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凝汽器膠球清洗裝置系統(tǒng)無法收球問題改造與效果分析說明？
凝汽器膠球清洗裝置系統(tǒng)無法收球問題改造與效果分析說明？為了逐步實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，各發(fā)電企業(yè)通常采用汽機(jī)通流改造、供熱改造等成熟技術(shù)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化，取得了突出效果。隨著“三改”政策的穩(wěn)步實(shí)施，節(jié)能減排工作要求愈加嚴(yán)苛。現(xiàn)以某廠小機(jī)凝汽器膠球清洗裝置系統(tǒng)改造前后節(jié)能量、碳減排量的計(jì)算為例，說明輔機(jī)節(jié)能潛力巨大，值得發(fā)電企業(yè)進(jìn)一步挖掘。
“十四五”開始，中國將逐步實(shí)現(xiàn)2030年碳達(dá)峰目標(biāo)和2060年碳中和愿景。國家發(fā)展改革委、國家能源局印發(fā)了《國家發(fā)展改革委國家能源局關(guān)于開展全國煤電機(jī)組改造升級的通知》，根據(jù)《通知》要求，全國各地在推進(jìn)煤電機(jī)組改造升級工作過程中，需統(tǒng)籌考慮煤電節(jié)能降耗改造、供熱改造和靈活性改造，實(shí)現(xiàn)“三改”聯(lián)動(dòng)。
基于上述要求，當(dāng)前各火力發(fā)電廠通常采用汽輪機(jī)通流部分改造、供熱改造等成熟、適用的節(jié)能改造技術(shù)，取得了良好的節(jié)能降耗效果，但上述改造往往投資較大，回收周期較長。而輔機(jī)節(jié)能改造具有投資小、收益明顯的特點(diǎn)，正越來越受到發(fā)電企業(yè)的重視。針對小機(jī)凝汽器膠球清洗裝置系統(tǒng)，尤其是投運(yùn)時(shí)間較久、投運(yùn)效果較差、資金緊張的企業(yè)，對其進(jìn)行有效治理，可顯著提高凝汽器清潔度，降低機(jī)組發(fā)電煤耗。
1設(shè)備概況
某廠二號機(jī)組汽輪機(jī)為東方汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的NZK600-16.7/538/538型亞臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、直接空冷凝汽式汽輪機(jī)。機(jī)組配置兩臺50%容量的汽動(dòng)給水泵組和一臺30%容量的電動(dòng)給水泵，每臺小機(jī)設(shè)有獨(dú)立的凝汽器膠球清洗裝置。
2015年機(jī)組加裝尖峰凝汽器后，小機(jī)凝汽器膠球清洗裝置系統(tǒng)多次投運(yùn)，收球率一直為零，考慮到堵管風(fēng)險(xiǎn)，停運(yùn)凝汽器膠球清洗裝置系統(tǒng)。由此造成小機(jī)凝汽器臟污，小機(jī)背壓增加，汽耗量增加，機(jī)組整體耗能增加。
2凝汽器膠球清洗裝置問題分析
2.1凝汽器膠球清洗裝置設(shè)備概述
小機(jī)凝汽器為杭汽生產(chǎn)制造的四流程凝汽器，冷卻面積1660m2，管束材質(zhì)為TP317，冷卻管數(shù)量3800根，有效長度5600mm，循環(huán)水流量設(shè)計(jì)值3300m3/h，循環(huán)水管徑φ720×8mm，冷卻水為黃河水，運(yùn)行中常有水 塔填料、雜草等雜質(zhì)進(jìn)入循環(huán)水系統(tǒng)。
2.2凝汽器膠球清洗裝置原因分析
根據(jù)現(xiàn)場情況綜合判斷，導(dǎo)致收球率低的主要原因有以下3個(gè)方面：
2.2.1凝汽器膠球清洗裝置系統(tǒng)阻力大
（1）凝汽器膠球清洗裝置系統(tǒng)管路較長，且直角彎太多，造成局部阻力大，循環(huán)水動(dòng)力偏小，不足以克服系統(tǒng)阻力，膠球無法正常通過冷卻管束，堵塞管道，不能達(dá)到清潔的目的。
（2）小機(jī)凝汽器為杭汽生產(chǎn)的四流程凝汽器，水室內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、死角多，膠球進(jìn)入凝汽器后在水室內(nèi)打轉(zhuǎn)，無法順利通過。
（3）凝汽器膠球清洗裝置系統(tǒng)長期無法正常投運(yùn)，管束內(nèi)壁結(jié)垢、增厚，直徑變小，膠球無法正常通過。
2.2.2循環(huán)水旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)（二次濾網(wǎng)）攔污效果差
小機(jī)凝汽器冷卻水為開式循環(huán)水，循環(huán)水通過凝汽器帶走小機(jī)乏汽產(chǎn)生的熱量，循環(huán)水溫度升高后回到冷卻塔進(jìn)行散熱，如此往復(fù)循環(huán)。機(jī)組循環(huán)水泵入口套旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)裝置，用于過濾水中雜質(zhì)，但旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)由于年久失修，不能有效攔污，因此循環(huán)水系統(tǒng)雜物較多，水中雜質(zhì)隨循環(huán)水流動(dòng)堵塞凝汽器管束，堵塞收球網(wǎng)出口。
2.2.3收球網(wǎng)存在設(shè)計(jì)缺陷
（1）凝汽器膠球清洗裝置收球網(wǎng)網(wǎng)板結(jié)構(gòu)單薄，易變形。收球網(wǎng)網(wǎng)板間隙不均勻，導(dǎo)致收球網(wǎng)污染或卡球。
（2）收球網(wǎng)網(wǎng)板角度不合理。收球網(wǎng)距離收球彎管段太近，收球網(wǎng)網(wǎng)板呈30。角度太大不利于收球。
（3）收球網(wǎng)出球口管徑偏小。出球口偏小不利于膠球的順暢排出，易導(dǎo)致網(wǎng)板積球，出球口堵塞。
（4）收球網(wǎng)導(dǎo)流板不合理。導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)不合理，不能起到應(yīng)有的導(dǎo)流效果，甚至起到反作用，形成渦流，使膠球在收球網(wǎng)出口處打轉(zhuǎn)、聚集，不能及時(shí)排出，堵塞收球網(wǎng)出口。
（5）收球網(wǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。收球網(wǎng)投運(yùn)時(shí)間較長，開關(guān)次數(shù)多，且設(shè)備長久承壓，易導(dǎo)致收球網(wǎng)不能關(guān)閉到位，在殼體與收球網(wǎng)筒體內(nèi)壁形成較大的間隙，造成跑球。
3凝汽器膠球清洗裝置處理過程
鑒于機(jī)組尖峰改造前膠球清洗裝置系統(tǒng)收球率正常，且全廠機(jī)組所用膠球均采自同一廠家，因此排除凝汽器結(jié)構(gòu)以及膠球本身質(zhì)量問題。
為提高膠球的回收率，徹底解決小機(jī)膠球長期無法回收的難題，保證凝汽器清潔度，達(dá)到節(jié)能減排的目的，重點(diǎn)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行處理。
3.1更換高品質(zhì)旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)網(wǎng)板，確保循環(huán)水水質(zhì)
結(jié)合機(jī)組檢修，發(fā)現(xiàn)大量水塔填料堵塞聚集在收球網(wǎng)出球口，堵塞出球口，且旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)框架損壞嚴(yán)重，起不到應(yīng)有的攔污作用。
因此，應(yīng)選擇較好的濾網(wǎng)，從源頭進(jìn)行治理：
（1）為了防止水質(zhì)對于網(wǎng)板的腐蝕，所有濾網(wǎng)均選用316L材質(zhì)；
（2）為了更好地確保通流量，單臺濾網(wǎng)網(wǎng)板1/3部分打孔φ7mm，其余部分采用5mm×5mm的網(wǎng)絲，如此不僅能更好地起到攔污作用，且通流量也較原來稍有增大。
3.2優(yōu)化現(xiàn)有膠球清洗裝置管路
依據(jù)“管路盡可能短、管路彎頭盡可能少”的原則，拆除多余的彎頭，同時(shí)結(jié)合ANSYS仿真使管道布置趨于合理。
3.3優(yōu)化收球網(wǎng)結(jié)構(gòu)
收球網(wǎng)作為凝汽器膠球清洗裝置系統(tǒng)的主要部件，參考以往檢修經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合ANSYS仿真結(jié)果，重點(diǎn)從以下5個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：
（1）改進(jìn)收球網(wǎng)板角度，將活動(dòng)收球網(wǎng)板與循環(huán)水管殼體內(nèi)壁的夾角在空間允許的情況下盡量減小，使結(jié)構(gòu)更符合水流動(dòng)力學(xué)原理，使膠球更容易排出；
（2）將原有出球口直徑由108mm擴(kuò)至138mm；
（3）收球網(wǎng)板格柵由原來的7mm×4mm變?yōu)?mm×4mm；
（4）收球網(wǎng)材質(zhì)整體更換為316L材質(zhì)，轉(zhuǎn)軸為雙相鋼材質(zhì)；
（5）在角度及尺寸方面對原有擾流板進(jìn)行優(yōu)化。
改進(jìn)后，冷卻水在出球口處不易形成渦流，且由于夾角變小，活動(dòng)網(wǎng)板變陡峭，膠球能更順利地排出。同時(shí)，在網(wǎng)板下部的出球口處設(shè)置穿孔固定網(wǎng)板，并與殼體呈圓弧形焊接，以消除水流沖擊產(chǎn)生的渦流，增大出球口空間，從而使收球更加通暢。
4凝汽器膠球清洗裝置改造效果及經(jīng)濟(jì)性
4.1凝汽器膠球清洗裝置改造效果
2021年6月18日，系統(tǒng)改造完成；6月25日系統(tǒng)次投運(yùn)，一周后收球，兩側(cè)收球率分別為96.7%和98.3%；隨后連續(xù)運(yùn)行至12月，收球率基本在接近97%或以上，達(dá)到改造效果。
設(shè)備連續(xù)投運(yùn)3個(gè)月，小機(jī)及凝汽器端差、清潔度、凝汽器熱負(fù)荷等重要指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如表1、表2所示。
4.2凝汽器膠球清洗裝置經(jīng)濟(jì)性
根據(jù)表1、表2計(jì)算結(jié)果，重點(diǎn)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行對比。
4.2.1對數(shù)平均溫差
凝汽器對數(shù)平均溫差計(jì)算公式如下：LMTD=t2-t1ln(-- =)ln( Δtδt+Δtδt（1）)式中：LMTD為對數(shù)平均溫差(℃);ts為凝汽器壓力下的飽和蒸汽溫度(℃);t1為冷卻水進(jìn)口溫度(℃);t2為冷卻水出口溫度(℃);Δt為冷卻水溫升(℃);δt為凝汽器傳熱端差(℃)。膠球系統(tǒng)投運(yùn)正常后，在相同負(fù)荷下，兩臺小機(jī)凝汽器對數(shù)平均溫差改善2.2～6.34℃,效果明顯。
名稱單位 表1 系統(tǒng)改造前后2A凝汽器主要參數(shù)變化表
2A凝汽器
300MW試驗(yàn)工況450MW試驗(yàn)工況
600MW試驗(yàn)工況
膠球系統(tǒng)投入狀態(tài) 未投投入未投投入 未投投入
機(jī)組負(fù)荷MW 299.94300.15451.33448.94 600.03589.08
大氣壓力kPa 89.3188.9589.3389.23 89.2188.87
小機(jī)進(jìn)汽壓力MPa 0.460.470.740.74 1.060.90
小機(jī)進(jìn)汽溫度℃ 365.90355.38359.04364.43 368.82365.13
小機(jī)進(jìn)汽流量t/h 23.2821.9129.5828.76 36.0335.85
小機(jī)凝汽器背壓 kPa3.355.864.176.214.797.75
凝汽器循環(huán)水進(jìn)水溫度 ℃14.4826.6414.7227.0913.9729.58
凝汽器循環(huán)水出水溫度 ℃17.0529.0218.8930.7619.7534.63
凝汽器熱負(fù)荷 MW8.959.6114.5114.8820.1620.43
凝汽器傳熱端差 ℃8.906.7010.796.0312.356.27
對數(shù)平均溫差 ℃10.137.8312.767.7215.058.55
凝汽器總體傳熱系數(shù) W/（m2·K）0.530.740.691.160.811.44
凝汽器清潔系數(shù) —0.260.310.330.480.390.59
名稱單位 表2 系統(tǒng)改造前后2B凝汽器主要參數(shù)變化表
2B凝汽器
300MW試驗(yàn)工況450MW試驗(yàn)工況
600MW試驗(yàn)工況
膠球系統(tǒng)投入狀態(tài) 未投投入未投投入 未投投入
機(jī)組負(fù)荷MW 299.94300.15451.33448.94 600.03589.08
大氣壓力kPa 89.3188.9589.3389.23 89.2188.87
小機(jī)進(jìn)汽壓力MPa 0.470.480.750.75 1.060.91
小機(jī)進(jìn)汽溫度℃ 365.90355.38359.04364.43 368.82365.13
小機(jī)進(jìn)汽流量t/h 23.7622.5130.9329.96 38.1537.35
小機(jī)凝汽器背壓 kPa3.415.934.326.274.897.82
凝汽器循環(huán)水進(jìn)水溫度 ℃14.8627.0915.1027.4914.3429.99
凝汽器循環(huán)水出水溫度 ℃17.7329.6619.4031.3020.1935.13
凝汽器熱負(fù)荷 MW10.0210.4115.0015.4120.3820.74
凝汽器傳熱端差 ℃8.516.2910.885.6612.285.94
對數(shù)平均溫差 ℃9.887.5012.917.4015.018.24
凝汽器總體傳熱系數(shù) W/（m2·K）0.610.840.701.261.071.52
凝汽器清潔系數(shù) —0.290.350.340.520.400.62
4.2.2凝汽器傳熱端差
凝汽器端差是凝汽器壓力下的飽和水蒸氣溫度與凝汽器冷卻水出口溫度之差，是衡量凝汽器經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)。
凝汽器傳熱端差計(jì)算公式如下：Δtk=tbbh-txhc（2）式中：Δtk為凝汽器端差(℃);tbbh為小機(jī)排汽壓力下的飽和溫度(℃);txhc為小機(jī)凝汽器出口循環(huán)水溫度(℃)。膠球系統(tǒng)投運(yùn)正常后，在相同負(fù)荷下，兩臺小機(jī)凝汽器傳熱端差改善2.3～6.77℃,效果明顯。
4.2.3凝汽器清潔度
清潔系數(shù)是影響總體傳熱系數(shù)的主要因素，清潔系數(shù)計(jì)算公式如下：βc=K0××βm式中：βc為清潔系數(shù)；K為當(dāng)前凝汽器的總體傳熱系數(shù)；K0為基本傳熱系數(shù)，K0=c1×νm1/2，其中c1為傳熱管內(nèi)徑系數(shù)，νm為冷卻水流速；βt為冷卻水溫度系數(shù)；βm為管材和壁厚修正系數(shù)。
膠球清洗裝置系統(tǒng)投運(yùn)正常后，在相同負(fù)荷下，兩臺小機(jī)凝汽器清潔度得到提高，尤其是在高負(fù)荷階段，效果明顯。
4.2.4凝汽器膠球清洗裝置經(jīng)濟(jì)效益
由表1、表2對比可知，膠球系統(tǒng)投運(yùn)正常后，在相同電負(fù)荷工況下，小機(jī)汽耗量減小，3種工況下平均節(jié)汽量約1.80t/h。以下經(jīng)濟(jì)性計(jì)算，小機(jī)進(jìn)汽焓值取3180kJ/kg，鍋爐效率93.5%，管道效率99%，年運(yùn)行天數(shù)200天，電煤低位發(fā)熱量23100kJ/kg，原煤單價(jià)取860元/t，則年節(jié)約費(fèi)用約：3180x1.80（23100x99%x93.5%）x200x24x860亡10000≈110.5萬元/年本次改造投入成本138.61萬元，在不考慮膠球損壞帶來損失的前提下，收回成本需：138.61110.24≈1.26年
4.2.5減碳量
依據(jù)4.2.4內(nèi)容，年節(jié)約發(fā)電標(biāo)煤約1010.35t，參照國家統(tǒng)計(jì)局相關(guān)數(shù)據(jù)，相應(yīng)CO2排放因子取2.62，則年減少碳排放約2647.12t。
隨著國家“雙碳”計(jì)劃的實(shí)施，節(jié)能減排工作刻不容緩。以往的研究改造通常側(cè)重于主機(jī)冷端系統(tǒng)，對輔助設(shè)備的關(guān)注相對不足，本文通過凝汽器膠球清洗裝置系統(tǒng)改造前后投運(yùn)效果對比，證明對輔機(jī)系統(tǒng)實(shí)行有效的節(jié)能改造措施，對企業(yè)節(jié)能降耗有著重要意義，尤其是在“雙碳”“三改”政策下，類似小機(jī)凝汽器膠球清洗裝置系統(tǒng)改造等節(jié)能技改類項(xiàng)目，可作為發(fā)電企業(yè)挖掘內(nèi)部節(jié)能潛力、降低發(fā)電成本的重要途徑，助力企業(yè)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，同時(shí)文中所述改造方法可供存在同樣問題的電廠參考。