優(yōu)化余熱發(fā)電附屬裝置

何華 唐順歡 余毅｜文

本文簡述了原有的余熱回收系統(tǒng)及其裝置因工程前期調研、論證、設計等的不合理，造成生產運行中故障停機頻繁，維修量過多，能源浪費嚴重等諸多問題。通過對其余熱回收系統(tǒng)及其裝置優(yōu)化和改造，經(jīng)過多年使用，達到了預期的效果，并取得了良好的經(jīng)濟效益。

云南冶金集團下屬某公司是一個集鉛、鋅冶煉為一體的有色金屬企業(yè)，整個冶煉重要過程均采用DCS自動控制技術，實現(xiàn)了重要過程的自動監(jiān)測及其控制。為了充分利用冶煉過程中冶金爐產生的高溫煙氣余熱，企業(yè)配置了四臺余熱鍋爐和一臺飽和蒸汽發(fā)電機組，每年可利用余熱發(fā)電達5600萬千瓦時。發(fā)電機組及其相關附屬裝置技術參數(shù)見表1。

表1

余熱發(fā)電附屬裝置存在的問題

1.凝汽器存在的問題

與發(fā)電機組相連的兩臺凝汽器（560平方米），換熱管束為銅管脹接結構，殼體、管板、隔板、進汽室等均為碳鋼結構件；通過的介質為含氨、氮較高的低壓蒸汽和凝結水，冷凝介質為經(jīng)過加藥處理過的堿性生產循環(huán)水；投運僅一年，凝汽器在以上不同介質侵蝕，發(fā)電機組頻繁甩負荷的振動應力等因素的綜合作用下，導致凝汽器內部管板、隔板等碳鋼結構件腐蝕嚴重，先后發(fā)生了25根28個銅制管口斷裂泄漏的事件，使得通過凝汽器蒸汽凝結水與生產循環(huán)水混合，頻繁泄漏使得蒸汽凝結水受生產循環(huán)水污染，不符合鍋爐用水水質要求，一直外排且無法回收使用，經(jīng)常采用堵管方式對斷裂泄漏銅制管束的凝汽器進行修復，帶來的是凝汽器有效冷卻面積減小，效率降低。

表2 銅管換熱系數(shù)

表3 不銹鋼螺紋管換熱系數(shù)

2.熱水井與凝結水泵存在的問題

與兩臺凝汽器相連的兩臺熱水井，因設計時每臺容積僅0.3立方米，在發(fā)電機組投入運行過程中，容積較小的熱水井不適應余熱鍋爐蒸汽總量變化需求，導致熱水井水位無法控制，連鎖保護經(jīng)常動作，致使發(fā)電機組頻繁停機，水位變化較大時，每班發(fā)生多達7次甩負荷，導致蒸汽排空浪費能源，嚴重威脅到發(fā)電機組安全運行，并給崗位人員作業(yè)帶來很大難度。與熱水井相連的凝結水泵，密封型式為填料密封，連續(xù)運行中極易造成填料泄漏，造成凝汽器真空度減小，冷卻效率降低，也直接影響熱水井水位控制，致使發(fā)電機組頻繁甩負荷。

優(yōu)化與改造必要性

1.凝汽器改造的必要性

可有效消除含氨、氮較高的低壓蒸汽和凝結水對凝汽器管束的侵蝕，降低發(fā)電機組頻繁甩負荷的振動應力，消除碳鋼結構件的抗腐蝕差等綜合因素，最大限度地降低因凝汽器管束損壞造成的凝結水與生產循環(huán)水混合污染，每天能有效回收再使用近1000立方米左右蒸汽冷凝水，直接經(jīng)除氧器供四臺余熱鍋爐使用。

2.熱水井與凝結水泵改造的必要性

使熱水井水位得到有效控制，提高發(fā)電機組適應蒸汽總量變化能力，大大降低發(fā)電機組因水位連鎖甩負荷的機率，提高發(fā)電機組的安全性和崗位人員的可操作性，增加機組發(fā)電量。通過對凝結水泵的改造，杜絕密封泄漏，確保凝汽器真空度，有效提高凝汽器冷卻效率，預防發(fā)電機組頻繁甩負荷。

優(yōu)化與改造技術方案

1.凝汽器改造技術方案

（1）凝汽器光管與螺紋管換熱管束理論分析

凝汽器管束外蒸汽凝結為膜狀凝結，膜狀凝結的熱阻主要存在于管壁的水膜中，其大小與水膜的厚度及水膜內水的紊流度有關。采用螺旋管，內側的螺紋凸起，增強了管內流體的擾動，使其紊流程度增加，邊界層減薄，熱阻減??；管外凹槽使液膜內的水向內聚集，使凸起部分液膜減薄，使得部分換熱由膜狀凝結變?yōu)橹闋钅Y，熱阻減??；而光管與螺紋管的水垢熱阻、殼程垢阻和管壁導熱熱阻均視為不變。因此，采用不銹鋼螺紋管后，水阻增加，傳熱系數(shù)增大，有效換熱面積增加。

（2）銅管與不銹鋼螺紋管換熱管換熱分析

原銅管規(guī)格為：2042根Ф20×1，改為不銹鋼管螺紋管為：2042根Ф20×1 材質：316L。兩者對比見表2、表3。

通過分析，在不考慮水垢熱阻和殼程垢阻的影響下，可知在保持循環(huán)水量不變的情況下，采用不銹鋼螺紋管其傳熱系數(shù)比銅管提高約40%，傳熱溫差減小2℃左右，真空度提高約為8%。不銹鋼螺紋管比銅管的換熱效率大大提高，即在管子規(guī)格、數(shù)量不變的條件下，換熱面積增大。

（3）通過詳細的熱力計算，確定凝汽器改造方案

將原換熱面積為560平方米碳鋼銅制管束凝汽器改為同規(guī)格且主要部件為不銹鋼的凝汽器（管板、隔板、進室汽等為304L不銹鋼結構，換熱管束為316L不銹鋼高效強化螺紋管結構），換熱效果遠遠滿足發(fā)電機組配置要求，其管束與管板采用先脹后焊且增設分隔支撐板，在滿足換熱效果及提高抗振性能的前提下，有效地防止含氨、氮較高的低壓蒸汽和凝結水的侵蝕、發(fā)電機組頻繁甩負荷的振動應力影響等綜合因素，極大提高了凝汽器使用壽命和凝結水回收率（每天約回收1000立方米左右冷凝水），為發(fā)電機組的安全高效運行提供良好的物質保證。

2.熱水井與凝結水泵改造技術方案

通過對進入發(fā)電機組蒸汽總量的波動（30噸/小時左右）導致熱水井水位難以控制情況，確定熱水井由Φ600毫米碳鋼結構改為Φ1000毫米不銹鋼結構，儲水量增大3倍（0.3立方米增至0.9立方米），消除含氨、氮較高凝結水的腐蝕，可有效解決因余熱鍋爐負荷不穩(wěn)定，熱水井水位難有效控制的問題，提高發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高發(fā)電機組的安全性和崗位人員的可操作性，增加機組發(fā)電量。通過對泵使用條件及密封材料的分析研究，將容易發(fā)生泄漏的填料密封泵改為機械密封泵，可解決在同等使用條件下發(fā)生泵的泄漏，確保凝汽器真空度，有效提高凝汽器冷卻效率，有效預防了發(fā)電機組頻繁甩負荷，延長發(fā)電機組的運行周期時間。

結論

凝汽器改造后，設備的結構強度、抗腐蝕性、換熱效果大大提高，有效消除因凝汽器銅制管束泄漏造成的凝結水不合格全部排放問題，大大節(jié)約了能源，年回收凝結水25萬噸左右，為公司創(chuàng)效達：25萬噸/年×20噸/元＝500萬元；熱水井改造完成后，有效消除了發(fā)電機組因生產工藝波動頻繁甩負荷，機組甩負荷情況從改造前的平均3～4次/天，降低為1次/3月；凝結水泵改造后，基本消除了泵的填料密封泄漏造成的停機損失，降低維修成本。綜上所述，通過對余熱發(fā)電附屬裝置的優(yōu)化和改造，確保了發(fā)電機組的安全且長周期運行，提高了蒸汽的利用率，在節(jié)約能源的同時也為公司帶來較大的經(jīng)濟效益。