利用雙水冷卻凝汽器的節(jié)能實踐

新疆恒聯(lián)能源有限公司 于 軍 中國電力工程顧問集團新能源有限公司智能配網(wǎng)分公司 楊若松

國產(chǎn)350MW 間接空冷抽汽凝汽式汽輪機為超臨界、一次中間再熱、單軸、雙缸雙排汽汽輪機，具備32～35kPa 的高背壓運行能力，配備了雙通道雙流程分隔式的凝汽器，能夠以熱網(wǎng)循環(huán)水替代一半（或全部）的間冷循環(huán)水，實現(xiàn)利用凝汽器提高熱網(wǎng)循環(huán)水回水初溫的節(jié)能目標。

通過對雙水內(nèi)冷凝汽器[1]專利的研究和挖掘，發(fā)現(xiàn)把Scal 間接空冷系統(tǒng)的凝汽器改造成雙水內(nèi)冷凝汽器的簡化型式，能夠減少或停止空冷塔的廢熱排放，用減少的熱量去加熱熱網(wǎng)循環(huán)水，或者說是用電廠冷端棄熱作為采暖供熱的初級熱源,能夠達到節(jié)能目的。雙水內(nèi)冷凝汽器雖然是為干濕聯(lián)合冷卻“量身定制”的產(chǎn)品，但轉(zhuǎn)用到新疆喀什熱電廠、寧夏WZ 熱電廠和甘肅WW 熱電廠的供熱節(jié)能改造上，均能取得顯著的成效。

1 改造前的系統(tǒng)

改造前主廠房內(nèi)的間冷循環(huán)水系統(tǒng)圖如圖1所示。為了本文敘述上的方便，稱圖1的運行模式為凝汽器的“制冷＊”模式。

圖1 凝汽器的冷卻方案一（改造前）

2 改造后的系統(tǒng)

改造后主廠房內(nèi)的間冷循環(huán)水系統(tǒng)加載了熱網(wǎng)循環(huán)水的接入和流出及切換閥門，有兩種改造方案，如圖2、圖3所示，實際改造時必須二選一。

圖2 凝汽器的冷卻方案二（改造后）

圖2、圖3中除了都有圖1的“制冷＊”模式外，還有“制熱¤21”“制熱¤31”和“半制熱¤22”“半制熱¤32”四種制熱運行模式。

“半制熱¤22”模式和“半制熱¤32”模式都是凝汽器以雙水冷卻雙半側(cè)同時運行，所以制熱的效果完全相同。圖3可以左右選定，圖2只能左半側(cè)用熱網(wǎng)循環(huán)水冷卻。

圖3 凝汽器的冷卻方案三 （改造后）

過渡切換時只能半側(cè)運行凝汽器。最短的必需沖洗時長通過詳細計算可以得出；建議不要長期單水冷卻半側(cè)凝汽器，允許長期雙水冷卻雙半側(cè)凝汽器運行。

過渡工況以圖2熱網(wǎng)水退出冷卻凝汽器最為麻煩，例如，退出熱網(wǎng)循環(huán)水單水冷卻工況，需要要分兩步完成：

第一步，相當于先由“制熱¤21”模式退回到“半制熱¤22”模式，即關(guān)斷閥門⑦⑧，用除鹽水置換殘留在右半側(cè)凝汽器中的熱網(wǎng)水，完成右半側(cè)凝汽器沖洗后，再打開閥門③④，投運右半側(cè)用間冷循環(huán)水冷卻；

第二步，相當于“半制熱¤22”模式退回到“制冷＊”模式，即關(guān)斷閥門⑤⑥，用除鹽水置換殘留在左半側(cè)凝汽器中的熱網(wǎng)水，完左半側(cè)凝汽器沖洗后，再打開閥門①②，投運左半側(cè)凝汽器的間冷循環(huán)水冷卻，達到全部熱網(wǎng)循環(huán)水退出冷卻凝汽器的工況。

熱網(wǎng)循環(huán)水退出冷卻凝汽器時，必須事先儲備足量的除鹽水供凝汽器半側(cè)沖洗之用。

熱網(wǎng)水的投入：先投入左半側(cè)，由“制冷＊”模式切換至“半制熱¤22”模式，保持“半制熱¤22”模式的長期穩(wěn)定運行；

圖4 “制熱¤21”模式原理圖

或者待“半制熱¤22”模式穩(wěn)定后，再切換至更高效的“制熱¤21”模式。

投熱網(wǎng)水時不用沖洗凝汽器，直接把間冷水作為熱網(wǎng)循環(huán)水的補充水去使用。

認為“¤21”模式的制熱量大于“¤31”的觀點是錯誤的，證明如下：

乏汽變?yōu)槟Y(jié)水釋放的熱量=循環(huán)水吸收的熱量

式中：Dk—凝汽量，ΔI—乏汽與凝結(jié)水的焓差，Q—循環(huán)水流量，Δt—循環(huán)水的溫升，凝汽器出、進水的溫度差。由公式（1）得出：Δt=Dk/Q×ΔI=ΔI/(Q/Dk)，即

式中：m—冷卻倍率，由公式（2）計算得出：

Δt=528/60=8.8℃

Δt=528/50=10.6℃

Δt=528/9.36=56.4℃

通過計算可知，循環(huán)水的溫升與采用多少個流程沒有直接關(guān)系?！爸茻帷?1”是“制熱¤21”的等效模式，區(qū)別僅是凝汽器冷卻管內(nèi)的水流速度后者是前者的2倍。

“制熱¤31”模式流速約為夏季“制冷＊”模式流速的1/8，或冬季“制冷＊”模式流速的1/4，過低的流速可能會導致凝汽器冷卻管內(nèi)結(jié)垢加劇。

甘肅WW 電廠凝汽器的冷卻管材質(zhì)為不銹鋼TP304，氯離子對其存在腐蝕現(xiàn)象。

關(guān)于腐蝕的問題，目前國際上也沒有確切的結(jié)論。WW 電廠熱網(wǎng)循環(huán)水氯離子含量在40～70mg/L 之間,一般要求氯離子含量不得高于350mg/L，溫度不得高于146℃，流速不得小于1.5m/s，最好濃度不要超過50mg/L，溫度不要超過80℃。

3 改造方案

寧夏WZ 電廠和甘肅WW 電廠都選用圖2改造，并且都放棄了“制熱¤21”的運行模式，僅以“制熱¤22”模式和“制冷＊”模式運行。WZ 電廠#1機組冠以“高背壓改造”的名稱，已經(jīng)改造完畢并投入運行。WW 電廠進入方案報批階段,該廠的改造如下：

3.1 熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)的接入

采用兩路獨立冷卻水源雙半側(cè)冷卻凝汽器，半側(cè)采用間冷循環(huán)水冷卻，另外半側(cè)采用熱網(wǎng)循環(huán)水回水作為冷卻水源，將熱網(wǎng)循環(huán)水回水由50℃加熱到70℃，再由熱網(wǎng)加熱器加熱到96～110℃供給用戶，此時汽輪機高背壓運行，背壓不超過32kPa。凝汽器變?yōu)椤皹藴实摹彪p水內(nèi)冷凝汽器。

現(xiàn)有的凝汽器不用改造或者經(jīng)過較小的加固，就可成為雙水內(nèi)冷凝汽器的簡化型式。增加隔板的改造應謹慎進行，并得到凝汽器制造廠家的同意。熱網(wǎng)循環(huán)水的退出（含沖洗）/投入時，凝汽器不得不半側(cè)運行，但不建議長期半側(cè)運行。新疆喀什某電廠凝汽器長期半側(cè)運行，遭遇到汽輪機廠的反對。

3.2 凝汽器增設(shè)安全閥及膨脹控制

汽輪機技術(shù)協(xié)議中凝汽器的設(shè)計壓力描述為不小于0.4MPa（g）,未明確設(shè)計壓力的具體數(shù)值。根據(jù)汽輪機廠的最新承諾，凝汽器水側(cè)可以在0.6MP（g）運行。熱網(wǎng)循環(huán)水回水壓力最高為0.573（g）,低于0.6MPa（g）。因此凝汽器基本可以滿足熱網(wǎng)循環(huán)水回水壓力要求。由于熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)管線比較復雜，熱網(wǎng)循環(huán)水泵也存在切換的運行方式，為防止熱網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生水錘時對凝汽器的損害，考慮對凝汽器水側(cè)增設(shè)安全閥。

凝汽器兩側(cè)熱網(wǎng)循環(huán)水和間冷循環(huán)水運行溫度不一樣，凝汽器本體的兩側(cè)膨脹會有差別。根據(jù)汽輪機廠傳真，要求凝汽器兩側(cè)循環(huán)水出口溫差不超過20℃。按其它投運工程經(jīng)驗，凝汽器可以安全運行。

3.3 熱網(wǎng)循水對凝汽器的腐蝕問題

熱網(wǎng)循環(huán)水是經(jīng)反滲透處理的軟化水，水中各種離子的含量極低。所以從設(shè)計角度看，凝汽器冷卻管TP304不需要更換材質(zhì)，不銹鋼完全適用。根據(jù)業(yè)主方提供的熱網(wǎng)循環(huán)水質(zhì)，熱網(wǎng)循環(huán)水氯離子含量不高，滿足要求。

3.4 凝汽器前增設(shè)調(diào)節(jié)蝶閥

在汽機房凝汽器入口循環(huán)水管道上的原電動蝶閥前增設(shè)調(diào)節(jié)閥型電動蝶閥，在調(diào)解閥前再增設(shè)一個電動檢修閥，以便更精確的配合變頻循環(huán)水泵對循環(huán)水流量進行調(diào)節(jié)，即：共需增設(shè)1套DN1800電動調(diào)節(jié)蝶閥和1套DN1800電動檢修蝶閥。

3.5 增設(shè)沖洗水系統(tǒng)

由于熱網(wǎng)循環(huán)水的水質(zhì)比間冷循環(huán)水的水質(zhì)差，所以熱網(wǎng)循環(huán)水退出運行時，必須對凝汽器管束進行沖洗，故需設(shè)置一套沖洗水泵。由凝結(jié)水系統(tǒng)提供水源或沖洗時，可采用凝結(jié)水啟動上水泵兼做沖洗水泵，在沖洗水排水口設(shè)置化學取樣點，當水質(zhì)達到間冷循環(huán)水的水質(zhì)要求時，停止沖洗。

3.6 間冷循環(huán)水泵改為變頻泵

將設(shè)于間冷循環(huán)水泵房內(nèi)的間冷循環(huán)水泵改為帶變頻器的變頻循環(huán)水泵，即：將#1機組已有的3臺定速泵循環(huán)水泵中的2臺改為變頻循環(huán)水泵。

3.7 冷卻塔內(nèi)旁路上增設(shè)調(diào)節(jié)蝶閥

保留間冷塔內(nèi)旁路管道上的已有電動蝶閥，再增設(shè)1套調(diào)節(jié)蝶閥及1套檢修電動蝶閥。#1機組共設(shè)二套旁路管道，即：共需增設(shè)2套DN1000調(diào)節(jié)閥型電動蝶閥和2套DN1000檢修電動蝶閥。

僅僅調(diào)節(jié)間冷塔投入扇段的數(shù)量和百業(yè)窗的開度并不能控制好間冷循環(huán)水的出塔水溫，因為本工程采用的表凝式間接空冷系統(tǒng)，兩臺機組共用了一座自然通風間冷塔。運行中#1、#2機組的空冷系統(tǒng)在間冷塔部分存在相互干擾和制約的情況。

4 改造的經(jīng)濟性

按照改造方案的配置，2017年的可行性研究報告表明：寧夏WZ 電廠兩臺機組同時改造的總投資為1659萬元，節(jié)約燃煤費用656.5萬元/年，運行3.5個采暖季可回收投資。

按照改造方案的配置，2021年的可行性研究報告表明：甘肅WW 電廠一臺機組的改造總投資為1342萬元（含驅(qū)動熱網(wǎng)循環(huán)水泵運轉(zhuǎn)的小汽輪機的完善及技改投資），節(jié)約燃煤費用520萬元/年，運行2.8個采暖季可回收投資。

WW 電廠根據(jù)WZ 電廠的實施情況，提出暫不實施3.4、3.6和3.7的改造，使得間冷循環(huán)水的流量無法調(diào)節(jié)，冬季運行1臺泵所提供的流量為12000t/h,是熱網(wǎng)循環(huán)水量6000t/h 的2倍，必須實施以下4.1及4.2。

4.1 間冷循環(huán)水泵的運行點

間冷循環(huán)水系統(tǒng)切換的瞬變工況是一種危險工況。為此作了專門的計算，如圖5所示。

圖5 間冷循環(huán)水系統(tǒng)投運1臺水泵、半側(cè)凝汽器和間冷塔n 個扇段的運行點

由圖5可以看出，#1機組凝汽器半側(cè)用間冷水冷卻，間冷塔投運2個扇段或3個扇段比較合適。

間接空冷投運1臺循環(huán)水泵、半側(cè)凝汽器、間冷塔3個扇段的運行點為Q=3.4m3/s=12240m3/h，H=10.8m。

目前還有一種主張，認為5個扇段全部投運，并且關(guān)閉百葉窗，悶塔運行的防凍效果最好。但由于WW 熱電兩機公用一座間冷塔，所以悶塔運行肯定會影響#2機組的運行。具體應如何操作，需要在運行中不斷摸索。

4.2 間冷循環(huán)水的運行切換

把WW 電廠#1機的凝汽器改造為雙水內(nèi)冷凝汽器[1]，需要停機改造。

為了防止工況切換時產(chǎn)生過大的水錘，無變頻泵的改造方案應利用#2機循環(huán)水系統(tǒng)的水體積緩和切換時瞬變工況的沖擊，切換工況應按以下步序執(zhí)行：

純凝工況#1機組單元制間冷水系統(tǒng)運行→純凝工況#1、#2機組擴大單元制間冷水系統(tǒng)運行(過渡工況)→供熱工況#1機組凝汽器半側(cè)運行，擴大單元制運行(過渡工況)→供熱工況#1機組凝汽器半側(cè)運行，單元制運行→供熱工況#1機組凝汽器半側(cè)運行，擴大單元制運行(過渡工況)→純凝工況#1、#2機組擴大單元制間冷水系統(tǒng)運行(過渡工況)→純凝工況#1機組單元制間冷水系統(tǒng)運行。

WW 熱電#1機組現(xiàn)有的凝汽器經(jīng)過較小的加固或者不用改造，就可成為雙水內(nèi)冷凝汽器的簡化型式。增加隔板的改造應謹慎進行，并得到凝汽器制造廠家的同意。不建議長期半側(cè)運行。

Scal 系統(tǒng)的計算非常困難，排汽負荷的變化、凝汽器的清潔程度以及環(huán)境氣溫、風場的變化等都會對計算結(jié)果產(chǎn)生很大的影響，工況組合情況又較為復雜，只能在運行實踐中積累經(jīng)驗，并通過對冷卻扇區(qū)投運的數(shù)量、冷卻塔旁路、百葉窗開度等進行調(diào)節(jié)，使汽輪機背壓盡量接近32kPa，并應控制不高于32kPa 運行。

5 運行效果

寧夏WZ 電廠沒有實施3.4、3.6和3.7的改造，在2019年完成了#1機組的改造，目前正在進行#2機組的改造，尚未獲得實測的經(jīng)濟數(shù)據(jù)。

喀什熱電高背壓供熱改造[2]是國內(nèi)首家間接空冷機組高背壓供熱改造工程，完成了3.1～3.7的全部改造，故運行中不會有4.1、4.2的顧慮。

喀什熱電2016～2017年度采暖季高背壓供熱運行平穩(wěn)，在兩次熱網(wǎng)失壓事故中均沒有發(fā)生跳機現(xiàn)象，表明雙水冷卻雙溫區(qū)凝汽器供熱的技術(shù)方案合理，保障了運行安全。

喀什熱電在提高機組供熱能力的同時，發(fā)電煤耗顯著降低，經(jīng)過一個采暖季的安全運行，證明間接空冷機組改高背壓供熱優(yōu)勢明顯，經(jīng)過測試，全背壓額定供熱工況下發(fā)電煤耗降到144.43g/kWh，煤耗降幅達到122.1g/kWh，供熱能力提高189MW，增加供熱面積378萬m2，一個采暖季可節(jié)約5.58萬噸標煤，二氧化碳減排量達到14.75萬噸/a，雙水內(nèi)冷凝汽器具有廣闊的市場前景和推廣意義。