凝汽器在線清洗機器人裝置項目節水評價研究

吳 鑫， 周玲霞， 孫伯明， 曹德君， 王 欣， 朱相丞

(1.南京市長江河道管理處， 江蘇 南京 210011； 2.江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司， 江蘇 南京 210029)

節約用水是解決我國水資源短缺問題的根本性措施[1],對于保障經濟社會可持續發展具有重要意義。2019年水利部印發《關于開展規劃和建設項目節水評價工作的指導意見》，正式啟動規劃和建設項目節水評價工作。為積極響國家提出的建設資源節約型、環境友好型社會方針，充分挖掘工業企業節水潛力,開展工業企業建設項目節水評價研究具有重要意義。

火電行業是我國節水減排和節能降耗的重點行業，其生產的各個環節均有較大的節水潛力。對火電廠各個環節的節水研究很多，本文選取南京某發電廠凝汽器機器人在線清洗裝置項目為研究對象，對該在線清洗裝置項目節能節水潛力進行評價，初探其節水效果，并對存在的不足提出建議，為該裝置項目在行業節水中的推廣提供研究依據，也為后續研究奠定基礎。

1 設備運行概況

1.1 設備概況

所研究電廠為2×660 MW超超臨界燃煤機組，冷卻水采用直流供水方式，凝汽器型號為N-37000型雙背壓、雙殼體、單流程、表面式凝汽器，總有效面積為37 000 m2，循環水為長江水，配4臺立式混流泵。

凝汽器是火力發電機組的主要設備之一，是汽輪機冷端關鍵的換熱設備，其內部主要由數以萬計的冷凝管組成，通過凝汽器內部冷凝管的汽—水熱交換，降低汽輪機排汽壓力和排汽溫度，提高汽輪發電機的循環熱效率。凝汽器中，排汽溫度越低,排汽壓力也越低,機組真空嚴密性就越好,機組效率就越高[2]。影響凝汽器性能的主要運行參數有凝汽器壓力、熱負荷、漏空氣量、冷卻(循環)水流量和冷卻水溫度等[3]。

凝汽器運行中由于冷卻水中離子含量的濃縮，冷凝管內會產生結垢現象，嚴重時會導致凝汽器真空降低，致使汽水交換熱效果變差，影響機組熱經濟性[4]。該電廠1#、2#機組凝汽器原清洗方式為膠球清洗或人工清洗。膠球清洗存在膠球回收率低，易堵塞冷凝管，不能完全清除由化學反應形成的污垢等缺點；人工清洗由于冷凝管數量多、長度長、勞動強度大、作業環境惡劣，并且需要機組停機或降負荷運行進入凝汽器內部工作，難以長期保持清潔效果[5]。本研究采用關節型凝汽器在線清洗機器人，其主要由機器人本體(機械臂、噴頭)、清洗系統(含絞盤、高壓清洗機、清洗膠管)以及運動控制系統組成，如圖1所示。清洗機器人實現了凝汽器隨時清洗，且定位準確，易于控制，清洗效果得到明顯提高。

圖1 凝汽器在線清洗機器人系統組成

1.2 設備參數

該凝汽器在線清洗機器人為關節型機械臂，主要由2級關節、3個機械臂組成，移動范圍為整個凝汽器的管板平面，清洗覆蓋率為85%，重復定位精度為±0.50 mm。機械臂內部的動力線與信號線通過支撐桿與控制柜和電源柜相連，機械臂末端安裝了清洗噴頭，用于在水室內運動定位，讓清洗噴頭對準管板的冷凝管管口。絞盤系統由盤管裝置及內部的高壓水沖洗軟管組成，用于高壓清洗水管的收放控制，精確控制冷凝管沖洗長度。高壓水泵系統作為在線清洗的動力裝置，清洗的高壓水均由此提供。運動控制系統實現對凝汽器在線清洗機器人的遠程監控。凝汽器技術參數如表1所示。

表1 凝汽器設計技術參數

(續表1)

2 節水節能效益分析

2.1 理論分析

凝汽器傳熱公式如下：

Q=D×CP×Δt

(1)

(2)

(3)

K=K0×βt×βm×βc

(4)

(5)

式中：Q為凝汽器熱負荷，W；D為循環水流量，kg/s；Δt為循環水溫升，℃；CP為冷卻水的比熱容，J/(kg·K)；Δtm為對數傳熱溫差，℃；δ為凝汽器端差，℃；K為凝汽器傳熱系數，W/(m2·K)；A為凝汽器面積，m2；K0為基本傳熱系數，W/(m2·K)；βt為冷卻水進水溫度修正系數；βm為冷卻管管材和壁厚修正系數；βc為凝汽器清潔度系數；c1為系數；vw為循環水在冷凝管內流速，m/s。

根據凝汽器傳熱相關公式對該電廠凝汽器清洗機器人節能效果進行理論分析。由上述公式可以看出，循環水流量對凝汽器各個性能具有一定的影響，而如何降低排汽壓力，可以通過不同途徑實現。

由式(1)可知，凝汽器溫升受循環水流量影響，循環水溫升隨著循環水流量增加而降低，即D增大，Δt降低。而循環水在冷凝管內流速隨著循環水流量增加而增加，凝汽器傳熱系數也隨之增大，凝汽器排氣壓力降低，即在不改變其他因素的情況下，若要達到一定的傳熱效果，需增大循環水量。

由式(2)～式(5)可以看出，同樣的清潔度系數情況下，凝汽器熱負荷越高，凝汽器的排汽壓力也會越高；在相同的熱負荷下，清潔度系數越高，凝汽器傳熱系數越高，凝汽器排汽壓力降低，即在其他因素不變的條件下，提高凝汽器清潔系數，同樣能增加傳熱系數，使得排汽壓力降低。

綜合來看，在熱負荷一定的情況下，為降低排汽壓力，可采取增大循環水流量，或提高凝汽器清潔系數等措施，兩者對排汽壓力的影響趨勢是一致的。理論上，若要達到相同的傳熱效果，清潔系數較高的凝汽器可以使用較少的循環冷卻水。

2.2 節能效果

根據該發電廠兩機組凝汽器加裝清洗機器人前后性能試驗相關數據，1#、2#機組加裝凝汽器在線清洗機器人前，額定工況下低壓凝汽器運行清潔系數分別為0.564、0.624，高壓凝汽器運行清潔系數分別為0.589、0.776；加裝凝汽器在線清洗機器人后，額定工況下低壓凝汽器運行清潔系數分別為0.806、0.698，高壓凝汽器運行清潔系數分別為0.929、0.827，與未加裝機器人相比均明顯有所提高(圖2、圖3)。

圖2 加裝凝汽器在線清洗機器人前后清潔系數對比(低壓)

圖3 加裝凝汽器在線清洗機器人前后清潔系數對比(高壓)

根據性能試驗結果，1#、2#機組加裝凝汽器在線清洗機器人后，凝汽器平均排汽壓力分別降低了0.89 kPa、0.22 kPa。由此可知，安裝凝汽器清洗機器人后，該電廠凝汽器的傳熱系數增加，傳熱效果更好，凝汽器真空效果提升，節能效果明顯。根據前文，凝汽器在線清洗機器人與普通清洗相比，提高了傳熱系數，即為達到同樣的真空效果，相對于普通清洗，凝汽器在線清洗機器人使用的循環水流量較低，達到了節水的目的。

2.3 節水潛力評價

在實際生產中，要考慮循環泵的經濟運行，所以對循環水流量的調節并不靈活，且沒有專門的儀表監測，因此通過間接指標分析其節水效果。

2.3.1 根據總發電量和總取水量推算節水量

應用該電廠實際用水數據分析節水潛力。該電廠于2016年1月和5月分別在2臺凝汽器安裝在線清洗機器人，將安裝前后(2015年和2017年)電廠年發電量、年取水量和年耗水量等數據進行統計分析，計算單位發電量對應的取水總量(包含工業水和冷取水)變化，如表2所示。

表2 加裝凝汽器在線清洗機器人前后取水量

由上表可知，2017年比2015年單位發電量取水總量有所降低，側面反映出安裝凝汽器在線清洗機器人后，循環水量較普通清洗減少。按照2015年的發電量計算加裝在線清洗機器人后的取水量，可節約水291.43萬m3。

2.3.2 通過節煤量推算節水量

根據試驗結果，該項目1#、2#機組2015年平均發電煤耗分別下降2.18 g/(kW·h)、0.5g/(kW·h)，年節煤量分別為9 053 t、2 017 t，2臺機組年節煤量11 070 t，節能減排效果明顯。通過節煤量來間接推算節水量，2臺機組年節煤量對應該電廠發電量36 947 MW·h，根據其2015單位發電量取水量57.498 m3/MW·h，對應取水量為212.43萬m3。

不同的間接計算分析均可以看出，該凝汽器在線清洗機器人具有很大的節水潛力，對于電廠節水節能具有重要意義。

2.4 節水措施建議

在實際生產中，要考慮循環泵的經濟運行，所以對循環水流量的調節并不靈活，又由于該項目在運行過程中尚未考慮水量計量及節水要求，建議采用可靠的節水措施。

2.4.1 完善計量設施

高壓水泵供水系統的出水干管上安裝水量計量裝置，必要時設調節和控制流量的裝置，并將廠區內主要計量數據送到統一地點進行統計分析，以便有針對性地控制水量。清洗的高壓水作為在線清洗的動力裝置，由凝汽器機器人在線清洗裝置項目中的高壓水泵系統提供，應加裝計量設備統計除鹽水的耗水量。

2.4.2 加強水務管理

加強管理制度的實施及節水的宣傳力度，提高相關人員的節水意識，制定切實可行的規章制度，將水務管理作為電廠運行考核的一項重要指標，使各項節水措施最終得以落實。加強用水設備、管線檢查，防止跑、冒、滴、漏，對泄漏點及時組織檢修，加強該項目的循環冷卻水、凝結水、除鹽水等的檢查管理，加大考核力度，減少水量消耗。

3 結 語

通過研究可以發現，所研究電廠凝汽器機器人在線清洗裝置節能效果顯著，也具有一定的節水潛力。由于沒有專門的儀表監測，水量計量設施仍待進一步完善，對節水方面參考數據不足。建議在高壓水泵供水系統的出水干管上加裝水量計量裝置，便于對節水指標的進一步分析。通過增加節水因子，使得該系統更加完善，做到按需供水，節能節水。