汽輪機冷端系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化研究與應用

前言

隨著電力市場競爭機制的進一步發(fā)展，降低發(fā)電成本、提高機組運行經濟性已成為發(fā)電企業(yè)的當務之急。目前、國內外機組運行中的突出問題是冷端系統(tǒng)運行狀況不好，嚴重影響了機組運行的經濟性。特別是冷卻塔出力不足、循環(huán)水泵流量小、效率低，凝結水過冷度和含氧量過高，凝汽器漏空氣和冷卻水管結垢等嚴重影響了機組真空。因此，降低機組供電煤耗、冷端系統(tǒng)的節(jié)能診斷和優(yōu)化已成為電廠節(jié)能的關鍵環(huán)節(jié)。

冷端設備性能最重要的指標有兩個：一是凝汽器的真空，另一個指標是循環(huán)水泵電耗。另外從熱力系統(tǒng)角度考慮凝結水過冷度也是一個重要經濟性指標。凝汽器本身是個換熱器，評價其性能優(yōu)劣最重要指標是凝汽器端差。要想獲得最佳真空，主要措施是降低循環(huán)水溫度和降低凝汽器端差。對于循環(huán)水泵電耗，主要是考慮循環(huán)水泵經濟調度運行及泵組效率。

本文針對汽輪機冷端優(yōu)化分析問題，從凝汽器、循環(huán)水泵及冷卻塔等冷端設備整體出發(fā)，采用多種方法同步進行。提出了對循環(huán)水泵進行改造，以提高流量及效率，降低電耗;對冷卻塔填料及噴嘴換型改造，增大淋水面積，降低循環(huán)水溫度，以提高冷卻塔工作效率;對凝汽器換熱管進行高壓水沖洗，并在凝汽器補水加裝噴嘴霧化裝置，以改善凝汽器工況，提高機組真空。優(yōu)化改造后，機組經濟性明顯提高，為機組節(jié)能減耗奠定了良好的基礎。

一、 汽輪機冷端優(yōu)化的必要性

汽輪機冷端系統(tǒng)是由汽輪機低壓缸的末機組、凝汽器、冷卻塔、循環(huán)水泵、循環(huán)供水系統(tǒng)等系統(tǒng)組成。由于循環(huán)水水質較差，長時間運行，造成了冷端設備故障多發(fā)，設備出力下降，機組真空降低等問題。

1. 循環(huán)水泵組：我廠單臺機組共配置兩臺循環(huán)水泵，一臺雙速泵，一臺高速泵，均采用立式斜流泵結構。2009年6月投入運行至今，由于泵組設計參數與現(xiàn)場管路不匹配，循環(huán)泵在不同運行方式下循環(huán)水流量均低于設計值，泵組偏離設計工況點較遠運行。由于泵組性能未達到設計要求，導致凝汽器真空偏低，影響電廠的經濟運行。多臺循環(huán)水泵在工作中均出現(xiàn)嚴重的振動情況，已威脅到電廠機組運行的可靠性。

2. 冷卻塔填料： 冷卻塔填料在長時間運行中，會大面積出現(xiàn)老化、脫落等現(xiàn)象。機組運行當中，由于循環(huán)水水流下降的作用力，導致填料大面積破碎，掉入循環(huán)水系統(tǒng)，填料碎片將相當數量的凝汽器換熱管堵塞，致使凝汽器冷卻能力下降，機組真空下降，嚴重影響機組的經濟性，更重要的是威脅機組的安全運行。

3. 冷卻塔噴嘴：我廠冷卻塔噴濺裝置為反射III型，淋水分散性、均勻性較差，某些區(qū)域淋不到水，淋水填料出現(xiàn)盲區(qū)。盲區(qū)的通風阻力降低，空氣流量大于有水區(qū)，大量的空氣經盲區(qū)“短路”而流失，并使塔內氣流流場紊亂，導致冷卻效果下降，經濟性較差。

4. 凝汽器：機組運行時，低溫的化學補水沒有補入凝汽器喉部并實現(xiàn)霧化，無法與溫度較高的排汽在喉部進行熱交換，或者說排汽的潛熱沒有放熱給低溫的補水，補水也無法吸收排汽的熱量而被加熱，使得凝結水過冷度和含氧量增加。若凝結水溶解氧過高，除氧器過負荷運行會導致給水溶解氧的含量也會升高，影響鍋爐的水質，引起結垢和腐蝕，還有可能通過蒸汽進入汽輪機，造成汽輪機通流部分結垢，影響汽輪機效率和安全運行。

二、 汽輪機冷端系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化方案

1. 循環(huán)水泵優(yōu)化改造

1.1 改造原則

根據現(xiàn)場實際工況核定水泵運行參數，在泵組基礎保持不變、電氣及控制方式不變、泵出口方位尺寸不變、保留現(xiàn)有電機等前提下，以解決流量偏小的問題，提高真空度降低煤耗為主要目標，同時解決泵組振動超標、提高泵組穩(wěn)定性，設計新型泵，進行整機改造。

1.2 改造方案

從使用的角度出發(fā)，既要考慮泵的運行工況點在高效區(qū)范圍內，又要最大限度地降低改造成本，因此在選用效率高、高效運行范圍寬、汽蝕性能好的水力模型的同時，又采取以下防振措施：

(1)現(xiàn)加厚外筒接管壁厚至14mm，來提高筒體的強度，在外接管上增加筋板，提高筒體的剛性;

(2)在電機座外壁加上六個半圓柱支撐，使筒體剛性得到加強;

(3)在導軸承與外接管內壁增加支撐板，提高轉子的穩(wěn)定性;

(4)筒體結構改為上止口下錐面壓實，增加了穩(wěn)定性和對中性;

(5)現(xiàn)改進導流板結構形式，增加與外接管的支撐，提高機組的穩(wěn)定性同時更好地利用了泵輸送介質的動能，提高效率約2%;

(6)水泵出水彎管采用多節(jié)段導流片，通道圓滑流暢、阻力小，彎管內水流速度梯度減小，降低了渦流損失，減小振動，同時也提高了水泵效率;

(7)葉輪加工完成后進行動靜平衡試驗(按G6.3級進行靜平衡試驗、按G2.5級進行嚴格的動平衡試驗)，提高了轉子的穩(wěn)定性;

(8)在導葉體外圓增設與外筒體接觸的不銹鋼襯板，提高機組的穩(wěn)定性;

(9)在葉輪室和下外接管之間增加防轉動裝置，使運行更平穩(wěn)。

(10)采用中國水利電力科學研究院開發(fā)的Ns400斜流泵水力模型、先進的CFD理論技術對包含有流體流動和熱傳導等相關物理現(xiàn)象的系統(tǒng)進行精確的分析、采用Solidworks三維設計軟件進行產品設計分析計算方法，確保循環(huán)水泵在各種運行工況下均在高效區(qū)，循環(huán)水泵應可以并列或單泵運行，滿足各季節(jié)、各工況下整個機組的安全﹑經濟運行。并聯(lián)運行工況下，循環(huán)水泵的流量偏差限制在5%以內。

2. 冷卻塔填料換型改造

對冷卻塔填料進行改型，并全部更換，更換為耐腐蝕性、抗沖刷性更強的新型填料，同時一并對除水器、配水管等塔內附件進行維護。解決填料老化造成的凝汽器水側填料碎屑堵塞現(xiàn)象。提高冷卻塔工作效率及出力，以降低循環(huán)水溫度。

填料組裝塊的片間間距允許偏差為±1.0mm，組裝塊各鄰面間應互相垂直，形成一個規(guī)整六面體，由各片邊形成的平面應齊平一致;

粘接的填料塊，常溫時在簡支條件下承受3.0KN/m2均布荷載一小時，支承面及加載面應無明顯變形，卸載后應無明顯殘余變形，粘結點松脫率不超過5%，其頂部側向位移小于50mm。

淋水填料粘接成塊，粘接率不低于85%，淋水填料的物理力學性能應符合《冷卻塔塑料淋水填料技術規(guī)定》DL/T742-2001的標準要求。

3. 冷卻塔噴嘴換型改造

拆除冷卻塔舊的反射Ⅲ型噴嘴, 安裝可自動旋轉的ZLS-01型噴嘴，共計4484套。清理螺紋部位，檢查螺紋是否損壞，確保噴嘴緊固牢靠清理管內雜物，保證管內清潔，檢查破損部位，修補漏水部位。安裝的ZLS-01型節(jié)能噴嘴應垂直于填料與配套的接頭擰緊，防止運行中振動脫落。安裝后，確保ZLS-01型節(jié)能噴嘴的旋轉部分旋轉自如無卡澀。投入運行后，噴淋效果良好，填料無淋水死區(qū)，提高水塔冷卻效率。

4. 凝汽器優(yōu)化

在凝汽器補水加裝噴嘴霧化裝置，保證補水量與改前補水量相同。機組運行時，化學補水經噴嘴以與垂直方向呈30°角度斜向上霧狀噴出，噴出的水霧呈90度錐體形狀并以螺旋形旋轉。低加左右兩側的各兩根φ89補水管路分別呈對沖噴霧方式，可使凝汽器喉部低加兩側形成兩個霧化區(qū)。這樣，增加了汽輪機排汽和化學補水的接觸面積，可以將補水加熱到排汽壓力下的飽和溫度，減小了凝結水的過冷度;同時還增強了排汽和化學補水之間的換熱，最大限度的凝結排汽量，對提高真空有利。另外，補水霧化后，可以使補水中含有的空氣離析溢出而被真空泵抽走，降低了凝結水的含氧量，對提高低加傳熱效果、減緩低加氧化腐蝕速度有利。

為了保證凝汽器端差，每年停機檢修期間對凝汽器進行高壓大流量沖洗。最高清洗壓力可達30 MPa，清洗后凝汽器換熱管內壁可見金屬本色。這大大降低換熱管的水側傳熱熱阻，降低了凝汽器端差。

為了降低汽側傳熱熱阻，我們盡可能的提高凝汽器的真空嚴密性。為了保證真空嚴密性，在日常運行中，對容易漏空的地方進憲定期檢查。對于軸封回汽管是否內漏也可通過對比軸加風機電流進行輔助判斷，并在停機檢修時進入低壓缸內部檢查進一步確認漏空與否。在每次停機檢修期間，對凝汽器進行灌水查漏，查找到的漏點進行及時處理，確保灌水查漏后無漏水的地方。

化學人員對循環(huán)水水質進行嚴格控制，循環(huán)水濃縮倍率控制低一些，并合理使用阻垢劑，保證了凝汽器換熱管不結垢，并合理殺菌，減少換熱管內壁的泥垢，這都對凝汽器端差產生非常重要的正面效果。

另外，膠球系統(tǒng)24小時不間斷運行。每月定期補換新球，這能很好的清除凝汽器換換熱管內壁的泥垢。大大降低凝汽器水側傳熱熱阻。

為了保證凝汽器凝結水過冷度盡可能的小，凡是進入凝汽器的各種疏水嚴格按系統(tǒng)設計走管路，進入凝汽器的接口全部位于熱井水位以下，以充分利用疏水的熱量，以此來降低凝結水過冷度。

三、經濟性及安全性評價與分析

1. 經濟性分析

1.1 循環(huán)水泵改造后經濟性

改造泵輸水量Q=5.6 m³/s(20160 m³/h)，H=21m，η=88%, Pa=1373.4kW，取電機效率為95%，則每千噸水耗電量為：

E=1373.4÷20.16÷0.95=71.7度/km³

現(xiàn)泵運行時，輸水量Q=4.712 m³/s(16964 m³/h)，H=19.9m，Pa=1478.5KW，取電機效率為95%，則每千噸水耗電量為：

E=1478.5÷16.964÷0.95=91.7度/km³

每千噸水節(jié)電量為：ΔE=91.7-71.7=20度/km³

泵在設計點運行，則每千噸水可節(jié)電20度，按常年運行1臺泵，每日總輸水量約為：

∑Q=5.6×3600×24=483840 m³/日=483.84 km³/日

每年按實際運行300天計算節(jié)電量為：

∑E=20×483.84×300=2903040度/年，即改造單臺泵后每年節(jié)電量約為290.3萬度，按0.3元/度上網電價計算，每年可節(jié)約電費約87.09萬元，經濟效益顯著。

1.2 冷卻塔填料改造后經濟性

通過對冷卻塔填料進行整體改造更換后，可降低供電煤耗約0.5～0.8g/kwh，按單臺機年發(fā)電量15億kw˙h計算，可節(jié)約標煤約1000噸，每年可節(jié)約成本約40萬元。

1.3 冷卻塔噴濺裝置改造后經濟性

通過測算，我廠冷卻塔噴濺裝置改造后，循環(huán)水溫度可降低0.5～1.0℃，可降低發(fā)電煤耗0.5～1.0 g/kw˙h左右，按單臺機年發(fā)電量15億kw˙h計算，最少可節(jié)約標煤750噸，每年可節(jié)約成本約30萬元。

1.4 凝汽器補水加裝噴嘴霧化裝置改造后經濟性

補水在凝汽器內實現(xiàn)霧化后，加大了低溫補水和汽機排汽的混合換熱面積，從而使部分排汽在喉部凝結，進入銅管主凝結區(qū)的排汽量相應減少，在循環(huán)水量、水溫不變的情況下有利于提高機組的真空，按機組補水率為2%計算，經理論計算可使凝汽器真空提高0.06%，年節(jié)標煤319.77t/a，節(jié)約成本約12萬元。

綜上所述，汽輪機冷端優(yōu)化后，每年可節(jié)約成本約169萬元。

2. 安全性分析

循環(huán)水泵改造后，運行各參數及振動良好，效率大大提高，有效降低了廠用電;冷卻塔填料及噴嘴改造后，運行正常無堵塞、脫落現(xiàn)象，淋水更加均勻、分散，降低了循環(huán)水溫度;凝汽器喉部加裝噴嘴霧化裝置，換熱管用高壓水沖洗，真空系統(tǒng)查漏后，凝汽器運行狀態(tài)良好、無泄漏，有效提高了機組真空。

通過對汽輪機冷端設備優(yōu)化改造后，機組真空有效提高，設備正常運行周期大大增加，提高了設備健康水平，保證了我廠機組安全經濟運行。

四、結論

通過對汽輪機冷端系統(tǒng)設備進行優(yōu)化改造，使循環(huán)水泵、凝汽器、冷卻塔等冷端設備出力、效率明顯提高，經過計算，機組真空提高了約1KPa，降低供電煤耗約3g/kwh。改造后凝汽器、循環(huán)水泵及冷卻塔等冷端設備運行各參數良好，有效提高了設備運行壽命，節(jié)約了檢修運行成本，為我廠節(jié)能減耗奠定了良好的基礎，大大提高了我廠生產經濟性及安全性。

通過實施，證明了汽輪機冷端優(yōu)化方案的可行性，為同類型機組提供了很好借鑒。是將先進技術應用于火電系統(tǒng)中的一個成功范例，對先進技術在火電系統(tǒng)中的推廣應用起到了模范帶頭作用。