優(yōu)化余熱發(fā)電附屬裝置

何華 唐順歡 余毅｜文

本文簡(jiǎn)述了原有的余熱回收系統(tǒng)及其裝置因工程前期調(diào)研、論證、設(shè)計(jì)等的不合理，造成生產(chǎn)運(yùn)行中故障停機(jī)頻繁，維修量過(guò)多，能源浪費(fèi)嚴(yán)重等諸多問(wèn)題。通過(guò)對(duì)其余熱回收系統(tǒng)及其裝置優(yōu)化和改造，經(jīng)過(guò)多年使用，達(dá)到了預(yù)期的效果，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

云南冶金集團(tuán)下屬某公司是一個(gè)集鉛、鋅冶煉為一體的有色金屬企業(yè)，整個(gè)冶煉重要過(guò)程均采用DCS自動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了重要過(guò)程的自動(dòng)監(jiān)測(cè)及其控制。為了充分利用冶煉過(guò)程中冶金爐產(chǎn)生的高溫?zé)煔庥酂幔髽I(yè)配置了四臺(tái)余熱鍋爐和一臺(tái)飽和蒸汽發(fā)電機(jī)組，每年可利用余熱發(fā)電達(dá)5600萬(wàn)千瓦時(shí)。發(fā)電機(jī)組及其相關(guān)附屬裝置技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1

余熱發(fā)電附屬裝置存在的問(wèn)題

1.凝汽器存在的問(wèn)題

與發(fā)電機(jī)組相連的兩臺(tái)凝汽器（560平方米），換熱管束為銅管脹接結(jié)構(gòu)，殼體、管板、隔板、進(jìn)汽室等均為碳鋼結(jié)構(gòu)件；通過(guò)的介質(zhì)為含氨、氮較高的低壓蒸汽和凝結(jié)水，冷凝介質(zhì)為經(jīng)過(guò)加藥處理過(guò)的堿性生產(chǎn)循環(huán)水；投運(yùn)僅一年，凝汽器在以上不同介質(zhì)侵蝕，發(fā)電機(jī)組頻繁甩負(fù)荷的振動(dòng)應(yīng)力等因素的綜合作用下，導(dǎo)致凝汽器內(nèi)部管板、隔板等碳鋼結(jié)構(gòu)件腐蝕嚴(yán)重，先后發(fā)生了25根28個(gè)銅制管口斷裂泄漏的事件，使得通過(guò)凝汽器蒸汽凝結(jié)水與生產(chǎn)循環(huán)水混合，頻繁泄漏使得蒸汽凝結(jié)水受生產(chǎn)循環(huán)水污染，不符合鍋爐用水水質(zhì)要求，一直外排且無(wú)法回收使用，經(jīng)常采用堵管方式對(duì)斷裂泄漏銅制管束的凝汽器進(jìn)行修復(fù)，帶來(lái)的是凝汽器有效冷卻面積減小，效率降低。

表2 銅管換熱系數(shù)

表3 不銹鋼螺紋管換熱系數(shù)

2.熱水井與凝結(jié)水泵存在的問(wèn)題

與兩臺(tái)凝汽器相連的兩臺(tái)熱水井，因設(shè)計(jì)時(shí)每臺(tái)容積僅0.3立方米，在發(fā)電機(jī)組投入運(yùn)行過(guò)程中，容積較小的熱水井不適應(yīng)余熱鍋爐蒸汽總量變化需求，導(dǎo)致熱水井水位無(wú)法控制，連鎖保護(hù)經(jīng)常動(dòng)作，致使發(fā)電機(jī)組頻繁停機(jī)，水位變化較大時(shí)，每班發(fā)生多達(dá)7次甩負(fù)荷，導(dǎo)致蒸汽排空浪費(fèi)能源，嚴(yán)重威脅到發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行，并給崗位人員作業(yè)帶來(lái)很大難度。與熱水井相連的凝結(jié)水泵，密封型式為填料密封，連續(xù)運(yùn)行中極易造成填料泄漏，造成凝汽器真空度減小，冷卻效率降低，也直接影響熱水井水位控制，致使發(fā)電機(jī)組頻繁甩負(fù)荷。

優(yōu)化與改造必要性

1.凝汽器改造的必要性

可有效消除含氨、氮較高的低壓蒸汽和凝結(jié)水對(duì)凝汽器管束的侵蝕，降低發(fā)電機(jī)組頻繁甩負(fù)荷的振動(dòng)應(yīng)力，消除碳鋼結(jié)構(gòu)件的抗腐蝕差等綜合因素，最大限度地降低因凝汽器管束損壞造成的凝結(jié)水與生產(chǎn)循環(huán)水混合污染，每天能有效回收再使用近1000立方米左右蒸汽冷凝水，直接經(jīng)除氧器供四臺(tái)余熱鍋爐使用。

2.熱水井與凝結(jié)水泵改造的必要性

使熱水井水位得到有效控制，提高發(fā)電機(jī)組適應(yīng)蒸汽總量變化能力，大大降低發(fā)電機(jī)組因水位連鎖甩負(fù)荷的機(jī)率，提高發(fā)電機(jī)組的安全性和崗位人員的可操作性，增加機(jī)組發(fā)電量。通過(guò)對(duì)凝結(jié)水泵的改造，杜絕密封泄漏，確保凝汽器真空度，有效提高凝汽器冷卻效率，預(yù)防發(fā)電機(jī)組頻繁甩負(fù)荷。

優(yōu)化與改造技術(shù)方案

1.凝汽器改造技術(shù)方案

（1）凝汽器光管與螺紋管換熱管束理論分析

凝汽器管束外蒸汽凝結(jié)為膜狀凝結(jié)，膜狀凝結(jié)的熱阻主要存在于管壁的水膜中，其大小與水膜的厚度及水膜內(nèi)水的紊流度有關(guān)。采用螺旋管，內(nèi)側(cè)的螺紋凸起，增強(qiáng)了管內(nèi)流體的擾動(dòng)，使其紊流程度增加，邊界層減薄，熱阻減小；管外凹槽使液膜內(nèi)的水向內(nèi)聚集，使凸起部分液膜減薄，使得部分換熱由膜狀凝結(jié)變?yōu)橹闋钅Y(jié)，熱阻減小；而光管與螺紋管的水垢熱阻、殼程垢阻和管壁導(dǎo)熱熱阻均視為不變。因此，采用不銹鋼螺紋管后，水阻增加，傳熱系數(shù)增大，有效換熱面積增加。

（2）銅管與不銹鋼螺紋管換熱管換熱分析

原銅管規(guī)格為：2042根Ф20×1，改為不銹鋼管螺紋管為：2042根Ф20×1 材質(zhì)：316L。兩者對(duì)比見(jiàn)表2、表3。

通過(guò)分析，在不考慮水垢熱阻和殼程垢阻的影響下，可知在保持循環(huán)水量不變的情況下，采用不銹鋼螺紋管其傳熱系數(shù)比銅管提高約40%，傳熱溫差減小2℃左右，真空度提高約為8%。不銹鋼螺紋管比銅管的換熱效率大大提高，即在管子規(guī)格、數(shù)量不變的條件下，換熱面積增大。

（3）通過(guò)詳細(xì)的熱力計(jì)算，確定凝汽器改造方案

將原換熱面積為560平方米碳鋼銅制管束凝汽器改為同規(guī)格且主要部件為不銹鋼的凝汽器（管板、隔板、進(jìn)室汽等為304L不銹鋼結(jié)構(gòu)，換熱管束為316L不銹鋼高效強(qiáng)化螺紋管結(jié)構(gòu)），換熱效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足發(fā)電機(jī)組配置要求，其管束與管板采用先脹后焊且增設(shè)分隔支撐板，在滿足換熱效果及提高抗振性能的前提下，有效地防止含氨、氮較高的低壓蒸汽和凝結(jié)水的侵蝕、發(fā)電機(jī)組頻繁甩負(fù)荷的振動(dòng)應(yīng)力影響等綜合因素，極大提高了凝汽器使用壽命和凝結(jié)水回收率（每天約回收1000立方米左右冷凝水），為發(fā)電機(jī)組的安全高效運(yùn)行提供良好的物質(zhì)保證。

2.熱水井與凝結(jié)水泵改造技術(shù)方案

通過(guò)對(duì)進(jìn)入發(fā)電機(jī)組蒸汽總量的波動(dòng)（30噸/小時(shí)左右）導(dǎo)致熱水井水位難以控制情況，確定熱水井由Φ600毫米碳鋼結(jié)構(gòu)改為Φ1000毫米不銹鋼結(jié)構(gòu)，儲(chǔ)水量增大3倍（0.3立方米增至0.9立方米），消除含氨、氮較高凝結(jié)水的腐蝕，可有效解決因余熱鍋爐負(fù)荷不穩(wěn)定，熱水井水位難有效控制的問(wèn)題，提高發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高發(fā)電機(jī)組的安全性和崗位人員的可操作性，增加機(jī)組發(fā)電量。通過(guò)對(duì)泵使用條件及密封材料的分析研究，將容易發(fā)生泄漏的填料密封泵改為機(jī)械密封泵，可解決在同等使用條件下發(fā)生泵的泄漏，確保凝汽器真空度，有效提高凝汽器冷卻效率，有效預(yù)防了發(fā)電機(jī)組頻繁甩負(fù)荷，延長(zhǎng)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行周期時(shí)間。

結(jié)論

凝汽器改造后，設(shè)備的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、抗腐蝕性、換熱效果大大提高，有效消除因凝汽器銅制管束泄漏造成的凝結(jié)水不合格全部排放問(wèn)題，大大節(jié)約了能源，年回收凝結(jié)水25萬(wàn)噸左右，為公司創(chuàng)效達(dá)：25萬(wàn)噸/年×20噸/元＝500萬(wàn)元；熱水井改造完成后，有效消除了發(fā)電機(jī)組因生產(chǎn)工藝波動(dòng)頻繁甩負(fù)荷，機(jī)組甩負(fù)荷情況從改造前的平均3～4次/天，降低為1次/3月；凝結(jié)水泵改造后，基本消除了泵的填料密封泄漏造成的停機(jī)損失，降低維修成本。綜上所述，通過(guò)對(duì)余熱發(fā)電附屬裝置的優(yōu)化和改造，確保了發(fā)電機(jī)組的安全且長(zhǎng)周期運(yùn)行，提高了蒸汽的利用率，在節(jié)約能源的同時(shí)也為公司帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)效益。