冶金自备电厂汽轮机冷端节能技术应用

曹俊水，姜银维

（马鞍山钢铁股份有限公司热电总厂，安徽马鞍山 243000）

引言

近年来，随着冶金自备电厂汽轮机服役时间的增加，建成时其冷端循环水系统多采用开式循环或半开式循环方式，有巨大的节水节电节能潜力，本文通过某南方冶金自备电厂汽轮机冷端节能技术应用说明冶金电厂冷端节能空间巨大，应用范围广泛。

1 项目机组冷端现状及改造必要性

南方某冶金自备电厂3#机组始建于上世纪90年代，至今服役超过20年，其汽轮机额定负荷50 MW。汽轮机凝汽器采用双流程表面回热式双道制凝汽器，冷却用水为河流地表原水。2000年该机组进行了汽轮机本体增容改造至60 MW。由于该机组采用开式循环，凝汽器采用普通胶球清洗装置,目前机组存在连续运行3～6月以后，凝汽器经济技术参数有明显劣化趋势的问题，真空端差等指标均超过设计值，夏季机组能效指标明显下降。该机组近年为保证夏季发电出力，均要在5～6月份安排停机，采用高压水枪清洗凝汽器。不考虑清洗费用，仅仅停机4～5天，损失供电量就要超过600万kWh。

如何提高凝汽器真空，保持铜管的洁净度，减少因真空下降而导致的发电量减少，提高机组出力，该厂决定对冷端进行一系列的改造。

2016年通过对3#机组冷端系统近两年（2015～2016年）的运行状况及各运行参数进行勘查采集，并对机组冷端系统性能进行综合性诊断分析，主要表现在全年换热端差偏大（全年平均11.1℃）、真空严密性不理想，初步分析机组冷端运行状况存在一定的改造优化空间，对比见表1。注：真空值=机组背压-当地大气压（计绝对值）；偏差值=基准值-实际值。

表1 机组冷端系统性能分析

通过对机组冷端运行参数进行综合诊断分析，在项目实施后预计可降低换热端差5℃左右，降低排气温度4℃，提高机组真空1.5 kPa。

预计项目实施后带来的经济效益：年增发电量＝60000×（1.5×1.35%×6000)≈729 万 kWh/年经济效益；经济效益=729万kWh/年×0.58元/kWh≈422万元/年 ；年节约标煤729万kWh×335g/kWh=2442吨；减少CO2排放量约为2442t/年×2.6≈6349.6t/年。

综述，通过优化改造项目的实施预计带来的多重效益十分可观。

2 冷端节能优化的分析及改造措施

2.1 影响冷端指标的主要因素

冷却水进口温度（冷却塔性能、气候环境等）。

冷却水流量（循泵性能及运行控制）。

凝汽器热负荷（汽轮机负荷、抽汽量、排气温度等）。

冷却管脏污（循环水质、在线清洗效果、污垢类型等）。

漏入空气（真空严密性、抽气能力）。

凝汽器本体性能（凝汽器冷却管材质、管束布置、喉部结构等）。

从上面数据及影响因素分析，该厂3#机由于采用地表原水，水中杂物杂质较复杂，微生物、贝壳类生物多，凝汽器结垢明显，夏季微生物、贝壳类繁殖快，需要加强胶球清洗的效果，同时冬季真空情况良好，基本达到设计值，还可以从射水泵节能方面进行考虑。

2.2 项目实施内容

该厂在确保机组安全运行的前提下，综合考虑国内外较成熟的技术及系统，尽量采用效果好的自动化和智能化决策控制系统，全面解决凝汽器冷端系统运行中存在问题，挖掘冷端系统各设备的最佳性能，在消耗极小的前提下获取最有利的运行真空。主要方案及措施有：

（1）安装新型凝汽器真空保持节能系统1台套，以提高胶球清洗的效果。

（2）对3#机组凝汽器冷却铜管全部更换为TP304不锈钢管，新型凝汽器真空保持节能系统清洗频率高，磨损相对较大，不锈钢材质适应性好。

（3）在上述工作措施效果较好的前提下，安装高效真空泵1台套，解决冬季真空较好，接近极限真空下，替代原射水抽气器，以节约用电量。

（4）凝汽器循环水进水管加装自动反冲二次滤网，减少循环水（原水）水中杂质。

（5）对凝汽器真空系统，机组负压系统进行氦质谱查漏，并针对检查结果进行治理。

2.3 项目实施技术方案

2.3.1 工艺方案

新型凝汽器真空保持节能系统（专利技术）与传统胶球清洗的主要差别见表2。

表2 两种工艺的区别

新型凝汽器真空保持节能系统从机组冷端系统着手，提高汽轮机组冷端性能且长期自动保持，进而提高汽轮机效率，降低冷端系统能耗，是电站节能降耗，提高机组经济性、实现效益最大化的最佳途径。

2.4 项目工程施工及调试

该厂于2017年2～5月，完成3#机组冷端优化节能改造项目第一阶段的施工及验收调试工作。

（1）凝汽器循环水进水管加装自动反冲二次滤网。

（2）安装新型胶球清洗装置及凝汽器换热管更换。

（3）凝汽器换热管更换为TP304不锈钢管。

（4）胶球清洗装置控制系统安装，实现了所需的数据传输及运行控制。

项目的第一阶段施工的主要目的是改善循环水来水品质，减少凝气器结垢，改善凝汽器换热效果；

第一阶段改造前后指标对比：

2017年2月24日机组冷端优化设备安装完成后，对冷端运行参数进行汇总对比，相近工况下机组冷端运行参数如下表3。

第一阶段的工作改善了凝汽器循环水来水品质、更换了换热管、安装了新型胶球清洗装置，3#机组的冷端主要指标都有较大的改善，真空端差等指标都有明显提高。

表3 改造前、后的主要经济指标

3 机组凝汽器性能试验、真空系统严密性查漏处理

项目的第二阶段测定凝汽器性能及负压系统严密性检查，恢复汽轮机冷端性能。

3.1 凝汽器性能试验

2017年5月外聘第三方具有行业资质的电科院对3#机组进行改造后热力性能试验，通过性能实验检验机组改造后汽轮机的热力性能，得到3#机组各负荷段机组背压与热耗及背压与功率的关系曲线，并出具性能实验报告。方便对整个过程进行效益评价。

根据试验结果，可得出各试验工况背压与热耗率的关系曲线见图1。根据试验结果，可得出各试验工况真空与负荷的关系曲线见图2。

图1 各试验负荷下真空（绝对压力）与热耗率的关系曲线

图2 各试验负荷下真空与负荷的关系曲线

根据真空（相对压力）与发电机功率的关系函数，若将真空对负荷的影响看作线性关系时，可得出各试验负荷段每1 kPa真空对负荷的影响率曲线见图3。

图3 各负荷段每1kPa真空对负荷的影响

若把真空变化对热耗率的影响看作线性关系时，按照实验结果，在60 MW时对负荷的影响率为1.08%。

3.2 真空系统严密性检查处理

凝汽器真空严密性降低，增大了机组的热耗，并可能导致凝结水含氧量大，引起低加管束内壁、凝结水管道和设备的腐蚀，同时引发其他安全问题。2017年6月，外聘公司运用电站用氦质谱检漏仪对3#汽机真空系统进行查漏工作。通过对真空系统各设备及管道进行喷放氦气，氦气质谱仪吸入口放在射水泵抽气器回水口位置来检测是否存在漏点，总共检测72处，发现微漏部位18处，见表4。

表4 检漏结果

4 真空系统严密性处理，真空泵安装

2017年9月机组大修期间对各部位进行检修处理，对汽轮机缸面进行开槽加填充物处理，并通过灌水查漏进行处理结果验证和修复,同步安装真空泵，对轴加系统管路进行了改造。

5 项目实施前后能效对比分析

第二阶段项目优化改造整体完成后指标对比分析：

2017年9月30日冷端改造项目整体工作结束后，3#机组投入正常运行，根据运行情况，采集机组在接近负荷及相近环境参数情况下冷端各参数指标进行能效对比分析如表5～6。

表5 改造前、后的冷端主要经济指标

表6 改造前、后的射水抽气器和真空泵功率对比

项目节能效果分析：

（1）数据采点说明：为了降低评估时的系统误差，冷端优化前DCS数据的采集取点为2016年10月12日，改造后取点为2017年10月11日9:00至12日14:00实时运行数据，此两段时间内机组负荷及凝汽器的冷却水进水温度、温升都基本一致。本项目通过对改造前、后的冷端数据进行分析对比，从而可以定性的分析其改造前、后的优化效果。

（2）数据对比分析：改造前（2016年10月12日）机组平均负荷45.75 MW，改造后（2017年10月11日-12日）机组平均负荷为45.97 MW，凝汽器热负荷基本接近，对比之下，改造后相对改造前的排汽温度平均下降4.06℃、真空提高2.04 kPa，且凝汽器端差下降4.16℃，凝汽器换热效果有所提升。

（3）更换铜管会短时影响对其他优化工作评价，设备已经连续运行半年之后，第二次评估弱化了更换换热管带来的正面收益，整体优化后的效果是可信的。

6 结论

通过对3#机组进行冷端优化改造，机组真空提升2.04 kPa，超过项目实施前预计的真空提升不低于1.5 kPa的目标，各项冷端经济指标得到了改善，结合凝汽器性能试验结论，冷端优化改造项目实施后降低发电热耗236.15 kJ/kWh，提高发电效率2.2%，进而体现出3#机组冷端优化节能改造后良好的效果。按照年度运行7000 h，负荷率按照90%计算

年度提高发电量 6×7000×90%×2.04×1.08%=832.8万 kWh，

真空泵节电量41.8×7000=29.26万kWh

合计862.06万kWh。

本次改造重点关注汽轮机冷端技术的分析和应用，取得了良好的经济效益，同时也为下一步凝汽器循环水泵节能改造打下了良好基础。说明老旧小汽轮机冷端节能优化技术潜力还是巨大的。