汽轮机设备及系统节能措施分析

内容提要本书以火力发电厂汽轮机设备及系统为对象，论述其工作过程中可能存在的能量损失及以节能为目标的运行优化技术和改造措施，并给出了参考案例和经济性分析方法。全书共分九章，包括汽轮机通流部分改造，汽封及系统改造，进、排气结构优化与改造，凝汽系统改造，汽轮机调峰运行节能，多机组负荷优化分配，供热汽轮机运行节能与改造和大型汽轮机快速冷却问题等。前言“建设节约型社会，实现可持续发展”已经被明确为我国的基本国策。资源与环境的压力，迫切要求各领域(尤其是产能和耗能单位)落实国家既定的发展目标。随着一次能源转换为电能的比重、电能占终端能源消费量的比重不断提高，电力行业固有的资源密集型、资源紧缺性的特点，使电力行业成为我国环境资源工作的关键所在，建设节约型电力企业的重任摆在了所有电力工作者的面前。电力工业是技术密集型工业，能量的转换和传输是一个关联性强、比较复杂的系统，因而节能工作实施的效果往往不能通过单独的一个环节来认定，也不能片面强调节约而忽略安全。之前电力企业在某些节能工作方面的“谨慎”态度，一定程度上也说明了推动电力行业节能的工作的艰巨性和复杂性。因此，电力行业节能工作应该遵循科学、系统、实践、推广的规律，既不能畏难不前，也不能求快冒进。为了有效地配合电力企业节能工作的开展，发挥电力行业技术服务部门的作用，中国电力企业联合会科技服务中心在认真分析了电力企业节能工作特点的基础上，联合华中科技大学，有针对性地组织编写了《火力发电厂节能技术丛书》(以下简称《丛书》)，分为《锅炉机组节能》、《汽轮机设备与系统节能》、《热力系统节能》、《节能与控制》四个分册。《丛书》突出强调三个方面：1．实用性：强调应用、借鉴和参考价值。建立以电力企业生产过程中涉及的能量转换原理、能量传输过程为依据，以节能分析为展开线索，以节能手段为落脚点的三重结构。2．开放性：强调聚集全行业的智慧和经验。《丛书》的编写不局限于某几个人的思路，而是面向电力行业所有相关人员，并长期向电力行业开展电力节能案例征集工作。3．长期性：强调在完善总结的基础上，与时俱进地跟踪反映电力节能技术的发展。随着认识水平的提升、技术的进步，会产生很多新的、实用的节能措施和手段，《丛书》将根据电力行业的节能技术的进展情况适时再版。相信在大家的关注和支持下，随着时间的推进、认识的加深、经验的积累，《丛书》一定会为电力企业的节能工作发挥积极的作用。《丛书》的编写得到了各电力集团公司和发电企业的大力支持和指导，在此表示衷心的感谢!由于水平所限、时间仓促，又加上电力节能技术是一个围绕实践、应用发展起来的跨专业、跨学科的技术汇总和研究，因而《丛书》疏漏、错误之处在所难免，敬请广大读者批评指正!《(火力发电厂节能技术丛书》编委会2008年1月分册前言汽轮机设备及系统是火电站、核电站的重要组成部分，承担了将蒸汽的热能转换为机械能的任务。随着全社会对节能减排的重视和关注，如何减少汽轮机设备及系统的能量损失，并提高工作效率，是所有从业人员所面临的挑战。国内外发电企业以节能为目标，从运行优化和节能改造两个方面进行了许多有益的尝试，并已取得了很好的效果。本书作为《火力发电厂节能技术丛书》之一，对汽轮机设备及系统的优化运行和节能改造技术进行了较为系统的论述，包括汽轮机设备及系统节能技术的理论基础、近年来成功的改造经验和优化运行实践，并辅以大量典型案例及其技术经济性分析。书中所列举的改造实例均来自公开发表的文献资料。在此谨向本书所引用文献的全体作者致以衷心的感谢!本书由王坤、杨涛、黄树红主编，张聘亭、姚斯亮等参与编写。北京国华电力技术研究中心有限公司总工靖长财审阅全书，并提出宝贵意见，在此表示衷心的感谢。在本书编写过程中，中国电力企业联合会科技服务中心的席志红先生、郭云高先生，华中科技大学能源与动力工程学院周怀春教授、高伟教授、韩守木教授、张燕平副教授给予了有力指导和大量帮助，在此表示诚挚的谢意!由于水平所限，加之时间仓促，疏漏之处在所难免，恳请读者批评指正。编者2008年1月第一节凝汽器节能优化一、凝汽器节能分析(一)影响凝汽器性能的主要因素凝汽器是汽轮机组的一个重要组成部分，其作用是将汽轮机排汽冷却凝结成水，形成高度真空，使进入汽轮机做功的蒸汽能膨胀到低于大气压力，多做功。若其不能正常运行，将直接影响到整个机组的安全和经济运行。因此，维持凝汽器良好运行工况，保证达到最有利的真空是电厂节能的重要方面之一。造成凝汽器性能降低的主要原因如下。1．凝汽器真空空气漏入凝汽器中，除了使排汽压力和温度升高，降低汽轮机的经济性外，还会使汽轮机低压缸因蒸汽温度升高而变形，造成机组振动，甚至使机组被迫减负荷或停机；其次，由于空气分压力增大，增加了空气在水中的溶解度，因而使凝结水中的含氧量增加，加剧了低压管道和低压加热器的腐蚀，增加了除氧器的负担，对机组安全运行有不利的影响；此外，空气积聚在水管周围，使传热阻力增加，传热端差增大，真空下降；空气分压力增大还产生使凝结水过冷度加大和抽气器的负担增加等不利影响。运行实践表明，真空变化lkPa，机组热耗变化约为70kJ／(kW·h)，标煤变化3～3．2g／(kW·h)。2．凝结水过冷度凝结水温度低于汽轮机排汽压力下的饱和温度称为凝结水过冷度。凝结水过冷度较大，意味着被循环水带走的热量增加，系统的热经济性下降。一般过冷度增加1℃，发电厂的燃料消耗量约增加O．1％～0．15％。另外，凝结水过冷会使凝结水中含氧量增加，引起管道腐蚀。3．冷却管传热系数由于循环水并不是足够的洁净，因此在循环过程中，必定会在传热设备上造成不同程度的结垢。结垢会使冷却管的传热系数大大降低，即使只有厚O．25mm的水垢也可以使传热系数下降31．2％。另外，由于结垢，冷却管的腐蚀将会更加严重，对机组的安全运行极其不利。4．凝汽器端差凝汽器排汽压力对应的饱和温度与凝汽器循环水出口温度差称为凝汽器端差。凝汽器端差取决于凝汽器单位蒸汽负荷、传热系数和冷却水流量，另外，还必须考虑真空系统漏汽量和冷却水管表面污染程度。而传热系数本身又受很多因素的影响。在负荷和冷却水量一定的条件下，端差增大，往往是凝汽器管束内表面脏污及汽侧积存过量空气所致。端差大将使真空恶化，降低机组的经济性。据计算，对于iOOMW机组，冷却水温在20。C时，端差增加1℃，机组煤耗上升1．4g／(kW·h)。冷却水温越高，对煤耗的影响越大。运行中要密切监视端差的变化情况，以便于及时采取措施进行相应的处理，使凝汽器始终运行在良好的状态。另外，随着单机容量的增加，对机组真空严密性要求也更加严格。真空系统严密性要求见表5—1。(二)提高凝汽器真空度的途径1．降低凝汽器热负荷·目前大部分汽轮机采用表面式凝汽器。由于有热阻存在，冷却水温总是比凝结水温要低，热经济性差。排汽量越大，则蒸汽凝结放出的热量就越多，冷却介质需带走的热量越多。然而冷却水流量、传热面积、循环水温度是受生产成本所限制的，为了减轻凝汽器热负荷，提高机组热效率，可以在凝汽器喉部增设一套装置，具体方法有以下两种：一种是在凝汽器上部、排汽缸喉部的有限空间里，加装一个表面式加热器，其入口与工业水系统连接，出口送至化学供水系统加热生水。通过这种方式，一来可以吸收排汽的热量，减轻凝汽器的热负荷；二来可以吸收排汽的热量来加热生水，达到节约能源的作用，从而提高机组的热经济性。这种方法的缺陷有两个方面：一是新装生水加热器铜管排列安装在机组凝汽器冷却水铜管上方，存在汽阻问题；二是增加了凝汽器支撑的质量载荷。因此，方案设计与施工应尽量避开缺点，从而获得尽可能好的改造效果。另一种是在凝汽器喉部增加一套雾化式喷头，通过接触式传热，可吸收部分蒸汽凝结热，使部分补充的除盐水在凝汽器内形成一个混合式凝汽器，从而减轻表面式凝汽器的热负荷，提高真空。这套装置的关键是选好喷嘴，确保喷射后的雾化水空间充满度要大、压差要小；其次需合理设置喷嘴间的相互位置。喷嘴减温虽然效果好，但已形成的凝结水在管束上黏附形成水膜，不利于管束传热。同时，凝结水在自上而下滴落的过程中会遇到冷却水管的再冷却，造成凝结水的过冷度，从而影响整个机组的经济性。因此，并不是喷人的冷却水流量越大，越有利于真空的提高，经济性越好。冷却水量与排汽量的比例应由试验来确定。2．清洗冷却面在凝汽器中，污垢热阻有时会成为传热过程的主要热阻，须给予足够的重视。运行中，循环冷却水采用经过严格预处理的厂内水，同时合理安排冷却面清洗周期，一般采用二步法(干洗法和酸洗法)来清洗。冷却面结垢对真空的影响是逐步积累和增强的，因此判断冷却面是否结垢时，应与冷却面洁净时的运行数据作比较。结垢可使凝汽器冷却管内的阻力损失增大。初期的结垢较松，污泥多，可用干洗法：利用汽轮机日开夜停的机会，选用除氧器的热水灌满凝汽器的汽侧，冷却管内用风机吹干，泥垢发生龟裂后，用冷水冲掉。当凝汽器冷却铜管结有硬垢，真空下降已无法维持正常运行时，则需进行酸洗：可选用浓度5％的有机酸(氨基磺酸)作为主洗剂，对铜管进行清洗。腐蚀速率小于标准1／(m。·h)时，加0．5％的酸缓蚀剂和铜缓蚀剂、适量渗透剂、0．2％氢氟酸，水温在40。C左右，流速0．1m／s，进行循环清洗。当酸度连续两次测定一致时，清洗结束。然后用高位冷却塔水源大流量反冲洗，加工业磷酸三钠，循环中和后排放。酸洗后铜管呈黄铜色，表明未发生过洗现象。由于循环水的含盐量较低，故运行一段时间后，铜管表面可生成一层致密Cu(OH)z保护膜，使铜表面与水隔离，抑制腐蚀。还可以在真空冷凝器的每根管内设置一条可以旋转的塑料纽带(如图5—1所示)。运行时，在具有一定流速(一般要求0．7m／s以上)的冷却水流带动下，产生旋转纽带的侧刃对垢层进行周向刮扫，使管内的水垢的得到连续清洗。3．提高真空系统的严密性定期对喉部以下凝汽器汽侧和真空系统进行灌水检漏，消除喉部、管道接头、水位计连通接头、凝结水泵轴端密封装置等处的漏汽点；检查清理抽气器的喷嘴，保证其抽气效率；根据负荷的变化，合理调整汽轮机轴封蒸汽压力；经常检查负压系统的阀门；加强射汽抽气器的运行调整，法兰处不应有松动现象。4．降低冷却水温在开式循环系统中，冷却水温完全由自然条件决定；而在闭式循环系统中，冷却水温度不仅受大气温度和相对湿度的影响，还取决于循环水设备(主要是冷水塔)的运行状况。冷水塔运行不良，其出口水温将明显升高。要保证水塔正常运行，应落实维护责任制，定期检查水塔内部喷嘴、溅水碟、配水槽、填料等运行状态，发现缺陷及时处理。5．控制凝汽器出入口温差凝汽器出人口温差反映循环水量的大小，一般控制值为8～10。C。冷却水量对凝汽器的性能的影响主要为两个方面：①冷却水量的变化同热负荷变化一样，使冷却水温度升高和端差发生变化，从而影响饱和温度和真空；②冷却水量的变化改变了凝汽器管内流速，使总体传热系数发生变化，同样影响凝汽器真空。