曹俊水，姜銀維

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司熱電總廠(chǎng)，安徽馬鞍山 243000）

引言

近年來(lái)，隨著冶金自備電廠(chǎng)汽輪機(jī)服役時(shí)間的增加，建成時(shí)其冷端循環(huán)水系統(tǒng)多采用開(kāi)式循環(huán)或半開(kāi)式循環(huán)方式，有巨大的節(jié)水節(jié)電節(jié)能潛力，本文通過(guò)某南方冶金自備電廠(chǎng)汽輪機(jī)冷端節(jié)能技術(shù)應(yīng)用說(shuō)明冶金電廠(chǎng)冷端節(jié)能空間巨大，應(yīng)用范圍廣泛。

1 項(xiàng)目機(jī)組冷端現(xiàn)狀及改造必要性

南方某冶金自備電廠(chǎng)3#機(jī)組始建于上世紀(jì)90年代，至今服役超過(guò)20年，其汽輪機(jī)額定負(fù)荷50 MW。汽輪機(jī)凝汽器采用雙流程表面回?zé)崾诫p道制凝汽器，冷卻用水為河流地表原水。2000年該機(jī)組進(jìn)行了汽輪機(jī)本體增容改造至60 MW。由于該機(jī)組采用開(kāi)式循環(huán)，凝汽器采用普通膠球清洗裝置,目前機(jī)組存在連續(xù)運(yùn)行3～6月以后，凝汽器經(jīng)濟(jì)技術(shù)參數(shù)有明顯劣化趨勢(shì)的問(wèn)題，真空端差等指標(biāo)均超過(guò)設(shè)計(jì)值，夏季機(jī)組能效指標(biāo)明顯下降。該機(jī)組近年為保證夏季發(fā)電出力，均要在5～6月份安排停機(jī)，采用高壓水槍清洗凝汽器。不考慮清洗費(fèi)用，僅僅停機(jī)4～5天，損失供電量就要超過(guò)600萬(wàn)kWh。

如何提高凝汽器真空，保持銅管的潔凈度，減少因真空下降而導(dǎo)致的發(fā)電量減少，提高機(jī)組出力，該廠(chǎng)決定對(duì)冷端進(jìn)行一系列的改造。

2016年通過(guò)對(duì)3#機(jī)組冷端系統(tǒng)近兩年（2015～2016年）的運(yùn)行狀況及各運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行勘查采集，并對(duì)機(jī)組冷端系統(tǒng)性能進(jìn)行綜合性診斷分析，主要表現(xiàn)在全年換熱端差偏大（全年平均11.1℃）、真空嚴(yán)密性不理想，初步分析機(jī)組冷端運(yùn)行狀況存在一定的改造優(yōu)化空間，對(duì)比見(jiàn)表1。注：真空值=機(jī)組背壓-當(dāng)?shù)卮髿鈮海ㄓ?jì)絕對(duì)值）；偏差值=基準(zhǔn)值-實(shí)際值。

表1 機(jī)組冷端系統(tǒng)性能分析

通過(guò)對(duì)機(jī)組冷端運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行綜合診斷分析，在項(xiàng)目實(shí)施后預(yù)計(jì)可降低換熱端差5℃左右，降低排氣溫度4℃，提高機(jī)組真空1.5 kPa。

預(yù)計(jì)項(xiàng)目實(shí)施后帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益：年增發(fā)電量＝60000×（1.5×1.35%×6000)≈729 萬(wàn) kWh/年經(jīng)濟(jì)效益；經(jīng)濟(jì)效益=729萬(wàn)kWh/年×0.58元/kWh≈422萬(wàn)元/年 ；年節(jié)約標(biāo)煤729萬(wàn)kWh×335g/kWh=2442噸；減少CO2排放量約為2442t/年×2.6≈6349.6t/年。

綜述，通過(guò)優(yōu)化改造項(xiàng)目的實(shí)施預(yù)計(jì)帶來(lái)的多重效益十分可觀(guān)。

2 冷端節(jié)能優(yōu)化的分析及改造措施

2.1 影響冷端指標(biāo)的主要因素

冷卻水進(jìn)口溫度（冷卻塔性能、氣候環(huán)境等）。

冷卻水流量（循泵性能及運(yùn)行控制）。

凝汽器熱負(fù)荷（汽輪機(jī)負(fù)荷、抽汽量、排氣溫度等）。

冷卻管臟污（循環(huán)水質(zhì)、在線(xiàn)清洗效果、污垢類(lèi)型等）。

漏入空氣（真空嚴(yán)密性、抽氣能力）。

凝汽器本體性能（凝汽器冷卻管材質(zhì)、管束布置、喉部結(jié)構(gòu)等）。

從上面數(shù)據(jù)及影響因素分析，該廠(chǎng)3#機(jī)由于采用地表原水，水中雜物雜質(zhì)較復(fù)雜，微生物、貝殼類(lèi)生物多，凝汽器結(jié)垢明顯，夏季微生物、貝殼類(lèi)繁殖快，需要加強(qiáng)膠球清洗的效果，同時(shí)冬季真空情況良好，基本達(dá)到設(shè)計(jì)值，還可以從射水泵節(jié)能方面進(jìn)行考慮。

2.2 項(xiàng)目實(shí)施內(nèi)容

該廠(chǎng)在確保機(jī)組安全運(yùn)行的前提下，綜合考慮國(guó)內(nèi)外較成熟的技術(shù)及系統(tǒng)，盡量采用效果好的自動(dòng)化和智能化決策控制系統(tǒng)，全面解決凝汽器冷端系統(tǒng)運(yùn)行中存在問(wèn)題，挖掘冷端系統(tǒng)各設(shè)備的最佳性能，在消耗極小的前提下獲取最有利的運(yùn)行真空。主要方案及措施有：

（1）安裝新型凝汽器真空保持節(jié)能系統(tǒng)1臺(tái)套，以提高膠球清洗的效果。

（2）對(duì)3#機(jī)組凝汽器冷卻銅管全部更換為T(mén)P304不銹鋼管，新型凝汽器真空保持節(jié)能系統(tǒng)清洗頻率高，磨損相對(duì)較大，不銹鋼材質(zhì)適應(yīng)性好。

（3）在上述工作措施效果較好的前提下，安裝高效真空泵1臺(tái)套，解決冬季真空較好，接近極限真空下，替代原射水抽氣器，以節(jié)約用電量。

（4）凝汽器循環(huán)水進(jìn)水管加裝自動(dòng)反沖二次濾網(wǎng)，減少循環(huán)水（原水）水中雜質(zhì)。

（5）對(duì)凝汽器真空系統(tǒng)，機(jī)組負(fù)壓系統(tǒng)進(jìn)行氦質(zhì)譜查漏，并針對(duì)檢查結(jié)果進(jìn)行治理。

2.3 項(xiàng)目實(shí)施技術(shù)方案

2.3.1 工藝方案

新型凝汽器真空保持節(jié)能系統(tǒng)（專(zhuān)利技術(shù)）與傳統(tǒng)膠球清洗的主要差別見(jiàn)表2。

表2 兩種工藝的區(qū)別

新型凝汽器真空保持節(jié)能系統(tǒng)從機(jī)組冷端系統(tǒng)著手，提高汽輪機(jī)組冷端性能且長(zhǎng)期自動(dòng)保持，進(jìn)而提高汽輪機(jī)效率，降低冷端系統(tǒng)能耗，是電站節(jié)能降耗，提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性、實(shí)現(xiàn)效益最大化的最佳途徑。

2.4 項(xiàng)目工程施工及調(diào)試

該廠(chǎng)于2017年2～5月，完成3#機(jī)組冷端優(yōu)化節(jié)能改造項(xiàng)目第一階段的施工及驗(yàn)收調(diào)試工作。

（1）凝汽器循環(huán)水進(jìn)水管加裝自動(dòng)反沖二次濾網(wǎng)。

（2）安裝新型膠球清洗裝置及凝汽器換熱管更換。

（3）凝汽器換熱管更換為T(mén)P304不銹鋼管。

（4）膠球清洗裝置控制系統(tǒng)安裝，實(shí)現(xiàn)了所需的數(shù)據(jù)傳輸及運(yùn)行控制。

項(xiàng)目的第一階段施工的主要目的是改善循環(huán)水來(lái)水品質(zhì)，減少凝氣器結(jié)垢，改善凝汽器換熱效果；

第一階段改造前后指標(biāo)對(duì)比：

2017年2月24日機(jī)組冷端優(yōu)化設(shè)備安裝完成后，對(duì)冷端運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行匯總對(duì)比，相近工況下機(jī)組冷端運(yùn)行參數(shù)如下表3。

第一階段的工作改善了凝汽器循環(huán)水來(lái)水品質(zhì)、更換了換熱管、安裝了新型膠球清洗裝置，3#機(jī)組的冷端主要指標(biāo)都有較大的改善，真空端差等指標(biāo)都有明顯提高。

表3 改造前、后的主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

3 機(jī)組凝汽器性能試驗(yàn)、真空系統(tǒng)嚴(yán)密性查漏處理

項(xiàng)目的第二階段測(cè)定凝汽器性能及負(fù)壓系統(tǒng)嚴(yán)密性檢查，恢復(fù)汽輪機(jī)冷端性能。

3.1 凝汽器性能試驗(yàn)

2017年5月外聘第三方具有行業(yè)資質(zhì)的電科院對(duì)3#機(jī)組進(jìn)行改造后熱力性能試驗(yàn)，通過(guò)性能實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)機(jī)組改造后汽輪機(jī)的熱力性能，得到3#機(jī)組各負(fù)荷段機(jī)組背壓與熱耗及背壓與功率的關(guān)系曲線(xiàn)，并出具性能實(shí)驗(yàn)報(bào)告。方便對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行效益評(píng)價(jià)。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可得出各試驗(yàn)工況背壓與熱耗率的關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可得出各試驗(yàn)工況真空與負(fù)荷的關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。

圖1 各試驗(yàn)負(fù)荷下真空（絕對(duì)壓力）與熱耗率的關(guān)系曲線(xiàn)

圖2 各試驗(yàn)負(fù)荷下真空與負(fù)荷的關(guān)系曲線(xiàn)

根據(jù)真空（相對(duì)壓力）與發(fā)電機(jī)功率的關(guān)系函數(shù)，若將真空對(duì)負(fù)荷的影響看作線(xiàn)性關(guān)系時(shí)，可得出各試驗(yàn)負(fù)荷段每1 kPa真空對(duì)負(fù)荷的影響率曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。

圖3 各負(fù)荷段每1kPa真空對(duì)負(fù)荷的影響

若把真空變化對(duì)熱耗率的影響看作線(xiàn)性關(guān)系時(shí)，按照實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在60 MW時(shí)對(duì)負(fù)荷的影響率為1.08%。

3.2 真空系統(tǒng)嚴(yán)密性檢查處理

凝汽器真空嚴(yán)密性降低，增大了機(jī)組的熱耗，并可能導(dǎo)致凝結(jié)水含氧量大，引起低加管束內(nèi)壁、凝結(jié)水管道和設(shè)備的腐蝕，同時(shí)引發(fā)其他安全問(wèn)題。2017年6月，外聘公司運(yùn)用電站用氦質(zhì)譜檢漏儀對(duì)3#汽機(jī)真空系統(tǒng)進(jìn)行查漏工作。通過(guò)對(duì)真空系統(tǒng)各設(shè)備及管道進(jìn)行噴放氦氣，氦氣質(zhì)譜儀吸入口放在射水泵抽氣器回水口位置來(lái)檢測(cè)是否存在漏點(diǎn)，總共檢測(cè)72處，發(fā)現(xiàn)微漏部位18處，見(jiàn)表4。

表4 檢漏結(jié)果

4 真空系統(tǒng)嚴(yán)密性處理，真空泵安裝

2017年9月機(jī)組大修期間對(duì)各部位進(jìn)行檢修處理，對(duì)汽輪機(jī)缸面進(jìn)行開(kāi)槽加填充物處理，并通過(guò)灌水查漏進(jìn)行處理結(jié)果驗(yàn)證和修復(fù),同步安裝真空泵，對(duì)軸加系統(tǒng)管路進(jìn)行了改造。

5 項(xiàng)目實(shí)施前后能效對(duì)比分析

第二階段項(xiàng)目?jī)?yōu)化改造整體完成后指標(biāo)對(duì)比分析：

2017年9月30日冷端改造項(xiàng)目整體工作結(jié)束后，3#機(jī)組投入正常運(yùn)行，根據(jù)運(yùn)行情況，采集機(jī)組在接近負(fù)荷及相近環(huán)境參數(shù)情況下冷端各參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行能效對(duì)比分析如表5～6。

表5 改造前、后的冷端主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

表6 改造前、后的射水抽氣器和真空泵功率對(duì)比

項(xiàng)目節(jié)能效果分析：

（1）數(shù)據(jù)采點(diǎn)說(shuō)明：為了降低評(píng)估時(shí)的系統(tǒng)誤差，冷端優(yōu)化前DCS數(shù)據(jù)的采集取點(diǎn)為2016年10月12日，改造后取點(diǎn)為2017年10月11日9:00至12日14:00實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，此兩段時(shí)間內(nèi)機(jī)組負(fù)荷及凝汽器的冷卻水進(jìn)水溫度、溫升都基本一致。本項(xiàng)目通過(guò)對(duì)改造前、后的冷端數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，從而可以定性的分析其改造前、后的優(yōu)化效果。

（2）數(shù)據(jù)對(duì)比分析：改造前（2016年10月12日）機(jī)組平均負(fù)荷45.75 MW，改造后（2017年10月11日-12日）機(jī)組平均負(fù)荷為45.97 MW，凝汽器熱負(fù)荷基本接近，對(duì)比之下，改造后相對(duì)改造前的排汽溫度平均下降4.06℃、真空提高2.04 kPa，且凝汽器端差下降4.16℃，凝汽器換熱效果有所提升。

（3）更換銅管會(huì)短時(shí)影響對(duì)其他優(yōu)化工作評(píng)價(jià)，設(shè)備已經(jīng)連續(xù)運(yùn)行半年之后，第二次評(píng)估弱化了更換換熱管帶來(lái)的正面收益，整體優(yōu)化后的效果是可信的。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)3#機(jī)組進(jìn)行冷端優(yōu)化改造，機(jī)組真空提升2.04 kPa，超過(guò)項(xiàng)目實(shí)施前預(yù)計(jì)的真空提升不低于1.5 kPa的目標(biāo)，各項(xiàng)冷端經(jīng)濟(jì)指標(biāo)得到了改善，結(jié)合凝汽器性能試驗(yàn)結(jié)論，冷端優(yōu)化改造項(xiàng)目實(shí)施后降低發(fā)電熱耗236.15 kJ/kWh，提高發(fā)電效率2.2%，進(jìn)而體現(xiàn)出3#機(jī)組冷端優(yōu)化節(jié)能改造后良好的效果。按照年度運(yùn)行7000 h，負(fù)荷率按照90%計(jì)算

年度提高發(fā)電量 6×7000×90%×2.04×1.08%=832.8萬(wàn) kWh，

真空泵節(jié)電量41.8×7000=29.26萬(wàn)kWh

合計(jì)862.06萬(wàn)kWh。

本次改造重點(diǎn)關(guān)注汽輪機(jī)冷端技術(shù)的分析和應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也為下一步凝汽器循環(huán)水泵節(jié)能改造打下了良好基礎(chǔ)。說(shuō)明老舊小汽輪機(jī)冷端節(jié)能優(yōu)化技術(shù)潛力還是巨大的。