凝汽器在線清洗機(jī)器人裝置項(xiàng)目節(jié)水評(píng)價(jià)研究

吳 鑫， 周玲霞， 孫伯明， 曹德君， 王 欣， 朱相丞

(1.南京市長(zhǎng)江河道管理處， 江蘇 南京 210011； 2.江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司， 江蘇 南京 210029)

節(jié)約用水是解決我國(guó)水資源短缺問題的根本性措施[1],對(duì)于保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。2019年水利部印發(fā)《關(guān)于開展規(guī)劃和建設(shè)項(xiàng)目節(jié)水評(píng)價(jià)工作的指導(dǎo)意見》，正式啟動(dòng)規(guī)劃和建設(shè)項(xiàng)目節(jié)水評(píng)價(jià)工作。為積極響國(guó)家提出的建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)方針，充分挖掘工業(yè)企業(yè)節(jié)水潛力,開展工業(yè)企業(yè)建設(shè)項(xiàng)目節(jié)水評(píng)價(jià)研究具有重要意義。

火電行業(yè)是我國(guó)節(jié)水減排和節(jié)能降耗的重點(diǎn)行業(yè)，其生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)均有較大的節(jié)水潛力。對(duì)火電廠各個(gè)環(huán)節(jié)的節(jié)水研究很多，本文選取南京某發(fā)電廠凝汽器機(jī)器人在線清洗裝置項(xiàng)目為研究對(duì)象，對(duì)該在線清洗裝置項(xiàng)目節(jié)能節(jié)水潛力進(jìn)行評(píng)價(jià)，初探其節(jié)水效果，并對(duì)存在的不足提出建議，為該裝置項(xiàng)目在行業(yè)節(jié)水中的推廣提供研究依據(jù)，也為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。

1 設(shè)備運(yùn)行概況

1.1 設(shè)備概況

所研究電廠為2×660 MW超超臨界燃煤機(jī)組，冷卻水采用直流供水方式，凝汽器型號(hào)為N-37000型雙背壓、雙殼體、單流程、表面式凝汽器，總有效面積為37 000 m2，循環(huán)水為長(zhǎng)江水，配4臺(tái)立式混流泵。

凝汽器是火力發(fā)電機(jī)組的主要設(shè)備之一，是汽輪機(jī)冷端關(guān)鍵的換熱設(shè)備，其內(nèi)部主要由數(shù)以萬(wàn)計(jì)的冷凝管組成，通過凝汽器內(nèi)部冷凝管的汽—水熱交換，降低汽輪機(jī)排汽壓力和排汽溫度，提高汽輪發(fā)電機(jī)的循環(huán)熱效率。凝汽器中，排汽溫度越低,排汽壓力也越低,機(jī)組真空嚴(yán)密性就越好,機(jī)組效率就越高[2]。影響凝汽器性能的主要運(yùn)行參數(shù)有凝汽器壓力、熱負(fù)荷、漏空氣量、冷卻(循環(huán))水流量和冷卻水溫度等[3]。

凝汽器運(yùn)行中由于冷卻水中離子含量的濃縮，冷凝管內(nèi)會(huì)產(chǎn)生結(jié)垢現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致凝汽器真空降低，致使汽水交換熱效果變差，影響機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性[4]。該電廠1#、2#機(jī)組凝汽器原清洗方式為膠球清洗或人工清洗。膠球清洗存在膠球回收率低，易堵塞冷凝管，不能完全清除由化學(xué)反應(yīng)形成的污垢等缺點(diǎn)；人工清洗由于冷凝管數(shù)量多、長(zhǎng)度長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)環(huán)境惡劣，并且需要機(jī)組停機(jī)或降負(fù)荷運(yùn)行進(jìn)入凝汽器內(nèi)部工作，難以長(zhǎng)期保持清潔效果[5]。本研究采用關(guān)節(jié)型凝汽器在線清洗機(jī)器人，其主要由機(jī)器人本體(機(jī)械臂、噴頭)、清洗系統(tǒng)(含絞盤、高壓清洗機(jī)、清洗膠管)以及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。清洗機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了凝汽器隨時(shí)清洗，且定位準(zhǔn)確，易于控制，清洗效果得到明顯提高。

圖1 凝汽器在線清洗機(jī)器人系統(tǒng)組成

1.2 設(shè)備參數(shù)

該凝汽器在線清洗機(jī)器人為關(guān)節(jié)型機(jī)械臂，主要由2級(jí)關(guān)節(jié)、3個(gè)機(jī)械臂組成，移動(dòng)范圍為整個(gè)凝汽器的管板平面，清洗覆蓋率為85%，重復(fù)定位精度為±0.50 mm。機(jī)械臂內(nèi)部的動(dòng)力線與信號(hào)線通過支撐桿與控制柜和電源柜相連，機(jī)械臂末端安裝了清洗噴頭，用于在水室內(nèi)運(yùn)動(dòng)定位，讓清洗噴頭對(duì)準(zhǔn)管板的冷凝管管口。絞盤系統(tǒng)由盤管裝置及內(nèi)部的高壓水沖洗軟管組成，用于高壓清洗水管的收放控制，精確控制冷凝管沖洗長(zhǎng)度。高壓水泵系統(tǒng)作為在線清洗的動(dòng)力裝置，清洗的高壓水均由此提供。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)凝汽器在線清洗機(jī)器人的遠(yuǎn)程監(jiān)控。凝汽器技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 凝汽器設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)

(續(xù)表1)

2 節(jié)水節(jié)能效益分析

2.1 理論分析

凝汽器傳熱公式如下：

Q=D×CP×Δt

(1)

(2)

(3)

K=K0×βt×βm×βc

(4)

(5)

式中：Q為凝汽器熱負(fù)荷，W；D為循環(huán)水流量，kg/s；Δt為循環(huán)水溫升，℃；CP為冷卻水的比熱容，J/(kg·K)；Δtm為對(duì)數(shù)傳熱溫差，℃；δ為凝汽器端差，℃；K為凝汽器傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；A為凝汽器面積，m2；K0為基本傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；βt為冷卻水進(jìn)水溫度修正系數(shù)；βm為冷卻管管材和壁厚修正系數(shù)；βc為凝汽器清潔度系數(shù)；c1為系數(shù)；vw為循環(huán)水在冷凝管內(nèi)流速，m/s。

根據(jù)凝汽器傳熱相關(guān)公式對(duì)該電廠凝汽器清洗機(jī)器人節(jié)能效果進(jìn)行理論分析。由上述公式可以看出，循環(huán)水流量對(duì)凝汽器各個(gè)性能具有一定的影響，而如何降低排汽壓力，可以通過不同途徑實(shí)現(xiàn)。

由式(1)可知，凝汽器溫升受循環(huán)水流量影響，循環(huán)水溫升隨著循環(huán)水流量增加而降低，即D增大，Δt降低。而循環(huán)水在冷凝管內(nèi)流速隨著循環(huán)水流量增加而增加，凝汽器傳熱系數(shù)也隨之增大，凝汽器排氣壓力降低，即在不改變其他因素的情況下，若要達(dá)到一定的傳熱效果，需增大循環(huán)水量。

由式(2)～式(5)可以看出，同樣的清潔度系數(shù)情況下，凝汽器熱負(fù)荷越高，凝汽器的排汽壓力也會(huì)越高；在相同的熱負(fù)荷下，清潔度系數(shù)越高，凝汽器傳熱系數(shù)越高，凝汽器排汽壓力降低，即在其他因素不變的條件下，提高凝汽器清潔系數(shù)，同樣能增加傳熱系數(shù)，使得排汽壓力降低。

綜合來看，在熱負(fù)荷一定的情況下，為降低排汽壓力，可采取增大循環(huán)水流量，或提高凝汽器清潔系數(shù)等措施，兩者對(duì)排汽壓力的影響趨勢(shì)是一致的。理論上，若要達(dá)到相同的傳熱效果，清潔系數(shù)較高的凝汽器可以使用較少的循環(huán)冷卻水。

2.2 節(jié)能效果

根據(jù)該發(fā)電廠兩機(jī)組凝汽器加裝清洗機(jī)器人前后性能試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)，1#、2#機(jī)組加裝凝汽器在線清洗機(jī)器人前，額定工況下低壓凝汽器運(yùn)行清潔系數(shù)分別為0.564、0.624，高壓凝汽器運(yùn)行清潔系數(shù)分別為0.589、0.776；加裝凝汽器在線清洗機(jī)器人后，額定工況下低壓凝汽器運(yùn)行清潔系數(shù)分別為0.806、0.698，高壓凝汽器運(yùn)行清潔系數(shù)分別為0.929、0.827，與未加裝機(jī)器人相比均明顯有所提高(圖2、圖3)。

圖2 加裝凝汽器在線清洗機(jī)器人前后清潔系數(shù)對(duì)比(低壓)

圖3 加裝凝汽器在線清洗機(jī)器人前后清潔系數(shù)對(duì)比(高壓)

根據(jù)性能試驗(yàn)結(jié)果，1#、2#機(jī)組加裝凝汽器在線清洗機(jī)器人后，凝汽器平均排汽壓力分別降低了0.89 kPa、0.22 kPa。由此可知，安裝凝汽器清洗機(jī)器人后，該電廠凝汽器的傳熱系數(shù)增加，傳熱效果更好，凝汽器真空效果提升，節(jié)能效果明顯。根據(jù)前文，凝汽器在線清洗機(jī)器人與普通清洗相比，提高了傳熱系數(shù)，即為達(dá)到同樣的真空效果，相對(duì)于普通清洗，凝汽器在線清洗機(jī)器人使用的循環(huán)水流量較低，達(dá)到了節(jié)水的目的。

2.3 節(jié)水潛力評(píng)價(jià)

在實(shí)際生產(chǎn)中，要考慮循環(huán)泵的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，所以對(duì)循環(huán)水流量的調(diào)節(jié)并不靈活，且沒有專門的儀表監(jiān)測(cè)，因此通過間接指標(biāo)分析其節(jié)水效果。

2.3.1 根據(jù)總發(fā)電量和總?cè)∷客扑愎?jié)水量

應(yīng)用該電廠實(shí)際用水?dāng)?shù)據(jù)分析節(jié)水潛力。該電廠于2016年1月和5月分別在2臺(tái)凝汽器安裝在線清洗機(jī)器人，將安裝前后(2015年和2017年)電廠年發(fā)電量、年取水量和年耗水量等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算單位發(fā)電量對(duì)應(yīng)的取水總量(包含工業(yè)水和冷取水)變化，如表2所示。

表2 加裝凝汽器在線清洗機(jī)器人前后取水量

由上表可知，2017年比2015年單位發(fā)電量取水總量有所降低，側(cè)面反映出安裝凝汽器在線清洗機(jī)器人后，循環(huán)水量較普通清洗減少。按照2015年的發(fā)電量計(jì)算加裝在線清洗機(jī)器人后的取水量，可節(jié)約水291.43萬(wàn)m3。

2.3.2 通過節(jié)煤量推算節(jié)水量

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，該項(xiàng)目1#、2#機(jī)組2015年平均發(fā)電煤耗分別下降2.18 g/(kW·h)、0.5g/(kW·h)，年節(jié)煤量分別為9 053 t、2 017 t，2臺(tái)機(jī)組年節(jié)煤量11 070 t，節(jié)能減排效果明顯。通過節(jié)煤量來間接推算節(jié)水量，2臺(tái)機(jī)組年節(jié)煤量對(duì)應(yīng)該電廠發(fā)電量36 947 MW·h，根據(jù)其2015單位發(fā)電量取水量57.498 m3/MW·h，對(duì)應(yīng)取水量為212.43萬(wàn)m3。

不同的間接計(jì)算分析均可以看出，該凝汽器在線清洗機(jī)器人具有很大的節(jié)水潛力，對(duì)于電廠節(jié)水節(jié)能具有重要意義。

2.4 節(jié)水措施建議

在實(shí)際生產(chǎn)中，要考慮循環(huán)泵的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，所以對(duì)循環(huán)水流量的調(diào)節(jié)并不靈活，又由于該項(xiàng)目在運(yùn)行過程中尚未考慮水量計(jì)量及節(jié)水要求，建議采用可靠的節(jié)水措施。

2.4.1 完善計(jì)量設(shè)施

高壓水泵供水系統(tǒng)的出水干管上安裝水量計(jì)量裝置，必要時(shí)設(shè)調(diào)節(jié)和控制流量的裝置，并將廠區(qū)內(nèi)主要計(jì)量數(shù)據(jù)送到統(tǒng)一地點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以便有針對(duì)性地控制水量。清洗的高壓水作為在線清洗的動(dòng)力裝置，由凝汽器機(jī)器人在線清洗裝置項(xiàng)目中的高壓水泵系統(tǒng)提供，應(yīng)加裝計(jì)量設(shè)備統(tǒng)計(jì)除鹽水的耗水量。

2.4.2 加強(qiáng)水務(wù)管理

加強(qiáng)管理制度的實(shí)施及節(jié)水的宣傳力度，提高相關(guān)人員的節(jié)水意識(shí)，制定切實(shí)可行的規(guī)章制度，將水務(wù)管理作為電廠運(yùn)行考核的一項(xiàng)重要指標(biāo)，使各項(xiàng)節(jié)水措施最終得以落實(shí)。加強(qiáng)用水設(shè)備、管線檢查，防止跑、冒、滴、漏，對(duì)泄漏點(diǎn)及時(shí)組織檢修，加強(qiáng)該項(xiàng)目的循環(huán)冷卻水、凝結(jié)水、除鹽水等的檢查管理，加大考核力度，減少水量消耗。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過研究可以發(fā)現(xiàn)，所研究電廠凝汽器機(jī)器人在線清洗裝置節(jié)能效果顯著，也具有一定的節(jié)水潛力。由于沒有專門的儀表監(jiān)測(cè)，水量計(jì)量設(shè)施仍待進(jìn)一步完善，對(duì)節(jié)水方面參考數(shù)據(jù)不足。建議在高壓水泵供水系統(tǒng)的出水干管上加裝水量計(jì)量裝置，便于對(duì)節(jié)水指標(biāo)的進(jìn)一步分析。通過增加節(jié)水因子，使得該系統(tǒng)更加完善，做到按需供水，節(jié)能節(jié)水。