鍋爐沖管技術在分布式能源站中的應用

孫五一，孫 潔，韓高巖，呂洪坤，童家麟，蔡潔聰

（1.杭州意能電力技術有限公司，杭州 310012；2.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

能源結構優化是當前我國政府實施可持續發展戰略的重大決策，分布式能源站作為天然氣高效利用的方式之一，正面臨著前所未有的機遇與挑戰[l-2]。分布式能源站具有靈活、分散、小型、靠近用戶和合理使用清潔能源的特點，一般直接接在用戶端或配電網，由需求側管理。分布式能源站能提高局部供電可靠性、減少輸電損耗、提高一次能源的利用率以及減少廢氣排放，具有很好的應用前景[3-4]。

近二十年來，小型燃氣輪機、熱電聯供、光伏發電、燃料電池、風力發電以及小型儲能技術取得了長足的進步，促進了分布式發電的發展[5-8]。特別是隨著互聯網技術的高速發展，IDC（互聯網數據中心）機房迅速擴建，很大程度上促進了分布式能源的發展。能源站內主要管網和相關設備內部的清潔度則是保證整個能源站安全、穩定、經濟運行的前提條件，這對能源站投產前管網水沖洗效果提出了更高的要求。

1 能源站概況

1.1 能源站制冷設備

某冷電二聯供能源站配套7×4 650 kW級煙氣-熱水型溴化鋰吸收式冷水機組（以下簡稱“溴冷機組”）、10×4 571 kW級離心式電制冷冷水機組（以下簡稱“電冷機組”）。主要冷機制冷量和冷凍水流量詳見表1。由于并聯冷機數量較多，為達到更好的水力平衡，母管管道工質流速不應大于4.0 m/s。由于設計的主干管和母管流量為6 683.75 m3/h，主干管與母管采用內徑900 mm的管子，管內冷凍水最大流速為2.88 m/s，冷凍水流動阻力為66.3 Pa/m，滿足分集水器流速要求。

表1 主要冷機制冷量和冷凍水流量

為保證供冷可靠性，能源站分為2個獨立單元運行。一單元配有4臺溴冷機組、5臺電冷機組，二單元配有3臺溴冷機組、5臺電冷機組。每臺冷機配備1臺冷凍水泵和1臺冷卻水泵。能源站設計選擇制冷量相近的冷機，一方面可以增加不同冷機的運行組合，另一方面也提高了備用冷機數量，使經濟性和安全性得到雙重保障。

1.2 能源站冷凍水系統

2個單元冷凍水系統各有雙路全流量供、回水母管。每臺冷機可通過接管閥選擇單、雙母管運行。2個單元供冷母管在能源站外匯合，冷凍水經環形供冷母管由二次泵輸向IDC機房。2個蓄冷罐（2×1 500 m3）出水連接在二次泵前的能源站供冷母管上，回水連接在IDC機房至能源站間的回水母管上，蓄冷罐內冷凍水可雙向流動，通過流向判斷蓄冷罐處于蓄冷模式還是釋冷模式。當制冷量不足以為IDC提供足夠的冷凍水，蓄冷罐將進入釋冷模式，由蓄冷罐提供冷凍水經由二次泵輸向IDC機房。能源站冷凍水系統流程如圖1所示。

圖1 冷凍水系統流程

2 冷凍水系統水沖洗的必要性

能源站內冷凍水作為換熱的主要介質，冷凍水管道及相關設備內部的清潔程度嚴重影響著能源站安全、穩定、經濟運行。新裝機組在正式投用前應通過物理方法清除在制造、運輸、保管、安裝過程中殘留在管道中的焊渣、氧化銹皮、泥砂等。因此，在能源站冷凍水系統正式投運前必須對冷凍水管道進行水沖洗，防止機組運行雜質沉積，堵塞在板式換熱器和冷機內部。近幾年，隨著技術水平的不斷提升，冷凍水系統管道鍍膜技術逐漸得到應用，部分機房用戶（如阿里巴巴）在能源站供冷可靠性驗收中將冷凍水管道是否鍍膜也作為一項重要指標，而鍍膜前管道內部的清潔程度將直接影響成膜率，因此冷凍水管道水沖洗的必要性日益凸顯。

3 鍋爐沖管技術在管道水沖洗中的應用

3.1 可借鑒性理論分析

3.1.1 相似性分析

冷卻水系統是一個半開放式系統，機力通風塔作為一個接收外來雜質和水體污染源的主要載體，在設計之初就考慮到機力通風塔對外來雜質必須有一定的緩沖和沉積作用，并具備收集和排放雜質的功能。同時冷卻水母管上設置沙濾以進一步增強對系統內雜質的阻擋和過濾。

冷凍水系統進行的是閉式循環，沒有配備相應的雜質過濾裝置，固體、離子雜質的沉積和堵塞直接影響機組運行的穩定性和經濟性。可見，冷凍水管路對水沖洗質量的要求更高。現以冷凍水系統管路水沖洗為例進行詳細說明。

冷凍水系統水沖洗的實質近似于鍋爐蒸汽吹管，均是利用管道內流動的介質將殘留在管道內的雜質進行物理攜帶和溶解，而水通常理解為不可壓縮介質，在沖洗過程中只能靠提升流速達到一定的沖洗效果。

在冷凍水管路沖洗過程中啟動冷凍水泵并逐漸增加運行泵數量，最終達到一個理想的沖洗流量，這種方式類似于鍋爐穩壓沖管中投用磨煤機組并逐漸增加運行磨組的數量，直到蒸汽流量滿足吹管系數的要求。

3.1.2 沖洗系數K

DL/T 1269-2013《火力發電建設工程機組蒸汽吹管導則》中給出穩壓吹管系數計算公式如下：

式中：K為吹管系數；Db為吹管工況蒸汽流量；vb為吹管工況蒸汽比體積；D0為BMCR（鍋爐最大連續蒸發量）工況蒸汽流量；v0為BMCR工況蒸汽比體積。

發電廠鍋爐吹管時，沖刷介質為過熱蒸汽，過熱蒸汽比體積受溫度和壓力影響變化大，而同一系統水沖洗時水比體積在不同工況下可理解為近似相等，則公式（1）可簡化為公式（2）：

式中：Kc為沖洗系數；Dq為冷凍水沖洗時流量；Ds為冷凍水設計工況流量。

由公式（2）可知，冷凍水系統水沖洗時沖洗系數K只與沖洗時的流量有關，流量越大沖洗系數K越大，沖洗效果越好。姜國斌等人所闡述的壓差控制法實質也是以提升沖洗流量來獲得更好的沖洗效果[10]。

實際沖洗過程中，沖洗流量主要受動力源（即冷凍水泵）和管路耐壓限制，沖洗系數不能無限增加，借鑒蒸汽穩壓吹管中對吹管系數的要求，應保證冷凍水沖洗時的流量大于系統設計流量，即K＞1時獲得的沖洗效果較好。

3.2 水沖洗前準備工作

冷凍水系統管路短接目的是將冷凍水所流經的易沉積、堵塞設備和部位進行隔離，對系統中某些會極大延長沖洗時間和增加沖洗工質損耗的部位進行隔離，制定更經濟有效的單體清洗方案。

管路短接的要求與DL/T 1269-2013導則中對臨時管的要求一致，應保證短接管內徑不小于正式管道內徑，且短接管設計阻力不大于被短接部位或設備的阻力。冷凍水系統短接方式見圖2。

圖2 冷凍水系統短接方式

在冷凍水系統沖洗時，首先將冷凍水系統機房側的板式換熱器進行隔離，使用臨時管進行短接，如李冠球等就從理論和實驗的角度指出了冷凍水水質對板式換熱器的重要性[11]。其次，將電冷機組和溴冷機組冷凍水進出水管短接，防止冷凍水系統中雜質沉積在冷機螺紋管內部，致使管子傳熱效果惡化，影響機組運行的經濟性。最后，將蓄冷罐進回水短接。蓄冷罐不納入冷凍水沖洗流程主要基于以下3點考慮：第一是在冷凍水流經設備中蓄冷罐截面積最大，冷凍水進入蓄冷罐后流速將大大降低，導致攜帶雜質由于重力作用沉積在罐體底部無法排出，蓄冷罐參與水沖洗后仍需進行人工清理；第二是2個蓄冷罐水容積較大，納入沖洗流程后注水、放水時間將成倍增加；第三是由于蓄冷罐結構簡單，設備相對獨立，采用人工清理不僅可保證內部清潔度，而且在水沖洗前完成清理還可作為容器儲存沖洗用水，以便加快水沖洗進度。

3.3 雜質收集和水沖洗階段劃分

3.3.1 雜質的收集

借鑒鍋爐過、再熱器串沖階段，再熱器進口加裝集粒器用以收集和防止較大固體顆粒進入再熱器的做法，冷凍水沖洗過程中，泵的進口濾網起到了集粒器的作用。可根據雜質顆的特性和不同水沖洗階段選擇濾網或濾網加不同目數金屬濾網的組合。

3.3.2 水沖洗階段的劃分

冷凍水沖洗中主要雜質可分為兩大類，一是固體類雜質，二是離子類雜質。其中固體類雜質又分為可溶于水和不可溶于水。不溶于水的固體類雜質只能靠物理攔截收集，離子雜質和可溶于水的固體雜質則可通過溶解、攜帶排出。根據實際工程經驗，結合現場的可操作性將冷凍水系統水沖洗分為3個階段。

（1）預沖洗階段。這一階段類似于鍋爐蒸汽吹管中的點火升壓到試吹階段，主要對正式和臨時系統進行檢查、注水、排氣，對冷凍水泵依次進行試轉，確保下一階段可投用冷凍水泵的數量。利用原有濾網對特別大的雜質進行收集。當所有泵因進口濾網差壓大于200 Pa而停止試轉時，進行系統放水并對濾網內收集的雜質進行清理鑒別，制定下階段的沖洗計劃。

（2）正式沖洗階段。這一階段類似于鍋爐蒸汽吹管中的正式吹管階段，將完成較大固體雜質的沖洗和收集工作，絕大部分水溶性固體雜質和部分離子雜質的沖洗、溶解、攜帶、排出工作。通過增加運行冷凍水泵數量來保證沖洗效果。當沖洗系數K＞1且連續水沖洗大于2 h以及濾網差壓未達到200 Pa時，可在原有濾網內部套上20目軟性金屬濾網再次進行沖洗，直至增加的軟性金屬濾網達到100目，本階段沖洗完成。

（3）后沖洗階段。這一階段沖洗主要是去除離子雜質，同時利用濾網和高目數金屬濾網繼續對殘留小型固體雜質進行收集。沖洗前期采用大流量沖洗和整體放水，當管道內主要離子雜質、鐵離子濃度小于3 000 μg/L時可采用邊補水邊排放的置換沖洗。沖洗過程中進行定期采樣監測，直至冷凍水中鐵離子濃度小于500 μg/L。

3.4 水沖洗方法的工程應用

本次沖洗主要以泵進口濾網差壓以及水質監測數據作為判斷沖洗合格的依據，水沖洗時二次泵采用變頻調節匹配系統內冷凍水流量。

首次水沖洗時，以第1臺啟動泵的濾網差壓作為研究對象，泵啟動后每隔60 s記錄1次濾網差壓數值，300 s后啟動第2臺泵，2臺泵并列運行直到濾網差壓超過200 Pa達到清理要求，結束記錄。濾網差壓爬升情況與冷凍水泵運行時間如圖3所示。

圖3 泵運行時間與濾網差壓關系

第2臺泵啟動后沖洗水流量增大約1倍，沖洗水攜帶雜質的能力也相應增強，濾網差壓上升的速率大于單臺泵運行時濾網差壓上升的速率，由此可見流量越大沖洗效果越好。

經過一段時間沖洗，對濾網進行清理。以第1臺啟動泵的濾網差壓作為研究對象，泵啟動后每隔1 min記錄濾網差壓上升情況，間隔5 min啟動1臺泵，直至第一單元內9臺冷凍水泵全部完成啟動，9臺泵并列且穩定運行5 min后結束記錄。濾網差壓爬升情況與泵運行時間關系如圖4所示。

圖4 泵運行時間與濾網差壓關系

每啟動1臺泵沖洗水流量相應增大，沖洗水攜帶雜質的能力也相應增強，沖洗初期濾網差壓上升速率較快，到了后期沖洗水基數變大，新加入運行泵所增加的流量占沖洗水量的百分比逐漸下降，濾網差壓上升趨勢有所減緩。當9臺泵全部啟動后，沖洗系數K達到1.07。又因部分管路進行了短接，整個臨時系統的阻力低于正式系統系統的阻力，預估此時的K值可達1.1以上。

3.5 冷凍水系統管路沖洗經驗及建議

（1）運用提出的水沖洗方法可比計劃提前6天完成沖洗工作。經鍍膜單位檢測，綜合除垢率大于98%（氧化鐵銹除銹率大于95%），為后期鍍膜工作奠定了良好的基礎。

（2）沖洗系數K主要受水沖洗動力源的影響，對于雙母管運行的冷凍水系統，如K值不能大于1時，可切換至單母管以提高沖洗效果。

（3）可提前預判管道生產、運輸、安裝過程中可能存在的固態雜質和離子雜質。針對某些難以溶解和攜帶的雜質，在沖洗水中添加特定藥品，提高其溶解濃度或將其反應為易溶于水的物質，通過攜帶排出。

（4）能源站正常運行時，整個冷凍水系統流速最低區域應為蓄冷罐內部，蓄冷罐底部將成為雜質沉積的主要區域。蓄冷罐底部應合理設計排污系統并定期投用，將沉積在蓄冷罐內的系統雜質排放清理。

4 結語

冷凍水系統作為分布式能源站內的重要系統，水沖洗的質量直接影響能源站運行的安全性和經濟性。參考電站鍋爐沖管中吹管系數的計算方法，進而轉化成沖洗系數，明確冷凍水沖洗時的參考依據。借鑒臨沖管和集粒器的設計、安裝、使用原理和方法，制定冷凍水沖洗的臨時系統，用以提高沖洗效果和縮短沖洗時間，在實際應用中也取得了理想的效果。