火電機(jī)組冷端優(yōu)化措施及效果

丁立斌，杜小鐵,劉葉麗

(1.河北西柏坡發(fā)電有限責(zé)任公司，石家莊 054000；2. 河北建投能源投資股份有限公司，石家莊 050041)

火電機(jī)組冷端優(yōu)化措施及效果

丁立斌1，杜小鐵2,劉葉麗2

(1.河北西柏坡發(fā)電有限責(zé)任公司，石家莊 054000；2. 河北建投能源投資股份有限公司，石家莊 050041)

從凝汽器入口蒸汽流場均流裝置、凝汽器增效改造、冷卻塔新型節(jié)能旋轉(zhuǎn)式噴濺裝置、冷卻塔進(jìn)風(fēng)導(dǎo)流板、真空系統(tǒng)完善等方面分析火電機(jī)組冷端優(yōu)化措施，并結(jié)合國內(nèi)工程實(shí)例，認(rèn)為優(yōu)化措施的節(jié)能效果顯著，可供火電機(jī)組借鑒。

火電機(jī)組；冷端系統(tǒng)；優(yōu)化措施；凝汽器；冷卻塔

火電機(jī)組冷端一般包括汽輪機(jī)低壓缸、凝汽器、冷卻塔、循環(huán)水泵、抽真空設(shè)備及其相連接的管路。冷端設(shè)計(jì)主要指凝汽器面積計(jì)算和結(jié)構(gòu)選型、冷卻倍率計(jì)算、水泵選型和一般配置等，濕冷閉式循環(huán)冷卻機(jī)組包括冷卻塔配水形式及面積選擇，空冷機(jī)組包括空冷島面積計(jì)算。冷端優(yōu)化設(shè)計(jì)是指在前者的基礎(chǔ)上開展的合理降低工程總造價(jià)并兼顧經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的深度優(yōu)化，最終目標(biāo)是為了確定最佳真空所對(duì)應(yīng)的凝汽器面積、循環(huán)倍率、冷卻塔面積和低壓缸末級(jí)葉片長度等參數(shù)。但是優(yōu)化設(shè)計(jì)后的冷端系統(tǒng)在長期運(yùn)行中經(jīng)常暴露出一些新問題，例如汽輪機(jī)低壓缸排汽區(qū)流場不均勻、凝汽器真空偏離設(shè)計(jì)值、冷卻塔出水溫度高、凝汽器泄漏等，導(dǎo)致機(jī)組能耗升高，運(yùn)營成本增加，程度嚴(yán)重的甚至?xí)绊懙綑C(jī)組安全運(yùn)行。因此，對(duì)投運(yùn)機(jī)組冷端系統(tǒng)繼續(xù)優(yōu)化，不僅能夠提高機(jī)組運(yùn)行可靠性，而且是企業(yè)實(shí)現(xiàn)和提高競爭力的重要手段。以下從凝汽器、冷卻塔、真空系統(tǒng)等方面介紹典型的火電機(jī)組冷端系統(tǒng)優(yōu)化措施。

1 凝汽器優(yōu)化措施

1.1 加裝入口蒸汽流場均流裝置

人們普遍重視汽輪機(jī)排汽缸出口蒸汽流場的優(yōu)化，卻未重視凝汽器管束入口蒸汽速度分布對(duì)凝汽器汽阻和傳熱系數(shù)的影響。近幾年的研究表明，凝汽器入口蒸汽流場也是影響凝汽器工作性能的重要因素。國產(chǎn)引進(jìn)型300 MW汽輪機(jī)由于低壓加熱器龐大的筒身占據(jù)在排汽口中央，周圍布置了大量的抽汽管道，導(dǎo)致凝汽器管束入口截面上的蒸汽流場極不合理：縱向上，冷卻管的進(jìn)出口端汽流非常密集，速度高，將迎風(fēng)面管束吹刷的異常光滑；橫向上，兩側(cè)遠(yuǎn)離中心線的管束從入口到出口一直處于高速汽流的沖刷之下；越靠近凝汽器的中心區(qū)域汽流速度越低，中間甚至?xí)霈F(xiàn)漩渦區(qū)，管束迎風(fēng)面產(chǎn)生輕微銹垢；整個(gè)截面上蒸汽流速最高超過100 m/s，接近中間區(qū)域蒸汽速度的5～10倍[1]。這種極不合理的速度場使冷卻管傳熱系數(shù)下降，并使汽阻和不凝結(jié)蒸汽量有較大幅度增加，這也是機(jī)組真空偏低的原因之一。

在模型試驗(yàn)及計(jì)算機(jī)三維模擬計(jì)算的指導(dǎo)下，按照流場速度分布規(guī)律，在凝汽器管束入口上方區(qū)域內(nèi)的蒸汽高速區(qū)加裝由不銹鋼板制成的均流裝置，固定在附近支撐管上，促使凝汽器管束入口原高速區(qū)的速度有所降低、原低速區(qū)的速度有明顯升高，蒸汽流場趨于均勻，從而改善管束的傳熱溫差、傳熱系數(shù)和內(nèi)部汽阻，最終降低了排汽壓力。鐵嶺電廠4號(hào)機(jī)組優(yōu)化后的測試結(jié)果表明，在額定負(fù)荷、循環(huán)水入口溫度30 ℃時(shí)可以降低凝汽器排汽壓力0.7 kPa以上，煤耗下降約1.32 g/kWh[2]，循環(huán)水入口溫度越高則節(jié)能效果越明顯。

1.2 凝汽器增效改造

凝汽器設(shè)計(jì)優(yōu)化的主要任務(wù)是增大管束邊界、降低汽側(cè)邊界流速、縮短汽流流程、均衡凝結(jié)負(fù)荷、疏通不凝結(jié)氣體抽氣通道、消除不凝結(jié)氣體滯留區(qū)、提高換熱效能，蒸汽回?zé)崮Y(jié)水進(jìn)一步除氧并降低過冷度，其中管束布置是影響汽側(cè)流動(dòng)特性和傳熱特性的主要因素。

如今國內(nèi)外已經(jīng)成功開發(fā)出多種先進(jìn)的管束布置型式，典型的有教堂窗式、雙菱式、AT型式、模塊化式、將軍帽式、垂直均衡流動(dòng)式等。

哈爾濱汽輪機(jī)有限公司選用東芝AT型式管束排列技術(shù)，特點(diǎn)是：空氣到達(dá)空冷區(qū)出口的距離明顯縮短，同時(shí)進(jìn)汽邊周長加大，有利于降低進(jìn)入管束流體的流速，減小汽阻；管束之間的蒸汽通道數(shù)量增多，部分蒸汽直接到達(dá)熱井凝結(jié)水的表面后再折返向上進(jìn)入管束，有利于對(duì)凝結(jié)水更好地回?zé)岢?，降低凝結(jié)水過冷度；在空冷區(qū)設(shè)置專用擋板，將上部管束的凝結(jié)水引出，空冷區(qū)中的凝結(jié)水也由水封槽、疏水管引出，凝結(jié)水的及時(shí)導(dǎo)出減弱了空冷區(qū)下方管束表面水膜效應(yīng)的不利影響，上部、下部和空冷區(qū)管束都獲得了較高的換熱性能。

東方汽輪機(jī)有限公司采用德國B-D公司模塊化式管束排列技術(shù)，特點(diǎn)是：1臺(tái)凝汽器布置3條蒸汽通道，汽流速度均勻，中間無反流，整體管束汽阻小，熱負(fù)荷分布均勻；增加中間隔板數(shù)量，解決管束振動(dòng)問題；抽空氣管分兩路直接抵達(dá)空冷區(qū)，中間隔板孔徑增大方便不凝結(jié)氣體抽出；空冷區(qū)增設(shè)雙層多孔疏水擋板有利于凝結(jié)水排出；凝結(jié)水基本無過冷度，除氧效果好。

這些新型凝汽器均在管束布置和抽氣通道優(yōu)化等細(xì)節(jié)上做了大量研究，并取得了一些關(guān)鍵性突破，整體換熱系數(shù)較傳統(tǒng)管束布置有10%～20%的大幅度提高。

以河北西柏坡發(fā)電有限責(zé)任公司1號(hào)、2號(hào)機(jī)組為例，其凝汽器為二十世紀(jì)八十年代技術(shù)、九十年代初產(chǎn)品，采用向心式布置，缺點(diǎn)是管束整體布局不合理，汽阻較大，下部管束水膜效應(yīng)明顯，換熱效率低，凝結(jié)水過冷度大等，目前該技術(shù)已十分落后。1號(hào)機(jī)組統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，凝汽器在機(jī)組年平均負(fù)荷率66.26%的情況下，年平均排汽壓力比設(shè)計(jì)值4.9 kPa高0.87 kPa，在額定負(fù)荷下，凝汽器排汽壓力與設(shè)計(jì)值的差值更大。

2號(hào)凝汽器鑒于銅管老化頻繁泄漏及效率低等原因，于2010年實(shí)施了整體改造。經(jīng)招標(biāo)比選，確定改造方案選用AT型管束排列技術(shù)，換熱管選用TP316L不銹鋼管子，不僅能夠杜絕原銅管腐蝕老化不斷泄漏帶來的檢修維護(hù)量大、凝結(jié)水品質(zhì)經(jīng)常被污染、汽輪機(jī)葉片結(jié)垢多導(dǎo)致效率下降較快等問題，而且長期運(yùn)行中能夠維持較高的管束清潔系數(shù)，有利于提高機(jī)組真空。

2號(hào)汽輪機(jī)凝汽器整體改造后的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，在相同外界條件下，與未改造前相比，凝汽器換熱效率有了明顯提高，排汽壓力降低了約1 kPa。

2 冷卻塔優(yōu)化措施

2.1 采用新型節(jié)能旋轉(zhuǎn)式噴濺裝置

噴濺裝置的作用是將進(jìn)入冷卻塔的熱水均勻地淋灑在下方填料頂上，以便充分發(fā)揮填料比面積大、散熱能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，淋水的均勻性對(duì)冷卻塔冷卻效率影響極大。二十世紀(jì)九十年代，北方地區(qū)大型濕冷火電機(jī)組冷端多采用逆流式自然通風(fēng)冷卻塔，對(duì)于豎井槽式配水通常使用反射Ⅲ型噴濺裝置，管式配水多采用旋流式XPH型噴頭。反射Ⅲ型噴濺裝置在長期使用后逐漸暴露出一些問題：由于設(shè)計(jì)缺陷，濺水碟下方始終存在(無水)中空區(qū)；由于加工工藝限制，噴濺裝置的上盤和下盤是分別成型后粘結(jié)上的，局部強(qiáng)度低、易斷裂，導(dǎo)致濺水碟脫落，形成水柱；上下濺水碟的挑水齒表面極易生成水垢，若維護(hù)清理不及時(shí)濺水效果就會(huì)逐漸變差，形成較多水幕，下方填料的熱負(fù)荷分布趨于不均勻，冷卻塔效率明顯下降。

針對(duì)反射Ⅲ型噴濺裝置存在的諸多不足，近期國內(nèi)開發(fā)出一種節(jié)能旋轉(zhuǎn)式噴濺裝置，它利用水頭下泄的沖擊力帶動(dòng)濺水碟旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)濺水，上揚(yáng)的水滴沿著無規(guī)則軌跡均勻地灑在填料上，水滴更加細(xì)碎，噴濺半徑有所增加，有利于平面交叉布置，水滴在空中延緩了下落時(shí)間，水氣熱交換更充分，淋水密度更趨均勻，無水區(qū)減小甚至消失，噴濺效果受水量變化影響小。錦州東港電廠1號(hào)機(jī)組冷卻塔使用節(jié)能旋轉(zhuǎn)式噴濺裝置后，與反射Ⅲ型噴濺裝置相比，夏季工況下可使冷卻塔出水溫度降低1 ℃，機(jī)組真空提高0.4%，機(jī)組出力提高0.4%，若煤耗為330 g/kWh，煤耗可降低1.65 g/kWh，全年平均可降低0.825 g/kWh[3]。

2.2 優(yōu)化冷卻塔進(jìn)風(fēng)導(dǎo)流板

二十世紀(jì)九十年代火電廠冷卻塔的設(shè)計(jì)并未對(duì)進(jìn)風(fēng)優(yōu)化給予過多關(guān)注，本世紀(jì)初部分冷卻塔開始在雨區(qū)加裝了實(shí)心十字擋風(fēng)墻，以消除較大橫向風(fēng)對(duì)冷卻塔效率的不利影響。橫向風(fēng)對(duì)出塔水溫影響較大，無風(fēng)時(shí)出塔水溫最低。隨著風(fēng)速的增加，出塔水溫先升高后降低，當(dāng)風(fēng)速為6 m/s，其值最高，相對(duì)于無風(fēng)時(shí)升高了1.34 ℃[3]。雨區(qū)加設(shè)擋風(fēng)墻在中低速環(huán)境下能有效提高冷卻塔性能。

對(duì)于已有十字擋風(fēng)墻的冷卻塔，優(yōu)化措施是將實(shí)心十字擋風(fēng)墻改造為分段優(yōu)化多空墻，不但在中低速環(huán)境條件下能有效提高冷卻塔的性能，而且在高風(fēng)速條件下能接近不加墻時(shí)的效果。改進(jìn)后的十字墻最大能使出塔水溫降低0.32 ℃、煤耗降低0.3～0.5 g/kWh，并且具有較強(qiáng)的風(fēng)向適應(yīng)性[4]。

對(duì)于無十字擋風(fēng)墻的冷卻塔，可以在冷卻塔進(jìn)風(fēng)口安裝導(dǎo)風(fēng)板，削弱外界側(cè)風(fēng)的不利影響，均勻塔內(nèi)通風(fēng)，增加進(jìn)塔風(fēng)量，從而提高冷卻塔效率。實(shí)測數(shù)據(jù)表明，安裝導(dǎo)風(fēng)板后的冷卻塔的冷卻溫差增幅在夏季最大可達(dá)5 ℃，冬季則效果甚微，3月僅為0.1 ℃[5]。

3 真空系統(tǒng)優(yōu)化措施

3.1 提高真空泵抽吸能力

凝汽器絕對(duì)壓力會(huì)隨著環(huán)境溫度的升高而升高，當(dāng)夏季環(huán)境溫度接近設(shè)計(jì)上限時(shí)，凝汽器絕對(duì)壓力已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)上限，就會(huì)限制機(jī)組帶負(fù)荷能力，這與水環(huán)式真空泵的抽吸能力惡化有一定關(guān)系。真空泵抽吸能力主要與其內(nèi)部密封水溫度有關(guān)，當(dāng)密封水溫度低于15 ℃時(shí)過冷度可以得到充分保障，抽吸能力就能夠達(dá)到極限值，反之密封水溫度升高、過冷度降低，真空泵抽吸能力會(huì)逐漸降低，所以真空泵冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)一般盡量選用溫度較低的地下水或地表水，而盡量不選用機(jī)組冷卻塔的循環(huán)水。

為使機(jī)組獲得較高真空，尤其是考慮夏季工況的特殊需求，某廠通過技術(shù)改造，從中央空調(diào)冷凍機(jī)組引一路冷凍水至真空泵冷卻器，相同工況下可降低密封水溫度6～8 ℃，提高凝汽器真空約1 kPa，折合供電煤耗降低約3 g/kWh[6]。

3.2 優(yōu)化真空管道布置方案

國產(chǎn)600 MW機(jī)組普遍采用雙背壓凝汽器，設(shè)計(jì)為正常運(yùn)行時(shí)高壓凝汽器絕對(duì)壓力比低壓凝汽器高約1.2～1.5 kPa，維持這個(gè)壓差值是實(shí)現(xiàn)雙背壓凝汽器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵。當(dāng)雙背壓凝汽器的抽空氣管道設(shè)計(jì)為并聯(lián)母管制后，機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中高、低壓凝汽器的壓力十分接近甚至相等，雙背壓凝汽器的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢并不突出，必然導(dǎo)致機(jī)組能耗升高。并聯(lián)母管制的特點(diǎn)是，抽真空管道起點(diǎn)在高壓凝汽器側(cè)，進(jìn)入低壓凝汽器后與后者的抽真空管道合并成一根聯(lián)合母管，再引出凝汽器與真空泵組對(duì)接；也有一種類似設(shè)計(jì)方案，即高、低壓凝汽器抽真空管道的合并選擇在凝汽器外、與真空泵組對(duì)接之前。這種設(shè)計(jì)方案未全面考慮管道合并前的壓力不匹配問題，雖然設(shè)計(jì)有對(duì)應(yīng)措施，比如在高壓凝汽器抽真空管道上安裝限流孔板或者手動(dòng)調(diào)節(jié)閥，但是對(duì)于壓力變化范圍僅為4.9～12 kPa的系統(tǒng)，高低壓凝汽器壓差控制在1.2～1.5 kPa很難實(shí)現(xiàn)。實(shí)踐證明這種設(shè)計(jì)方案與實(shí)際不符、可操作性差，直接導(dǎo)致高壓凝汽器抽氣排擠低壓凝汽器抽氣，低壓凝汽器壓力異常上升并逐漸接近高壓凝汽器壓力。

優(yōu)化措施是：系統(tǒng)共設(shè)有3臺(tái)真空泵，兩運(yùn)一備，高壓凝汽器抽真空管道單獨(dú)接入真空泵A，低壓凝汽器抽真空管道單獨(dú)接入真空泵C，在真空泵A、B、C入口前增設(shè)橫向聯(lián)絡(luò)管道和閥門，徹底解決抽氣排擠問題，可大幅降低低壓凝汽器壓力。河北西柏坡發(fā)電有限責(zé)任公司600 MW超臨界5號(hào)機(jī)組采用了此項(xiàng)優(yōu)化，低壓凝汽器壓力降低了0.762 kPa。

4 循環(huán)水熱泵供熱技術(shù)

燃煤火電廠的總體熱效率最高約為45%，是因?yàn)榇罅康推肺粡U熱無法再利用，只能由水蒸氣和煙氣攜帶散發(fā)到大氣中，由此形成了很大浪費(fèi)。若能充分利用這部分廢熱向特定用戶提供采暖熱能，不僅可以提高火電廠整體熱能利用率，而且還能降低企業(yè)經(jīng)營成本。近幾年國內(nèi)已有多個(gè)火電廠成功嘗試采用吸收式熱泵技術(shù)提取汽輪機(jī)循環(huán)水余熱向居民提供采暖用熱，為火電廠余熱利用積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。

吸收式熱泵的節(jié)能原理是：吸收式熱泵的輸出供熱量等于從低溫(余)熱源吸收的熱量和高溫驅(qū)動(dòng)熱源熱量之和，即熱泵的輸出供熱量始終大于消耗的高品位熱源熱量(COP>1)，又稱為增熱型熱泵，根據(jù)不同的工況條件，COP一般在1.65～1.85，具有較大的節(jié)能優(yōu)勢。

以邢臺(tái)國泰發(fā)電有限責(zé)任公司11號(hào)機(jī)組為例，采暖熱網(wǎng)一次供回水溫度平均為115 ℃/55 ℃，加裝9臺(tái)吸收式熱泵后，將凝汽器送出的約34 ℃的循環(huán)水經(jīng)升壓泵引入熱泵放熱，放熱后約28 ℃的循環(huán)水再進(jìn)入凝汽器吸熱；以0.3 MPaG的高溫蒸汽作為驅(qū)動(dòng)熱源，提取34 ℃循環(huán)水的低質(zhì)熱能，加熱55 ℃的采暖熱網(wǎng)一次回水至73 ℃。單臺(tái)熱泵設(shè)計(jì)供熱量26 MW，可回收循環(huán)水熱量10.9 MW，9臺(tái)熱泵可提取廢熱326 GJ/h用于居民采暖供熱，預(yù)期收益可觀。

5 結(jié)束語

近幾年國內(nèi)火電行業(yè)十分重視機(jī)組冷端優(yōu)化，各種優(yōu)化措施不斷推陳出新，節(jié)能效果顯著，有的已被列入《國家重點(diǎn)節(jié)能技術(shù)推廣目錄》，有的已在實(shí)際工程項(xiàng)目中得到成功應(yīng)用。以上提出了幾種典型的，已在實(shí)際工程項(xiàng)目中成功應(yīng)用的冷端系統(tǒng)優(yōu)化措施，優(yōu)化效果良好，供同行們參考。

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[3] 吳百龍.冷卻塔運(yùn)行特性研究[D].北京：華北電力大學(xué),2004.

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本文責(zé)任編輯：丁 力

Optimized Measures and Effect of Cold End in Thermal Power Units

This paper introduces the optimized measures of the cold end from the aspeits of condenser entrance steam flow equalizing device,condenser efficiency transformation,cooling tower new energy-saving rotary spray device,cooling tower inlet guide plate,vacuum system,and combined with engineering examples,considers that the energy saving effect of optimized measures is significant to worth thermal power units to use for reference.

thermal power units;cold end system;optimized measures;condenser;cooling tower

2013-05-15

丁立斌(1973-)，男，工程師，主要從事火力發(fā)電技術(shù)管理工作。

TM621

B

1001-9898(2013)04-0037-04