汽轮机冷端系统节能优化研究与应用

前言

随着电力市场竞争机制的进一步发展，降低发电成本、提高机组运行经济性已成为发电企业的当务之急。目前、国内外机组运行中的突出问题是冷端系统运行状况不好，严重影响了机组运行的经济性。特别是冷却塔出力不足、循环水泵流量小、效率低，凝结水过冷度和含氧量过高，凝汽器漏空气和冷却水管结垢等严重影响了机组真空。因此，降低机组供电煤耗、冷端系统的节能诊断和优化已成为电厂节能的关键环节。

冷端设备性能最重要的指标有两个：一是凝汽器的真空，另一个指标是循环水泵电耗。另外从热力系统角度考虑凝结水过冷度也是一个重要经济性指标。凝汽器本身是个换热器，评价其性能优劣最重要指标是凝汽器端差。要想获得最佳真空，主要措施是降低循环水温度和降低凝汽器端差。对于循环水泵电耗，主要是考虑循环水泵经济调度运行及泵组效率。

本文针对汽轮机冷端优化分析问题，从凝汽器、循环水泵及冷却塔等冷端设备整体出发，采用多种方法同步进行。提出了对循环水泵进行改造，以提高流量及效率，降低电耗;对冷却塔填料及喷嘴换型改造，增大淋水面积，降低循环水温度，以提高冷却塔工作效率;对凝汽器换热管进行高压水冲洗，并在凝汽器补水加装喷嘴雾化装置，以改善凝汽器工况，提高机组真空。优化改造后，机组经济性明显提高，为机组节能减耗奠定了良好的基础。

一、 汽轮机冷端优化的必要性

汽轮机冷端系统是由汽轮机低压缸的末机组、凝汽器、冷却塔、循环水泵、循环供水系统等系统组成。由于循环水水质较差，长时间运行，造成了冷端设备故障多发，设备出力下降，机组真空降低等问题。

1. 循环水泵组：我厂单台机组共配置两台循环水泵，一台双速泵，一台高速泵，均采用立式斜流泵结构。2009年6月投入运行至今，由于泵组设计参数与现场管路不匹配，循环泵在不同运行方式下循环水流量均低于设计值，泵组偏离设计工况点较远运行。由于泵组性能未达到设计要求，导致凝汽器真空偏低，影响电厂的经济运行。多台循环水泵在工作中均出现严重的振动情况，已威胁到电厂机组运行的可靠性。

2. 冷却塔填料： 冷却塔填料在长时间运行中，会大面积出现老化、脱落等现象。机组运行当中，由于循环水水流下降的作用力，导致填料大面积破碎，掉入循环水系统，填料碎片将相当数量的凝汽器换热管堵塞，致使凝汽器冷却能力下降，机组真空下降，严重影响机组的经济性，更重要的是威胁机组的安全运行。

3. 冷却塔喷嘴：我厂冷却塔喷溅装置为反射III型，淋水分散性、均匀性较差，某些区域淋不到水，淋水填料出现盲区。盲区的通风阻力降低，空气流量大于有水区，大量的空气经盲区“短路”而流失，并使塔内气流流场紊乱，导致冷却效果下降，经济性较差。

4. 凝汽器：机组运行时，低温的化学补水没有补入凝汽器喉部并实现雾化，无法与温度较高的排汽在喉部进行热交换，或者说排汽的潜热没有放热给低温的补水，补水也无法吸收排汽的热量而被加热，使得凝结水过冷度和含氧量增加。若凝结水溶解氧过高，除氧器过负荷运行会导致给水溶解氧的含量也会升高，影响锅炉的水质，引起结垢和腐蚀，还有可能通过蒸汽进入汽轮机，造成汽轮机通流部分结垢，影响汽轮机效率和安全运行。

二、 汽轮机冷端系统节能优化方案

1. 循环水泵优化改造

1.1 改造原则

根据现场实际工况核定水泵运行参数，在泵组基础保持不变、电气及控制方式不变、泵出口方位尺寸不变、保留现有电机等前提下，以解决流量偏小的问题，提高真空度降低煤耗为主要目标，同时解决泵组振动超标、提高泵组稳定性，设计新型泵，进行整机改造。

1.2 改造方案

从使用的角度出发，既要考虑泵的运行工况点在高效区范围内，又要最大限度地降低改造成本，因此在选用效率高、高效运行范围宽、汽蚀性能好的水力模型的同时，又采取以下防振措施：

(1)现加厚外筒接管壁厚至14mm，来提高筒体的强度，在外接管上增加筋板，提高筒体的刚性;

(2)在电机座外壁加上六个半圆柱支撑，使筒体刚性得到加强;

(3)在导轴承与外接管内壁增加支撑板，提高转子的稳定性;

(4)筒体结构改为上止口下锥面压实，增加了稳定性和对中性;

(5)现改进导流板结构形式，增加与外接管的支撑，提高机组的稳定性同时更好地利用了泵输送介质的动能，提高效率约2%;

(6)水泵出水弯管采用多节段导流片，通道圆滑流畅、阻力小，弯管内水流速度梯度减小，降低了涡流损失，减小振动，同时也提高了水泵效率;

(7)叶轮加工完成后进行动静平衡试验(按G6.3级进行静平衡试验、按G2.5级进行严格的动平衡试验)，提高了转子的稳定性;

(8)在导叶体外圆增设与外筒体接触的不锈钢衬板，提高机组的稳定性;

(9)在叶轮室和下外接管之间增加防转动装置，使运行更平稳。

(10)采用中国水利电力科学研究院开发的Ns400斜流泵水力模型、先进的CFD理论技术对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统进行精确的分析、采用Solidworks三维设计软件进行产品设计分析计算方法，确保循环水泵在各种运行工况下均在高效区，循环水泵应可以并列或单泵运行，满足各季节、各工况下整个机组的安全﹑经济运行。并联运行工况下，循环水泵的流量偏差限制在5%以内。

2. 冷却塔填料换型改造

对冷却塔填料进行改型，并全部更换，更换为耐腐蚀性、抗冲刷性更强的新型填料，同时一并对除水器、配水管等塔内附件进行维护。解决填料老化造成的凝汽器水侧填料碎屑堵塞现象。提高冷却塔工作效率及出力，以降低循环水温度。

填料组装块的片间间距允许偏差为±1.0mm，组装块各邻面间应互相垂直，形成一个规整六面体，由各片边形成的平面应齐平一致;

粘接的填料块，常温时在简支条件下承受3.0KN/m2均布荷载一小时，支承面及加载面应无明显变形，卸载后应无明显残余变形，粘结点松脱率不超过5%，其顶部侧向位移小于50mm。

淋水填料粘接成块，粘接率不低于85%，淋水填料的物理力学性能应符合《冷却塔塑料淋水填料技术规定》DL/T742-2001的标准要求。

3. 冷却塔喷嘴换型改造

拆除冷却塔旧的反射Ⅲ型喷嘴, 安装可自动旋转的ZLS-01型喷嘴，共计4484套。清理螺纹部位，检查螺纹是否损坏，确保喷嘴紧固牢靠清理管内杂物，保证管内清洁，检查破损部位，修补漏水部位。安装的ZLS-01型节能喷嘴应垂直于填料与配套的接头拧紧，防止运行中振动脱落。安装后，确保ZLS-01型节能喷嘴的旋转部分旋转自如无卡涩。投入运行后，喷淋效果良好，填料无淋水死区，提高水塔冷却效率。

4. 凝汽器优化

在凝汽器补水加装喷嘴雾化装置，保证补水量与改前补水量相同。机组运行时，化学补水经喷嘴以与垂直方向呈30°角度斜向上雾状喷出，喷出的水雾呈90度锥体形状并以螺旋形旋转。低加左右两侧的各两根φ89补水管路分别呈对冲喷雾方式，可使凝汽器喉部低加两侧形成两个雾化区。这样，增加了汽轮机排汽和化学补水的接触面积，可以将补水加热到排汽压力下的饱和温度，减小了凝结水的过冷度;同时还增强了排汽和化学补水之间的换热，最大限度的凝结排汽量，对提高真空有利。另外，补水雾化后，可以使补水中含有的空气离析溢出而被真空泵抽走，降低了凝结水的含氧量，对提高低加传热效果、减缓低加氧化腐蚀速度有利。

为了保证凝汽器端差，每年停机检修期间对凝汽器进行高压大流量冲洗。最高清洗压力可达30 MPa，清洗后凝汽器换热管内壁可见金属本色。这大大降低换热管的水侧传热热阻，降低了凝汽器端差。

为了降低汽侧传热热阻，我们尽可能的提高凝汽器的真空严密性。为了保证真空严密性，在日常运行中，对容易漏空的地方进宪定期检查。对于轴封回汽管是否内漏也可通过对比轴加风机电流进行辅助判断，并在停机检修时进入低压缸内部检查进一步确认漏空与否。在每次停机检修期间，对凝汽器进行灌水查漏，查找到的漏点进行及时处理，确保灌水查漏后无漏水的地方。

化学人员对循环水水质进行严格控制，循环水浓缩倍率控制低一些，并合理使用阻垢剂，保证了凝汽器换热管不结垢，并合理杀菌，减少换热管内壁的泥垢，这都对凝汽器端差产生非常重要的正面效果。

另外，胶球系统24小时不间断运行。每月定期补换新球，这能很好的清除凝汽器换换热管内壁的泥垢。大大降低凝汽器水侧传热热阻。

为了保证凝汽器凝结水过冷度尽可能的小，凡是进入凝汽器的各种疏水严格按系统设计走管路，进入凝汽器的接口全部位于热井水位以下，以充分利用疏水的热量，以此来降低凝结水过冷度。

三、经济性及安全性评价与分析

1. 经济性分析

1.1 循环水泵改造后经济性

改造泵输水量Q=5.6 m³/s(20160 m³/h)，H=21m，η=88%, Pa=1373.4kW，取电机效率为95%，则每千吨水耗电量为：

E=1373.4÷20.16÷0.95=71.7度/km³

现泵运行时，输水量Q=4.712 m³/s(16964 m³/h)，H=19.9m，Pa=1478.5KW，取电机效率为95%，则每千吨水耗电量为：

E=1478.5÷16.964÷0.95=91.7度/km³

每千吨水节电量为：ΔE=91.7-71.7=20度/km³

泵在设计点运行，则每千吨水可节电20度，按常年运行1台泵，每日总输水量约为：

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

每年按实际运行300天计算节电量为：

∑E=20×483.84×300=2903040度/年，即改造单台泵后每年节电量约为290.3万度，按0.3元/度上网电价计算，每年可节约电费约87.09万元，经济效益显著。

1.2 冷却塔填料改造后经济性

通过对冷却塔填料进行整体改造更换后，可降低供电煤耗约0.5～0.8g/kwh，按单台机年发电量15亿kw˙h计算，可节约标煤约1000吨，每年可节约成本约40万元。

1.3 冷却塔喷溅装置改造后经济性

通过测算，我厂冷却塔喷溅装置改造后，循环水温度可降低0.5～1.0℃，可降低发电煤耗0.5～1.0 g/kw˙h左右，按单台机年发电量15亿kw˙h计算，最少可节约标煤750吨，每年可节约成本约30万元。

1.4 凝汽器补水加装喷嘴雾化装置改造后经济性

补水在凝汽器内实现雾化后，加大了低温补水和汽机排汽的混合换热面积，从而使部分排汽在喉部凝结，进入铜管主凝结区的排汽量相应减少，在循环水量、水温不变的情况下有利于提高机组的真空，按机组补水率为2%计算，经理论计算可使凝汽器真空提高0.06%，年节标煤319.77t/a，节约成本约12万元。

综上所述，汽轮机冷端优化后，每年可节约成本约169万元。

2. 安全性分析

循环水泵改造后，运行各参数及振动良好，效率大大提高，有效降低了厂用电;冷却塔填料及喷嘴改造后，运行正常无堵塞、脱落现象，淋水更加均匀、分散，降低了循环水温度;凝汽器喉部加装喷嘴雾化装置，换热管用高压水冲洗，真空系统查漏后，凝汽器运行状态良好、无泄漏，有效提高了机组真空。

通过对汽轮机冷端设备优化改造后，机组真空有效提高，设备正常运行周期大大增加，提高了设备健康水平，保证了我厂机组安全经济运行。

四、结论

通过对汽轮机冷端系统设备进行优化改造，使循环水泵、凝汽器、冷却塔等冷端设备出力、效率明显提高，经过计算，机组真空提高了约1KPa，降低供电煤耗约3g/kwh。改造后凝汽器、循环水泵及冷却塔等冷端设备运行各参数良好，有效提高了设备运行寿命，节约了检修运行成本，为我厂节能减耗奠定了良好的基础，大大提高了我厂生产经济性及安全性。

通过实施，证明了汽轮机冷端优化方案的可行性，为同类型机组提供了很好借鉴。是将先进技术应用于火电系统中的一个成功范例，对先进技术在火电系统中的推广应用起到了模范带头作用。