电厂汽轮机空冷系统优化及节能降耗研究

2023-11-10汪海凤吕耀东

中国资源综合利用 2023年10期

汪海凤，吕耀东

（内蒙古科技大学，内蒙古包头 014017）

煤炭是我国的主体能源，以煤电为基础的电力能源结构不会在短期发生根本改变。但是，燃煤电厂会消耗大量的煤炭和水资源[1]。当前，既要保证电力行业的发展，又要有效减少水资源消耗。与火力发电的其他冷却方式相比，空冷用水量大幅减少。在直接空冷机组中，背压的高低直接决定汽轮机做功的多少，特别是夏季高温天气严重制约满负荷工况的实现。汽轮机负荷与燃煤量并不是呈线性关系，负荷越高，相对煤耗就会越少。某电厂在2010年投入运行，现已运行多年，空冷系统对机组负荷的影响日趋明显。2010—2020年，该电厂汽轮机组在30 ℃温度下的真空度与负荷对比如图1所示。

图1 2010—2020年电厂汽轮机组在30 ℃温度下的真空度与负荷对比

1 电厂汽轮机空冷系统运行现状

因电厂汽轮机组已运行多年，与凝汽器连接的设备管道及焊口等位置易出现腐蚀、失效等问题，主要表现为高低加事故放水系统内漏、凝汽器底部放水门存在轻微泄漏、抽空气系统阀门与管道泄漏、疏扩焊口或伸缩节泄漏等。与此同时，轴封压力过低、轴封间隙过大也会导致真空泄漏现象，这对机组真空严密性的影响较大。该电厂在2010年投运时进行真空严密性试验，真空下降率为0.11 kPa/min，而真空下降率不大于0.13 kPa/min 时，判定机组真空严密性合格。近年来，机组真空下降率已达0.22 kPa/min，多次真空严密性试验结果均为不合格。马汀山等[2]研究认为，机组真空严密性差，表现为真空下降率大，此时大量空气进入凝汽器，降低凝汽器的传热效果，甚至直接抬高凝汽器压力，使抽气设备过载，凝结水过冷度和含氧量急剧增加，影响汽轮机组的安全和经济运行。

该电厂采用水环式真空泵作为凝汽器的抽气设备，每台机组配置2 台水环式真空泵，一运一备。投运初期，在大气温度29.5 ℃、冷却水温度不大于30 ℃的满负荷工况下，机组背压可达31 kPa，夏季，机组允许最高背压为36 kPa，足以应对高温天气。近年来，在同等工况下，机组已无法在高温环境下满负荷运行。研究发现，在初温相同的工况下，真空泵板式换热器出口水温逐年升高，极大地影响真空泵效率。王标等[3]研究发现，由于循环水温度的升高，工作水温度超过33 ℃，水环式真空泵的抽吸能力大幅下降，导致机组真空度降低，极大地影响机组运行的经济性和安全性。

空冷凝汽器是空冷系统的重要设备之一，该电厂每台机组设置1 套空冷凝汽器，汽轮机低压部分排汽，排汽装置在机组启动和正常运行时收集空冷凝汽器的凝结水。逆流单元的少量冷却蒸汽和不凝结气体由真空泵抽出排向大气，大部分不凝结气体进入排汽装置热井。随着机组运行年限的增加，空冷凝汽器的效率逐年下降，在夏季高温天气下难以维持目标负荷。经分析，主要原因在于翅片管脏污、堵塞，顺流区1 个冷却单元对应的翅片迎风面积为148.5 m2，目前，其交换面积大幅减少。同时，空冷风机在同频率下的电流呈上升趋势，影响风机频率的调整。该电厂地处西北地区，每年4月下旬到5月上旬，风沙大，杨柳絮漫天飘飞，直接空冷机组运行工况最恶劣，大量的杨柳絮、风沙被空冷凝汽器风机吸入，堵塞空冷管束翅片。机组负荷升高、夏季气温攀升将进一步造成真空度下降，再加上北方风沙影响，空冷凝汽器翅片积灰严重，翅片冲洗不到位将严重影响机组真空度，阻碍发电。不同环境温度下，积灰厚度对汽轮机真空度的影响如图2所示。

图2 不同环境温度下积灰厚度对汽轮机真空度的影响

设备管理缺陷一直是制约该电厂汽轮机真空度提升的关键因素，设备日常管理包括检维修、日常检查、消缺、监测、改造等内容。该电厂设有专职的设备管理部门，但长期以来，认知存在一定偏差，其认为设备管理是专业的事情，没有形成设备管理靠全员的理念。与此同时，更多注重设备管理人员的专业技能，对其管理能力缺乏必要的培训、考察，导致多数设备管理人员对自己的职责范围认识不清晰，管理方法死板老套，同时导致检修工作不达标或者系统误操作等，难以起到应有的作用。另外，该电厂运行多年，设备管理人员多数认为技术比较成熟，不需要有任何改造，守成思想严重，创新不足，同时缺乏对互联网的深度挖掘和应用。该电厂已经运行十多年，很多设备老化速度加快，以前的三年一修已无法满足设备的正常运行需求。

汽轮机真空度的优劣既与自身系统及相关设备有关，还与运行人员的专业水平、精力、态度等因素密不可分。前期调查发现，该电厂真正能够熟练掌握系统、设备的运行人员不到20%，倒班方式为四班三倒，每个班施行8 小时工作制，大多数运行人员认为，休息时间内无法恢复上班消耗的全部精力，疲惫感很强，与此同时，该电厂运行人员对企业的归属感不强，工作态度比较消极。如此必然造成空冷系统风机频率等调整的不及时和设备巡检的不到位，在夏季高温天气下，将不能使空冷系统在极限条件下运行，势必影响机组的高发或者满发状态。

2 电厂汽轮机空冷系统优化方法

汽轮机真空严密性不良时，较多的空气漏入真空系统，真空泵出力不够，不能及时抽走漏入的空气，导致汽轮机的排汽压力、温度上升。随着朗肯循环效率的降低，供电煤耗增加，高负荷时可能引起汽轮机超出力。真空度的变化直接影响汽轮机运行的经济性，真空度升高，排汽压力下降，汽轮机有效焓降增大，循环水带走的热量就会减少，机组的热效率升高。空气漏进凝汽器后，降低凝汽器真空度，有效焓降相应减少，循环水带走的热量增加。真空严密性试验可以判定凝汽器工作正常与否，从而采取措施消除漏点。同时，汽轮机的排汽温度上升，会导致汽轮机轴承中心的偏移，严重时可能会造成汽轮机振动。此外，凝汽器真空下降时，为保证机组出力不变，要增加主蒸汽流量，引起轴向推力增大，对汽轮机的安全运行构成危害。

2022年，利用停机检修的机会，多次对凝汽器真空系统进行高水位灌水查漏。该电厂重点对与汽轮机及凝汽器连接的设备、管道进行查漏并封堵，对存在裂纹的管路进行更换，同时排查凝结水泵、真空泵等设备，对设备冷却水管道出现的漏点进行封堵，避免设备备用时空气由此进入凝汽器破坏真空，1#汽轮机组接缸后发现轴封部分有轻微磨损，对其进行修复。同时，利用检修机会，对汽缸前轴封间隙进行测量并调整，避免从低压侧漏入空气。采取上述一系列措施后，该电厂再次做真空严密性试验。试验前，机组带80%额定负荷，确认负荷、真空稳定，加热器全部投入运行，备用真空泵正常，联锁开关退出，空冷风机由自动切为手动，保持风机转速不变。下面按照步骤开展试验。记录试验前真空度；停止运行真空泵，进口蝶阀联动关闭；待运行真空泵进口蝶阀全关30 s后，开始记录真空度，以后每分钟记录一次，共记录8 min；8 min 后试验结束，启动停运的真空泵，联开进口蝶阀，恢复机组至正常运行状态，将备用真空泵联锁开关投入；取后5 min 的记录值，计算真空每分钟的平均下降值，真空下降率不大于0.13 kPa/min 时，真空严密性试验结果为合格，如超过此限，则应查明原因，设法消除问题。试验结果显示，真空下降率为0.13 kPa/min，虽然它无法与机组投运初期相比，但真空严密性已有很大改善。

夏季，真空泵的工作液温度是制约真空泵出力的首要因素。屈彬彬等[4]采用数值计算方法模拟凝汽器的性能，结合真空泵各工况抽吸性能的变化，将凝汽器与下游真空泵进行性能匹配，得出真空泵工作水温度提高，其抽吸性能有所降低。由此可见，降低真空泵工作水温度是提高真空泵运行效率的方法之一。经试验，真空泵冷却水温度与真空度的关系曲线如图3所示。

图3 真空泵冷却水温度与真空度的关系曲线

水环式真空泵的工作液温度越高，水蒸气的饱和分压力就越高，相应地，泵腔内的绝对压力也越高，泵的抽吸效率就越低，达不到很好地抽出凝汽器内不凝结气体的要求。真空泵工作液为凝结水，冷却液来自循环水，投运时已考虑工作液温度对真空泵效率的影响，每台真空泵设置一组换热面积7.1 m2的板式换热器，以循环冷却水为冷却介质，利用板式换热器降低工作液温度，但运行多年后，换热效果下降明显，很多时候需要启动两台真空泵才能勉强满足生产需求。综合考虑成本、效率等因素，设备管理人员利用2022年检修机会，将真空泵工作液改为温度更低的除盐水，并定期清洗板式换热器，效果仍不佳时，再更换换热效率更高的换热器，或者用温度更低的冷却水来替代循环冷却水，经初步改造，真空泵效率已得到大幅提升。同时，该电厂运行人员经过实践对比发现，将真空泵分离器放水门长时间开启，与真空泵分离器补充水达到平衡，可以将温度升高的水不断排出，对比开启放水门前后真空度，发现有一定效果，但对除盐水资源造成浪费。于是，在不停设备的工况下，采取局部隔离措施后，对真空泵分离器放水管道进行在线改造，将原本通至凝结水泵坑的放水管改到低压除氧器补水管道，减少除盐水资源的浪费，同时满足真空泵工作液的冷却需求。因运行多年，循环冷却水管积累大量水垢，减少单位时间通过的循环水量，降低板式换热器的冷却效果。该电厂对真空泵板式换热器冷却水入口管路进行疏通，在此期间，发现管路一弯头处堵塞严重，同步更换循环冷却水管路母管至真空泵板式换热器多处弯头。改造后，真空泵的抽吸能力大大提升，改善机组真空。

空冷凝汽器是空冷系统的重要设备之一，其效率受环境风、温度、翅片散热效果、风机频率等影响很大。在夏季高温环境下，风机频率不变时，只有改善翅片散热，才能提升空冷凝汽器换热效率。针对设备特点，该电厂利用高压水车冲洗2 台六列空冷凝汽器，对翅片进行冲洗，每列冲洗完毕，必须由设备工程师验收、运行人员试转。与此同时，该电厂对整个空冷凝汽器抽汽管道进行查漏补漏，保证不因锈蚀等原因出现真空泄漏现象。当蒸汽无法被有效冷凝，真空度过高时，运行工况改为2 台真空泵运行，将管束中的不凝气及时抽出，保证机组安全稳定运行。虽然该电厂空冷凝汽器换热效率已得到很大提升，但是高压冲洗车人工冲洗也存在诸多弊端，如耗时耗力，还有很多危险因素。该电厂的预备改造方案提出在空冷单元中加设喷淋冷却系统，可以降低翅片温度，改善真空。除此之外，根据当地风向风速特点，更改空冷凝汽器的风机叶片角度，在空冷凝汽器下方加装防风网，从而提升空冷凝汽器效率。

设备的全面管理是提升设备运行效率的必要手段。针对空冷系统相关设备，该电厂采取有效措施，从设备管理角度出发，进一步提升空冷系统效率。设备管理人员是设备管理的主体，该电厂对设备管理人员开展定期培训，对其专业水平、技术能力和职业素养进行全方位提升，明确各岗位责任，将责任制度落实到各个岗位中。同时，对设备缺陷登记、消除、审核进行智能化管理。该电厂使用的缺陷管理系统涵盖设备缺陷登记、处理、验收、查询、统计、考核管理等模块，将为设备工程师提供更加清晰明了的信息。该电厂引进设备缺陷管理智能化平台，更加方便设备管理人员对设备缺陷进行统计分析，更加直观、动态地把握设备状况，从而促进设备缺陷更加明确、维护目标更加准确。为保证设备维护的及时性，不至于将小缺陷拖成大缺陷，该电厂细化缺陷标准，按照缺陷可能导致的后果，由之前的3 个等级细化为5 个等级，这将进一步提升检修人员维护设备的积极性，使设备维护效果更加显著。根据缺陷分类消除缺陷，将使工作效率大幅提升。对于空冷系统，从小处着手是保证机组稳定性和发电效益的共同要求。

该电厂设备管理人员通过查阅资料，对高加疏水系统进行改造。该电厂2 台汽轮机组除承担发电任务外，还兼备调压任务，负荷动作频繁，2 台高加汽侧由一二段抽汽所带，势必导致高加水位动作频繁，高加水位超限，高加事故放水电动门频繁动作，对机组真空造成很大影响。该电厂设备管理人员将高加疏水系统由逐级自流改为汽液两相阀的工艺流程，将高加疏水全部引至高压除氧器，极大地增加高加液位的稳定性，也进一步保证机组真空的稳定。该电厂还对设备管理和缺陷维护的制度进行系统完善，把制度落实到工作的各个环节，加强对制度执行者的制约，以制度为抓手，完成由设备管理人员维护设备向所有相关人员共同维护设备的转变，包括设备启停注意事项的细化、巡检内容的细化、设备定期轮换的执行、缺陷登记处理等，针对空冷系统，严格制定空冷凝汽器、真空泵、凝结水泵等重要设备的维护管理制度。杨勤等[5]介绍了利用相似性原理建模的发电设备故障预警系统，提出电厂可以利用各种机会对设备实施状态检修，而非等到固定时间间隔后进行计划检修，或者等到设备发生故障后进行故障检修。由此可见，检修已不再局限于长周期的大检修，该电厂汽轮机组运行多年，为进一步优化设备管理，将三年一大修的检修周期更改为两年一次消缺检修、三年一次大检修，避免空冷系统因设备原因出现效率不高现象。

郭彤梅等[6]认为，当员工的工作绩效能够被组织认同并获得相应回报时，高水平的心理资本可以提升员工的工作激情与努力程度，进而表现出高水平的创新绩效。员工的能力、状态必然影响其工作效率，对于空冷系统而言，人员的精细调整可以让真空达到更加优良的状态。近年来，该电厂逐步意识到人员的优化管理能够对生产数据产生正向影响，采取措施来正向激励员工和反向消除员工消极情绪。该电厂从自身实际出发，开展形式多样的培训工作，定期组织专业工程师进行系统授课，开展专业事故预想、桌面演练，每月按时组织月考，以考促学，每季度开展职工技能大赛并给予奖励，以此激发员工钻研专业知识，提升运行人员专业技术水平。另外，体脑疲劳也是造成空冷系统调整不及时或者不完善的一个重要原因。该电厂逐步开始意识到这一问题，并对相关制度进行优化，通过合理调整各班人员，将排程方式由之前的四班三倒更改为五班三倒，可以让运行人员得到更好的休息，同时，为了避免员工长时间在同一岗位面对同样的工作内容而产生厌倦心理，该电厂探索跨专业轮岗制度，对工人进行培训使其熟悉不同的岗位，减少工人的疲劳度和乏味感。为进一步激发员工的工作积极性，消除疲劳，该电厂还制定员工定期疗养制度，经过一段时间全身心的放松调整，员工的精神状态能够得到很大改善。为进一步消除职工内心负面情绪，该电厂建立员工心理疏导室，借助拳击等运动，让员工的负面情绪得到宣泄，同时，定期开展领导接待日活动，并对员工提出的意见及时给予答复，形成良性循环。这些措施出台前后，经问卷调查，觉得自己会在工作中对空冷系统相关参数进行精细调整的人数从之前的不足30%增长到80%。实践证明，这些政策出台后，同等条件下，真空数值确实优于之前，通过查看真空度变化曲线，调整频率明显高于政策出台前。该电厂通过开展发电量竞赛，与月奖金直接挂钩，进一步提升运行人员调整的积极性，在外界温度与运行工况相同的条件下，生产实践数据显示，其真空度优于发电量竞赛前0.6 kPa 左右。