某廠小機膠球清洗系統長期無法收球問題的治理與效果分析

盧鵬宇 洪大智 李燕平 高世杰 青可兒

摘 要：為了逐步實現“雙碳”目標，各發電企業通常采用汽機通流改造、供熱改造等成熟技術進行節能優化，取得了突出效果。隨著“三改”政策的穩步實施，節能減排工作要求愈加嚴苛。現以某廠小機膠球清洗系統改造前后節能量、碳減排量的計算為例，說明輔機節能潛力巨大，值得發電企業進一步挖掘。

關鍵詞：“雙碳”;“三改”;節能減排;膠球清洗;輔機節能

中圖分類號：TM621.3? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2022）10-0052-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.10.014

0? ? 引言

“十四五”開始，中國將逐步實現2030年碳達峰目標和2060年碳中和愿景。國家發展改革委、國家能源局印發了《國家發展改革委 國家能源局關于開展全國煤電機組改造升級的通知》（發改運行〔2021〕1519號）（簡稱《通知》），根據《通知》要求，全國各地在推進煤電機組改造升級工作過程中，需統籌考慮煤電節能降耗改造、供熱改造和靈活性改造，實現“三改”聯動。

基于上述要求，當前各火力發電廠通常采用汽輪機通流部分改造、供熱改造等成熟、適用的節能改造技術，取得了良好的節能降耗效果，但上述改造往往投資較大，回收周期較長。而輔機節能[1]改造具有投資小、收益明顯的特點，正越來越受到發電企業的重視。針對小機膠球清洗系統，尤其是投運時間較久、投運效果較差、資金緊張的企業，對其進行有效治理，可顯著提高凝汽器清潔度，降低機組發電煤耗。

1? ? 設備概況

某廠二號機組汽輪機為東方汽輪機廠生產的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。機組配置兩臺50%容量的汽動給水泵組和一臺30%容量的電動給水泵，每臺小機設有獨立的凝汽器并配套膠球清洗裝置。

2015年機組加裝尖峰凝汽器后，小機膠球清洗系統多次投運，收球率一直為零，考慮到堵管風險，停運膠球清洗系統。由此造成小機凝汽器臟污，小機背壓增加，汽耗量增加，機組整體耗能增加。

2? ? 問題分析

2.1? ? 設備概述

小機凝汽器為杭汽生產制造的四流程凝汽器，冷卻面積1 660 m2，管束材質為TP317，冷卻管數量3 800根，有效長度5 600 mm，循環水流量設計值3 300 m3/h，循環水管徑？準720×8 mm，冷卻水為黃河水，運行中常有水塔填料、雜草等雜質進入循環水系統。

2.2? ? 原因分析

根據現場情況綜合判斷，導致收球率低的主要原因有以下3個方面：

2.2.1? ? 系統阻力大

（1）膠球清洗系統管路較長，且直角彎太多，造成局部阻力大，循環水動力偏小，不足以克服系統阻力，膠球無法正常通過冷卻管束，堵塞管道，不能達到清潔的目的。

（2）小機凝汽器為杭汽生產的四流程凝汽器，水室內部結構復雜、死角多，膠球進入凝汽器后在水室內打轉，無法順利通過。

（3）膠球清洗系統長期無法正常投運，管束內壁結垢、增厚，直徑變小，膠球無法正常通過。

2.2.2? ? 循環水旋轉濾網攔污效果差

小機凝汽器冷卻水為開式循環水，循環水通過凝汽器帶走小機乏汽產生的熱量，循環水溫度升高后回到冷卻塔進行散熱，如此往復循環。機組循環水泵入口套旋轉濾網裝置，用于過濾水中雜質，但旋轉濾網由于年久失修，不能有效攔污，因此循環水系統雜物較多，水中雜質隨循環水流動堵塞凝汽器管束，堵塞收球網出口。

2.2.3? ? 收球網存在設計缺陷

（1）收球網網板結構單薄，易變形。收球網網板間隙不均勻，導致收球網污染或卡球。

（2）收球網網板角度不合理。收球網距離收球彎管段太近，收球網網板呈30°，角度太大不利于收球。

（3）收球網出球口管徑偏小。出球口偏小不利于膠球的順暢排出，易導致網板積球，出球口堵塞。

（4）收球網導流板不合理[2]。導流板結構不合理，不能起到應有的導流效果，甚至起到反作用，形成渦流，使膠球在收球網出口處打轉、聚集，不能及時排出，堵塞收球網出口。

（5）收球網執行機構設計不合理[3]。收球網投運時間較長，開關次數多，且設備長久承壓，易導致收球網不能關閉到位，在殼體與收球網筒體內壁形成較大的間隙，造成跑球。

3? ? 處理過程

鑒于機組尖峰改造前系統收球率正常，且全廠機組所用膠球均采自同一廠家，因此排除凝汽器結構以及膠球本身質量問題。

為提高膠球的回收率，徹底解決小機膠球長期無法回收的難題，保證凝汽器清潔度，達到節能減排的目的，重點從以下幾個方面進行處理。

3.1? ? 更換高品質旋轉濾網網板，確保循環水水質

結合機組檢修，發現大量水塔填料堵塞聚集在收球網出球口，堵塞出球口，且旋轉濾網框架損壞嚴重，起不到應有的攔污作用。

因此，應選擇較好的濾網，從源頭進行治理：

（1）為了防止水質對于網板的腐蝕，所有濾網均選用316L材質;

（2）為了更好地確保通流量，單臺濾網網板1/3部分打孔？準7 mm，其余部分采用5 mm×5 mm的網絲，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? ? 優化現有膠球清洗管路

依據“管路盡可能短、管路彎頭盡可能少”的原則，拆除多余的彎頭，同時結合ANSYS仿真使管道布置趨于合理。

3.3? ? 優化收球網結構

收球網作為膠球清洗系統的主要部件，參考以往檢修經驗，結合ANSYS仿真結果，重點從以下5個方面進行改進：

（1）改進收球網板角度，將活動收球網板與循環水管殼體內壁的夾角在空間允許的情況下盡量減小，使結構更符合水流動力學原理，使膠球更容易排出;

（2）將原有出球口直徑由108 mm擴至138 mm;

（3）收球網板格柵由原來的7 mm×4 mm變為4 mm×

4 mm;

（4）收球網材質整體更換為316L材質，轉軸為雙相鋼材質;

（5）在角度及尺寸方面對原有擾流板進行優化。

改進后，冷卻水在出球口處不易形成渦流，且由于夾角變小，活動網板變陡峭，膠球能更順利地排出。同時，在網板下部的出球口處設置穿孔固定網板，并與殼體呈圓弧形焊接，以消除水流沖擊產生的渦流，增大出球口空間，從而使收球更加通暢。

4? ? 改造效果及經濟性

4.1? ? 改造效果

2021年6月18日，系統改造完成;6月25日系統首次投運，一周后收球，兩側收球率分別為96.7%和98.3%;隨后連續運行至12月，收球率基本在接近97%或以上，達到改造效果。

設備連續投運3個月，小機及凝汽器端差、清潔度、凝汽器熱負荷等重要指標計算結果如表1、表2所示。

4.2? ? 經濟性

根據表1、表2計算結果，重點從以下幾個方面進行對比。

4.2.1? ? 對數平均溫差

凝汽器對數平均溫差計算公式如下：

LMTD=■=■? ? ? ? ? ? （1）

式中：LMTD為對數平均溫差（℃）;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（℃）。

膠球系統投運正常后，在相同負荷下，兩臺小機凝汽器對數平均溫差改善2.2～6.34 ℃，效果明顯。

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，是衡量凝汽器經濟性的重要指標。

凝汽器傳熱端差計算公式如下：

Δtk=tbbh-txhc? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：Δtk為凝汽器端差（℃）;tbbh為小機排汽壓力下的飽和溫度（℃）;txhc為小機凝汽器出口循環水溫度（℃）。

膠球系統投運正常后，在相同負荷下，兩臺小機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

清潔系數是影響總體傳熱系數的主要因素，清潔系數計算公式如下：

βc=■? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中：βc為清潔系數;K為當前凝汽器的總體傳熱系數;K0為基本傳熱系數，K0=c1×νm1/2 ，其中c1為傳熱管內徑系數，νm為冷卻水流速;βt為冷卻水溫度系數;βm為管材和壁厚修正系數。

膠球系統投運正常后，在相同負荷下，兩臺小機凝汽器清潔度得到提高，尤其是在高負荷階段，效果明顯。

4.2.4? ? 經濟效益[4]

由表1、表2對比可知，膠球系統投運正常后，在相同電負荷工況下，小機汽耗量減小，3種工況下平均節汽量約1.80 t/h。

以下經濟性計算，小機進汽焓值取3 180 kJ/kg，鍋爐效率93.5%，管道效率99%，年運行天數200天，電煤低位發熱量23 100 kJ/kg，原煤單價取860元/t，則年節約費用約：

3 180×1.80÷（23 100×99%×93.5%）×200×24×

860÷10 000≈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：

138.61÷110.24≈1.26年

4.2.5? ? 減碳量

依據4.2.4內容，年節約發電標煤約1 010.35 t，參照國家統計局相關數據，相應CO2排放因子取2.62，則年減少碳排放約2 647.12 t。

5? ? 結語

隨著國家“雙碳”計劃的實施，節能減排工作刻不容緩。以往的研究改造通常側重于主機冷端系統，對輔助設備的關注相對不足，本文通過膠球清洗系統改造前后投運效果對比，證明對輔機系統實行有效的節能改造措施，對企業節能降耗有著重要意義，尤其是在“雙碳” “三改”政策下，類似小機膠球清洗系統改造等節能技改類項目，可作為發電企業挖掘內部節能潛力、降低發電成本的重要途徑，助力企業實現“雙碳”目標，同時文中所述改造方法可供存在同樣問題的電廠參考。

[參考文獻]

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[2] 施建沖，郁浩.350 MW機組凝汽器膠球清洗系統改造與分析[J].熱力透平，2005（3）：180-182.

[3] 李曉軍，賈瑞婷.達電330 MW凝汽器膠球清洗系統收球率低的原因分析與措施[J].科技創新與應用，2016（3）：127.

[4] 周獻東，王靜，張犇，等.600 MW機組采用汽動給水泵代替電動給水泵啟動的探討和實施[J].能源研究與利用，2021（3）：52-55.

收稿日期：2022-02-15

作者簡介：盧鵬宇（1990—），男，內蒙古人，工程師，研究方向：火電廠熱能動力裝置。