新疆恒聯(lián)能源有限公司 于 軍 中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)新能源有限公司智能配網(wǎng)分公司 楊若松

國(guó)產(chǎn)350MW 間接空冷抽汽凝汽式汽輪機(jī)為超臨界、一次中間再熱、單軸、雙缸雙排汽汽輪機(jī)，具備32～35kPa 的高背壓運(yùn)行能力，配備了雙通道雙流程分隔式的凝汽器，能夠以熱網(wǎng)循環(huán)水替代一半（或全部）的間冷循環(huán)水，實(shí)現(xiàn)利用凝汽器提高熱網(wǎng)循環(huán)水回水初溫的節(jié)能目標(biāo)。

通過(guò)對(duì)雙水內(nèi)冷凝汽器[1]專利的研究和挖掘，發(fā)現(xiàn)把Scal 間接空冷系統(tǒng)的凝汽器改造成雙水內(nèi)冷凝汽器的簡(jiǎn)化型式，能夠減少或停止空冷塔的廢熱排放，用減少的熱量去加熱熱網(wǎng)循環(huán)水，或者說(shuō)是用電廠冷端棄熱作為采暖供熱的初級(jí)熱源,能夠達(dá)到節(jié)能目的。雙水內(nèi)冷凝汽器雖然是為干濕聯(lián)合冷卻“量身定制”的產(chǎn)品，但轉(zhuǎn)用到新疆喀什熱電廠、寧夏WZ 熱電廠和甘肅WW 熱電廠的供熱節(jié)能改造上，均能取得顯著的成效。

1 改造前的系統(tǒng)

改造前主廠房?jī)?nèi)的間冷循環(huán)水系統(tǒng)圖如圖1所示。為了本文敘述上的方便，稱圖1的運(yùn)行模式為凝汽器的“制冷＊”模式。

圖1 凝汽器的冷卻方案一（改造前）

2 改造后的系統(tǒng)

改造后主廠房?jī)?nèi)的間冷循環(huán)水系統(tǒng)加載了熱網(wǎng)循環(huán)水的接入和流出及切換閥門，有兩種改造方案，如圖2、圖3所示，實(shí)際改造時(shí)必須二選一。

圖2 凝汽器的冷卻方案二（改造后）

圖2、圖3中除了都有圖1的“制冷＊”模式外，還有“制熱¤21”“制熱¤31”和“半制熱¤22”“半制熱¤32”四種制熱運(yùn)行模式。

“半制熱¤22”模式和“半制熱¤32”模式都是凝汽器以雙水冷卻雙半側(cè)同時(shí)運(yùn)行，所以制熱的效果完全相同。圖3可以左右選定，圖2只能左半側(cè)用熱網(wǎng)循環(huán)水冷卻。

圖3 凝汽器的冷卻方案三 （改造后）

過(guò)渡切換時(shí)只能半側(cè)運(yùn)行凝汽器。最短的必需沖洗時(shí)長(zhǎng)通過(guò)詳細(xì)計(jì)算可以得出；建議不要長(zhǎng)期單水冷卻半側(cè)凝汽器，允許長(zhǎng)期雙水冷卻雙半側(cè)凝汽器運(yùn)行。

過(guò)渡工況以圖2熱網(wǎng)水退出冷卻凝汽器最為麻煩，例如，退出熱網(wǎng)循環(huán)水單水冷卻工況，需要要分兩步完成：

第一步，相當(dāng)于先由“制熱¤21”模式退回到“半制熱¤22”模式，即關(guān)斷閥門⑦⑧，用除鹽水置換殘留在右半側(cè)凝汽器中的熱網(wǎng)水，完成右半側(cè)凝汽器沖洗后，再打開(kāi)閥門③④，投運(yùn)右半側(cè)用間冷循環(huán)水冷卻；

第二步，相當(dāng)于“半制熱¤22”模式退回到“制冷＊”模式，即關(guān)斷閥門⑤⑥，用除鹽水置換殘留在左半側(cè)凝汽器中的熱網(wǎng)水，完左半側(cè)凝汽器沖洗后，再打開(kāi)閥門①②，投運(yùn)左半側(cè)凝汽器的間冷循環(huán)水冷卻，達(dá)到全部熱網(wǎng)循環(huán)水退出冷卻凝汽器的工況。

熱網(wǎng)循環(huán)水退出冷卻凝汽器時(shí)，必須事先儲(chǔ)備足量的除鹽水供凝汽器半側(cè)沖洗之用。

熱網(wǎng)水的投入：先投入左半側(cè)，由“制冷＊”模式切換至“半制熱¤22”模式，保持“半制熱¤22”模式的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行；

圖4 “制熱¤21”模式原理圖

或者待“半制熱¤22”模式穩(wěn)定后，再切換至更高效的“制熱¤21”模式。

投熱網(wǎng)水時(shí)不用沖洗凝汽器，直接把間冷水作為熱網(wǎng)循環(huán)水的補(bǔ)充水去使用。

認(rèn)為“¤21”模式的制熱量大于“¤31”的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的，證明如下：

乏汽變?yōu)槟Y(jié)水釋放的熱量=循環(huán)水吸收的熱量

式中：Dk—凝汽量，ΔI—乏汽與凝結(jié)水的焓差，Q—循環(huán)水流量，Δt—循環(huán)水的溫升，凝汽器出、進(jìn)水的溫度差。由公式（1）得出：Δt=Dk/Q×ΔI=ΔI/(Q/Dk)，即

式中：m—冷卻倍率，由公式（2）計(jì)算得出：

Δt=528/60=8.8℃

Δt=528/50=10.6℃

Δt=528/9.36=56.4℃

通過(guò)計(jì)算可知，循環(huán)水的溫升與采用多少個(gè)流程沒(méi)有直接關(guān)系。“制熱¤31”是“制熱¤21”的等效模式，區(qū)別僅是凝汽器冷卻管內(nèi)的水流速度后者是前者的2倍。

“制熱¤31”模式流速約為夏季“制冷＊”模式流速的1/8，或冬季“制冷＊”模式流速的1/4，過(guò)低的流速可能會(huì)導(dǎo)致凝汽器冷卻管內(nèi)結(jié)垢加劇。

甘肅WW 電廠凝汽器的冷卻管材質(zhì)為不銹鋼TP304，氯離子對(duì)其存在腐蝕現(xiàn)象。

關(guān)于腐蝕的問(wèn)題，目前國(guó)際上也沒(méi)有確切的結(jié)論。WW 電廠熱網(wǎng)循環(huán)水氯離子含量在40～70mg/L 之間,一般要求氯離子含量不得高于350mg/L，溫度不得高于146℃，流速不得小于1.5m/s，最好濃度不要超過(guò)50mg/L，溫度不要超過(guò)80℃。

3 改造方案

寧夏WZ 電廠和甘肅WW 電廠都選用圖2改造，并且都放棄了“制熱¤21”的運(yùn)行模式，僅以“制熱¤22”模式和“制冷＊”模式運(yùn)行。WZ 電廠#1機(jī)組冠以“高背壓改造”的名稱，已經(jīng)改造完畢并投入運(yùn)行。WW 電廠進(jìn)入方案報(bào)批階段,該廠的改造如下：

3.1 熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)的接入

采用兩路獨(dú)立冷卻水源雙半側(cè)冷卻凝汽器，半側(cè)采用間冷循環(huán)水冷卻，另外半側(cè)采用熱網(wǎng)循環(huán)水回水作為冷卻水源，將熱網(wǎng)循環(huán)水回水由50℃加熱到70℃，再由熱網(wǎng)加熱器加熱到96～110℃供給用戶，此時(shí)汽輪機(jī)高背壓運(yùn)行，背壓不超過(guò)32kPa。凝汽器變?yōu)椤皹?biāo)準(zhǔn)的”雙水內(nèi)冷凝汽器。

現(xiàn)有的凝汽器不用改造或者經(jīng)過(guò)較小的加固，就可成為雙水內(nèi)冷凝汽器的簡(jiǎn)化型式。增加隔板的改造應(yīng)謹(jǐn)慎進(jìn)行，并得到凝汽器制造廠家的同意。熱網(wǎng)循環(huán)水的退出（含沖洗）/投入時(shí)，凝汽器不得不半側(cè)運(yùn)行，但不建議長(zhǎng)期半側(cè)運(yùn)行。新疆喀什某電廠凝汽器長(zhǎng)期半側(cè)運(yùn)行，遭遇到汽輪機(jī)廠的反對(duì)。

3.2 凝汽器增設(shè)安全閥及膨脹控制

汽輪機(jī)技術(shù)協(xié)議中凝汽器的設(shè)計(jì)壓力描述為不小于0.4MPa（g）,未明確設(shè)計(jì)壓力的具體數(shù)值。根據(jù)汽輪機(jī)廠的最新承諾，凝汽器水側(cè)可以在0.6MP（g）運(yùn)行。熱網(wǎng)循環(huán)水回水壓力最高為0.573（g）,低于0.6MPa（g）。因此凝汽器基本可以滿足熱網(wǎng)循環(huán)水回水壓力要求。由于熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)管線比較復(fù)雜，熱網(wǎng)循環(huán)水泵也存在切換的運(yùn)行方式，為防止熱網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生水錘時(shí)對(duì)凝汽器的損害，考慮對(duì)凝汽器水側(cè)增設(shè)安全閥。

凝汽器兩側(cè)熱網(wǎng)循環(huán)水和間冷循環(huán)水運(yùn)行溫度不一樣，凝汽器本體的兩側(cè)膨脹會(huì)有差別。根據(jù)汽輪機(jī)廠傳真，要求凝汽器兩側(cè)循環(huán)水出口溫差不超過(guò)20℃。按其它投運(yùn)工程經(jīng)驗(yàn)，凝汽器可以安全運(yùn)行。

3.3 熱網(wǎng)循水對(duì)凝汽器的腐蝕問(wèn)題

熱網(wǎng)循環(huán)水是經(jīng)反滲透處理的軟化水，水中各種離子的含量極低。所以從設(shè)計(jì)角度看，凝汽器冷卻管TP304不需要更換材質(zhì)，不銹鋼完全適用。根據(jù)業(yè)主方提供的熱網(wǎng)循環(huán)水質(zhì)，熱網(wǎng)循環(huán)水氯離子含量不高，滿足要求。

3.4 凝汽器前增設(shè)調(diào)節(jié)蝶閥

在汽機(jī)房凝汽器入口循環(huán)水管道上的原電動(dòng)蝶閥前增設(shè)調(diào)節(jié)閥型電動(dòng)蝶閥，在調(diào)解閥前再增設(shè)一個(gè)電動(dòng)檢修閥，以便更精確的配合變頻循環(huán)水泵對(duì)循環(huán)水流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，即：共需增設(shè)1套DN1800電動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥和1套DN1800電動(dòng)檢修蝶閥。

3.5 增設(shè)沖洗水系統(tǒng)

由于熱網(wǎng)循環(huán)水的水質(zhì)比間冷循環(huán)水的水質(zhì)差，所以熱網(wǎng)循環(huán)水退出運(yùn)行時(shí)，必須對(duì)凝汽器管束進(jìn)行沖洗，故需設(shè)置一套沖洗水泵。由凝結(jié)水系統(tǒng)提供水源或沖洗時(shí)，可采用凝結(jié)水啟動(dòng)上水泵兼做沖洗水泵，在沖洗水排水口設(shè)置化學(xué)取樣點(diǎn)，當(dāng)水質(zhì)達(dá)到間冷循環(huán)水的水質(zhì)要求時(shí)，停止沖洗。

3.6 間冷循環(huán)水泵改為變頻泵

將設(shè)于間冷循環(huán)水泵房?jī)?nèi)的間冷循環(huán)水泵改為帶變頻器的變頻循環(huán)水泵，即：將#1機(jī)組已有的3臺(tái)定速泵循環(huán)水泵中的2臺(tái)改為變頻循環(huán)水泵。

3.7 冷卻塔內(nèi)旁路上增設(shè)調(diào)節(jié)蝶閥

保留間冷塔內(nèi)旁路管道上的已有電動(dòng)蝶閥，再增設(shè)1套調(diào)節(jié)蝶閥及1套檢修電動(dòng)蝶閥。#1機(jī)組共設(shè)二套旁路管道，即：共需增設(shè)2套DN1000調(diào)節(jié)閥型電動(dòng)蝶閥和2套DN1000檢修電動(dòng)蝶閥。

僅僅調(diào)節(jié)間冷塔投入扇段的數(shù)量和百業(yè)窗的開(kāi)度并不能控制好間冷循環(huán)水的出塔水溫，因?yàn)楸竟こ滩捎玫谋砟介g接空冷系統(tǒng)，兩臺(tái)機(jī)組共用了一座自然通風(fēng)間冷塔。運(yùn)行中#1、#2機(jī)組的空冷系統(tǒng)在間冷塔部分存在相互干擾和制約的情況。

4 改造的經(jīng)濟(jì)性

按照改造方案的配置，2017年的可行性研究報(bào)告表明：寧夏WZ 電廠兩臺(tái)機(jī)組同時(shí)改造的總投資為1659萬(wàn)元，節(jié)約燃煤費(fèi)用656.5萬(wàn)元/年，運(yùn)行3.5個(gè)采暖季可回收投資。

按照改造方案的配置，2021年的可行性研究報(bào)告表明：甘肅WW 電廠一臺(tái)機(jī)組的改造總投資為1342萬(wàn)元（含驅(qū)動(dòng)熱網(wǎng)循環(huán)水泵運(yùn)轉(zhuǎn)的小汽輪機(jī)的完善及技改投資），節(jié)約燃煤費(fèi)用520萬(wàn)元/年，運(yùn)行2.8個(gè)采暖季可回收投資。

WW 電廠根據(jù)WZ 電廠的實(shí)施情況，提出暫不實(shí)施3.4、3.6和3.7的改造，使得間冷循環(huán)水的流量無(wú)法調(diào)節(jié)，冬季運(yùn)行1臺(tái)泵所提供的流量為12000t/h,是熱網(wǎng)循環(huán)水量6000t/h 的2倍，必須實(shí)施以下4.1及4.2。

4.1 間冷循環(huán)水泵的運(yùn)行點(diǎn)

間冷循環(huán)水系統(tǒng)切換的瞬變工況是一種危險(xiǎn)工況。為此作了專門的計(jì)算，如圖5所示。

圖5 間冷循環(huán)水系統(tǒng)投運(yùn)1臺(tái)水泵、半側(cè)凝汽器和間冷塔n 個(gè)扇段的運(yùn)行點(diǎn)

由圖5可以看出，#1機(jī)組凝汽器半側(cè)用間冷水冷卻，間冷塔投運(yùn)2個(gè)扇段或3個(gè)扇段比較合適。

間接空冷投運(yùn)1臺(tái)循環(huán)水泵、半側(cè)凝汽器、間冷塔3個(gè)扇段的運(yùn)行點(diǎn)為Q=3.4m3/s=12240m3/h，H=10.8m。

目前還有一種主張，認(rèn)為5個(gè)扇段全部投運(yùn)，并且關(guān)閉百葉窗，悶塔運(yùn)行的防凍效果最好。但由于WW 熱電兩機(jī)公用一座間冷塔，所以悶塔運(yùn)行肯定會(huì)影響#2機(jī)組的運(yùn)行。具體應(yīng)如何操作，需要在運(yùn)行中不斷摸索。

4.2 間冷循環(huán)水的運(yùn)行切換

把WW 電廠#1機(jī)的凝汽器改造為雙水內(nèi)冷凝汽器[1]，需要停機(jī)改造。

為了防止工況切換時(shí)產(chǎn)生過(guò)大的水錘，無(wú)變頻泵的改造方案應(yīng)利用#2機(jī)循環(huán)水系統(tǒng)的水體積緩和切換時(shí)瞬變工況的沖擊，切換工況應(yīng)按以下步序執(zhí)行：

純凝工況#1機(jī)組單元制間冷水系統(tǒng)運(yùn)行→純凝工況#1、#2機(jī)組擴(kuò)大單元制間冷水系統(tǒng)運(yùn)行(過(guò)渡工況)→供熱工況#1機(jī)組凝汽器半側(cè)運(yùn)行，擴(kuò)大單元制運(yùn)行(過(guò)渡工況)→供熱工況#1機(jī)組凝汽器半側(cè)運(yùn)行，單元制運(yùn)行→供熱工況#1機(jī)組凝汽器半側(cè)運(yùn)行，擴(kuò)大單元制運(yùn)行(過(guò)渡工況)→純凝工況#1、#2機(jī)組擴(kuò)大單元制間冷水系統(tǒng)運(yùn)行(過(guò)渡工況)→純凝工況#1機(jī)組單元制間冷水系統(tǒng)運(yùn)行。

WW 熱電#1機(jī)組現(xiàn)有的凝汽器經(jīng)過(guò)較小的加固或者不用改造，就可成為雙水內(nèi)冷凝汽器的簡(jiǎn)化型式。增加隔板的改造應(yīng)謹(jǐn)慎進(jìn)行，并得到凝汽器制造廠家的同意。不建議長(zhǎng)期半側(cè)運(yùn)行。

Scal 系統(tǒng)的計(jì)算非常困難，排汽負(fù)荷的變化、凝汽器的清潔程度以及環(huán)境氣溫、風(fēng)場(chǎng)的變化等都會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生很大的影響，工況組合情況又較為復(fù)雜，只能在運(yùn)行實(shí)踐中積累經(jīng)驗(yàn)，并通過(guò)對(duì)冷卻扇區(qū)投運(yùn)的數(shù)量、冷卻塔旁路、百葉窗開(kāi)度等進(jìn)行調(diào)節(jié)，使汽輪機(jī)背壓盡量接近32kPa，并應(yīng)控制不高于32kPa 運(yùn)行。

5 運(yùn)行效果

寧夏WZ 電廠沒(méi)有實(shí)施3.4、3.6和3.7的改造，在2019年完成了#1機(jī)組的改造，目前正在進(jìn)行#2機(jī)組的改造，尚未獲得實(shí)測(cè)的經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)。

喀什熱電高背壓供熱改造[2]是國(guó)內(nèi)首家間接空冷機(jī)組高背壓供熱改造工程，完成了3.1～3.7的全部改造，故運(yùn)行中不會(huì)有4.1、4.2的顧慮。

喀什熱電2016～2017年度采暖季高背壓供熱運(yùn)行平穩(wěn)，在兩次熱網(wǎng)失壓事故中均沒(méi)有發(fā)生跳機(jī)現(xiàn)象，表明雙水冷卻雙溫區(qū)凝汽器供熱的技術(shù)方案合理，保障了運(yùn)行安全。

喀什熱電在提高機(jī)組供熱能力的同時(shí)，發(fā)電煤耗顯著降低，經(jīng)過(guò)一個(gè)采暖季的安全運(yùn)行，證明間接空冷機(jī)組改高背壓供熱優(yōu)勢(shì)明顯，經(jīng)過(guò)測(cè)試，全背壓額定供熱工況下發(fā)電煤耗降到144.43g/kWh，煤耗降幅達(dá)到122.1g/kWh，供熱能力提高189MW，增加供熱面積378萬(wàn)m2，一個(gè)采暖季可節(jié)約5.58萬(wàn)噸標(biāo)煤，二氧化碳減排量達(dá)到14.75萬(wàn)噸/a，雙水內(nèi)冷凝汽器具有廣闊的市場(chǎng)前景和推廣意義。