前言

隨著電力市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的進(jìn)一步發(fā)展，降低發(fā)電成本、提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性已成為發(fā)電企業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。目前、國(guó)內(nèi)外機(jī)組運(yùn)行中的突出問(wèn)題是冷端系統(tǒng)運(yùn)行狀況不好，嚴(yán)重影響了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。特別是冷卻塔出力不足、循環(huán)水泵流量小、效率低，凝結(jié)水過(guò)冷度和含氧量過(guò)高，凝汽器漏空氣和冷卻水管結(jié)垢等嚴(yán)重影響了機(jī)組真空。因此，降低機(jī)組供電煤耗、冷端系統(tǒng)的節(jié)能診斷和優(yōu)化已成為電廠節(jié)能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

冷端設(shè)備性能最重要的指標(biāo)有兩個(gè)：一是凝汽器的真空，另一個(gè)指標(biāo)是循環(huán)水泵電耗。另外從熱力系統(tǒng)角度考慮凝結(jié)水過(guò)冷度也是一個(gè)重要經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。凝汽器本身是個(gè)換熱器，評(píng)價(jià)其性能優(yōu)劣最重要指標(biāo)是凝汽器端差。要想獲得最佳真空，主要措施是降低循環(huán)水溫度和降低凝汽器端差。對(duì)于循環(huán)水泵電耗，主要是考慮循環(huán)水泵經(jīng)濟(jì)調(diào)度運(yùn)行及泵組效率。

本文針對(duì)汽輪機(jī)冷端優(yōu)化分析問(wèn)題，從凝汽器、循環(huán)水泵及冷卻塔等冷端設(shè)備整體出發(fā)，采用多種方法同步進(jìn)行。提出了對(duì)循環(huán)水泵進(jìn)行改造，以提高流量及效率，降低電耗;對(duì)冷卻塔填料及噴嘴換型改造，增大淋水面積，降低循環(huán)水溫度，以提高冷卻塔工作效率;對(duì)凝汽器換熱管進(jìn)行高壓水沖洗，并在凝汽器補(bǔ)水加裝噴嘴霧化裝置，以改善凝汽器工況，提高機(jī)組真空。優(yōu)化改造后，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性明顯提高，為機(jī)組節(jié)能減耗奠定了良好的基礎(chǔ)。

一、 汽輪機(jī)冷端優(yōu)化的必要性

汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)是由汽輪機(jī)低壓缸的末機(jī)組、凝汽器、冷卻塔、循環(huán)水泵、循環(huán)供水系統(tǒng)等系統(tǒng)組成。由于循環(huán)水水質(zhì)較差，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，造成了冷端設(shè)備故障多發(fā)，設(shè)備出力下降，機(jī)組真空降低等問(wèn)題。

1. 循環(huán)水泵組：我廠單臺(tái)機(jī)組共配置兩臺(tái)循環(huán)水泵，一臺(tái)雙速泵，一臺(tái)高速泵，均采用立式斜流泵結(jié)構(gòu)。2009年6月投入運(yùn)行至今，由于泵組設(shè)計(jì)參數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)管路不匹配，循環(huán)泵在不同運(yùn)行方式下循環(huán)水流量均低于設(shè)計(jì)值，泵組偏離設(shè)計(jì)工況點(diǎn)較遠(yuǎn)運(yùn)行。由于泵組性能未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致凝汽器真空偏低，影響電廠的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。多臺(tái)循環(huán)水泵在工作中均出現(xiàn)嚴(yán)重的振動(dòng)情況，已威脅到電廠機(jī)組運(yùn)行的可靠性。

2. 冷卻塔填料： 冷卻塔填料在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中，會(huì)大面積出現(xiàn)老化、脫落等現(xiàn)象。機(jī)組運(yùn)行當(dāng)中，由于循環(huán)水水流下降的作用力，導(dǎo)致填料大面積破碎，掉入循環(huán)水系統(tǒng)，填料碎片將相當(dāng)數(shù)量的凝汽器換熱管堵塞，致使凝汽器冷卻能力下降，機(jī)組真空下降，嚴(yán)重影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，更重要的是威脅機(jī)組的安全運(yùn)行。

3. 冷卻塔噴嘴：我廠冷卻塔噴濺裝置為反射III型，淋水分散性、均勻性較差，某些區(qū)域淋不到水，淋水填料出現(xiàn)盲區(qū)。盲區(qū)的通風(fēng)阻力降低，空氣流量大于有水區(qū)，大量的空氣經(jīng)盲區(qū)“短路”而流失，并使塔內(nèi)氣流流場(chǎng)紊亂，導(dǎo)致冷卻效果下降，經(jīng)濟(jì)性較差。

4. 凝汽器：機(jī)組運(yùn)行時(shí)，低溫的化學(xué)補(bǔ)水沒(méi)有補(bǔ)入凝汽器喉部并實(shí)現(xiàn)霧化，無(wú)法與溫度較高的排汽在喉部進(jìn)行熱交換，或者說(shuō)排汽的潛熱沒(méi)有放熱給低溫的補(bǔ)水，補(bǔ)水也無(wú)法吸收排汽的熱量而被加熱，使得凝結(jié)水過(guò)冷度和含氧量增加。若凝結(jié)水溶解氧過(guò)高，除氧器過(guò)負(fù)荷運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致給水溶解氧的含量也會(huì)升高，影響鍋爐的水質(zhì)，引起結(jié)垢和腐蝕，還有可能通過(guò)蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)，造成汽輪機(jī)通流部分結(jié)垢，影響汽輪機(jī)效率和安全運(yùn)行。

二、 汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化方案

1. 循環(huán)水泵優(yōu)化改造

1.1 改造原則

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況核定水泵運(yùn)行參數(shù)，在泵組基礎(chǔ)保持不變、電氣及控制方式不變、泵出口方位尺寸不變、保留現(xiàn)有電機(jī)等前提下，以解決流量偏小的問(wèn)題，提高真空度降低煤耗為主要目標(biāo)，同時(shí)解決泵組振動(dòng)超標(biāo)、提高泵組穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)新型泵，進(jìn)行整機(jī)改造。

1.2 改造方案

從使用的角度出發(fā)，既要考慮泵的運(yùn)行工況點(diǎn)在高效區(qū)范圍內(nèi)，又要最大限度地降低改造成本，因此在選用效率高、高效運(yùn)行范圍寬、汽蝕性能好的水力模型的同時(shí)，又采取以下防振措施：

(1)現(xiàn)加厚外筒接管壁厚至14mm，來(lái)提高筒體的強(qiáng)度，在外接管上增加筋板，提高筒體的剛性;

(2)在電機(jī)座外壁加上六個(gè)半圓柱支撐，使筒體剛性得到加強(qiáng);

(3)在導(dǎo)軸承與外接管內(nèi)壁增加支撐板，提高轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性;

(4)筒體結(jié)構(gòu)改為上止口下錐面壓實(shí)，增加了穩(wěn)定性和對(duì)中性;

(5)現(xiàn)改進(jìn)導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)形式，增加與外接管的支撐，提高機(jī)組的穩(wěn)定性同時(shí)更好地利用了泵輸送介質(zhì)的動(dòng)能，提高效率約2%;

(6)水泵出水彎管采用多節(jié)段導(dǎo)流片，通道圓滑流暢、阻力小，彎管內(nèi)水流速度梯度減小，降低了渦流損失，減小振動(dòng)，同時(shí)也提高了水泵效率;

(7)葉輪加工完成后進(jìn)行動(dòng)靜平衡試驗(yàn)(按G6.3級(jí)進(jìn)行靜平衡試驗(yàn)、按G2.5級(jí)進(jìn)行嚴(yán)格的動(dòng)平衡試驗(yàn))，提高了轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性;

(8)在導(dǎo)葉體外圓增設(shè)與外筒體接觸的不銹鋼襯板，提高機(jī)組的穩(wěn)定性;

(9)在葉輪室和下外接管之間增加防轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，使運(yùn)行更平穩(wěn)。

(10)采用中國(guó)水利電力科學(xué)研究院開發(fā)的Ns400斜流泵水力模型、先進(jìn)的CFD理論技術(shù)對(duì)包含有流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)進(jìn)行精確的分析、采用Solidworks三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)分析計(jì)算方法，確保循環(huán)水泵在各種運(yùn)行工況下均在高效區(qū)，循環(huán)水泵應(yīng)可以并列或單泵運(yùn)行，滿足各季節(jié)、各工況下整個(gè)機(jī)組的安全﹑經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。并聯(lián)運(yùn)行工況下，循環(huán)水泵的流量偏差限制在5%以內(nèi)。

2. 冷卻塔填料換型改造

對(duì)冷卻塔填料進(jìn)行改型，并全部更換，更換為耐腐蝕性、抗沖刷性更強(qiáng)的新型填料，同時(shí)一并對(duì)除水器、配水管等塔內(nèi)附件進(jìn)行維護(hù)。解決填料老化造成的凝汽器水側(cè)填料碎屑堵塞現(xiàn)象。提高冷卻塔工作效率及出力，以降低循環(huán)水溫度。

填料組裝塊的片間間距允許偏差為±1.0mm，組裝塊各鄰面間應(yīng)互相垂直，形成一個(gè)規(guī)整六面體，由各片邊形成的平面應(yīng)齊平一致;

粘接的填料塊，常溫時(shí)在簡(jiǎn)支條件下承受3.0KN/m2均布荷載一小時(shí)，支承面及加載面應(yīng)無(wú)明顯變形，卸載后應(yīng)無(wú)明顯殘余變形，粘結(jié)點(diǎn)松脫率不超過(guò)5%，其頂部側(cè)向位移小于50mm。

淋水填料粘接成塊，粘接率不低于85%，淋水填料的物理力學(xué)性能應(yīng)符合《冷卻塔塑料淋水填料技術(shù)規(guī)定》DL/T742-2001的標(biāo)準(zhǔn)要求。

3. 冷卻塔噴嘴換型改造

拆除冷卻塔舊的反射Ⅲ型噴嘴, 安裝可自動(dòng)旋轉(zhuǎn)的ZLS-01型噴嘴，共計(jì)4484套。清理螺紋部位，檢查螺紋是否損壞，確保噴嘴緊固牢靠清理管內(nèi)雜物，保證管內(nèi)清潔，檢查破損部位，修補(bǔ)漏水部位。安裝的ZLS-01型節(jié)能噴嘴應(yīng)垂直于填料與配套的接頭擰緊，防止運(yùn)行中振動(dòng)脫落。安裝后，確保ZLS-01型節(jié)能噴嘴的旋轉(zhuǎn)部分旋轉(zhuǎn)自如無(wú)卡澀。投入運(yùn)行后，噴淋效果良好，填料無(wú)淋水死區(qū)，提高水塔冷卻效率。

4. 凝汽器優(yōu)化

在凝汽器補(bǔ)水加裝噴嘴霧化裝置，保證補(bǔ)水量與改前補(bǔ)水量相同。機(jī)組運(yùn)行時(shí)，化學(xué)補(bǔ)水經(jīng)噴嘴以與垂直方向呈30°角度斜向上霧狀噴出，噴出的水霧呈90度錐體形狀并以螺旋形旋轉(zhuǎn)。低加左右兩側(cè)的各兩根φ89補(bǔ)水管路分別呈對(duì)沖噴霧方式，可使凝汽器喉部低加兩側(cè)形成兩個(gè)霧化區(qū)。這樣，增加了汽輪機(jī)排汽和化學(xué)補(bǔ)水的接觸面積，可以將補(bǔ)水加熱到排汽壓力下的飽和溫度，減小了凝結(jié)水的過(guò)冷度;同時(shí)還增強(qiáng)了排汽和化學(xué)補(bǔ)水之間的換熱，最大限度的凝結(jié)排汽量，對(duì)提高真空有利。另外，補(bǔ)水霧化后，可以使補(bǔ)水中含有的空氣離析溢出而被真空泵抽走，降低了凝結(jié)水的含氧量，對(duì)提高低加傳熱效果、減緩低加氧化腐蝕速度有利。

為了保證凝汽器端差，每年停機(jī)檢修期間對(duì)凝汽器進(jìn)行高壓大流量沖洗。最高清洗壓力可達(dá)30 MPa，清洗后凝汽器換熱管內(nèi)壁可見金屬本色。這大大降低換熱管的水側(cè)傳熱熱阻，降低了凝汽器端差。

為了降低汽側(cè)傳熱熱阻，我們盡可能的提高凝汽器的真空嚴(yán)密性。為了保證真空嚴(yán)密性，在日常運(yùn)行中，對(duì)容易漏空的地方進(jìn)憲定期檢查。對(duì)于軸封回汽管是否內(nèi)漏也可通過(guò)對(duì)比軸加風(fēng)機(jī)電流進(jìn)行輔助判斷，并在停機(jī)檢修時(shí)進(jìn)入低壓缸內(nèi)部檢查進(jìn)一步確認(rèn)漏空與否。在每次停機(jī)檢修期間，對(duì)凝汽器進(jìn)行灌水查漏，查找到的漏點(diǎn)進(jìn)行及時(shí)處理，確保灌水查漏后無(wú)漏水的地方。

化學(xué)人員對(duì)循環(huán)水水質(zhì)進(jìn)行嚴(yán)格控制，循環(huán)水濃縮倍率控制低一些，并合理使用阻垢劑，保證了凝汽器換熱管不結(jié)垢，并合理殺菌，減少換熱管內(nèi)壁的泥垢，這都對(duì)凝汽器端差產(chǎn)生非常重要的正面效果。

另外，膠球系統(tǒng)24小時(shí)不間斷運(yùn)行。每月定期補(bǔ)換新球，這能很好的清除凝汽器換換熱管內(nèi)壁的泥垢。大大降低凝汽器水側(cè)傳熱熱阻。

為了保證凝汽器凝結(jié)水過(guò)冷度盡可能的小，凡是進(jìn)入凝汽器的各種疏水嚴(yán)格按系統(tǒng)設(shè)計(jì)走管路，進(jìn)入凝汽器的接口全部位于熱井水位以下，以充分利用疏水的熱量，以此來(lái)降低凝結(jié)水過(guò)冷度。

三、經(jīng)濟(jì)性及安全性評(píng)價(jià)與分析

1. 經(jīng)濟(jì)性分析

1.1 循環(huán)水泵改造后經(jīng)濟(jì)性

改造泵輸水量Q=5.6 m³/s(20160 m³/h)，H=21m，η=88%, Pa=1373.4kW，取電機(jī)效率為95%，則每千噸水耗電量為：

E=1373.4÷20.16÷0.95=71.7度/km³

現(xiàn)泵運(yùn)行時(shí)，輸水量Q=4.712 m³/s(16964 m³/h)，H=19.9m，Pa=1478.5KW，取電機(jī)效率為95%，則每千噸水耗電量為：

E=1478.5÷16.964÷0.95=91.7度/km³

每千噸水節(jié)電量為：ΔE=91.7-71.7=20度/km³

泵在設(shè)計(jì)點(diǎn)運(yùn)行，則每千噸水可節(jié)電20度，按常年運(yùn)行1臺(tái)泵，每日總輸水量約為：

∑Q=5.6×3600×24=483840 m³/日=483.84 km³/日

每年按實(shí)際運(yùn)行300天計(jì)算節(jié)電量為：

∑E=20×483.84×300=2903040度/年，即改造單臺(tái)泵后每年節(jié)電量約為290.3萬(wàn)度，按0.3元/度上網(wǎng)電價(jià)計(jì)算，每年可節(jié)約電費(fèi)約87.09萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

1.2 冷卻塔填料改造后經(jīng)濟(jì)性

通過(guò)對(duì)冷卻塔填料進(jìn)行整體改造更換后，可降低供電煤耗約0.5～0.8g/kwh，按單臺(tái)機(jī)年發(fā)電量15億kw˙h計(jì)算，可節(jié)約標(biāo)煤約1000噸，每年可節(jié)約成本約40萬(wàn)元。

1.3 冷卻塔噴濺裝置改造后經(jīng)濟(jì)性

通過(guò)測(cè)算，我廠冷卻塔噴濺裝置改造后，循環(huán)水溫度可降低0.5～1.0℃，可降低發(fā)電煤耗0.5～1.0 g/kw˙h左右，按單臺(tái)機(jī)年發(fā)電量15億kw˙h計(jì)算，最少可節(jié)約標(biāo)煤750噸，每年可節(jié)約成本約30萬(wàn)元。

1.4 凝汽器補(bǔ)水加裝噴嘴霧化裝置改造后經(jīng)濟(jì)性

補(bǔ)水在凝汽器內(nèi)實(shí)現(xiàn)霧化后，加大了低溫補(bǔ)水和汽機(jī)排汽的混合換熱面積，從而使部分排汽在喉部凝結(jié)，進(jìn)入銅管主凝結(jié)區(qū)的排汽量相應(yīng)減少，在循環(huán)水量、水溫不變的情況下有利于提高機(jī)組的真空，按機(jī)組補(bǔ)水率為2%計(jì)算，經(jīng)理論計(jì)算可使凝汽器真空提高0.06%，年節(jié)標(biāo)煤319.77t/a，節(jié)約成本約12萬(wàn)元。

綜上所述，汽輪機(jī)冷端優(yōu)化后，每年可節(jié)約成本約169萬(wàn)元。

2. 安全性分析

循環(huán)水泵改造后，運(yùn)行各參數(shù)及振動(dòng)良好，效率大大提高，有效降低了廠用電;冷卻塔填料及噴嘴改造后，運(yùn)行正常無(wú)堵塞、脫落現(xiàn)象，淋水更加均勻、分散，降低了循環(huán)水溫度;凝汽器喉部加裝噴嘴霧化裝置，換熱管用高壓水沖洗，真空系統(tǒng)查漏后，凝汽器運(yùn)行狀態(tài)良好、無(wú)泄漏，有效提高了機(jī)組真空。

通過(guò)對(duì)汽輪機(jī)冷端設(shè)備優(yōu)化改造后，機(jī)組真空有效提高，設(shè)備正常運(yùn)行周期大大增加，提高了設(shè)備健康水平，保證了我廠機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

四、結(jié)論

通過(guò)對(duì)汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化改造，使循環(huán)水泵、凝汽器、冷卻塔等冷端設(shè)備出力、效率明顯提高，經(jīng)過(guò)計(jì)算，機(jī)組真空提高了約1KPa，降低供電煤耗約3g/kwh。改造后凝汽器、循環(huán)水泵及冷卻塔等冷端設(shè)備運(yùn)行各參數(shù)良好，有效提高了設(shè)備運(yùn)行壽命，節(jié)約了檢修運(yùn)行成本，為我廠節(jié)能減耗奠定了良好的基礎(chǔ)，大大提高了我廠生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性及安全性。

通過(guò)實(shí)施，證明了汽輪機(jī)冷端優(yōu)化方案的可行性，為同類型機(jī)組提供了很好借鑒。是將先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于火電系統(tǒng)中的一個(gè)成功范例，對(duì)先進(jìn)技術(shù)在火電系統(tǒng)中的推廣應(yīng)用起到了模范帶頭作用。