饒偉

陜西秦風(fēng)氣體股份有限公司，陜西西安，710075

0 引言

火力發(fā)電廠冷端系統(tǒng)工作主要是通過汽輪機(jī)將排汽凝聚入水泵中，使其可以循環(huán)利用，實(shí)現(xiàn)電站熱力循環(huán)。而冷端系統(tǒng)涵蓋了大量的參數(shù)設(shè)備，包括循環(huán)用水設(shè)備、凝汽器、冷卻塔等等。其中每個(gè)參數(shù)設(shè)備都無法單獨(dú)運(yùn)作，且如果其中某個(gè)參數(shù)改變，其他的參數(shù)也會(huì)隨之改變，導(dǎo)致火力發(fā)電廠的生產(chǎn)經(jīng)營活動(dòng)受到限制[1]。20世紀(jì)50年代，美國、歐洲、日本等國家積極開展工業(yè)冷端的優(yōu)化研究，并提出了“700℃超超臨界發(fā)電技術(shù)”的計(jì)劃，但因?yàn)椴牧系南拗撇⑽慈〉贸晒叶卧贌峒夹g(shù)也一度遇到發(fā)展瓶頸，需要不斷更新發(fā)展。而此時(shí)，國內(nèi)提高了對火力發(fā)電技術(shù)的重視，特別是在節(jié)能減排、能源結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)的政策影響下，高效、環(huán)保的燃煤火電機(jī)組已經(jīng)成為發(fā)展的主要趨勢。本文以工業(yè)冷端系統(tǒng)為研究對象，探究冷端各組成部分的參數(shù)變化下，冷端系統(tǒng)的改變，并對其性能變化原因進(jìn)行分析，提出下一階段工作的重心，提高對冷端系統(tǒng)的管理與優(yōu)化[2]。

1 研究背景

1.1 技術(shù)發(fā)展理念

在火電機(jī)組研究方面，國內(nèi)雖然起步時(shí)間晚，但發(fā)展進(jìn)程十分迅速，短短18年就取得了一定的成效，但快速發(fā)展下也存在大量無法避免的問題。①在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域以創(chuàng)新為主要趨勢，而現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的核心就是實(shí)現(xiàn)設(shè)備、系統(tǒng)技術(shù)的緊密聯(lián)系，利用一個(gè)系統(tǒng)設(shè)備去影響其他的設(shè)備[3]。即一個(gè)專業(yè)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，需要另一個(gè)專業(yè)來滿足邊界條件。其中的邊界條件包括效率、本質(zhì)、使用方法都是優(yōu)化的重要內(nèi)容。②在電力行業(yè)持續(xù)發(fā)展的背景下，火力發(fā)電廠的發(fā)展保持穩(wěn)定、良好的形式，但實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中仍然存在問題。就設(shè)備的運(yùn)維管理方面，管理人員不能充分認(rèn)識(shí)到工作的重要性，例如在對火力發(fā)電廠的機(jī)組設(shè)備能耗分析時(shí)，技術(shù)人員不能充分了解其設(shè)計(jì)理念，不能增加能耗分析的廣度、深度，對運(yùn)行過程中的問題不能進(jìn)行深度剖析[4]。

1.2 監(jiān)督體系的發(fā)展

在火力發(fā)電行業(yè)中，技術(shù)監(jiān)督應(yīng)該以節(jié)能技術(shù)為核心，貫穿整個(gè)機(jī)組運(yùn)維過程。但在傳統(tǒng)意義上，我國火力發(fā)電廠中機(jī)組技術(shù)監(jiān)督主要以現(xiàn)役機(jī)組為對象完成技術(shù)監(jiān)督[5]。但長期以來的歷史經(jīng)驗(yàn)表明，機(jī)組因?yàn)樵S多設(shè)計(jì)缺陷，在投產(chǎn)后難以管理，其運(yùn)維成本較大，管理效果差。如果進(jìn)行改造，其成本支出更大，且受到多方面條件制約[6]。

2 汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)設(shè)備性能主要影響因素

在電能生產(chǎn)企業(yè)火電廠中汽輪機(jī)冷端設(shè)備包括凝汽器、循環(huán)水泵、凝結(jié)水泵、冷卻塔等。

2.1 凝汽器性能影響因素

（1）循環(huán)水溫度。當(dāng)汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)參數(shù)中循環(huán)水溫度在特定條件下產(chǎn)生變化，就會(huì)導(dǎo)致凝汽器變化。據(jù)調(diào)查研究表明，在60MW下的汽輪機(jī)的濕冷機(jī)組中，循環(huán)水溫度每下降1℃，凝汽器的真空就會(huì)隨之降低0.2kPa，相關(guān)設(shè)備耗電量也會(huì)降低0.6kWh[7]。

（2）循環(huán)水流量。凝汽器的循環(huán)水流量與其性能存在較強(qiáng)的聯(lián)系性，會(huì)對水溫產(chǎn)生影響。一般情況下，火力發(fā)電廠凝汽器設(shè)置中將水溫設(shè)置為8℃左右。當(dāng)水量每降低10%，循環(huán)水溫就提高1℃。且循環(huán)水流量的數(shù)值降到低值后，每低10℃，對凝汽器真空產(chǎn)生的影響更大，其壓力也會(huì)隨之增加。

（3）熱負(fù)荷。在凝汽器正常工作下，可以滿足發(fā)電廠的設(shè)備運(yùn)行需求。但在運(yùn)行過程中，會(huì)受到操作水平、設(shè)備故障的影響，使工作負(fù)荷進(jìn)一步提高[8]。據(jù)調(diào)查研究表明，火力發(fā)電廠在工作中熱負(fù)荷出現(xiàn)10%的變化后，凝汽器真空就會(huì)受到影響，導(dǎo)致煤耗增加0.8g/kWh。

（4）冷卻管清潔度。一般情況下，冷卻管清潔度會(huì)對凝汽器運(yùn)行產(chǎn)生影響，而凝汽器的清潔系數(shù)一般在0.8。管道堵塞、污化都會(huì)導(dǎo)致冷卻管清潔度受到影響，繼而影響其換熱。據(jù)調(diào)查研究表明，火力發(fā)電廠中凝汽器冷卻管的清潔度每降低0.1，其端差就提高0.8℃，增加煤耗0.5g/kWh[9]。

（5）真空嚴(yán)密性。在機(jī)組負(fù)荷恒定的情況下，空氣進(jìn)入系統(tǒng)，凝聚在凝汽器表層導(dǎo)致?lián)Q熱障礙，進(jìn)而使凝汽器壓力增加。據(jù)調(diào)查研究表明，火力發(fā)電廠運(yùn)營下，以80%負(fù)荷完成實(shí)驗(yàn)，其衰減率數(shù)值每增加100Pa/min，真空則減少0.1kPa[10]。

2.2 水環(huán)式真空泵出力影響因素

而水環(huán)式真空泵運(yùn)行過程中也會(huì)受到溫度、壓力、流速等因素的影響。而在上述因素中對運(yùn)行影響效果最強(qiáng)的因素為溫度，即工作水進(jìn)口溫度。一般情況下，水環(huán)式真空泵運(yùn)行過程中設(shè)置水溫參數(shù)＜30℃，而一旦高于這個(gè)數(shù)值，就使泵輪出現(xiàn)汽化反應(yīng)，影響其運(yùn)行效率。而在運(yùn)轉(zhuǎn)過程下，水環(huán)式真空泵在汽水分離、入口水溫方面的溫差要＜12℃，如果超過這個(gè)數(shù)值就表明其水流量低于正常值。水環(huán)式真空泵工作水入口溫度與冷卻器的溫差要保持＜2℃，如果超出這個(gè)數(shù)值，就代表冷卻器故障，進(jìn)而導(dǎo)致水溫升高。

2.3 循環(huán)水泵組及相應(yīng)系統(tǒng)影響因素

在循環(huán)水泵運(yùn)行過程中，存在一定的影響因素制約其運(yùn)轉(zhuǎn)，如水質(zhì)、流量、負(fù)荷等。在循環(huán)水泵中，水質(zhì)變化會(huì)在很大程度上改變循環(huán)水泵的葉輪，導(dǎo)致其出現(xiàn)腐蝕、堵塞的情況，使水泵工作效率受到影響。在循環(huán)水泵的實(shí)際運(yùn)行過程中，因?yàn)樵O(shè)計(jì)缺陷，導(dǎo)致水泵的流量無法與實(shí)際的路徑匹配，且工作效率未達(dá)到最高值，水泵的運(yùn)行路徑大多偏離原定的高效區(qū)域?；鹆Πl(fā)電廠機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)中，負(fù)荷、運(yùn)行方式、水溫的變化，都需要設(shè)置不同的水量進(jìn)行匹配，提高設(shè)備的靈活性，達(dá)到節(jié)約資源的效果。

2.4 凝結(jié)水泵的影響因素

一般情況下，凝結(jié)水泵在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，入口大多是以負(fù)壓的形式，存在真空嚴(yán)密性的特點(diǎn)。而其中無法凝結(jié)的氣體滲入其中，出現(xiàn)汽化反應(yīng)就會(huì)影響凝結(jié)水泵的工作效率。

當(dāng)下火力發(fā)電廠在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，一般是以2臺(tái)100%容量變頻凝結(jié)水泵為主，不僅可以實(shí)現(xiàn)定速，還可以有效節(jié)約資源。

因?yàn)槟Y(jié)水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)中，系統(tǒng)會(huì)攜帶一部分多功能用水，為了控制這一部分水的壓力，在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)活動(dòng)中，提高對凝結(jié)水泵的水門的控制，使其可以發(fā)揮節(jié)流的功效。一般情況下，凝結(jié)水泵具有高揚(yáng)程、低流量的特點(diǎn)，如果其變頻功能出現(xiàn)故障，就會(huì)導(dǎo)致設(shè)備耗電量大幅度提高。

2.5 冷卻塔影響因素

冷卻塔的工作效率受到水質(zhì)、水溫、設(shè)備的故障情況、性質(zhì)參數(shù)等因素的影響。如冷卻塔塔身的老舊、其填補(bǔ)材料的破損、噴頭型號(hào)不匹配導(dǎo)致霧化功能不能實(shí)現(xiàn)等問題，都會(huì)導(dǎo)致冷卻塔功能障礙。以冬季低溫狀態(tài)下工作為例，冷卻塔在運(yùn)轉(zhuǎn)中需要大量的負(fù)荷，但受到上述因素的影響，導(dǎo)致冷卻塔的工作無法充分滿足汽輪機(jī)的需求。

3 CIMS? 工業(yè)冷端優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)

3.1 CIMS? 概述

CIMS?（industrial cold end intelligent operation and maintenance system）是工業(yè)冷端綜合治理及智能運(yùn)維解決方案的英文簡稱。CIMS?綜合運(yùn)用RCCS?（凝汽器強(qiáng)化換熱系統(tǒng)）強(qiáng)化換熱、CRJ?（三級(jí)深度水處理）三級(jí)深度水處理、物聯(lián)網(wǎng)與人工智能等革新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)冷端深度節(jié)能、超低排放及智能運(yùn)維（如圖1所示）。

圖1 CIMS? 系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 CIMS? 的五大冷端治理革新技術(shù)

3.2.1 RCCS? 凝汽器強(qiáng)化換熱技術(shù)

作為CIMS?的核心技術(shù)之一，RCCS?強(qiáng)化換熱技術(shù)是基于流體動(dòng)力、強(qiáng)化換熱、陶瓷軸承及特種高分子材料等方面的獨(dú)有專利技術(shù)，而研發(fā)的一項(xiàng)具備實(shí)時(shí)在線清洗及強(qiáng)化換熱功能的革新性冷端高效節(jié)能技術(shù)。

RCCS?的工作原理是在對換熱器進(jìn)行徹底清洗后，沿著循環(huán)水流方向?qū)CCS?特殊高分子螺旋紐帶插入到每一根換熱管中，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)，利用循環(huán)水流體動(dòng)力推動(dòng)RCCS?特殊高分子螺旋紐帶，以300～1800轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速不停地快速旋轉(zhuǎn)，打破管內(nèi)溫度分層，將流體邊界滯留層厚度降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化換熱（如圖2所示）。同時(shí)，通過強(qiáng)化擾流和對管壁不規(guī)則刮掃，減少垢的析出，阻止垢的附著，加快垢的剝蝕，防止換熱管壁結(jié)垢，從而實(shí)現(xiàn)在線防垢、除垢。

圖2 加裝RCCS? 前后對比圖

3.2.2 CRJ?三級(jí)深度水處理技術(shù)

作為CIMS?的核心技術(shù)之一，CRJ?三級(jí)深度水處理技術(shù)根據(jù)不同循環(huán)水質(zhì)特征，在補(bǔ)水端、運(yùn)行端及排污末端三個(gè)階段，綜合采用物理、化學(xué)、生物等技術(shù)措施，解決循環(huán)水易結(jié)垢問題及超低排放。Ⅰ級(jí)：補(bǔ)水端。根據(jù)水質(zhì)特征，綜合采用高效過濾設(shè)備、鈉離子交換設(shè)備等，降低補(bǔ)充水濁度、膠體、硬度等。Ⅱ級(jí)：運(yùn)行端。綜合采用化學(xué)藥劑、生物藥劑、智能精準(zhǔn)加藥、高效旁濾和軟化等，嚴(yán)格控制換熱設(shè)備（凝汽器、冷卻塔等）的結(jié)垢和腐蝕傾向。Ⅲ級(jí)：排污末端。采用預(yù)處理+TUF管式超濾+RO，實(shí)現(xiàn)80%的循環(huán)水排污水的回用。如果需進(jìn)一步提高回用率，則可應(yīng)用STRO等技術(shù)，大幅降低排污量。該部分排污量可以通過內(nèi)部生產(chǎn)過程用水消化，從而實(shí)現(xiàn)對外零排。

3.2.3 真空系統(tǒng)診斷與改造技術(shù)

通過CIMS?云端智能運(yùn)維管理平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集模塊，對真空系統(tǒng)各項(xiàng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并結(jié)合CIMS?的大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、智能運(yùn)維專家系統(tǒng)對真空系統(tǒng)問題進(jìn)行預(yù)判與解決方案的生成，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)真空系統(tǒng)的針對性改造與長期自動(dòng)化管理。

3.2.4 循環(huán)水量優(yōu)化與節(jié)能泵改造技術(shù)

通過CIMS?的AI&IOT手段對循環(huán)水系統(tǒng)問題進(jìn)行預(yù)判與解決方案的生成，解決循環(huán)水量低、凝汽器溫升過高、換熱能力不足等問題。循環(huán)水量低，流速不夠，RCCS?發(fā)揮的效能受到影響。

3.2.5 冷卻塔運(yùn)行監(jiān)測與改造技術(shù)

通過CIMS?的AI&IOT手段對冷卻塔運(yùn)行的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，包括：當(dāng)?shù)卮髿鈮骸⒏汕驕囟?、濕球溫度、冷幅、逼近度、風(fēng)機(jī)功率等，并通過CIMS?的智能運(yùn)維專家系統(tǒng)長期對冷卻塔換熱效率的持續(xù)變化趨勢進(jìn)行分析，判斷冷卻塔結(jié)垢、老化等問題。以此為基礎(chǔ)，必要時(shí)進(jìn)行冷卻塔改造，大幅降低能耗。

3.3 CIMS? 的云端智能運(yùn)維管理平臺(tái)

CIMS?云端智能運(yùn)維管理平臺(tái)由物聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)、可視化云組態(tài)系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、BI報(bào)表分析系統(tǒng)、智能運(yùn)維專家系統(tǒng)、自動(dòng)化工具系統(tǒng)構(gòu)成。利用冷端工況實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對冷端系統(tǒng)中的數(shù)理模型進(jìn)行建模，自動(dòng)生成冷端運(yùn)行報(bào)表與智能運(yùn)維指導(dǎo)方案，實(shí)現(xiàn)冷端工況實(shí)時(shí)掌握、運(yùn)行態(tài)勢智能分析、異常預(yù)判動(dòng)態(tài)提示[11]。

4 CIMS? 工業(yè)冷端優(yōu)化的實(shí)際運(yùn)用

凝汽器裝置是對汽輪機(jī)以及火電領(lǐng)域運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)濟(jì)性作用較大的一種裝置。凝汽器裝置運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的綜合指數(shù)為凝汽器真空度，凝汽器端差的上升將直接到真空度。對于超高壓以上汽輪機(jī)組，真空度每下降1%，約使發(fā)電煤耗升高2～3g/kWh。

甘肅某電廠330MW機(jī)組實(shí)施CIMS?工業(yè)冷端綜合治理及智能運(yùn)維解決方案前，由于凝汽器結(jié)垢嚴(yán)重或堵塞，而膠球清洗系統(tǒng)無法清除硬垢和收球率低，第二單元出現(xiàn)了凝汽器真空低、端差大等一系列情況。第二單元年均端差超過6.24℃，機(jī)組運(yùn)行效果也較差。綜合實(shí)施CIMS?工業(yè)冷端綜合治理及智能運(yùn)維解決方案后，通過對冷端凝汽器、真空系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻塔的綜合改造與優(yōu)化，端差由6.24℃降至1℃～2℃，真空由-92.4kPa提升到-93.4kPa。機(jī)組運(yùn)行效果明顯改善，運(yùn)行連續(xù)穩(wěn)定。同時(shí)，煤耗降低4.32～5.6g/kWh，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5 結(jié)語

綜上所述，本研究以火力發(fā)電廠冷端為對象，通過全面分析探究各個(gè)組成部分的影響因素，再分別探究其實(shí)施CIMS?工業(yè)冷端優(yōu)化改造的重點(diǎn)，使冷端系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)系統(tǒng)化、冷端系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)智能化，降低整體資源消耗率，實(shí)現(xiàn)提質(zhì)增效的目標(biāo)。