瓦斯電廠發電機組冷卻系統節能改造

張治倉，桂福珍

（1.陜西新泰能源有限公司，陜西 彬州 713500；2.陜西陜煤澄合礦業有限公司職工培訓中心，陜西 渭南 715200）

0 引言

大佛寺煤礦瓦斯電廠現有低濃度瓦斯發電機組24臺500 kW發電機組，容量12 MW。原設計采用外循環開式冷卻系統并配套機組熱交換器。該冷卻系統使用4臺500 m3/h玻璃鋼逆流冷卻塔，配套6臺功率45 kW的冷卻循環泵以及循環冷卻水池，運行方式為4用2備。

1 改造前冷卻系統存在的問題

大佛寺低濃度瓦斯發電廠地處陜西省彬州市，屬暖溫帶半干旱大陸性季風氣候，環境干燥且常年伴風。瓦斯發電機組使用的開式冷卻塔長期暴露在外受周邊環境影響，水資源損失巨大，每天消耗水量可達300 m3左右。同時冷卻塔為開式結構，水池清理周期短，冷卻塔換熱效率偏低，漂水損失大。圖1為開式冷卻系統冷卻塔實物圖。

圖1 開式冷卻系統冷卻塔

此外，該地區水質較硬，機組高、低溫熱交換器結垢頻繁，水垢處理是電廠生產過程中所面對的核心問題。清理水垢需將發電機組停機，待機組溫度冷卻后方可進行拆卸、清洗［1-3］，每臺機組高、低溫交換器平均每2 d便需進行一次清理，頻繁的啟停機，嚴重影響機組發電效率的同時還造成了巨大的能源損耗。頻繁拆裝清洗熱交換器還導致熱交換器使用壽命縮短為一年，該問題的發生造成瓦斯發電廠年運行成本增加了近50萬元。

電廠冷卻系統用水來自于大佛寺煤礦水源井，水資源分配困難。特別夏季來臨時，煤礦自身用水需求增大，無法保證電廠正常生產用水供水，發電設備隨時面臨因水源不足導致停運。

2 冷卻系統的技術改造措施

對發電機組冷卻系統的改造可以改善機組運行條件、減少水資源浪費、降低機組檢修頻次、降低機組停機率、減少機組維修費用、避免大范圍停機、提高發電量，同時擺脫水資源不足的制約［4-6］。

為了解決開式冷卻系統存在的問題，經過多方調研，認為臥式多風扇水箱閉式冷卻系統替代燃氣發電機組外循環冷卻系統技術可行。采用垂直筒風扇冷卻方式取代熱交換器配冷卻水塔的冷卻，能夠達到機組冷卻要求。臥式多風扇水箱閉式冷卻系統如圖2所示。

圖2 臥式多風扇水箱閉式冷卻系統

該冷卻系統優勢主要體現在7大方面。具體為：單臺機組散熱面積增加至750 m2，散熱效率明顯提高；采取了封閉循環系統，減少了水源、機組配件消耗，降低了運行成本；運行方式靈活，原冷卻系統停運時，對應12臺機組需全部停機，該冷卻方式故障僅影響相對應的單臺機組，最大程度減少了冷卻系統運行對發電機組的運行制約；采用分割設計的原則，每組散熱器可以單獨控制，可以根據電廠所在的不同環境和氣候進行選擇調節風扇開啟數量，合理控制整機溫度，使整機散熱能力能夠達到最佳狀態，減少不必要的電力損失；散熱芯子相對獨立，當設備運行過程中出現突發狀況時可以進行單獨拆卸，不需要全部拆檢，減少發電機組停機頻率、設備維修時間［7-9］；立式頂部風機散熱，較傳統水箱安全性提高；整體結構性強，方便拆裝，移動方便。

3 開式與閉式冷卻系統對比分析

3.1 改造工期

開式冷卻系統改造，由于水質硬產生的積垢影響，需要清理或更換全部冷卻水循環管線［10-12］。同時，開式冷卻系統對蓄水方面要求較高。冷卻水循環水池的清洗需要大量人力投入，清洗過程中還需要對原有水池內的蓄水進行排空處理，水資源浪費較大，結合設備、水管線的更換，可知該開式冷卻系統改造成本較大。

閉式冷卻系統改造，臥式多風扇閉式冷卻系統的建設僅需對現場閑置空地進行規劃，必要時可采用分散式布局，對土地使用要求相對較低，且設備占地面積小，施工靈活，對人力物力的投入較小。單機改造工期較短，僅需2 d便可完成1臺設備的改造。另外，臥式多風扇水箱每臺機組配置一臺套風冷裝置，形成獨立的循環冷卻系統，發生突發事故僅需對相應事故機組的冷卻循環系統進行停機處理即可，不會對其他機組的正常運行造成影響。

3.2 運行成本分析

開式冷卻系統水耗和電耗：開式冷卻循環系統理想狀態下每天需補充冷卻水約為145 m3/d，但實際用水消耗還包括冷卻塔自然蒸發、漂水損失等，實際用水消耗約為300 m3/d，每方水按3元計算，每天損耗水成本為900元。

開式冷卻循環系統正常生產運行需啟用4臺循環水泵以及冷卻塔風機，每小時電量消耗為（45+15）×4=240 kW，電廠日使用電量為240×24=5 760 kW·h，平均單臺機組日用電量240 kW·h。另外，由于水質問題影響，水管線內存在結垢問題，需及時停機清理熱交換器內的水垢，累計單臺機組每月停機時長48 h左右，按照開式冷卻系統運行狀態下機組發電功率約為350 kW計算，清理熱交換器而造成停機期間損失的發電量為350×48=16 800 kW·h。由此推算，機組平均每日損失電量約為16 800/30=560 kW·h。

通過以上計算可知，使用開式冷卻循環系統運行機組，單機約損耗電力700 kW·h/d，根據陜西省咸陽市市場電價0.52元/度進行計算，設備日消耗電量換算金額約為364元，共計消耗資源換算金額為1 151元/d。

閉式冷卻系統水耗和電耗：①閉式循環冷卻系統以散熱風扇替代原外循環水冷系統，無水源消耗，發電機組補水周期與原冷卻系統基本持平，約3 d進行一次補水，24臺風冷設備補水量不足5 m3/月，按5 m3用水消耗約為15元；②閉式循環冷卻系統運行用電消耗按滿負荷進行計算，單臺設備日消耗電量約2×8×24=384 kW·h（單臺風機功率2 kW，共8臺風機），根據風冷設備運行結果可知，內循環冷卻設備同比外循環冷卻設備無特殊設備檢修工作。根據市場電價進行計算，設備日消耗電量換算金額約為200元，共計消耗資源換算金額為215元/d。

對比結果：根據對開式冷卻系統與閉式冷卻系統日常運行過程中能源與經濟使用情況進行分析對比，得出采用閉式冷卻系統同比開式冷卻系統日節約用水295 m3；風冷設備運行成本每天可節約用電316 kW·h；風冷設備運行過程中單臺設備出現突發狀況時發電機組不會出現大面積停機；由于無特殊設備檢修工作要求，內循環冷卻系統同比外循環冷卻系統降低了人力資源成本。

4 工程改造后的效果

大佛寺瓦斯發電廠臥式多風扇內循環冷卻系統改造工程自2018年5月中旬開始施工，于6月下旬完成工程改造。冷卻系統改造前發電機組的運行水溫、油溫平均高達85℃左右，接近報警臨界值，平均單臺發電機組分網頻率可達3次/d。同時，由于水溫、油溫的限制，發電機組運行功率最高僅能到達350 kW。

冷卻系統改造完成后，發電機組運行水溫、油溫降低至75～80℃左右，溫度處于設備運行標準范圍。在沒有了水溫、油溫限制后，發電機組單機運行功率可提升至450 kW左右，每天增加發電量57 600 kW·h左右，折純后的實際單位瓦斯（純甲烷）發電量提高至2.6 kW·h/m3，達到提升發電機組發電量的目的，發電效率高于國內平均水平。

另外，冷卻系統改造后，原系統循環水泵、冷卻塔、循環水池轉為備用狀態，減少了系統檢修及循環水池清淤換水等工作頻次，減輕作業人員勞動強度，緩解了生產現場人員緊張現狀。

5 結論

（1）實踐結果表明，對于水源短缺、水質硬度高地區的瓦斯發電廠，建議根據現場實際情況進行冷卻系統改造，改善瓦斯發電企業整體安全運行環境，穩定發電機組運行，提高發電產量。

（2）對于缺水少水或水質要求不達標地區，使用臥式多風扇水箱閉式冷卻循環系統同比開式冷卻系統運行經濟性高，減少能源浪費，還可降低人力資源緊張狀況，提高電廠生產效率。

（3）閉式冷卻系統安裝運行操作靈活、施工要求低、建造成本少、運行穩定，可以為其它同類瓦斯發電項目提供改造思路。