冶金自備電廠汽輪機冷端節能技術應用

曹俊水，姜銀維

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司熱電總廠，安徽馬鞍山 243000）

引言

近年來，隨著冶金自備電廠汽輪機服役時間的增加，建成時其冷端循環水系統多采用開式循環或半開式循環方式，有巨大的節水節電節能潛力，本文通過某南方冶金自備電廠汽輪機冷端節能技術應用說明冶金電廠冷端節能空間巨大，應用范圍廣泛。

1 項目機組冷端現狀及改造必要性

南方某冶金自備電廠3#機組始建于上世紀90年代，至今服役超過20年，其汽輪機額定負荷50 MW。汽輪機凝汽器采用雙流程表面回熱式雙道制凝汽器，冷卻用水為河流地表原水。2000年該機組進行了汽輪機本體增容改造至60 MW。由于該機組采用開式循環，凝汽器采用普通膠球清洗裝置,目前機組存在連續運行3～6月以后，凝汽器經濟技術參數有明顯劣化趨勢的問題，真空端差等指標均超過設計值，夏季機組能效指標明顯下降。該機組近年為保證夏季發電出力，均要在5～6月份安排停機，采用高壓水槍清洗凝汽器。不考慮清洗費用，僅僅停機4～5天，損失供電量就要超過600萬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致的發電量減少，提高機組出力，該廠決定對冷端進行一系列的改造。

2016年通過對3#機組冷端系統近兩年（2015～2016年）的運行狀況及各運行參數進行勘查采集，并對機組冷端系統性能進行綜合性診斷分析，主要表現在全年換熱端差偏大（全年平均11.1℃）、真空嚴密性不理想，初步分析機組冷端運行狀況存在一定的改造優化空間，對比見表1。注：真空值=機組背壓-當地大氣壓（計絕對值）；偏差值=基準值-實際值。

表1 機組冷端系統性能分析

通過對機組冷端運行參數進行綜合診斷分析，在項目實施后預計可降低換熱端差5℃左右，降低排氣溫度4℃，提高機組真空1.5 kPa。

預計項目實施后帶來的經濟效益：年增發電量＝60000×（1.5×1.35%×6000)≈729 萬 kWh/年經濟效益；經濟效益=729萬kWh/年×0.58元/kWh≈422萬元/年 ；年節約標煤729萬kWh×335g/kWh=2442噸；減少CO2排放量約為2442t/年×2.6≈6349.6t/年。

綜述，通過優化改造項目的實施預計帶來的多重效益十分可觀。

2 冷端節能優化的分析及改造措施

2.1 影響冷端指標的主要因素

冷卻水進口溫度（冷卻塔性能、氣候環境等）。

冷卻水流量（循泵性能及運行控制）。

凝汽器熱負荷（汽輪機負荷、抽汽量、排氣溫度等）。

冷卻管臟污（循環水質、在線清洗效果、污垢類型等）。

漏入空氣（真空嚴密性、抽氣能力）。

凝汽器本體性能（凝汽器冷卻管材質、管束布置、喉部結構等）。

從上面數據及影響因素分析，該廠3#機由于采用地表原水，水中雜物雜質較復雜，微生物、貝殼類生物多，凝汽器結垢明顯，夏季微生物、貝殼類繁殖快，需要加強膠球清洗的效果，同時冬季真空情況良好，基本達到設計值，還可以從射水泵節能方面進行考慮。

2.2 項目實施內容

該廠在確保機組安全運行的前提下，綜合考慮國內外較成熟的技術及系統，盡量采用效果好的自動化和智能化決策控制系統，全面解決凝汽器冷端系統運行中存在問題，挖掘冷端系統各設備的最佳性能，在消耗極小的前提下獲取最有利的運行真空。主要方案及措施有：

（1）安裝新型凝汽器真空保持節能系統1臺套，以提高膠球清洗的效果。

（2）對3#機組凝汽器冷卻銅管全部更換為TP304不銹鋼管，新型凝汽器真空保持節能系統清洗頻率高，磨損相對較大，不銹鋼材質適應性好。

（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，以節約用電量。

（4）凝汽器循環水進水管加裝自動反沖二次濾網，減少循環水（原水）水中雜質。

（5）對凝汽器真空系統，機組負壓系統進行氦質譜查漏，并針對檢查結果進行治理。

2.3 項目實施技術方案

2.3.1 工藝方案

新型凝汽器真空保持節能系統（專利技術）與傳統膠球清洗的主要差別見表2。

表2 兩種工藝的區別

新型凝汽器真空保持節能系統從機組冷端系統著手，提高汽輪機組冷端性能且長期自動保持，進而提高汽輪機效率，降低冷端系統能耗，是電站節能降耗，提高機組經濟性、實現效益最大化的最佳途徑。

2.4 項目工程施工及調試

該廠于2017年2～5月，完成3#機組冷端優化節能改造項目第一階段的施工及驗收調試工作。

（1）凝汽器循環水進水管加裝自動反沖二次濾網。

（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TP304不銹鋼管。

（4）膠球清洗裝置控制系統安裝，實現了所需的數據傳輸及運行控制。

項目的第一階段施工的主要目的是改善循環水來水品質，減少凝氣器結垢，改善凝汽器換熱效果；

第一階段改造前后指標對比：

2017年2月24日機組冷端優化設備安裝完成后，對冷端運行參數進行匯總對比，相近工況下機組冷端運行參數如下表3。

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

表3 改造前、后的主要經濟指標

3 機組凝汽器性能試驗、真空系統嚴密性查漏處理

項目的第二階段測定凝汽器性能及負壓系統嚴密性檢查，恢復汽輪機冷端性能。

3.1 凝汽器性能試驗

2017年5月外聘第三方具有行業資質的電科院對3#機組進行改造后熱力性能試驗，通過性能實驗檢驗機組改造后汽輪機的熱力性能，得到3#機組各負荷段機組背壓與熱耗及背壓與功率的關系曲線，并出具性能實驗報告。方便對整個過程進行效益評價。

根據試驗結果，可得出各試驗工況背壓與熱耗率的關系曲線見圖1。根據試驗結果，可得出各試驗工況真空與負荷的關系曲線見圖2。

圖1 各試驗負荷下真空（絕對壓力）與熱耗率的關系曲線

圖2 各試驗負荷下真空與負荷的關系曲線

根據真空（相對壓力）與發電機功率的關系函數，若將真空對負荷的影響看作線性關系時，可得出各試驗負荷段每1 kPa真空對負荷的影響率曲線見圖3。

圖3 各負荷段每1kPa真空對負荷的影響

若把真空變化對熱耗率的影響看作線性關系時，按照實驗結果，在60 MW時對負荷的影響率為1.08%。

3.2 真空系統嚴密性檢查處理

凝汽器真空嚴密性降低，增大了機組的熱耗，并可能導致凝結水含氧量大，引起低加管束內壁、凝結水管道和設備的腐蝕，同時引發其他安全問題。2017年6月，外聘公司運用電站用氦質譜檢漏儀對3#汽機真空系統進行查漏工作。通過對真空系統各設備及管道進行噴放氦氣，氦氣質譜儀吸入口放在射水泵抽氣器回水口位置來檢測是否存在漏點，總共檢測72處，發現微漏部位18處，見表4。

表4 檢漏結果

4 真空系統嚴密性處理，真空泵安裝

2017年9月機組大修期間對各部位進行檢修處理，對汽輪機缸面進行開槽加填充物處理，并通過灌水查漏進行處理結果驗證和修復,同步安裝真空泵，對軸加系統管路進行了改造。

5 項目實施前后能效對比分析

第二階段項目優化改造整體完成后指標對比分析：

2017年9月30日冷端改造項目整體工作結束后，3#機組投入正常運行，根據運行情況，采集機組在接近負荷及相近環境參數情況下冷端各參數指標進行能效對比分析如表5～6。

表5 改造前、后的冷端主要經濟指標

表6 改造前、后的射水抽氣器和真空泵功率對比

項目節能效果分析：

（1）數據采點說明：為了降低評估時的系統誤差，冷端優化前DCS數據的采集取點為2016年10月12日，改造后取點為2017年10月11日9:00至12日14:00實時運行數據，此兩段時間內機組負荷及凝汽器的冷卻水進水溫度、溫升都基本一致。本項目通過對改造前、后的冷端數據進行分析對比，從而可以定性的分析其改造前、后的優化效果。

（2）數據對比分析：改造前（2016年10月12日）機組平均負荷45.75 MW，改造后（2017年10月11日-12日）機組平均負荷為45.97 MW，凝汽器熱負荷基本接近，對比之下，改造后相對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）更換銅管會短時影響對其他優化工作評價，設備已經連續運行半年之后，第二次評估弱化了更換換熱管帶來的正面收益，整體優化后的效果是可信的。

6 結論

通過對3#機組進行冷端優化改造，機組真空提升2.04 kPa，超過項目實施前預計的真空提升不低于1.5 kPa的目標，各項冷端經濟指標得到了改善，結合凝汽器性能試驗結論，冷端優化改造項目實施后降低發電熱耗236.15 kJ/kWh，提高發電效率2.2%，進而體現出3#機組冷端優化節能改造后良好的效果。按照年度運行7000 h，負荷率按照90%計算

年度提高發電量 6×7000×90%×2.04×1.08%=832.8萬 kWh，

真空泵節電量41.8×7000=29.26萬kWh

合計862.06萬kWh。

本次改造重點關注汽輪機冷端技術的分析和應用，取得了良好的經濟效益，同時也為下一步凝汽器循環水泵節能改造打下了良好基礎。說明老舊小汽輪機冷端節能優化技術潛力還是巨大的。