電磁技術(shù)在電廠機組中的應(yīng)用與節(jié)能效果分析

沈志昌，楊凱，鄭國，張義邴，曹京凱

(1. 上海萬森低碳科技有限公司，上海 200444，2. 湛江電力有限公司，廣東 湛江 524000；3. 上海大學(xué) 理學(xué)院物理系，上海 200444)

2020年9月，中國向世界鄭重宣布“雙碳”目標(biāo)，實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)是一場廣泛而深刻的變革，而這個變革的前沿陣地是電力行業(yè)。當(dāng)前電力行業(yè)二氧化碳排放約占中國能源活動二氧化碳排放的40%[1]，中國能源結(jié)構(gòu)決定了以煤為主的電力結(jié)構(gòu)在較長時間內(nèi)不會改變[2]，火力發(fā)電廠的發(fā)電量占我國電力裝機容量的78%以上[3]，供電煤耗的降低具有重要的現(xiàn)實意義，也是目前火力發(fā)電企業(yè)擺脫虧損局面的最佳途徑。

1980—2018年，我國供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗從448 g/kWh下降到307 g/kWh。供電煤耗從早期的明顯下降過渡到近十余年的緩慢降低后，已逐漸顯現(xiàn)出逼近能力極限的趨勢。截至2020年底，全國供電煤耗為306.66g/kWh，依靠傳統(tǒng)技改達到國家發(fā)展改革委和能源局目標(biāo)(到2025年全國火電平均供電煤耗降至300 g/kWh以下)越來越困難。

最近，利用磁化水處理技術(shù)進行阻垢除垢[4-5]，從而達到提升熱交換效率并降低能耗的研究引起了人們的關(guān)注。早在1873年，Hay發(fā)明了第一個電磁場水處理裝置[6]。20世紀(jì)中葉，比利時人T. Vermeiren開始將磁化水處理應(yīng)用到鍋爐中，減少了鍋爐中水垢的生成，隨后世界各國陸續(xù)開展了磁處理技術(shù)的研究和應(yīng)用。至今為止，磁化水處理技術(shù)對阻垢除垢及熱工領(lǐng)域節(jié)能的機理還不是很明確，但磁場作用下水分子團的細化普遍被業(yè)內(nèi)接受。戎鑫等[7]認為磁場對水分子的作用主要表現(xiàn)在磁場使得水分子團內(nèi)的氫鍵斷裂形成數(shù)量更多的較小的水分子團，水分子活性增加，從而影響水的蒸發(fā)率。Donaldson[8]在研究碳酸鈣溶液蒸發(fā)沉淀過程中發(fā)現(xiàn)，磁處理使得方解石和文石在成垢物質(zhì)中的比例由無磁場時的80∶20轉(zhuǎn)變?yōu)?0∶80。劉衛(wèi)國[9]在上海石化實際應(yīng)用中也證實了該結(jié)果。文石粘附性小，因很難附著在管壁上而被水流帶走。

在電廠鍋爐生產(chǎn)中，因水垢的導(dǎo)熱性遠低于鋼材(僅為傳熱鋼材的數(shù)十分之一以上[10])，電磁水處理對熱交換器鋼材管道內(nèi)阻垢除垢的直接結(jié)果相比無電磁水處理時的熱交換性能得到了提高，外加電磁場對水分子團的細化使得水分子活性增強，提高蒸發(fā)率，同等發(fā)電供電所需煤耗減少，可顯著降低供電煤耗?；粢珫|[11]將高頻電磁場技術(shù)應(yīng)用至漢川電廠，6個月后，積垢由原來的80 mm減少至37 mm。張偉[12]應(yīng)用電子除垢儀運行1年，割管實驗證實總計減少相當(dāng)于管內(nèi)壁堆積厚度0.25 mm的積垢，減少燃料損失2%，保守估計節(jié)煤約1.5%。

綜上所述，水的磁處理研究顯示了阻垢除垢的明顯效果，通過阻垢除垢進而提高熱交換效率和減少流體阻力，從而達到節(jié)能降耗目的。但是對于電磁場的形式(直流、交流)和場能大小的配置，還處于探索階段，而且火電廠鍋爐用汽水系統(tǒng)是一個高溫水汽系統(tǒng)，機組的給水溫度超過270 ℃，主蒸汽溫度超過530 ℃，因此探尋高溫狀態(tài)下的水汽電磁處理與節(jié)能效果，對于降低火電行業(yè)供電煤耗有著重大意義。本文利用交變電磁處理技術(shù)與裝置，安裝應(yīng)用于火電廠鍋爐用汽水系統(tǒng)，通過性能試驗和水冷壁割管試驗，分析節(jié)能效果，以獲得一種新的節(jié)能降耗途徑。

1 電磁水處理技術(shù)

電磁水處理屬于物理水處理，將電場、磁場、電磁場作用于水流體及其中的離子或其他粒子，從而達到除垢、阻垢、緩蝕、提升活性等目的。相比化學(xué)水處理，具備安全、環(huán)保、操作方便、維護成本低等優(yōu)勢而被長期重視和廣泛研究。電磁水處理方法主要有靜電場、靜磁場、交變電磁場等，靜電場裝置復(fù)雜，作用距離效果不明顯，靜磁場對工業(yè)用水來說需要安裝笨重的永磁體或電磁體，發(fā)展空間受限。因此，當(dāng)前最受關(guān)注的是交變電磁場水處理技術(shù)，被公認為是效果最好和最具發(fā)展?jié)摿Φ姆椒?。本文將隨機脈沖序列的交變電磁場技術(shù)[13]應(yīng)用在寶鋼湛江鋼鐵渣處理的濁循環(huán)水系統(tǒng)中，經(jīng)過7個月時間，將40 mm厚的水垢徹底軟化、剝落。圖1為引入交變電磁技術(shù)前后結(jié)垢管道垢層圖，其中(a)圖為處理前原貌，垢樣堅硬、厚實，垢層厚度達40 mm；(b)圖為安裝運行隨機脈沖序列的交變電磁場裝置7個月后的垢樣圖，水垢已大量脫落，未脫落的垢樣也變得酥松，極易沖刷清除。

圖1 交變電磁技術(shù)處理前后的結(jié)垢管道垢層 Fig.1 Scale layer in a water pipe before and after alternating electromagnetic treatment

工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)的交變電磁場技術(shù)主要有：螺線管線圈纏繞管道方式，如圖2 (a)所示；磁芯環(huán)扣管道方式，如圖2 (b)所示。

圖2 交變電磁場處理裝置的管道安裝示意圖Fig.2 Two pipe installation modes of alternating electromagnetic water treatment device

螺線管線圈纏繞管道方式產(chǎn)生磁力線的方向與水流方向平行，磁芯環(huán)扣管道方式產(chǎn)生磁力線的方向與管道軸線(水流方向)垂直。相對來說，磁力線垂直于管道方向?qū)Υ盘幚砀欣鸞14]，環(huán)繞磁力線的交變電場作用于極性水分子，受作用的極性水分子可以將獲得的電磁能隨水流傳播很遠，作用效果明顯得到加強。

本文中的電磁水處理技術(shù)即采用磁芯環(huán)扣管道方式，應(yīng)用了隨機脈沖序列交變場技術(shù)，交變電磁場時空中的場矢量由各場源及其在空間中的傳播和疊加所決定，特定幅頻屬性的交變場直接影響物質(zhì)分子的微觀運動和狀態(tài)，且作用效果隨著時空變化率的增加而增加。將該交變場安裝到火力電廠鍋爐用汽水系統(tǒng)中，利用交變場的阻垢除垢效應(yīng)提升管壁的熱傳導(dǎo)、水分子團的細化增強熱交換效率、極性水分子附加場能等方式有效降低汽化潛熱，從而達到節(jié)能降耗的目的。

2 交變電磁水處理技術(shù)在火電廠鍋爐用汽水系統(tǒng)的應(yīng)用

火力發(fā)電廠的鍋爐用汽水系統(tǒng)流程如下：凝汽器熱井的凝結(jié)水經(jīng)過凝結(jié)水泵升壓后進入精處理系統(tǒng)，再經(jīng)過低壓加熱器加熱、除氧器除氧，給水泵將預(yù)加熱除氧后的水送至高壓加熱器、省煤器加熱后進入汽包，經(jīng)下降管到聯(lián)箱，進入鍋爐內(nèi)的水冷壁，通過過熱器將水加熱為過熱蒸汽，送至汽輪機作功，最后排入凝汽器并被冷卻水冷卻，凝結(jié)成水，這樣周而復(fù)始循環(huán)。火電廠鍋爐用汽水系統(tǒng)及其交變電磁水處理裝置在火電廠鍋爐用汽水系統(tǒng)上的安裝點位如圖3所示。

圖3 交變電磁水處理裝置在火電機組上的安裝點位Fig.3 Installation positions of alternating electromagnetic water treatment device on the thermal power unit

交變電磁水處理裝置安裝點包括：

a)安裝點a。安裝在下降管管道上，目的是：①對鍋爐內(nèi)水冷壁進行除垢阻垢，提升管壁的熱傳導(dǎo)；②交變場可以細化水分子團從而增強熱交換效率；③經(jīng)電場極化后的水分子可以有效降低汽化潛熱。

b)安裝點b。安裝在省煤器之前的給水母管管道上，對省煤器進行除垢阻垢。

c)安裝點c。安裝在凝結(jié)水泵之后、低壓加熱器之前的管道上，對低壓加熱器和高壓加熱器進行除垢阻垢。

交變電磁水處理裝置安裝簡便，實行腕表式安裝，無需機組停運，不拆卸管道，不接觸水，不受管道材質(zhì)限制，不受水的流速與壓力影響，不改變水的化學(xué)組分。

3 應(yīng)用案例與節(jié)能效果分析

a)案例1。 湛江電力有限公司4號機組330 MW機組鍋爐用汽水系統(tǒng)。

湛江電力有限公司4號機組為東方電氣集團公司設(shè)計、制造的330 MW亞臨界中間再熱凝汽式機組，鍋爐為DG1077/18.2—Ⅱ(3)型亞臨界壓力、中間再熱、自然循環(huán)單爐膛、全懸吊露天布置、平衡通風(fēng)、燃煤汽包爐，汽輪機為N330-16.67/537/537型亞臨界中間再熱、兩缸兩排汽、凝汽式汽輪機，發(fā)電機型號為QFSN-330-2-20。

2020年7月10日，湛江電力有限公司在4號機組A修結(jié)束后，進行了第1次機組性能試驗；2020年7月15日正式投運了2套交變電磁水處理裝置，分別應(yīng)用在凝結(jié)水泵之后低壓加熱器之前的管道上和進入省煤器之前的給水母管管道上，交變電磁水處理裝置投運期間，機組鍋爐用汽水系統(tǒng)不做任何大的維修。投運1年后對交變電磁水處理裝置的節(jié)能效果進行了第2次機組專項性能試驗，本次試驗共安裝了包括溫度、壓力、流量在內(nèi)的45個測點，所有儀器均每年1次年檢。在其他條件同等情況下，交變電磁水處理裝置投運前后性能試驗主要結(jié)果對比見表1。

表1 交變電磁水處理裝置投運前后主要數(shù)據(jù)對比Tab.1 Comparisons of the main data before and after the application of alternating electromagnetic water treatment device

表1數(shù)據(jù)表明，引入交變電磁水處理裝置后，通過對低壓加熱器、高低壓加熱器、省煤器、鍋爐內(nèi)水冷壁等整個鍋爐用汽水系統(tǒng)的除垢阻垢，熱交換效率得到了明顯改善和提高。

同時，對給水母管水溫進行定期跟蹤，結(jié)果見表2。給水母管水溫在發(fā)電機功率為200 MW左右時，1年溫升達2.9 ℃，與性能試驗結(jié)果基本一致，溫升趨勢接近線性關(guān)系。

表2 給水母管溫度變化表Tab.2 Temperature variation data of water-feeding main pipe

根據(jù)上述交變電磁水處理裝置投運前后發(fā)電煤耗降低1.379 kWh計算，對于330 MW火電機組，按年利用發(fā)電時間4 000 h、年發(fā)電量1.32 TWh，則每年可節(jié)省標(biāo)煤1 800 t，按平均煤價1 000元/t計算，每年可節(jié)約標(biāo)煤180萬元。對于鍋爐用汽水系統(tǒng)，一般需要5年酸洗1次，酸洗1次需要150萬元/次，僅此一項每年可節(jié)省費用30萬元。交變電磁水處理裝置設(shè)計壽命10年，經(jīng)濟效益為2 100萬元。

b)案例2。湛江中粵能源有限公司1號機組630 MW機組鍋爐用汽水系統(tǒng)。

湛江中粵能源有限公司1號機組汽輪機是哈爾濱汽輪機廠引進西屋公司設(shè)計制造的亞臨界、一次中間再熱、四缸四排汽、單軸、凝汽式汽輪機，型號為N600-16.7/538/538，經(jīng)過改造后額定容量630 MW；鍋爐是東方鍋爐(集團)股份有限公司設(shè)計、制造的亞臨界參數(shù)、自然循環(huán)、前后墻對沖燃燒方式、一次中間再熱、單爐膛平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、尾部雙煙道、全鋼構(gòu)架的Ⅱ型汽包爐，型號為DG2030/17.5-Ⅱ8，最大連續(xù)蒸發(fā)量2 030 t/h；發(fā)電機是哈爾濱電機廠有限公司制造的QFSN-600-2YHG型發(fā)電機。整套發(fā)電機組于2011年6月正式投運。

2021年11月15日正式投運了3套交變電磁水處理裝置，分別應(yīng)用在凝結(jié)水泵之后的管道和進入省煤器之前的給水母管管道上，鍋爐用汽水系統(tǒng)不做任何大的維修。該機組最早在2018年10月22日進行過1次水冷壁割管試驗，在交變電磁水處理裝置投運前的2021年8月30日、投運后的2022年6月2日，又進行了2次水冷壁割管試驗，3次割管試驗均由西安熱工研究院有限公司完成。垢量結(jié)果見表3。

表3 水冷壁管垢量變化Tab.3 Scale changes of water wall pipe

由表3可知，投運了交變電磁水處理裝置0.7年后(去除臨停時間)，水冷壁管的向火側(cè)垢量從原來的138.25 g/m2緩慢增加到150.80 g/m2，垢量增速也從25.98 g/(m2·a)降到17.93 g/(m2·a)；背火側(cè)垢量從原來的123.35 g/m2減少到110.00 g/m2，垢量增速從25.76 g/(m2·a)下降到-19.07 g/(m2·a)。向火側(cè)和背火側(cè)數(shù)據(jù)均表明，投運交變電磁水處理裝置后，垢量增速明顯下降，尤其是背火側(cè)垢量增速與之前相比開始呈負增長，說明除垢阻垢效果明顯。本案例中的水冷壁割管試驗和垢量變化，充分說明了交變電磁水處理裝置的有效性，同時，隨著時間的推移，向火側(cè)的垢量增速也將呈負增長，最終不用清洗水冷壁和整個鍋爐用汽水系統(tǒng)，可以減少鍋爐清洗成本，避免廢液排放，減少爆管幾率，提高生產(chǎn)安全性，最終提高熱交換效率，實現(xiàn)節(jié)煤目的。

以上案例證實交變電磁水處理技術(shù)應(yīng)用于火電廠鍋爐用汽水系統(tǒng)可有效阻垢除垢、降低供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗，是火電領(lǐng)域節(jié)能降耗的一個新途徑。

4 結(jié)束語

交變電磁場可有效弱化水分子團內(nèi)氫鍵，使大分子團細化為小分子團，增強水分子的活性，降低液態(tài)水分子平均內(nèi)聚能，進一步地，外加磁場作用下洛倫茲力促進正負電荷粒子分離，抑制陰陽離子結(jié)合。這些使得阻垢除垢效果明顯，管壁內(nèi)外等效熱導(dǎo)率和水分子熱交換效率得到提升，利于鍋爐用汽水系統(tǒng)的節(jié)能降耗。

將交變電磁水處理技術(shù)應(yīng)用于湛江電力有限公司火電機組鍋爐用汽水系統(tǒng)，對比設(shè)備安裝前后發(fā)電機功率、排煙溫度、給水溫度、供電煤耗，發(fā)現(xiàn)節(jié)能效果非常明顯，專項性能試驗報告給出了1.22 g/kWh的供電煤耗下降。在對湛江中粵能源有限公司的水冷壁3次割管比較垢量增速變化后發(fā)現(xiàn)，投運交變電磁水處理裝置后水冷壁管內(nèi)的垢量增速呈單調(diào)下降，其中背火側(cè)的垢量已經(jīng)開始逐步減少，表明熱交換效率得到了單調(diào)的提升和改善，進一步支持了煤耗下降的結(jié)論。在“雙碳”的大背景下，應(yīng)用交變電磁水處理技術(shù)降低煤耗，無論對于企業(yè)的經(jīng)濟效益還是對于社會的環(huán)保效益，都具有重大的意義。