鍋爐沖管技術(shù)在分布式能源站中的應(yīng)用

孫五一，孫 潔，韓高巖，呂洪坤，童家麟，蔡潔聰

（1.杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州 310012；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

0 引言

能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化是當(dāng)前我國政府實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重大決策，分布式能源站作為天然氣高效利用的方式之一，正面臨著前所未有的機遇與挑戰(zhàn)[l-2]。分布式能源站具有靈活、分散、小型、靠近用戶和合理使用清潔能源的特點，一般直接接在用戶端或配電網(wǎng)，由需求側(cè)管理。分布式能源站能提高局部供電可靠性、減少輸電損耗、提高一次能源的利用率以及減少廢氣排放，具有很好的應(yīng)用前景[3-4]。

近二十年來，小型燃?xì)廨啓C、熱電聯(lián)供、光伏發(fā)電、燃料電池、風(fēng)力發(fā)電以及小型儲能技術(shù)取得了長足的進(jìn)步，促進(jìn)了分布式發(fā)電的發(fā)展[5-8]。特別是隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，IDC（互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心）機房迅速擴建，很大程度上促進(jìn)了分布式能源的發(fā)展。能源站內(nèi)主要管網(wǎng)和相關(guān)設(shè)備內(nèi)部的清潔度則是保證整個能源站安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運行的前提條件，這對能源站投產(chǎn)前管網(wǎng)水沖洗效果提出了更高的要求。

1 能源站概況

1.1 能源站制冷設(shè)備

某冷電二聯(lián)供能源站配套7×4 650 kW級煙氣-熱水型溴化鋰吸收式冷水機組（以下簡稱“溴冷機組”）、10×4 571 kW級離心式電制冷冷水機組（以下簡稱“電冷機組”）。主要冷機制冷量和冷凍水流量詳見表1。由于并聯(lián)冷機數(shù)量較多，為達(dá)到更好的水力平衡，母管管道工質(zhì)流速不應(yīng)大于4.0 m/s。由于設(shè)計的主干管和母管流量為6 683.75 m3/h，主干管與母管采用內(nèi)徑900 mm的管子，管內(nèi)冷凍水最大流速為2.88 m/s，冷凍水流動阻力為66.3 Pa/m，滿足分集水器流速要求。

表1 主要冷機制冷量和冷凍水流量

為保證供冷可靠性，能源站分為2個獨立單元運行。一單元配有4臺溴冷機組、5臺電冷機組，二單元配有3臺溴冷機組、5臺電冷機組。每臺冷機配備1臺冷凍水泵和1臺冷卻水泵。能源站設(shè)計選擇制冷量相近的冷機，一方面可以增加不同冷機的運行組合，另一方面也提高了備用冷機數(shù)量，使經(jīng)濟(jì)性和安全性得到雙重保障。

1.2 能源站冷凍水系統(tǒng)

2個單元冷凍水系統(tǒng)各有雙路全流量供、回水母管。每臺冷機可通過接管閥選擇單、雙母管運行。2個單元供冷母管在能源站外匯合，冷凍水經(jīng)環(huán)形供冷母管由二次泵輸向IDC機房。2個蓄冷罐（2×1 500 m3）出水連接在二次泵前的能源站供冷母管上，回水連接在IDC機房至能源站間的回水母管上，蓄冷罐內(nèi)冷凍水可雙向流動，通過流向判斷蓄冷罐處于蓄冷模式還是釋冷模式。當(dāng)制冷量不足以為IDC提供足夠的冷凍水，蓄冷罐將進(jìn)入釋冷模式，由蓄冷罐提供冷凍水經(jīng)由二次泵輸向IDC機房。能源站冷凍水系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 冷凍水系統(tǒng)流程

2 冷凍水系統(tǒng)水沖洗的必要性

能源站內(nèi)冷凍水作為換熱的主要介質(zhì)，冷凍水管道及相關(guān)設(shè)備內(nèi)部的清潔程度嚴(yán)重影響著能源站安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運行。新裝機組在正式投用前應(yīng)通過物理方法清除在制造、運輸、保管、安裝過程中殘留在管道中的焊渣、氧化銹皮、泥砂等。因此，在能源站冷凍水系統(tǒng)正式投運前必須對冷凍水管道進(jìn)行水沖洗，防止機組運行雜質(zhì)沉積，堵塞在板式換熱器和冷機內(nèi)部。近幾年，隨著技術(shù)水平的不斷提升，冷凍水系統(tǒng)管道鍍膜技術(shù)逐漸得到應(yīng)用，部分機房用戶（如阿里巴巴）在能源站供冷可靠性驗收中將冷凍水管道是否鍍膜也作為一項重要指標(biāo)，而鍍膜前管道內(nèi)部的清潔程度將直接影響成膜率，因此冷凍水管道水沖洗的必要性日益凸顯。

3 鍋爐沖管技術(shù)在管道水沖洗中的應(yīng)用

3.1 可借鑒性理論分析

3.1.1 相似性分析

冷卻水系統(tǒng)是一個半開放式系統(tǒng)，機力通風(fēng)塔作為一個接收外來雜質(zhì)和水體污染源的主要載體，在設(shè)計之初就考慮到機力通風(fēng)塔對外來雜質(zhì)必須有一定的緩沖和沉積作用，并具備收集和排放雜質(zhì)的功能。同時冷卻水母管上設(shè)置沙濾以進(jìn)一步增強對系統(tǒng)內(nèi)雜質(zhì)的阻擋和過濾。

冷凍水系統(tǒng)進(jìn)行的是閉式循環(huán)，沒有配備相應(yīng)的雜質(zhì)過濾裝置，固體、離子雜質(zhì)的沉積和堵塞直接影響機組運行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性?？梢?，冷凍水管路對水沖洗質(zhì)量的要求更高?，F(xiàn)以冷凍水系統(tǒng)管路水沖洗為例進(jìn)行詳細(xì)說明。

冷凍水系統(tǒng)水沖洗的實質(zhì)近似于鍋爐蒸汽吹管，均是利用管道內(nèi)流動的介質(zhì)將殘留在管道內(nèi)的雜質(zhì)進(jìn)行物理攜帶和溶解，而水通常理解為不可壓縮介質(zhì)，在沖洗過程中只能靠提升流速達(dá)到一定的沖洗效果。

在冷凍水管路沖洗過程中啟動冷凍水泵并逐漸增加運行泵數(shù)量，最終達(dá)到一個理想的沖洗流量，這種方式類似于鍋爐穩(wěn)壓沖管中投用磨煤機組并逐漸增加運行磨組的數(shù)量，直到蒸汽流量滿足吹管系數(shù)的要求。

3.1.2 沖洗系數(shù)K

DL/T 1269-2013《火力發(fā)電建設(shè)工程機組蒸汽吹管導(dǎo)則》中給出穩(wěn)壓吹管系數(shù)計算公式如下：

式中：K為吹管系數(shù)；Db為吹管工況蒸汽流量；vb為吹管工況蒸汽比體積；D0為BMCR（鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量）工況蒸汽流量；v0為BMCR工況蒸汽比體積。

發(fā)電廠鍋爐吹管時，沖刷介質(zhì)為過熱蒸汽，過熱蒸汽比體積受溫度和壓力影響變化大，而同一系統(tǒng)水沖洗時水比體積在不同工況下可理解為近似相等，則公式（1）可簡化為公式（2）：

式中：Kc為沖洗系數(shù)；Dq為冷凍水沖洗時流量；Ds為冷凍水設(shè)計工況流量。

由公式（2）可知，冷凍水系統(tǒng)水沖洗時沖洗系數(shù)K只與沖洗時的流量有關(guān)，流量越大沖洗系數(shù)K越大，沖洗效果越好。姜國斌等人所闡述的壓差控制法實質(zhì)也是以提升沖洗流量來獲得更好的沖洗效果[10]。

實際沖洗過程中，沖洗流量主要受動力源（即冷凍水泵）和管路耐壓限制，沖洗系數(shù)不能無限增加，借鑒蒸汽穩(wěn)壓吹管中對吹管系數(shù)的要求，應(yīng)保證冷凍水沖洗時的流量大于系統(tǒng)設(shè)計流量，即K＞1時獲得的沖洗效果較好。

3.2 水沖洗前準(zhǔn)備工作

冷凍水系統(tǒng)管路短接目的是將冷凍水所流經(jīng)的易沉積、堵塞設(shè)備和部位進(jìn)行隔離，對系統(tǒng)中某些會極大延長沖洗時間和增加沖洗工質(zhì)損耗的部位進(jìn)行隔離，制定更經(jīng)濟(jì)有效的單體清洗方案。

管路短接的要求與DL/T 1269-2013導(dǎo)則中對臨時管的要求一致，應(yīng)保證短接管內(nèi)徑不小于正式管道內(nèi)徑，且短接管設(shè)計阻力不大于被短接部位或設(shè)備的阻力。冷凍水系統(tǒng)短接方式見圖2。

圖2 冷凍水系統(tǒng)短接方式

在冷凍水系統(tǒng)沖洗時，首先將冷凍水系統(tǒng)機房側(cè)的板式換熱器進(jìn)行隔離，使用臨時管進(jìn)行短接，如李冠球等就從理論和實驗的角度指出了冷凍水水質(zhì)對板式換熱器的重要性[11]。其次，將電冷機組和溴冷機組冷凍水進(jìn)出水管短接，防止冷凍水系統(tǒng)中雜質(zhì)沉積在冷機螺紋管內(nèi)部，致使管子傳熱效果惡化，影響機組運行的經(jīng)濟(jì)性。最后，將蓄冷罐進(jìn)回水短接。蓄冷罐不納入冷凍水沖洗流程主要基于以下3點考慮：第一是在冷凍水流經(jīng)設(shè)備中蓄冷罐截面積最大，冷凍水進(jìn)入蓄冷罐后流速將大大降低，導(dǎo)致攜帶雜質(zhì)由于重力作用沉積在罐體底部無法排出，蓄冷罐參與水沖洗后仍需進(jìn)行人工清理；第二是2個蓄冷罐水容積較大，納入沖洗流程后注水、放水時間將成倍增加；第三是由于蓄冷罐結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備相對獨立，采用人工清理不僅可保證內(nèi)部清潔度，而且在水沖洗前完成清理還可作為容器儲存沖洗用水，以便加快水沖洗進(jìn)度。

3.3 雜質(zhì)收集和水沖洗階段劃分

3.3.1 雜質(zhì)的收集

借鑒鍋爐過、再熱器串沖階段，再熱器進(jìn)口加裝集粒器用以收集和防止較大固體顆粒進(jìn)入再熱器的做法，冷凍水沖洗過程中，泵的進(jìn)口濾網(wǎng)起到了集粒器的作用?？筛鶕?jù)雜質(zhì)顆的特性和不同水沖洗階段選擇濾網(wǎng)或濾網(wǎng)加不同目數(shù)金屬濾網(wǎng)的組合。

3.3.2 水沖洗階段的劃分

冷凍水沖洗中主要雜質(zhì)可分為兩大類，一是固體類雜質(zhì)，二是離子類雜質(zhì)。其中固體類雜質(zhì)又分為可溶于水和不可溶于水。不溶于水的固體類雜質(zhì)只能靠物理攔截收集，離子雜質(zhì)和可溶于水的固體雜質(zhì)則可通過溶解、攜帶排出。根據(jù)實際工程經(jīng)驗，結(jié)合現(xiàn)場的可操作性將冷凍水系統(tǒng)水沖洗分為3個階段。

（1）預(yù)沖洗階段。這一階段類似于鍋爐蒸汽吹管中的點火升壓到試吹階段，主要對正式和臨時系統(tǒng)進(jìn)行檢查、注水、排氣，對冷凍水泵依次進(jìn)行試轉(zhuǎn)，確保下一階段可投用冷凍水泵的數(shù)量。利用原有濾網(wǎng)對特別大的雜質(zhì)進(jìn)行收集。當(dāng)所有泵因進(jìn)口濾網(wǎng)差壓大于200 Pa而停止試轉(zhuǎn)時，進(jìn)行系統(tǒng)放水并對濾網(wǎng)內(nèi)收集的雜質(zhì)進(jìn)行清理鑒別，制定下階段的沖洗計劃。

（2）正式?jīng)_洗階段。這一階段類似于鍋爐蒸汽吹管中的正式吹管階段，將完成較大固體雜質(zhì)的沖洗和收集工作，絕大部分水溶性固體雜質(zhì)和部分離子雜質(zhì)的沖洗、溶解、攜帶、排出工作。通過增加運行冷凍水泵數(shù)量來保證沖洗效果。當(dāng)沖洗系數(shù)K＞1且連續(xù)水沖洗大于2 h以及濾網(wǎng)差壓未達(dá)到200 Pa時，可在原有濾網(wǎng)內(nèi)部套上20目軟性金屬濾網(wǎng)再次進(jìn)行沖洗，直至增加的軟性金屬濾網(wǎng)達(dá)到100目，本階段沖洗完成。

（3）后沖洗階段。這一階段沖洗主要是去除離子雜質(zhì)，同時利用濾網(wǎng)和高目數(shù)金屬濾網(wǎng)繼續(xù)對殘留小型固體雜質(zhì)進(jìn)行收集。沖洗前期采用大流量沖洗和整體放水，當(dāng)管道內(nèi)主要離子雜質(zhì)、鐵離子濃度小于3 000 μg/L時可采用邊補水邊排放的置換沖洗。沖洗過程中進(jìn)行定期采樣監(jiān)測，直至冷凍水中鐵離子濃度小于500 μg/L。

3.4 水沖洗方法的工程應(yīng)用

本次沖洗主要以泵進(jìn)口濾網(wǎng)差壓以及水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)作為判斷沖洗合格的依據(jù)，水沖洗時二次泵采用變頻調(diào)節(jié)匹配系統(tǒng)內(nèi)冷凍水流量。

首次水沖洗時，以第1臺啟動泵的濾網(wǎng)差壓作為研究對象，泵啟動后每隔60 s記錄1次濾網(wǎng)差壓數(shù)值，300 s后啟動第2臺泵，2臺泵并列運行直到濾網(wǎng)差壓超過200 Pa達(dá)到清理要求，結(jié)束記錄。濾網(wǎng)差壓爬升情況與冷凍水泵運行時間如圖3所示。

圖3 泵運行時間與濾網(wǎng)差壓關(guān)系

第2臺泵啟動后沖洗水流量增大約1倍，沖洗水?dāng)y帶雜質(zhì)的能力也相應(yīng)增強，濾網(wǎng)差壓上升的速率大于單臺泵運行時濾網(wǎng)差壓上升的速率，由此可見流量越大沖洗效果越好。

經(jīng)過一段時間沖洗，對濾網(wǎng)進(jìn)行清理。以第1臺啟動泵的濾網(wǎng)差壓作為研究對象，泵啟動后每隔1 min記錄濾網(wǎng)差壓上升情況，間隔5 min啟動1臺泵，直至第一單元內(nèi)9臺冷凍水泵全部完成啟動，9臺泵并列且穩(wěn)定運行5 min后結(jié)束記錄。濾網(wǎng)差壓爬升情況與泵運行時間關(guān)系如圖4所示。

圖4 泵運行時間與濾網(wǎng)差壓關(guān)系

每啟動1臺泵沖洗水流量相應(yīng)增大，沖洗水?dāng)y帶雜質(zhì)的能力也相應(yīng)增強，沖洗初期濾網(wǎng)差壓上升速率較快，到了后期沖洗水基數(shù)變大，新加入運行泵所增加的流量占沖洗水量的百分比逐漸下降，濾網(wǎng)差壓上升趨勢有所減緩。當(dāng)9臺泵全部啟動后，沖洗系數(shù)K達(dá)到1.07。又因部分管路進(jìn)行了短接，整個臨時系統(tǒng)的阻力低于正式系統(tǒng)系統(tǒng)的阻力，預(yù)估此時的K值可達(dá)1.1以上。

3.5 冷凍水系統(tǒng)管路沖洗經(jīng)驗及建議

（1）運用提出的水沖洗方法可比計劃提前6天完成沖洗工作。經(jīng)鍍膜單位檢測，綜合除垢率大于98%（氧化鐵銹除銹率大于95%），為后期鍍膜工作奠定了良好的基礎(chǔ)。

（2）沖洗系數(shù)K主要受水沖洗動力源的影響，對于雙母管運行的冷凍水系統(tǒng)，如K值不能大于1時，可切換至單母管以提高沖洗效果。

（3）可提前預(yù)判管道生產(chǎn)、運輸、安裝過程中可能存在的固態(tài)雜質(zhì)和離子雜質(zhì)。針對某些難以溶解和攜帶的雜質(zhì)，在沖洗水中添加特定藥品，提高其溶解濃度或?qū)⑵浞磻?yīng)為易溶于水的物質(zhì)，通過攜帶排出。

（4）能源站正常運行時，整個冷凍水系統(tǒng)流速最低區(qū)域應(yīng)為蓄冷罐內(nèi)部，蓄冷罐底部將成為雜質(zhì)沉積的主要區(qū)域。蓄冷罐底部應(yīng)合理設(shè)計排污系統(tǒng)并定期投用，將沉積在蓄冷罐內(nèi)的系統(tǒng)雜質(zhì)排放清理。

4 結(jié)語

冷凍水系統(tǒng)作為分布式能源站內(nèi)的重要系統(tǒng)，水沖洗的質(zhì)量直接影響能源站運行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。參考電站鍋爐沖管中吹管系數(shù)的計算方法，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成沖洗系數(shù)，明確冷凍水沖洗時的參考依據(jù)。借鑒臨沖管和集粒器的設(shè)計、安裝、使用原理和方法，制定冷凍水沖洗的臨時系統(tǒng)，用以提高沖洗效果和縮短沖洗時間，在實際應(yīng)用中也取得了理想的效果。