電廠汽輪機空冷系統(tǒng)優(yōu)化及節(jié)能降耗研究

汪海鳳，呂耀東

（內(nèi)蒙古科技大學，內(nèi)蒙古 包頭 014017）

煤炭是我國的主體能源，以煤電為基礎(chǔ)的電力能源結(jié)構(gòu)不會在短期發(fā)生根本改變。但是，燃煤電廠會消耗大量的煤炭和水資源[1]。當前，既要保證電力行業(yè)的發(fā)展，又要有效減少水資源消耗。與火力發(fā)電的其他冷卻方式相比，空冷用水量大幅減少。在直接空冷機組中，背壓的高低直接決定汽輪機做功的多少，特別是夏季高溫天氣嚴重制約滿負荷工況的實現(xiàn)。汽輪機負荷與燃煤量并不是呈線性關(guān)系，負荷越高，相對煤耗就會越少。某電廠在2010年投入運行，現(xiàn)已運行多年，空冷系統(tǒng)對機組負荷的影響日趨明顯。2010—2020年，該電廠汽輪機組在30 ℃溫度下的真空度與負荷對比如圖1所示。

圖1 2010—2020年電廠汽輪機組在30 ℃溫度下的真空度與負荷對比

1 電廠汽輪機空冷系統(tǒng)運行現(xiàn)狀

因電廠汽輪機組已運行多年，與凝汽器連接的設(shè)備管道及焊口等位置易出現(xiàn)腐蝕、失效等問題，主要表現(xiàn)為高低加事故放水系統(tǒng)內(nèi)漏、凝汽器底部放水門存在輕微泄漏、抽空氣系統(tǒng)閥門與管道泄漏、疏擴焊口或伸縮節(jié)泄漏等。與此同時，軸封壓力過低、軸封間隙過大也會導(dǎo)致真空泄漏現(xiàn)象，這對機組真空嚴密性的影響較大。該電廠在2010年投運時進行真空嚴密性試驗，真空下降率為0.11 kPa/min，而真空下降率不大于0.13 kPa/min 時，判定機組真空嚴密性合格。近年來，機組真空下降率已達0.22 kPa/min，多次真空嚴密性試驗結(jié)果均為不合格。馬汀山等[2]研究認為，機組真空嚴密性差，表現(xiàn)為真空下降率大，此時大量空氣進入凝汽器，降低凝汽器的傳熱效果，甚至直接抬高凝汽器壓力，使抽氣設(shè)備過載，凝結(jié)水過冷度和含氧量急劇增加，影響汽輪機組的安全和經(jīng)濟運行。

該電廠采用水環(huán)式真空泵作為凝汽器的抽氣設(shè)備，每臺機組配置2 臺水環(huán)式真空泵，一運一備。投運初期，在大氣溫度29.5 ℃、冷卻水溫度不大于30 ℃的滿負荷工況下，機組背壓可達31 kPa，夏季，機組允許最高背壓為36 kPa，足以應(yīng)對高溫天氣。近年來，在同等工況下，機組已無法在高溫環(huán)境下滿負荷運行。研究發(fā)現(xiàn)，在初溫相同的工況下，真空泵板式換熱器出口水溫逐年升高，極大地影響真空泵效率。王標等[3]研究發(fā)現(xiàn)，由于循環(huán)水溫度的升高，工作水溫度超過33 ℃，水環(huán)式真空泵的抽吸能力大幅下降，導(dǎo)致機組真空度降低，極大地影響機組運行的經(jīng)濟性和安全性。

空冷凝汽器是空冷系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，該電廠每臺機組設(shè)置1 套空冷凝汽器，汽輪機低壓部分排汽，排汽裝置在機組啟動和正常運行時收集空冷凝汽器的凝結(jié)水。逆流單元的少量冷卻蒸汽和不凝結(jié)氣體由真空泵抽出排向大氣，大部分不凝結(jié)氣體進入排汽裝置熱井。隨著機組運行年限的增加，空冷凝汽器的效率逐年下降，在夏季高溫天氣下難以維持目標負荷。經(jīng)分析，主要原因在于翅片管臟污、堵塞，順流區(qū)1 個冷卻單元對應(yīng)的翅片迎風面積為148.5 m2，目前，其交換面積大幅減少。同時，空冷風機在同頻率下的電流呈上升趨勢，影響風機頻率的調(diào)整。該電廠地處西北地區(qū)，每年4月下旬到5月上旬，風沙大，楊柳絮漫天飄飛，直接空冷機組運行工況最惡劣，大量的楊柳絮、風沙被空冷凝汽器風機吸入，堵塞空冷管束翅片。機組負荷升高、夏季氣溫攀升將進一步造成真空度下降，再加上北方風沙影響，空冷凝汽器翅片積灰嚴重，翅片沖洗不到位將嚴重影響機組真空度，阻礙發(fā)電。不同環(huán)境溫度下，積灰厚度對汽輪機真空度的影響如圖2所示。

圖2 不同環(huán)境溫度下積灰厚度對汽輪機真空度的影響

設(shè)備管理缺陷一直是制約該電廠汽輪機真空度提升的關(guān)鍵因素，設(shè)備日常管理包括檢維修、日常檢查、消缺、監(jiān)測、改造等內(nèi)容。該電廠設(shè)有專職的設(shè)備管理部門，但長期以來，認知存在一定偏差，其認為設(shè)備管理是專業(yè)的事情，沒有形成設(shè)備管理靠全員的理念。與此同時，更多注重設(shè)備管理人員的專業(yè)技能，對其管理能力缺乏必要的培訓(xùn)、考察，導(dǎo)致多數(shù)設(shè)備管理人員對自己的職責范圍認識不清晰，管理方法死板老套，同時導(dǎo)致檢修工作不達標或者系統(tǒng)誤操作等，難以起到應(yīng)有的作用。另外，該電廠運行多年，設(shè)備管理人員多數(shù)認為技術(shù)比較成熟，不需要有任何改造，守成思想嚴重，創(chuàng)新不足，同時缺乏對互聯(lián)網(wǎng)的深度挖掘和應(yīng)用。該電廠已經(jīng)運行十多年，很多設(shè)備老化速度加快，以前的三年一修已無法滿足設(shè)備的正常運行需求。

汽輪機真空度的優(yōu)劣既與自身系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備有關(guān)，還與運行人員的專業(yè)水平、精力、態(tài)度等因素密不可分。前期調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該電廠真正能夠熟練掌握系統(tǒng)、設(shè)備的運行人員不到20%，倒班方式為四班三倒，每個班施行8 小時工作制，大多數(shù)運行人員認為，休息時間內(nèi)無法恢復(fù)上班消耗的全部精力，疲憊感很強，與此同時，該電廠運行人員對企業(yè)的歸屬感不強，工作態(tài)度比較消極。如此必然造成空冷系統(tǒng)風機頻率等調(diào)整的不及時和設(shè)備巡檢的不到位，在夏季高溫天氣下，將不能使空冷系統(tǒng)在極限條件下運行，勢必影響機組的高發(fā)或者滿發(fā)狀態(tài)。

2 電廠汽輪機空冷系統(tǒng)優(yōu)化方法

汽輪機真空嚴密性不良時，較多的空氣漏入真空系統(tǒng)，真空泵出力不夠，不能及時抽走漏入的空氣，導(dǎo)致汽輪機的排汽壓力、溫度上升。隨著朗肯循環(huán)效率的降低，供電煤耗增加，高負荷時可能引起汽輪機超出力。真空度的變化直接影響汽輪機運行的經(jīng)濟性，真空度升高，排汽壓力下降，汽輪機有效焓降增大，循環(huán)水帶走的熱量就會減少，機組的熱效率升高?？諝饴┻M凝汽器后，降低凝汽器真空度，有效焓降相應(yīng)減少，循環(huán)水帶走的熱量增加。真空嚴密性試驗可以判定凝汽器工作正常與否，從而采取措施消除漏點。同時，汽輪機的排汽溫度上升，會導(dǎo)致汽輪機軸承中心的偏移，嚴重時可能會造成汽輪機振動。此外，凝汽器真空下降時，為保證機組出力不變，要增加主蒸汽流量，引起軸向推力增大，對汽輪機的安全運行構(gòu)成危害。

2022年，利用停機檢修的機會，多次對凝汽器真空系統(tǒng)進行高水位灌水查漏。該電廠重點對與汽輪機及凝汽器連接的設(shè)備、管道進行查漏并封堵，對存在裂紋的管路進行更換，同時排查凝結(jié)水泵、真空泵等設(shè)備，對設(shè)備冷卻水管道出現(xiàn)的漏點進行封堵，避免設(shè)備備用時空氣由此進入凝汽器破壞真空，1#汽輪機組接缸后發(fā)現(xiàn)軸封部分有輕微磨損，對其進行修復(fù)。同時，利用檢修機會，對汽缸前軸封間隙進行測量并調(diào)整，避免從低壓側(cè)漏入空氣。采取上述一系列措施后，該電廠再次做真空嚴密性試驗。試驗前，機組帶80%額定負荷，確認負荷、真空穩(wěn)定，加熱器全部投入運行，備用真空泵正常，聯(lián)鎖開關(guān)退出，空冷風機由自動切為手動，保持風機轉(zhuǎn)速不變。下面按照步驟開展試驗。記錄試驗前真空度；停止運行真空泵，進口蝶閥聯(lián)動關(guān)閉；待運行真空泵進口蝶閥全關(guān)30 s后，開始記錄真空度，以后每分鐘記錄一次，共記錄8 min；8 min 后試驗結(jié)束，啟動停運的真空泵，聯(lián)開進口蝶閥，恢復(fù)機組至正常運行狀態(tài)，將備用真空泵聯(lián)鎖開關(guān)投入；取后5 min 的記錄值，計算真空每分鐘的平均下降值，真空下降率不大于0.13 kPa/min 時，真空嚴密性試驗結(jié)果為合格，如超過此限，則應(yīng)查明原因，設(shè)法消除問題。試驗結(jié)果顯示，真空下降率為0.13 kPa/min，雖然它無法與機組投運初期相比，但真空嚴密性已有很大改善。

夏季，真空泵的工作液溫度是制約真空泵出力的首要因素。屈彬彬等[4]采用數(shù)值計算方法模擬凝汽器的性能，結(jié)合真空泵各工況抽吸性能的變化，將凝汽器與下游真空泵進行性能匹配，得出真空泵工作水溫度提高，其抽吸性能有所降低。由此可見，降低真空泵工作水溫度是提高真空泵運行效率的方法之一。經(jīng)試驗，真空泵冷卻水溫度與真空度的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 真空泵冷卻水溫度與真空度的關(guān)系曲線

水環(huán)式真空泵的工作液溫度越高，水蒸氣的飽和分壓力就越高，相應(yīng)地，泵腔內(nèi)的絕對壓力也越高，泵的抽吸效率就越低，達不到很好地抽出凝汽器內(nèi)不凝結(jié)氣體的要求。真空泵工作液為凝結(jié)水，冷卻液來自循環(huán)水，投運時已考慮工作液溫度對真空泵效率的影響，每臺真空泵設(shè)置一組換熱面積7.1 m2的板式換熱器，以循環(huán)冷卻水為冷卻介質(zhì)，利用板式換熱器降低工作液溫度，但運行多年后，換熱效果下降明顯，很多時候需要啟動兩臺真空泵才能勉強滿足生產(chǎn)需求。綜合考慮成本、效率等因素，設(shè)備管理人員利用2022年檢修機會，將真空泵工作液改為溫度更低的除鹽水，并定期清洗板式換熱器，效果仍不佳時，再更換換熱效率更高的換熱器，或者用溫度更低的冷卻水來替代循環(huán)冷卻水，經(jīng)初步改造，真空泵效率已得到大幅提升。同時，該電廠運行人員經(jīng)過實踐對比發(fā)現(xiàn)，將真空泵分離器放水門長時間開啟，與真空泵分離器補充水達到平衡，可以將溫度升高的水不斷排出，對比開啟放水門前后真空度，發(fā)現(xiàn)有一定效果，但對除鹽水資源造成浪費。于是，在不停設(shè)備的工況下，采取局部隔離措施后，對真空泵分離器放水管道進行在線改造，將原本通至凝結(jié)水泵坑的放水管改到低壓除氧器補水管道，減少除鹽水資源的浪費，同時滿足真空泵工作液的冷卻需求。因運行多年，循環(huán)冷卻水管積累大量水垢，減少單位時間通過的循環(huán)水量，降低板式換熱器的冷卻效果。該電廠對真空泵板式換熱器冷卻水入口管路進行疏通，在此期間，發(fā)現(xiàn)管路一彎頭處堵塞嚴重，同步更換循環(huán)冷卻水管路母管至真空泵板式換熱器多處彎頭。改造后，真空泵的抽吸能力大大提升，改善機組真空。

空冷凝汽器是空冷系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，其效率受環(huán)境風、溫度、翅片散熱效果、風機頻率等影響很大。在夏季高溫環(huán)境下，風機頻率不變時，只有改善翅片散熱，才能提升空冷凝汽器換熱效率。針對設(shè)備特點，該電廠利用高壓水車沖洗2 臺六列空冷凝汽器，對翅片進行沖洗，每列沖洗完畢，必須由設(shè)備工程師驗收、運行人員試轉(zhuǎn)。與此同時，該電廠對整個空冷凝汽器抽汽管道進行查漏補漏，保證不因銹蝕等原因出現(xiàn)真空泄漏現(xiàn)象。當蒸汽無法被有效冷凝，真空度過高時，運行工況改為2 臺真空泵運行，將管束中的不凝氣及時抽出，保證機組安全穩(wěn)定運行。雖然該電廠空冷凝汽器換熱效率已得到很大提升，但是高壓沖洗車人工沖洗也存在諸多弊端，如耗時耗力，還有很多危險因素。該電廠的預(yù)備改造方案提出在空冷單元中加設(shè)噴淋冷卻系統(tǒng)，可以降低翅片溫度，改善真空。除此之外，根據(jù)當?shù)仫L向風速特點，更改空冷凝汽器的風機葉片角度，在空冷凝汽器下方加裝防風網(wǎng)，從而提升空冷凝汽器效率。

設(shè)備的全面管理是提升設(shè)備運行效率的必要手段。針對空冷系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備，該電廠采取有效措施，從設(shè)備管理角度出發(fā)，進一步提升空冷系統(tǒng)效率。設(shè)備管理人員是設(shè)備管理的主體，該電廠對設(shè)備管理人員開展定期培訓(xùn)，對其專業(yè)水平、技術(shù)能力和職業(yè)素養(yǎng)進行全方位提升，明確各崗位責任，將責任制度落實到各個崗位中。同時，對設(shè)備缺陷登記、消除、審核進行智能化管理。該電廠使用的缺陷管理系統(tǒng)涵蓋設(shè)備缺陷登記、處理、驗收、查詢、統(tǒng)計、考核管理等模塊，將為設(shè)備工程師提供更加清晰明了的信息。該電廠引進設(shè)備缺陷管理智能化平臺，更加方便設(shè)備管理人員對設(shè)備缺陷進行統(tǒng)計分析，更加直觀、動態(tài)地把握設(shè)備狀況，從而促進設(shè)備缺陷更加明確、維護目標更加準確。為保證設(shè)備維護的及時性，不至于將小缺陷拖成大缺陷，該電廠細化缺陷標準，按照缺陷可能導(dǎo)致的后果，由之前的3 個等級細化為5 個等級，這將進一步提升檢修人員維護設(shè)備的積極性，使設(shè)備維護效果更加顯著。根據(jù)缺陷分類消除缺陷，將使工作效率大幅提升。對于空冷系統(tǒng)，從小處著手是保證機組穩(wěn)定性和發(fā)電效益的共同要求。

該電廠設(shè)備管理人員通過查閱資料，對高加疏水系統(tǒng)進行改造。該電廠2 臺汽輪機組除承擔發(fā)電任務(wù)外，還兼?zhèn)湔{(diào)壓任務(wù)，負荷動作頻繁，2 臺高加汽側(cè)由一二段抽汽所帶，勢必導(dǎo)致高加水位動作頻繁，高加水位超限，高加事故放水電動門頻繁動作，對機組真空造成很大影響。該電廠設(shè)備管理人員將高加疏水系統(tǒng)由逐級自流改為汽液兩相閥的工藝流程，將高加疏水全部引至高壓除氧器，極大地增加高加液位的穩(wěn)定性，也進一步保證機組真空的穩(wěn)定。該電廠還對設(shè)備管理和缺陷維護的制度進行系統(tǒng)完善，把制度落實到工作的各個環(huán)節(jié)，加強對制度執(zhí)行者的制約，以制度為抓手，完成由設(shè)備管理人員維護設(shè)備向所有相關(guān)人員共同維護設(shè)備的轉(zhuǎn)變，包括設(shè)備啟停注意事項的細化、巡檢內(nèi)容的細化、設(shè)備定期輪換的執(zhí)行、缺陷登記處理等，針對空冷系統(tǒng)，嚴格制定空冷凝汽器、真空泵、凝結(jié)水泵等重要設(shè)備的維護管理制度。楊勤等[5]介紹了利用相似性原理建模的發(fā)電設(shè)備故障預(yù)警系統(tǒng)，提出電廠可以利用各種機會對設(shè)備實施狀態(tài)檢修，而非等到固定時間間隔后進行計劃檢修，或者等到設(shè)備發(fā)生故障后進行故障檢修。由此可見，檢修已不再局限于長周期的大檢修，該電廠汽輪機組運行多年，為進一步優(yōu)化設(shè)備管理，將三年一大修的檢修周期更改為兩年一次消缺檢修、三年一次大檢修，避免空冷系統(tǒng)因設(shè)備原因出現(xiàn)效率不高現(xiàn)象。

郭彤梅等[6]認為，當員工的工作績效能夠被組織認同并獲得相應(yīng)回報時，高水平的心理資本可以提升員工的工作激情與努力程度，進而表現(xiàn)出高水平的創(chuàng)新績效。員工的能力、狀態(tài)必然影響其工作效率，對于空冷系統(tǒng)而言，人員的精細調(diào)整可以讓真空達到更加優(yōu)良的狀態(tài)。近年來，該電廠逐步意識到人員的優(yōu)化管理能夠?qū)ιa(chǎn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生正向影響，采取措施來正向激勵員工和反向消除員工消極情緒。該電廠從自身實際出發(fā)，開展形式多樣的培訓(xùn)工作，定期組織專業(yè)工程師進行系統(tǒng)授課，開展專業(yè)事故預(yù)想、桌面演練，每月按時組織月考，以考促學，每季度開展職工技能大賽并給予獎勵，以此激發(fā)員工鉆研專業(yè)知識，提升運行人員專業(yè)技術(shù)水平。另外，體腦疲勞也是造成空冷系統(tǒng)調(diào)整不及時或者不完善的一個重要原因。該電廠逐步開始意識到這一問題，并對相關(guān)制度進行優(yōu)化，通過合理調(diào)整各班人員，將排程方式由之前的四班三倒更改為五班三倒，可以讓運行人員得到更好的休息，同時，為了避免員工長時間在同一崗位面對同樣的工作內(nèi)容而產(chǎn)生厭倦心理，該電廠探索跨專業(yè)輪崗制度，對工人進行培訓(xùn)使其熟悉不同的崗位，減少工人的疲勞度和乏味感。為進一步激發(fā)員工的工作積極性，消除疲勞，該電廠還制定員工定期療養(yǎng)制度，經(jīng)過一段時間全身心的放松調(diào)整，員工的精神狀態(tài)能夠得到很大改善。為進一步消除職工內(nèi)心負面情緒，該電廠建立員工心理疏導(dǎo)室，借助拳擊等運動，讓員工的負面情緒得到宣泄，同時，定期開展領(lǐng)導(dǎo)接待日活動，并對員工提出的意見及時給予答復(fù)，形成良性循環(huán)。這些措施出臺前后，經(jīng)問卷調(diào)查，覺得自己會在工作中對空冷系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)進行精細調(diào)整的人數(shù)從之前的不足30%增長到80%。實踐證明，這些政策出臺后，同等條件下，真空數(shù)值確實優(yōu)于之前，通過查看真空度變化曲線，調(diào)整頻率明顯高于政策出臺前。該電廠通過開展發(fā)電量競賽，與月獎金直接掛鉤，進一步提升運行人員調(diào)整的積極性，在外界溫度與運行工況相同的條件下，生產(chǎn)實踐數(shù)據(jù)顯示，其真空度優(yōu)于發(fā)電量競賽前0.6 kPa 左右。

3 結(jié)語

在碳達峰碳中和背景下，優(yōu)化汽輪機空冷系統(tǒng)，進一步降低機組煤耗，是發(fā)電企業(yè)提高經(jīng)濟效益、實現(xiàn)綠色發(fā)展的客觀要求。從案例實踐可以看出，電廠汽輪機空冷系統(tǒng)優(yōu)化既要包括傳統(tǒng)意義上工藝系統(tǒng)和設(shè)備管理的優(yōu)化，還包括運行人員的優(yōu)化，空冷系統(tǒng)全方位的優(yōu)化研究將為火力發(fā)電綠色發(fā)展提供一種可能。