基于連桿機構的水射流鍋爐除垢裝置開發

李國韜

摘 要：水垢的存在不僅會降低鍋爐熱效率、增加其運行成本，同時水垢也是嚴重威脅鍋爐安全平穩運行的重要因素，其常常會引發鍋爐爐管的腐蝕、甚至爆管等安全事故。因此對鍋爐水垢高效、安全、低成本、環保的清洗是急需解決的問題，而現有的煮爐除垢技術、酸洗除垢技術、運行除垢技術等水溝清除方法存在成本高或污染環境等缺點。該文提出了一種基于連桿機構的水射流鍋爐除垢裝置，可以實現對鍋爐水垢高效、安全、低成本、環保的清除，力求對鍋爐除垢作業有所指導。

關鍵詞：連桿機構 水射流清洗 鍋爐除垢

中圖分類號：TK73 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）09（a）-0028-03

鍋爐作為工業生產和人民生活中普遍使用的設備，其廣泛用于工業用汽、加熱、發電等。目前，我國各類鍋爐數量總計超過65萬多臺，90%以上的工業鍋爐使用軟水作為供給水，但是多數沒有配置除氧器。由于鍋爐給水本身不純等原因，直接導致鍋爐的腐蝕、結垢等問題。水垢會降低鍋爐熱效率、增加運行成本，還會導致爐管腐蝕、甚至爆管等，嚴重影響生產和安全。除垢則是解決這些問題的最主要方法。

工業鍋爐常用的3種除垢技術：煮爐除垢、酸洗除垢、運行除垢，雖能在一定程度上減輕水垢的危害，但仍存在不足。如，煮爐除垢耗時長，除垢率最多達到80%；酸洗除垢雖除垢率高，但需大量化學清洗劑，耗費水資源，造成環境污染，且需專門清洗公司完成；運行除垢也需使用大量除垢藥劑。該文結合連桿機構以及水射流清洗技術，從節能、環保、效率和成本多方面考慮研究開發了一種基于連桿機構的水射流鍋爐除垢裝置，實現對水垢的高效、環保、低成本清除，力求對工業鍋爐除垢有所指導意義。

1 基于連桿機構的水射流鍋爐除垢裝置技術簡介

1.1 連桿機構

連桿機構是指由低副連接剛性構件組成的機構，其可以分為平面連桿機構和空間連桿機構。連桿機構在工程中使用比較普遍，如，活塞發動機、紡織機械、印刷機械、聯合收割機下割刀等[2]。連桿機構之所以被普遍使用，主要是因為具有如下優點：（1）連桿機構采用低副面接觸、承載大、便于潤滑、不易磨損，形狀簡單、易加工，容易獲得較高的制造精度。（2）連桿曲線豐富，可以滿足使用者不同要求。（3）連桿機構可以改變桿的相對長度，進而改變從動件運動規律。

1.2 水射流清洗技術

所謂水射流，是將普通自來水通過高壓泵加壓到幾十、數百乃至數千大氣壓力，然后通過特殊的噴嘴（孔徑只有1～2 mm）以極高的速度噴出的一股能量高度集中的水流。這一股一股的小水流如同小子彈一樣具有巨大的打擊能量，它能夠進行切割、清洗、滅火等多種作業。利用這種具有能量的水射流進行清洗作業即為水射流清洗技術。水射流清洗技術是近幾十年來迅速發展的一項新技術。作為清洗技術，水射流具有其獨特的優越性，如，洗效率高、成本低、清洗質量好、不損傷設備、不污染環境、操作方便、安全等優點[3]。同時，其工作介質成本低廉、水射流機構具有噴頭體積小、后坐力小、移動方便，水射流整套裝置體積小，方便運輸、安裝和拆卸等優點。

1.3 距離傳感器

傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。距離傳感器是檢測物體距離的一種傳感器。它可以通過超聲波、電磁感應技術、激光等來檢測物體間的距離，以輔助其他機構的正常工作與運行。距離傳感器有著無可比擬的作用，它常常被用來檢測事物的厚度、設備間的距離以及物體的速度等數據。

2 基于連桿機構的水射流鍋爐除垢裝置的原理、組成及工作過程

2.1 裝置的工作原理

基于連桿機構的水射流鍋爐除垢裝置綜合了連桿機構、水射流清洗、距離檢測等相關技術。其以連桿機構作為裝置的骨架，通過連桿機構的運動使裝置收縮進而進入鍋爐內部，再通過連桿機構的運動實現裝置的伸展，進而將水射流輸送到鍋爐內壁附近實現清洗，距離傳感器檢測水射流清洗部件與鍋爐內壁和鍋爐底部之間的距離，防止因水射流清洗部件與鍋爐內壁或鍋爐底部之間碰觸而堵塞水射流清洗部件或損壞鍋爐。

2.2 裝置的組成

基于連桿機構的水射流鍋爐除垢裝置主要由傘狀旋轉噴灑裝置、電控箱、電機、旋轉器、水射流接口器、導桿伸縮裝置、水泵、儲水箱、導桿等組成。傘狀旋轉噴灑裝置主要包括距離傳感器、拉伸器、鉸接環、分流器、導流管、拉桿、環形伸縮管、水射流噴嘴、導流腔和環形噴嘴器等。如圖1所示為基于連桿機構的水射流鍋爐除垢裝置的結構簡圖和機構單元的運動簡圖。

傘狀旋轉噴灑裝置的骨架是由多個機構單元（即對心曲柄滑塊機構單元）組成的。圖1中連桿b和曲柄a相當于拉桿、機架c相當于導桿、滑塊d相當于拉伸器。電控箱可以控制拉伸器沿著導桿移動進而控制傘狀旋轉噴灑裝置的張開程度；同時電控箱可以控制電機驅動旋轉器旋轉進而帶動傘狀旋轉噴灑裝置旋轉；電控箱進一步控制導桿伸縮裝置使導桿伸長或收縮。水泵可以把儲水箱中的水加壓后輸出，輸出的高壓水流（水壓在20～30 MPa之間）通過水射流接口器引入導桿，再通過導桿引流到分流器，再通過導流管、導流腔、環形伸縮管等到達環形噴嘴器，然后經水射流噴嘴噴出進行水垢清除作業。距離傳感器可以檢測水射流噴嘴與鍋爐內壁和鍋爐底部之間的距離，并借助于藍牙將信息傳遞給電控箱，防止因水射流噴嘴與鍋爐內壁或鍋爐底部之間碰觸而堵塞水射流噴嘴或損壞鍋爐。水射流接口器可以保證傘狀旋轉噴灑裝置在旋轉工作的過程高壓水的穩定供應。環形噴嘴器、導流腔和環形伸縮管的數量根據清洗對象的不同而有所不同，其具體數目主要根據所清洗鍋爐的內徑尺寸決定。一般而言，環形噴嘴器可以設置在8～20個之間，導流腔可以設置在4～6個之間，環形伸縮管可以設置在12～26個之間。環形噴嘴器、導流腔和環形伸縮管彼此交替連接組成封閉型圓環，三者在圓環上均勻布置。環形伸縮管是可伸縮的，同時環形噴嘴器上設置有20～50水射流噴嘴。拉桿分為兩種：一種一端鉸接于導流腔或環形噴嘴器，另一端鉸接于拉伸器；另一種一端鉸接于導流腔或環形噴嘴器，另一端鉸接于鉸接環。鉸接環固定設置在導桿末端。導流管的一端接于導流腔，另一端接于分流器。分流器固定設置在導桿末端，且導流管是可以收縮的。

2.3 裝置的工作過程

首先，電控箱控制拉伸器沿導桿移動進而減小傘狀旋轉噴灑裝置的張開程度，使其以較小姿態進入鍋爐內部；傘狀旋轉噴灑裝置進入鍋爐內部后，拉伸器再次沿導桿反向移動進而使傘狀旋轉噴灑裝置張開，距離傳感器檢測水射流噴嘴與鍋爐內壁之間，當水射流噴嘴達到合適位置傘狀旋轉噴灑裝置停止張開，做好清洗準備。然后，水泵將儲水箱中的水加壓后輸出，輸出的高壓水流通過水射流接口器引入導桿，再通過導桿引流到分流器，進而通過導流管、導流腔、環形伸縮管等到達環形噴嘴器，然后經水射流噴嘴噴出進行水垢清除作業。之后，電控箱控制電機驅動旋轉器使其旋轉進而帶動傘狀旋轉噴灑裝置旋轉；同時電控箱控制導桿伸縮裝置使導桿伸長或收縮，距離傳感器檢測水射流噴嘴與鍋爐底部之間防止碰觸。通過旋轉器的旋轉和導桿的伸縮使該裝置實現對鍋爐內部全方位、無死角的水垢清除作業。最后，清洗完畢，傘狀旋轉噴灑裝置收縮，導桿縮短進而從鍋爐中退出。

3 結語

該鍋爐水垢清除裝置的主要創新點在于：（1）水垢清除效率高且無污染，該裝置采用高壓水射流對水垢進行清除，能夠極大地提高清除效率和清除質量，且用水量很小，同時能減少或避免清潔劑的使用，避免環境污染和水資源浪費。（2）該裝置適應性強，該水垢清洗裝置的傘狀旋轉噴灑裝置是可展收和可旋轉的，且其導桿是可收縮的，針對不同內徑的清洗對象，該裝置可以調整其大小以適應工作對象。未來，可以對該鍋爐水垢清除裝置的自動化與智能化進行進一步提高，使其能夠更好地為工業生產和人民生活服務。

參考文獻

[1] 陳強.淺談工業鍋爐現行除垢技術[J].科學中國人，2016（6）：

29.

[2] 張華培，王志剛，王孫，等.連桿機構的應用研究及發展趨勢綜述[J].科技展望，2014（14）：119-120.

[3] 張正學，昊翔，劉壽華，等.水射流技術開發和應用綜述[J].礦業研究與開發，2006，26（S1）：63-67.