）清洗泵站配置380V节能型电机，预留消防水、压缩空气和化学加药接口。

泵站配置一套气-水-药液三相脉冲混合发生器，能实现化学加药清洗和停机后气水脉冲清洗功能。

4）清洗系统配置高性能不锈钢电动控制阀门，采用西门子等进口品牌电动执行机构，系统供水母管和支管道分别设置手动隔离球阀，电动阀门具有开关灵活、启动稳定、方便检修特点。

5）传动电机选用台达进口品牌伺服电机，配套机器人专用谐波减速机，传动轴端部密封采用稀油（或油脂）润滑的组合式轴承+机械密封，确保密封严密，运转可靠。

6）控制方式以就地PLC控制、多机自动/单机自动方式为主，采用数字化智能控制方式。

适时采集移动电流、转矩、位移、水压等指标，形成历史记录和曲线，方便管理和分析。

7）在控制柜设置远方通讯线路接口，方便电厂将控制画面和参数引入DCS控制系统，实现远方控制和参数监督。

8）程控柜防护等级为IP54。

控制柜采用15寸液晶触摸屏显示和控制，一键操作按钮，控制机构设置过流、遇阻、防碰车三重保护,报警、操作记录记忆，配置“设置”、“帮助”等画面，人机画面友好。

9）采用GPRS技术，实现数据远程传输功能。

与厂家数据云服务平台连接，方便电厂技术分析和维护服务，软件远程升级服务。

10）现场加装运行维护平台，方便运行操作和维护。

3、性能参数

WSD凝汽器在线清洗机器人装置型号与形式：

WSD-600H-Ⅲ型智能、双驱动、顺流式、并列点对点逐排移动式

冲洗泵站：

ZD200-4×50型多级自平衡式

流量：

250t/h

冲洗压力：

2.0MPa

效率：

80%

电机功率185KW

转速：

2950r/min

电压380V

移动驱动马达：

双驱式功率1.5KW

转速：

2500r/min

电压：

380V

扭矩与速比：

7.16/100Nm

清洗电动阀门：

电压220V（380V），开启和关闭时间：

30s。

自动过滤器：

电压220V，开启和关闭时间：

（15-30）s，压差：

0.05-0.20MPa

清洗时间：

（4-5）小时/次。

具体根据现场需要可调。

凝汽器顺流清洗周期：

夏季：

每周3-4次；春秋季：

每周2次；冬季：

每周不少于1次。

具体视水质情况调整。

4、系统图纸

1）凝汽器在线清洗系统图

五、投资估算及概（预）算明细表：

1.单台机组投资估算表单位：

万元

工程前期费

施工费

设备费

其它费（试验、调试等）

材料费

工程总投资

2.安装工期：

单台机组需25-30天。

六、预期效果：

1、安全性分析：

项目改造后可提高胶球清洗系统收球率，增加凝汽器清洗手段，防止换热管结垢腐蚀泄漏导致的机组汽水平直下降问题，提高了机组运行安全可靠性。

3、经济性分析：

在真空严密性合格下，凝汽器平均真空可提高0.4kPa以上，煤耗降低1.2g/kwh进行计算。

以机组实际利用小时计算，按年发电量30亿kwh计算，年可节约标准煤3600吨，如标煤单价500元/吨，企业可年节约燃煤成本180万元。

按装置每年运行200次，每次耗电约600KWh，年耗电大约12万KWh，加上年度维护费用（主要是备件费），年运行成本10万元左右。

如按预算费用万元，投资回收期：

个月。

2、环保性分析：

按每燃烧1吨标准煤产生2.3吨二氧化碳，0.024吨二氧化硫，0.0074吨氮氧化物计算，则每台600MW机组经改造应用后：

年减排CO2为：

2.3×3600≈8280吨

年减排SO2为：

0.024×3600≈86.4吨

年减排NOx为：

0.0074×3600≈26.64吨

结论：

凝汽器加装在线清洗机器人可提高机组冷端设备可靠性和安全性，从而提高凝汽器冷却效率和真空指标，在降低机组煤耗、减少机组大气污染物排放的同时，充分发挥低负荷工况下循环水泵节电效益。

对于提升新机组节能减排水平，提高电厂经济性能具有重要的意义。