工業冷端治理優化研究

饒偉

陜西秦風氣體股份有限公司，陜西西安，710075

0 引言

火力發電廠冷端系統工作主要是通過汽輪機將排汽凝聚入水泵中，使其可以循環利用，實現電站熱力循環。而冷端系統涵蓋了大量的參數設備，包括循環用水設備、凝汽器、冷卻塔等等。其中每個參數設備都無法單獨運作，且如果其中某個參數改變，其他的參數也會隨之改變，導致火力發電廠的生產經營活動受到限制[1]。20世紀50年代，美國、歐洲、日本等國家積極開展工業冷端的優化研究，并提出了“700℃超超臨界發電技術”的計劃，但因為材料的限制并未取得成果，且二次再熱技術也一度遇到發展瓶頸，需要不斷更新發展。而此時，國內提高了對火力發電技術的重視，特別是在節能減排、能源結構調節的政策影響下，高效、環保的燃煤火電機組已經成為發展的主要趨勢。本文以工業冷端系統為研究對象，探究冷端各組成部分的參數變化下，冷端系統的改變，并對其性能變化原因進行分析，提出下一階段工作的重心，提高對冷端系統的管理與優化[2]。

1 研究背景

1.1 技術發展理念

在火電機組研究方面，國內雖然起步時間晚，但發展進程十分迅速，短短18年就取得了一定的成效，但快速發展下也存在大量無法避免的問題。①在科學技術領域以創新為主要趨勢，而現代技術發展的核心就是實現設備、系統技術的緊密聯系，利用一個系統設備去影響其他的設備[3]。即一個專業的優化設計問題，需要另一個專業來滿足邊界條件。其中的邊界條件包括效率、本質、使用方法都是優化的重要內容。②在電力行業持續發展的背景下，火力發電廠的發展保持穩定、良好的形式，但實際運轉中仍然存在問題。就設備的運維管理方面，管理人員不能充分認識到工作的重要性，例如在對火力發電廠的機組設備能耗分析時，技術人員不能充分了解其設計理念，不能增加能耗分析的廣度、深度，對運行過程中的問題不能進行深度剖析[4]。

1.2 監督體系的發展

在火力發電行業中，技術監督應該以節能技術為核心，貫穿整個機組運維過程。但在傳統意義上，我國火力發電廠中機組技術監督主要以現役機組為對象完成技術監督[5]。但長期以來的歷史經驗表明，機組因為許多設計缺陷，在投產后難以管理，其運維成本較大，管理效果差。如果進行改造，其成本支出更大，且受到多方面條件制約[6]。

2 汽輪機冷端系統設備性能主要影響因素

在電能生產企業火電廠中汽輪機冷端設備包括凝汽器、循環水泵、凝結水泵、冷卻塔等。

2.1 凝汽器性能影響因素

（1）循環水溫度。當汽輪機冷端系統參數中循環水溫度在特定條件下產生變化，就會導致凝汽器變化。據調查研究表明，在60MW下的汽輪機的濕冷機組中，循環水溫度每下降1℃，凝汽器的真空就會隨之降低0.2kPa，相關設備耗電量也會降低0.6kWh[7]。

（2）循環水流量。凝汽器的循環水流量與其性能存在較強的聯系性，會對水溫產生影響。一般情況下，火力發電廠凝汽器設置中將水溫設置為8℃左右。當水量每降低10%，循環水溫就提高1℃。且循環水流量的數值降到低值后，每低10℃，對凝汽器真空產生的影響更大，其壓力也會隨之增加。

（3）熱負荷。在凝汽器正常工作下，可以滿足發電廠的設備運行需求。但在運行過程中，會受到操作水平、設備故障的影響，使工作負荷進一步提高[8]。據調查研究表明，火力發電廠在工作中熱負荷出現10%的變化后，凝汽器真空就會受到影響，導致煤耗增加0.8g/kWh。

（4）冷卻管清潔度。一般情況下，冷卻管清潔度會對凝汽器運行產生影響，而凝汽器的清潔系數一般在0.8。管道堵塞、污化都會導致冷卻管清潔度受到影響，繼而影響其換熱。據調查研究表明，火力發電廠中凝汽器冷卻管的清潔度每降低0.1，其端差就提高0.8℃，增加煤耗0.5g/kWh[9]。

（5）真空嚴密性。在機組負荷恒定的情況下，空氣進入系統，凝聚在凝汽器表層導致換熱障礙，進而使凝汽器壓力增加。據調查研究表明，火力發電廠運營下，以80%負荷完成實驗，其衰減率數值每增加100Pa/min，真空則減少0.1kPa[10]。

2.2 水環式真空泵出力影響因素

而水環式真空泵運行過程中也會受到溫度、壓力、流速等因素的影響。而在上述因素中對運行影響效果最強的因素為溫度，即工作水進口溫度。一般情況下，水環式真空泵運行過程中設置水溫參數＜30℃，而一旦高于這個數值，就使泵輪出現汽化反應，影響其運行效率。而在運轉過程下，水環式真空泵在汽水分離、入口水溫方面的溫差要＜12℃，如果超過這個數值就表明其水流量低于正常值。水環式真空泵工作水入口溫度與冷卻器的溫差要保持＜2℃，如果超出這個數值，就代表冷卻器故障，進而導致水溫升高。

2.3 循環水泵組及相應系統影響因素

在循環水泵運行過程中，存在一定的影響因素制約其運轉，如水質、流量、負荷等。在循環水泵中，水質變化會在很大程度上改變循環水泵的葉輪，導致其出現腐蝕、堵塞的情況，使水泵工作效率受到影響。在循環水泵的實際運行過程中，因為設計缺陷，導致水泵的流量無法與實際的路徑匹配，且工作效率未達到最高值，水泵的運行路徑大多偏離原定的高效區域。火力發電廠機組運轉中，負荷、運行方式、水溫的變化，都需要設置不同的水量進行匹配，提高設備的靈活性，達到節約資源的效果。

2.4 凝結水泵的影響因素

一般情況下，凝結水泵在運轉過程中，入口大多是以負壓的形式，存在真空嚴密性的特點。而其中無法凝結的氣體滲入其中，出現汽化反應就會影響凝結水泵的工作效率。

當下火力發電廠在運轉過程中，一般是以2臺100%容量變頻凝結水泵為主，不僅可以實現定速，還可以有效節約資源。

因為凝結水泵的運轉中，系統會攜帶一部分多功能用水，為了控制這一部分水的壓力，在實際運轉活動中，提高對凝結水泵的水門的控制，使其可以發揮節流的功效。一般情況下，凝結水泵具有高揚程、低流量的特點，如果其變頻功能出現故障，就會導致設備耗電量大幅度提高。

2.5 冷卻塔影響因素

冷卻塔的工作效率受到水質、水溫、設備的故障情況、性質參數等因素的影響。如冷卻塔塔身的老舊、其填補材料的破損、噴頭型號不匹配導致霧化功能不能實現等問題，都會導致冷卻塔功能障礙。以冬季低溫狀態下工作為例，冷卻塔在運轉中需要大量的負荷，但受到上述因素的影響，導致冷卻塔的工作無法充分滿足汽輪機的需求。

3 CIMS? 工業冷端優化關鍵技術

3.1 CIMS? 概述

CIMS?（industrial cold end intelligent operation and maintenance system）是工業冷端綜合治理及智能運維解決方案的英文簡稱。CIMS?綜合運用RCCS?（凝汽器強化換熱系統）強化換熱、CRJ?（三級深度水處理）三級深度水處理、物聯網與人工智能等革新技術，實現工業冷端深度節能、超低排放及智能運維（如圖1所示）。

圖1 CIMS? 系統架構

3.2 CIMS? 的五大冷端治理革新技術

3.2.1 RCCS? 凝汽器強化換熱技術

作為CIMS?的核心技術之一，RCCS?強化換熱技術是基于流體動力、強化換熱、陶瓷軸承及特種高分子材料等方面的獨有專利技術，而研發的一項具備實時在線清洗及強化換熱功能的革新性冷端高效節能技術。

RCCS?的工作原理是在對換熱器進行徹底清洗后，沿著循環水流方向將RCCS?特殊高分子螺旋紐帶插入到每一根換熱管中，當設備運行時，利用循環水流體動力推動RCCS?特殊高分子螺旋紐帶，以300～1800轉/分鐘的轉速不停地快速旋轉，打破管內溫度分層，將流體邊界滯留層厚度降低一個數量級，從而實現強化換熱（如圖2所示）。同時，通過強化擾流和對管壁不規則刮掃，減少垢的析出，阻止垢的附著，加快垢的剝蝕，防止換熱管壁結垢，從而實現在線防垢、除垢。

圖2 加裝RCCS? 前后對比圖

3.2.2 CRJ?三級深度水處理技術

作為CIMS?的核心技術之一，CRJ?三級深度水處理技術根據不同循環水質特征，在補水端、運行端及排污末端三個階段，綜合采用物理、化學、生物等技術措施，解決循環水易結垢問題及超低排放。Ⅰ級：補水端。根據水質特征，綜合采用高效過濾設備、鈉離子交換設備等，降低補充水濁度、膠體、硬度等。Ⅱ級：運行端。綜合采用化學藥劑、生物藥劑、智能精準加藥、高效旁濾和軟化等，嚴格控制換熱設備（凝汽器、冷卻塔等）的結垢和腐蝕傾向。Ⅲ級：排污末端。采用預處理+TUF管式超濾+RO，實現80%的循環水排污水的回用。如果需進一步提高回用率，則可應用STRO等技術，大幅降低排污量。該部分排污量可以通過內部生產過程用水消化，從而實現對外零排。

3.2.3 真空系統診斷與改造技術

通過CIMS?云端智能運維管理平臺的數據采集模塊，對真空系統各項關鍵數據進行采集，并結合CIMS?的大數據管理系統、智能運維專家系統對真空系統問題進行預判與解決方案的生成，進而實現真空系統的針對性改造與長期自動化管理。

3.2.4 循環水量優化與節能泵改造技術

通過CIMS?的AI&IOT手段對循環水系統問題進行預判與解決方案的生成，解決循環水量低、凝汽器溫升過高、換熱能力不足等問題。循環水量低，流速不夠，RCCS?發揮的效能受到影響。

3.2.5 冷卻塔運行監測與改造技術

通過CIMS?的AI&IOT手段對冷卻塔運行的各項數據進行采集，包括：當地大氣壓、干球溫度、濕球溫度、冷幅、逼近度、風機功率等，并通過CIMS?的智能運維專家系統長期對冷卻塔換熱效率的持續變化趨勢進行分析，判斷冷卻塔結垢、老化等問題。以此為基礎，必要時進行冷卻塔改造，大幅降低能耗。

3.3 CIMS? 的云端智能運維管理平臺

CIMS?云端智能運維管理平臺由物聯網接入系統、可視化云組態系統、大數據管理系統、BI報表分析系統、智能運維專家系統、自動化工具系統構成。利用冷端工況實際運行數據對冷端系統中的數理模型進行建模，自動生成冷端運行報表與智能運維指導方案，實現冷端工況實時掌握、運行態勢智能分析、異常預判動態提示[11]。

4 CIMS? 工業冷端優化的實際運用

凝汽器裝置是對汽輪機以及火電領域運轉經濟性作用較大的一種裝置。凝汽器裝置運行經濟性的綜合指數為凝汽器真空度，凝汽器端差的上升將直接到真空度。對于超高壓以上汽輪機組，真空度每下降1%，約使發電煤耗升高2～3g/kWh。

甘肅某電廠330MW機組實施CIMS?工業冷端綜合治理及智能運維解決方案前，由于凝汽器結垢嚴重或堵塞，而膠球清洗系統無法清除硬垢和收球率低，第二單元出現了凝汽器真空低、端差大等一系列情況。第二單元年均端差超過6.24℃，機組運行效果也較差。綜合實施CIMS?工業冷端綜合治理及智能運維解決方案后，通過對冷端凝汽器、真空系統、循環水系統、冷卻塔的綜合改造與優化，端差由6.24℃降至1℃～2℃，真空由-92.4kPa提升到-93.4kPa。機組運行效果明顯改善，運行連續穩定。同時，煤耗降低4.32～5.6g/kWh，經濟效益顯著。

5 結語

綜上所述，本研究以火力發電廠冷端為對象，通過全面分析探究各個組成部分的影響因素，再分別探究其實施CIMS?工業冷端優化改造的重點，使冷端系統的各項參數系統化、冷端系統的運行維護智能化，降低整體資源消耗率，實現提質增效的目標。