利用雙水冷卻凝汽器的節能實踐

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

國產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，能夠以熱網循環水替代一半（或全部）的間冷循環水，實現利用凝汽器提高熱網循環水回水初溫的節能目標。

通過對雙水內冷凝汽器[1]專利的研究和挖掘，發現把Scal 間接空冷系統的凝汽器改造成雙水內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循環水，或者說是用電廠冷端棄熱作為采暖供熱的初級熱源,能夠達到節能目的。雙水內冷凝汽器雖然是為干濕聯合冷卻“量身定制”的產品，但轉用到新疆喀什熱電廠、寧夏WZ 熱電廠和甘肅WW 熱電廠的供熱節能改造上，均能取得顯著的成效。

1 改造前的系統

改造前主廠房內的間冷循環水系統圖如圖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

改造后主廠房內的間冷循環水系統加載了熱網循環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只能左半側用熱網循環水冷卻。

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凝汽器，允許長期雙水冷卻雙半側凝汽器運行。

過渡工況以圖2熱網水退出冷卻凝汽器最為麻煩，例如，退出熱網循環水單水冷卻工況，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，即關斷閥門⑦⑧，用除鹽水置換殘留在右半側凝汽器中的熱網水，完成右半側凝汽器沖洗后，再打開閥門③④，投運右半側用間冷循環水冷卻；

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

熱網循環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沖洗之用。

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

圖4 “制熱¤21”模式原理圖

或者待“半制熱¤22”模式穩定后，再切換至更高效的“制熱¤21”模式。

投熱網水時不用沖洗凝汽器，直接把間冷水作為熱網循環水的補充水去使用。

認為“¤21”模式的制熱量大于“¤31”的觀點是錯誤的，證明如下：

乏汽變為凝結水釋放的熱量=循環水吸收的熱量

式中：Dk—凝汽量，ΔI—乏汽與凝結水的焓差，Q—循環水流量，Δt—循環水的溫升，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，循環水的溫升與采用多少個流程沒有直接關系。“制熱¤31”是“制熱¤21”的等效模式，區別僅是凝汽器冷卻管內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結垢加劇。

甘肅WW 電廠凝汽器的冷卻管材質為不銹鋼TP304，氯離子對其存在腐蝕現象。

關于腐蝕的問題，目前國際上也沒有確切的結論。WW 電廠熱網循環水氯離子含量在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 熱網循環水系統的接入

采用兩路獨立冷卻水源雙半側冷卻凝汽器，半側采用間冷循環水冷卻，另外半側采用熱網循環水回水作為冷卻水源，將熱網循環水回水由50℃加熱到70℃，再由熱網加熱器加熱到96～110℃供給用戶，此時汽輪機高背壓運行，背壓不超過32kPa。凝汽器變為“標準的”雙水內冷凝汽器。

現有的凝汽器不用改造或者經過較小的加固，就可成為雙水內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。熱網循環水的退出（含沖洗）/投入時，凝汽器不得不半側運行，但不建議長期半側運行。新疆喀什某電廠凝汽器長期半側運行，遭遇到汽輪機廠的反對。

3.2 凝汽器增設安全閥及膨脹控制

汽輪機技術協議中凝汽器的設計壓力描述為不小于0.4MPa（g）,未明確設計壓力的具體數值。根據汽輪機廠的最新承諾，凝汽器水側可以在0.6MP（g）運行。熱網循環水回水壓力最高為0.573（g）,低于0.6MPa（g）。因此凝汽器基本可以滿足熱網循環水回水壓力要求。由于熱網循環水系統管線比較復雜，熱網循環水泵也存在切換的運行方式，為防止熱網系統發生水錘時對凝汽器的損害，考慮對凝汽器水側增設安全閥。

凝汽器兩側熱網循環水和間冷循環水運行溫度不一樣，凝汽器本體的兩側膨脹會有差別。根據汽輪機廠傳真，要求凝汽器兩側循環水出口溫差不超過20℃。按其它投運工程經驗，凝汽器可以安全運行。

3.3 熱網循水對凝汽器的腐蝕問題

熱網循環水是經反滲透處理的軟化水，水中各種離子的含量極低。所以從設計角度看，凝汽器冷卻管TP304不需要更換材質，不銹鋼完全適用。根據業主方提供的熱網循環水質，熱網循環水氯離子含量不高，滿足要求。

3.4 凝汽器前增設調節蝶閥

在汽機房凝汽器入口循環水管道上的原電動蝶閥前增設調節閥型電動蝶閥，在調解閥前再增設一個電動檢修閥，以便更精確的配合變頻循環水泵對循環水流量進行調節，即：共需增設1套DN1800電動調節蝶閥和1套DN1800電動檢修蝶閥。

3.5 增設沖洗水系統

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

3.6 間冷循環水泵改為變頻泵

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

3.7 冷卻塔內旁路上增設調節蝶閥

保留間冷塔內旁路管道上的已有電動蝶閥，再增設1套調節蝶閥及1套檢修電動蝶閥。#1機組共設二套旁路管道，即：共需增設2套DN1000調節閥型電動蝶閥和2套DN1000檢修電動蝶閥。

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

4 改造的經濟性

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（含驅動熱網循環水泵運轉的小汽輪機的完善及技改投資），節約燃煤費用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，使得間冷循環水的流量無法調節，冬季運行1臺泵所提供的流量為12000t/h,是熱網循環水量6000t/h 的2倍，必須實施以下4.1及4.2。

4.1 間冷循環水泵的運行點

間冷循環水系統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 間冷循環水系統投運1臺水泵、半側凝汽器和間冷塔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臺循環水泵、半側凝汽器、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 間冷循環水的運行切換

把WW 電廠#1機的凝汽器改造為雙水內冷凝汽器[1]，需要停機改造。

為了防止工況切換時產生過大的水錘，無變頻泵的改造方案應利用#2機循環水系統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行：

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

WW 熱電#1機組現有的凝汽器經過較小的加固或者不用改造，就可成為雙水內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。不建議長期半側運行。

Scal 系統的計算非常困難，排汽負荷的變化、凝汽器的清潔程度以及環境氣溫、風場的變化等都會對計算結果產生很大的影響，工況組合情況又較為復雜，只能在運行實踐中積累經驗，并通過對冷卻扇區投運的數量、冷卻塔旁路、百葉窗開度等進行調節，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，尚未獲得實測的經濟數據。

喀什熱電高背壓供熱改造[2]是國內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，在兩次熱網失壓事故中均沒有發生跳機現象，表明雙水冷卻雙溫區凝汽器供熱的技術方案合理，保障了運行安全。

喀什熱電在提高機組供熱能力的同時，發電煤耗顯著降低，經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勢明顯，經過測試，全背壓額定供熱工況下發電煤耗降到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m2，一個采暖季可節約5.58萬噸標煤，二氧化碳減排量達到14.75萬噸/a，雙水內冷凝汽器具有廣闊的市場前景和推廣意義。