利用双水冷却凝汽器的节能实践

新疆恒联能源有限公司 于 军 中国电力工程顾问集团新能源有限公司智能配网分公司 杨若松

国产350MW 间接空冷抽汽凝汽式汽轮机为超临界、一次中间再热、单轴、双缸双排汽汽轮机，具备32～35kPa 的高背压运行能力，配备了双通道双流程分隔式的凝汽器，能够以热网循环水替代一半（或全部）的间冷循环水，实现利用凝汽器提高热网循环水回水初温的节能目标。

通过对双水内冷凝汽器[1]专利的研究和挖掘，发现把Scal 间接空冷系统的凝汽器改造成双水内冷凝汽器的简化型式，能够减少或停止空冷塔的废热排放，用减少的热量去加热热网循环水，或者说是用电厂冷端弃热作为采暖供热的初级热源,能够达到节能目的。双水内冷凝汽器虽然是为干湿联合冷却“量身定制”的产品，但转用到新疆喀什热电厂、宁夏WZ 热电厂和甘肃WW 热电厂的供热节能改造上，均能取得显著的成效。

1 改造前的系统

改造前主厂房内的间冷循环水系统图如图1所示。为了本文叙述上的方便，称图1的运行模式为凝汽器的“制冷＊”模式。

图1 凝汽器的冷却方案一（改造前）

2 改造后的系统

改造后主厂房内的间冷循环水系统加载了热网循环水的接入和流出及切换阀门，有两种改造方案，如图2、图3所示，实际改造时必须二选一。

图2 凝汽器的冷却方案二（改造后）

图2、图3中除了都有图1的“制冷＊”模式外，还有“制热¤21”“制热¤31”和“半制热¤22”“半制热¤32”四种制热运行模式。

“半制热¤22”模式和“半制热¤32”模式都是凝汽器以双水冷却双半侧同时运行，所以制热的效果完全相同。图3可以左右选定，图2只能左半侧用热网循环水冷却。

图3 凝汽器的冷却方案三 （改造后）

过渡切换时只能半侧运行凝汽器。最短的必需冲洗时长通过详细计算可以得出；建议不要长期单水冷却半侧凝汽器，允许长期双水冷却双半侧凝汽器运行。

过渡工况以图2热网水退出冷却凝汽器最为麻烦，例如，退出热网循环水单水冷却工况，需要要分两步完成：

第一步，相当于先由“制热¤21”模式退回到“半制热¤22”模式，即关断阀门⑦⑧，用除盐水置换残留在右半侧凝汽器中的热网水，完成右半侧凝汽器冲洗后，再打开阀门③④，投运右半侧用间冷循环水冷却；

第二步，相当于“半制热¤22”模式退回到“制冷＊”模式，即关断阀门⑤⑥，用除盐水置换残留在左半侧凝汽器中的热网水，完左半侧凝汽器冲洗后，再打开阀门①②，投运左半侧凝汽器的间冷循环水冷却，达到全部热网循环水退出冷却凝汽器的工况。

热网循环水退出冷却凝汽器时，必须事先储备足量的除盐水供凝汽器半侧冲洗之用。

热网水的投入：先投入左半侧，由“制冷＊”模式切换至“半制热¤22”模式，保持“半制热¤22”模式的长期稳定运行；

图4 “制热¤21”模式原理图

或者待“半制热¤22”模式稳定后，再切换至更高效的“制热¤21”模式。

投热网水时不用冲洗凝汽器，直接把间冷水作为热网循环水的补充水去使用。

认为“¤21”模式的制热量大于“¤31”的观点是错误的，证明如下：

乏汽变为凝结水释放的热量=循环水吸收的热量

式中：Dk—凝汽量，ΔI—乏汽与凝结水的焓差，Q—循环水流量，Δt—循环水的温升，凝汽器出、进水的温度差。由公式（1）得出：Δt=Dk/Q×ΔI=ΔI/(Q/Dk)，即

式中：m—冷却倍率，由公式（2）计算得出：

Δt=528/60=8.8℃

Δt=528/50=10.6℃

Δt=528/9.36=56.4℃

通过计算可知，循环水的温升与采用多少个流程没有直接关系。“制热¤31”是“制热¤21”的等效模式，区别仅是凝汽器冷却管内的水流速度后者是前者的2倍。

“制热¤31”模式流速约为夏季“制冷＊”模式流速的1/8，或冬季“制冷＊”模式流速的1/4，过低的流速可能会导致凝汽器冷却管内结垢加剧。

甘肃WW 电厂凝汽器的冷却管材质为不锈钢TP304，氯离子对其存在腐蚀现象。

关于腐蚀的问题，目前国际上也没有确切的结论。WW 电厂热网循环水氯离子含量在40～70mg/L 之间,一般要求氯离子含量不得高于350mg/L，温度不得高于146℃，流速不得小于1.5m/s，最好浓度不要超过50mg/L，温度不要超过80℃。

3 改造方案

宁夏WZ 电厂和甘肃WW 电厂都选用图2改造，并且都放弃了“制热¤21”的运行模式，仅以“制热¤22”模式和“制冷＊”模式运行。WZ 电厂#1机组冠以“高背压改造”的名称，已经改造完毕并投入运行。WW 电厂进入方案报批阶段,该厂的改造如下：

3.1 热网循环水系统的接入

采用两路独立冷却水源双半侧冷却凝汽器，半侧采用间冷循环水冷却，另外半侧采用热网循环水回水作为冷却水源，将热网循环水回水由50℃加热到70℃，再由热网加热器加热到96～110℃供给用户，此时汽轮机高背压运行，背压不超过32kPa。凝汽器变为“标准的”双水内冷凝汽器。

现有的凝汽器不用改造或者经过较小的加固，就可成为双水内冷凝汽器的简化型式。增加隔板的改造应谨慎进行，并得到凝汽器制造厂家的同意。热网循环水的退出（含冲洗）/投入时，凝汽器不得不半侧运行，但不建议长期半侧运行。新疆喀什某电厂凝汽器长期半侧运行，遭遇到汽轮机厂的反对。

3.2 凝汽器增设安全阀及膨胀控制

汽轮机技术协议中凝汽器的设计压力描述为不小于0.4MPa（g）,未明确设计压力的具体数值。根据汽轮机厂的最新承诺，凝汽器水侧可以在0.6MP（g）运行。热网循环水回水压力最高为0.573（g）,低于0.6MPa（g）。因此凝汽器基本可以满足热网循环水回水压力要求。由于热网循环水系统管线比较复杂，热网循环水泵也存在切换的运行方式，为防止热网系统发生水锤时对凝汽器的损害，考虑对凝汽器水侧增设安全阀。

凝汽器两侧热网循环水和间冷循环水运行温度不一样，凝汽器本体的两侧膨胀会有差别。根据汽轮机厂传真，要求凝汽器两侧循环水出口温差不超过20℃。按其它投运工程经验，凝汽器可以安全运行。

3.3 热网循水对凝汽器的腐蚀问题

热网循环水是经反渗透处理的软化水，水中各种离子的含量极低。所以从设计角度看，凝汽器冷却管TP304不需要更换材质，不锈钢完全适用。根据业主方提供的热网循环水质，热网循环水氯离子含量不高，满足要求。

3.4 凝汽器前增设调节蝶阀

在汽机房凝汽器入口循环水管道上的原电动蝶阀前增设调节阀型电动蝶阀，在调解阀前再增设一个电动检修阀，以便更精确的配合变频循环水泵对循环水流量进行调节，即：共需增设1套DN1800电动调节蝶阀和1套DN1800电动检修蝶阀。

3.5 增设冲洗水系统

由于热网循环水的水质比间冷循环水的水质差，所以热网循环水退出运行时，必须对凝汽器管束进行冲洗，故需设置一套冲洗水泵。由凝结水系统提供水源或冲洗时，可采用凝结水启动上水泵兼做冲洗水泵，在冲洗水排水口设置化学取样点，当水质达到间冷循环水的水质要求时，停止冲洗。

3.6 间冷循环水泵改为变频泵

将设于间冷循环水泵房内的间冷循环水泵改为带变频器的变频循环水泵，即：将#1机组已有的3台定速泵循环水泵中的2台改为变频循环水泵。

3.7 冷却塔内旁路上增设调节蝶阀

保留间冷塔内旁路管道上的已有电动蝶阀，再增设1套调节蝶阀及1套检修电动蝶阀。#1机组共设二套旁路管道，即：共需增设2套DN1000调节阀型电动蝶阀和2套DN1000检修电动蝶阀。

仅仅调节间冷塔投入扇段的数量和百业窗的开度并不能控制好间冷循环水的出塔水温，因为本工程采用的表凝式间接空冷系统，两台机组共用了一座自然通风间冷塔。运行中#1、#2机组的空冷系统在间冷塔部分存在相互干扰和制约的情况。

4 改造的经济性

按照改造方案的配置，2017年的可行性研究报告表明：宁夏WZ 电厂两台机组同时改造的总投资为1659万元，节约燃煤费用656.5万元/年，运行3.5个采暖季可回收投资。

按照改造方案的配置，2021年的可行性研究报告表明：甘肃WW 电厂一台机组的改造总投资为1342万元（含驱动热网循环水泵运转的小汽轮机的完善及技改投资），节约燃煤费用520万元/年，运行2.8个采暖季可回收投资。

WW 电厂根据WZ 电厂的实施情况，提出暂不实施3.4、3.6和3.7的改造，使得间冷循环水的流量无法调节，冬季运行1台泵所提供的流量为12000t/h,是热网循环水量6000t/h 的2倍，必须实施以下4.1及4.2。

4.1 间冷循环水泵的运行点

间冷循环水系统切换的瞬变工况是一种危险工况。为此作了专门的计算，如图5所示。

图5 间冷循环水系统投运1台水泵、半侧凝汽器和间冷塔n 个扇段的运行点

由图5可以看出，#1机组凝汽器半侧用间冷水冷却，间冷塔投运2个扇段或3个扇段比较合适。

间接空冷投运1台循环水泵、半侧凝汽器、间冷塔3个扇段的运行点为Q=3.4m3/s=12240m3/h，H=10.8m。

目前还有一种主张，认为5个扇段全部投运，并且关闭百叶窗，闷塔运行的防冻效果最好。但由于WW 热电两机公用一座间冷塔，所以闷塔运行肯定会影响#2机组的运行。具体应如何操作，需要在运行中不断摸索。

4.2 间冷循环水的运行切换

把WW 电厂#1机的凝汽器改造为双水内冷凝汽器[1]，需要停机改造。

为了防止工况切换时产生过大的水锤，无变频泵的改造方案应利用#2机循环水系统的水体积缓和切换时瞬变工况的冲击，切换工况应按以下步序执行：

纯凝工况#1机组单元制间冷水系统运行→纯凝工况#1、#2机组扩大单元制间冷水系统运行(过渡工况)→供热工况#1机组凝汽器半侧运行，扩大单元制运行(过渡工况)→供热工况#1机组凝汽器半侧运行，单元制运行→供热工况#1机组凝汽器半侧运行，扩大单元制运行(过渡工况)→纯凝工况#1、#2机组扩大单元制间冷水系统运行(过渡工况)→纯凝工况#1机组单元制间冷水系统运行。

WW 热电#1机组现有的凝汽器经过较小的加固或者不用改造，就可成为双水内冷凝汽器的简化型式。增加隔板的改造应谨慎进行，并得到凝汽器制造厂家的同意。不建议长期半侧运行。

Scal 系统的计算非常困难，排汽负荷的变化、凝汽器的清洁程度以及环境气温、风场的变化等都会对计算结果产生很大的影响，工况组合情况又较为复杂，只能在运行实践中积累经验，并通过对冷却扇区投运的数量、冷却塔旁路、百叶窗开度等进行调节，使汽轮机背压尽量接近32kPa，并应控制不高于32kPa 运行。

5 运行效果

宁夏WZ 电厂没有实施3.4、3.6和3.7的改造，在2019年完成了#1机组的改造，目前正在进行#2机组的改造，尚未获得实测的经济数据。

喀什热电高背压供热改造[2]是国内首家间接空冷机组高背压供热改造工程，完成了3.1～3.7的全部改造，故运行中不会有4.1、4.2的顾虑。

喀什热电2016～2017年度采暖季高背压供热运行平稳，在两次热网失压事故中均没有发生跳机现象，表明双水冷却双温区凝汽器供热的技术方案合理，保障了运行安全。

喀什热电在提高机组供热能力的同时，发电煤耗显著降低，经过一个采暖季的安全运行，证明间接空冷机组改高背压供热优势明显，经过测试，全背压额定供热工况下发电煤耗降到144.43g/kWh，煤耗降幅达到122.1g/kWh，供热能力提高189MW，增加供热面积378万m2，一个采暖季可节约5.58万吨标煤，二氧化碳减排量达到14.75万吨/a，双水内冷凝汽器具有广阔的市场前景和推广意义。