淺談汽輪機冷凝器節能技術改造

摘要：汽輪機泠凝器節能改造是一項重要的技術內容，冷凝器在汽輪機中屬于關鍵的設備，在汽輪機工作時泠凝器產生了大量的能源浪費，不符合節能降耗的要求。汽輪機泠凝器運行中專門提出了節能技術改造的要求，目的是降低汽輪機泠凝器的能源消耗，最主要的是實現冷凝器的節能運行，體現冷凝器節能技術改造的優勢。本文主要探討汽輪機冷凝器節能技術改造的相關措施。

關鍵詞：汽輪機;冷凝器;節能;改造

一、前言

我國電力事業、鋼鐵產業中均涉及汽輪機的使用，汽輪機在使用的過程中會產生大量的能源消耗，其中冷凝器造成的能源浪費是不能忽視的，我國電力事業、鋼鐵產業等均已朝向綠色化、節能化的方向發展，對汽輪機泠凝器也提出了節能改造的要求。冷凝器在汽輪機中具有綜合性的運行特征，冷凝的過程中涉及大量的分項系統，這時就會增加泠凝器的工作負擔，促使冷凝器面臨著高消耗的問題。冷凝器節能技術改造一直是一大難題，按照汽輪機的工作需求以及運行現狀組織好冷凝器的技術改造，保證冷凝器具有節能降耗的能力，進而實現冷凝器的綠色化運行，提高汽輪機的工作效率。

二、汽輪機冷凝器的現行狀態

汽輪機運行時排出的水汽離開低壓缸后會迅速流入到冷凝器的殼體側，冷凝器管道中由循環水泵提供了具有冷卻作用的循環水，水汽會凝結成水，冷凝器會把凝結的水泵入到水系統后進行循環使用，冷凝器的工作效率越高，汽輪機熱循環的效率就會越高，具體的工作原理圖如下圖1所示[1]。

汽輪機中使用的冷凝器主要有水冷和空冷兩種類型，水冷原理的冷凝器結構表面安裝有水汽換熱器，換熱器的換熱管負責交換蒸汽與冷卻水的熱量，開放式的冷凝器結構中的水是取自大自然，之后循環后再排放到大自然中，還有一種是濕式冷卻塔，也就是閉環工作狀態，該結構實現了水的循環再利用，此結構的冷凝器中安裝了雙曲線冷卻塔，專門用于冷卻循環水并再回收，空冷的冷凝器設備分為直接空冷與間接空冷，直接空冷結構的冷凝器需要把汽輪機產生的高溫蒸汽引入到冷凝器內，間接空冷結構的冷凝器接入了混合式換熱器，實現了汽輪機蒸汽和凝結水的同時降溫，換熱器中的水分為兩部分處理路徑，一部分回到汽輪機中，另一部分循環進入水汽換熱器內。

近幾年，汽輪機冷凝器運行中提出了節能技術改造的要求，以冷凝器在汽輪機中的現行狀態進行節能技術改造，以此來提高冷凝器的運行水平，進而滿足汽輪機的需求[2]。本文以某火電廠中的汽輪機為分析背景，探討汽輪機冷凝器節能改造的現狀。該火電廠中汽輪機中使用的冷凝器的冷凝壓力偏高，與國外先進的冷凝器運行技術相比，國內冷凝器的冷凝壓力高出2kpa左右，這樣就會在運行中產生3.0～8.0g/kW·h的耗能，直接影響到汽輪機的經濟效益，也不利于火電廠的節能改造發展。目前，該火電廠評價汽輪機中冷凝器運行的指標主要是壓力，冷凝器真空效果、內部清潔度以及熱負荷均是影響冷凝器壓力的因素，該案例中冷凝器熱負荷的影響最為明顯，火電廠冷凝器熱負荷增加的現象很普遍，該案例中增幅在20%左右，該條件下由冷凝器造成的燃煤損耗就在1.5～3.0g/kW·h的范圍中，由此說明冷凝器節能技術改造是必然的發展趨勢，以汽輪機冷凝器的實際情況為主組織節能技術改造，提高冷凝器的節能水平。

三、汽輪機冷凝器能耗高的原因

本文結合汽輪機中冷凝器的運行，總結幾點冷凝器能耗高的原因，為冷凝器節能技術改造提供參考。

（一）汽輪機冷凝器運行所在的環境中會有大量的發熱設備

冷凝器處在發熱設備中運行，這時室內與室外的環境溫度就會有很大的差距[3]，冷凝器運行在高溫的室內環境中就會增加整體結構的耗冷量，致使冷凝器的制冷負荷增加，冷凝器需要在制冷的條件下控制好溫度，就會產生較高的能耗。

（二）汽輪機冷凝器所處室內環境比室外環境低

也就是室外環境高，冷凝器中的換熱量會減小，也不利于冷凝器的節能降耗，冷凝器中換熱量的相對值變小之后會降低冷凝器自身的換熱效率，因而無法做到節能降耗。

（三）冷凝器長期使用過程中受到環境污染的影響

在冷凝器的內壁、外壁上附著一層油膜污垢，削弱了冷凝器的換熱量，導致冷凝器的運行工作中出現了高負荷壓力，冷凝壓力逐漸升高，產生了能源消耗。

四、汽輪機冷凝器節能改造分析

汽輪機在電廠中占有較高的能耗，電廠節能降耗中針對汽輪機提出了一定的要求，實際影響汽輪機能耗的主要因素中，冷凝器占有很大的比重，冷凝器使用不當會在很大程度上影響汽輪機的工作效果，不僅會出現水資源浪費的問題，也會出現能耗增加的情況，冷凝器長期處在高消耗的狀態也會引起安全風險，汽輪機運行中專門針對冷凝器提出節能技術改造的要求，以此來完善冷凝器的運行，為汽輪機提供節能降耗的運行條件。

汽輪機冷凝器節能技術改造中，如何高效的做到降低冷凝器工作溫度并且提高熱交換的效率成為主要的問題，很多冷凝器節能技術改造案例中會通過改造冷凝器結構，如更換冷凝管，增設節能裝置，如加裝余熱發電裝置等的方法實現冷凝器的節能降耗，強調冷凝器在汽輪機中的節能效果[4]。汽輪機冷凝器節能改造分析中，必須意識到冷凝器與汽輪機的關系，同時還要了解冷凝器產生能耗浪費的原因，上文中已經有總結了幾點冷凝器高消耗的原因，以此作為參考內容進行冷凝器節能技術改造的應用，優化冷凝器的運行，體現冷凝器節能改造在汽輪機中的優勢。汽輪機冷凝器節能技術改造中，既要有技術支持也要有可行的措施，避免冷凝器節能改造中出現問題，把控好節能改造技術的應用，完善冷凝器在汽輪機中的運行環境，體現冷凝器節能降耗的實踐價值。

五、汽輪機冷凝器節能技術改造案例

本文以某熱電站的汽輪機冷凝器為分析對象，分析節能技術改造的措施，表明冷凝器節能技術改造后的運行效益。

（一）項目背景

該案例中使用了3臺3MW的汽輪機，因為該熱電廠投運時間長，汽輪機中仍舊使用者傳統銅光管結構的冷凝器，所以冷凝器會對汽輪機造成能耗影響，該案例中針對冷凝器提出了節能技術改造的要求[5]。案例中分析了銅光管結構冷凝器的弊端，總結為：

1. 換熱效率低

該熱電廠冷凝器的真空度低，導致冷凝器經常處在不滿負荷的運行狀態中，無法在規定的工作負荷下達到標準的熱交換狀態，產生換熱效率差的問題。

2. 抗結垢能力低

冷凝器中使用的銅光管內壁較容易結垢，管內結垢后會影響到換熱效率，此時冷凝器能耗增加，還會影響汽輪機的運行效率。

3. 耐腐蝕性能低

銅光管在冷凝器中較容易有腐蝕的情況，增加了冷凝水的硬度，冷凝水硬度超標之后就不能實行回收再利用，引起了水資源浪費。

4. 抗振動能力低

汽輪機工作時有明顯的振動，冷凝器與汽輪機連接也會受到振動的影響而出現共振的情況，冷凝器銅光管在振動的影響下會有連接松動、管體滲漏的情況，這也會影響冷凝器的節能效果。

5. 清潔困難

冷凝器銅光管清潔時使用的是膠球清洗技術，此項技術清潔效果低，還容易有卡塞的問題，加重了銅光管清潔的工作壓力，是節能技術改造的原因。

6. 成本高

銅金屬的價格高，冷凝器中更換銅光管時的成本高，成本也成為冷凝器節能改造的要點，這些弊端影響著冷凝器的節能效益，進而增加了汽輪機的運行能耗。

（二）節能技術改造方向

該熱電廠深入研究了冷凝器在汽輪機中的使用，提出了節能技術改造的方法，重點比對了銅光管、不銹鋼光管以及不銹鋼波紋管的節能效益[6]。冷凝器節能改造時，計算了不同材質管的傳熱效果，案例中選用了適用于冷凝器的Hsn70-1A銅光管、不銹鋼光管以及螺紋深0.8mm、螺距10mm的不銹鋼波紋管分析，數據計算中選用了冷凝器原始參數，即蒸汽負荷260t/h（72.22kg/s）、冷凝器壓力4.9kPa、冷凝器冷卻水的進口溫度20℃及出口溫度28℃、冷凝管管內水的流速2m/s，計算后得出，不銹鋼波紋管的總傳熱效率比不銹鋼光管高15%，比銅光管高24%，經過多方面的研究決定使用不銹鋼波紋管（如下圖2所示）代替冷凝器的銅光管，以此來提高冷凝器的節能效益。

（三）節能技術改造效果

熱電廠改造了汽輪機冷凝器，更換了冷凝器中的銅光管，全部更換為不銹鋼波紋管管，運行了1年后，分析冷凝器不銹鋼波紋管技術改造的節能表現。

1. 換熱效率改造效果

汽輪機冷凝器換熱效率最能表現出節能技術改造的效果，換熱效率改造效果分析時分為四個方面，分別是不銹鋼波紋管管壁導熱換熱效果、不銹鋼波紋管管外凝結換熱效果、內部對流換熱效果。

管壁導熱換熱節能改造中，主要是排除傳熱阻力的影響，在冷凝器兩側流體熱阻偏大的位置實行強化傳熱控制，通過增強傳熱的方式降低熱阻的影響，不銹鋼波紋管使用后可以明顯的降低冷凝器中污垢熱阻、凝結放熱熱阻以及對流放熱熱阻的影響[7]，運行現場直接檢驗不銹鋼波紋管的傳熱數據，計算后發現不銹鋼波紋管傳熱系數比原有的銅光管最少高出22%。

凝結換熱節能改造中要最大程度的減少蒸汽和冷凝器管內冷卻壁的熱阻，銅光管或者不銹鋼光管的管內壁為平面，蒸汽附著在管內壁上張力極小，致使蒸汽與管內壁產生膜狀熱阻，而不銹鋼波紋管中波紋的作用下蒸汽為環狀附著，凝結膜非常薄，還會有膜擾動的條件，增加了換熱面積，波紋管凝結換熱的效率比銅光管高80%左右。

管內對流換熱節能改造分析中，不銹鋼波紋管在冷凝器中提供了螺旋流與邊界流條件，有助于介質對流，避免管內壁有干燥的情況，在此條件下就可以增強管內換熱的能力。

2. 抗結垢能力改造效果

該案例運行1年中冷凝器不銹鋼波紋管無結垢現象，抗結垢能力非常好，節能改造效果明顯。冷凝器不銹鋼波紋管不結垢的原因是：不銹鋼波紋管內的循環水在波紋的作用下有邊界分離的現象，管壁底部沒有低速流層，不會出現結垢附著的情況，而且污垢與管道熱膨脹系數有差別，致使污垢不能貼在管壁上，即使有污垢也會在循環水的高速流動下排出。

3. 耐腐蝕性能改造效果

不銹鋼管材料的耐腐蝕性能較好，冷凝器中使用的銅光管在空冷區經常受到氨氣的腐蝕，再加上O2、CO2等非凝結氣體的干擾，增加了銅光管腐蝕的速度[8]，而不銹鋼管具有耐氨氣腐蝕的能力，再加上不銹鋼管的硬度、強度優勢，提高了冷凝器的耐腐蝕性能，該案例中冷凝器不銹鋼波紋管改造運行1年中，基本無腐蝕問題發生。

4. 抗振動能力改造效果

冷凝器振動破壞主要來源于汽輪機，更換不銹鋼波紋管后可以發現，不銹鋼波紋管的彈性模量高，其可容納汽輪機產生的振動而本身不會有振動的問題，有明顯的節能效果。

5. 清潔維護改造效果

冷凝器不銹鋼波紋管內壁表面的光潔度好，適用于各種類型的清潔方法，如機械清洗、高壓水洗等，清潔維護操作簡單，不會出現損壞的問題，有助于提高冷凝器的節能效果。

6. 改造后成本效益

該案例冷凝器節能技術改造的成本效益體現在兩個方面，分別是：

（1）用量少

該案例中更換了不銹鋼波紋管后發現用量僅為銅光管的3/5，投入的成本受到控制[9]。

（2）壽命高

不銹鋼波紋管使用壽命為銅光管的3倍，1年運行中不銹鋼波紋管的成本投入量是3.4萬元，為銅光管的10%。

六、汽輪機冷凝器節能技術措施

汽輪機冷凝器節能技術改造中包含幾類具有實踐價值的措施，上文中分析了改造技術方案，本文提供幾點節能技術措施，表明冷凝器節能技術改造的可行性。

（一）實行蒸汽余熱再利用

汽輪機冷凝器節能技術措施中實行蒸汽余熱再利用，蒸汽余熱中含有的熱量如果不加以利用，同樣會造成余熱浪費，不利于冷凝器的節能改造[10]。例如：汽輪機冷凝器中的蒸汽余熱應用到發電系統的余熱發電設備上，也就是改造冷凝器，實現蒸汽余熱及水汽的回收再利用，符合節能減排、回收再利用的發展要求，節能技術改造措施中配合冷凝器使用膨脹機，回收汽輪機中的蒸汽余熱并重新應用到設備發電上，冷凝器的上部收集由膨脹機排出的低溫蒸汽，下端排出液體，冷凝器上還需安裝抽真空系統，用于維持冷凝過程中的真空度，這樣才能保障蒸汽余熱回收的高效性，最大程度的降低熱損失。

（二）控制冷凝器運行壓力

汽輪機冷凝器的節能技術改造措施分析中發現，冷凝器的冷凝壓力控制好能夠提高制冷量，保證冷凝器的工作效率。如下圖3分析所示，冷凝器的冷凝壓力是1.07Mpa時，冷凝溫度為30℃，制冷量是2850kW，當冷凝器的冷凝壓力是1.46Mpa時，冷凝溫度為40℃，制冷量是2600kW，由此可以說明，冷凝器的冷凝壓力越低，制冷量的產出值越高，有助于提高冷凝器的節能效果，汽輪機工作過程中就要在保證安全的前提下控制好冷凝壓力，做到節能降耗。

（三）有效降低冷凝的溫度

汽輪機工作中產生的蒸汽溫度數值一定時，冷凝器的溫度越高，制冷模塊消耗功率也就越大，單位數值中的制冷量就會偏低，在冷凝器節能改造措施中有效降低冷凝的溫度，比如增加冷卻風量或者是增加冷卻水量，在這種條件下降低冷凝的溫度，就可以提高制冷的效率，保證冷凝器處于高效的工作狀態，進而實現節能運行。

（四）合理實行除垢與清潔

汽輪機冷凝器經改造后雖然除垢和清潔的需求較小，但是也要組織除垢與清潔工作，因為除垢和清潔是保障冷凝器高效運行的一項基本因素，所以冷凝器運行管理中需合理的組織除垢與清潔，避免水垢和油污引起冷凝溫度升高，保持冷凝器的清潔性，提高冷凝器在汽輪機中的節能效果。

七、結束語

汽輪機冷凝器節能技術改造分析中總結了改造的方法，泠凝器節能技術改造后有著較高的經濟效益和社會效益，實現了利益的最大化。冷凝器節能技術改造后更適用于汽輪機的運行，降低了汽輪機運行過程中的環境污染，并且提高汽輪機的工作效率。冷凝器中節能技術改造有著實踐性的優勢，其可調整冷凝器的運行方式，改進冷凝器在汽輪機中的工作方式。

參考文獻：

[1]高敏.淺談汽輪機冷凝器節能技術改造[J].裝備維修技術，2019（03）：191.

[2]王政，劉浩，劉玉橋.丁烷分離塔熱泵精餾節能改造研究[J].精細與專用化學品，2019，27（03）：24-26.

[3]劉帥，高興，張金徽.大連某醫院空調系統能耗分析與節能改造[J].制冷，2019，38（01）：70-74.

[4]黃赟，丁聰.通信機房風冷空調節能改造[J].電信工程技術與標準化，2018，31（04）：54-57.

[5]富洪志，高志學，肖國枝.PET裝置工藝塔廢水冷凝器系統節能改造[J].聚酯工業，2018，31（01）：42-44.

[6]梁賁，韓利平.蒸發冷卻冷凝器在通信機房空調節能改造中的應用[J].現代工業經濟和信息化，2016，6（12）：24-26.

[7].冷凝器脫鹽水改造節能減排[J].鹽業與化工，2015，44（01）：36.

[8]宋立敏，左俊青，楊向東，唐文騫.精餾塔頂冷凝器的節能改造[J].氮肥技術，2012，33（05）：32-33+36.

[9]何德輝，趙芳，林浩斌.某機房風冷空調的節能改造——風冷節能裝置的應用[J].價值工程，2012，31（10）：16-17.

[10]邵省平.精密空調冷凝器改造節能效果分析[J].電信技術，2012（02）：52-53.

通訊作者：楊繼德，1989年12月，男，漢族，甘肅嘉峪關人，就職于酒泉鋼鐵（集團）有限責任公司酒鋼能源中心，助理工程師，本科。研究方向：熱能與動力工程。