肖學(xué)奎

(上海睿信節(jié)能技術(shù)有限公司，上海 200135)

余熱發(fā)電汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)的設(shè)置與研究

肖學(xué)奎

(上海睿信節(jié)能技術(shù)有限公司，上海 200135)

當(dāng)玻璃熔窯余熱發(fā)電汽輪機(jī)檢修或系統(tǒng)發(fā)生故障時，將無法利用余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽。為了提升機(jī)組運(yùn)行的安全性與經(jīng)濟(jì)性，更好地節(jié)能減排，提出了設(shè)置汽輪機(jī)的旁路系統(tǒng)?；诓Ａ鄹G余熱機(jī)組的特點，設(shè)計了相應(yīng)的汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)。通過實例分析，該設(shè)計方案在技術(shù)上是可行的。改造后，對系統(tǒng)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性、安全性和環(huán)保效益方面的分析，可為玻璃熔窯機(jī)組及技改方案提供參考。

汽輪機(jī)； 余熱； 熔窯； 凝汽器； 設(shè)置； 旁路； 系統(tǒng)； 節(jié)能

0 概 述

目前，玻璃行業(yè)面臨較大的節(jié)能減排和環(huán)保壓力，很多玻璃制造企業(yè)為了利用熔窯的煙氣熱量，投建了余熱發(fā)電機(jī)組。玻璃熔窯余熱發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)功率與燃料類別、熔窯拉引量、煙氣溫度和生產(chǎn)線數(shù)量等因素緊密相關(guān)。相對而言，對于玻璃行業(yè)余熱機(jī)組的研究，起步較晚。至2007年9月，國內(nèi)第1套玻璃熔窯余熱發(fā)電機(jī)組才剛投運(yùn)。通常情況下，玻璃熔窯余熱發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)功率較小，為2條700 t/d玻璃生產(chǎn)線配置余熱發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)功率僅為7.5 MW或9 MW。余熱機(jī)組經(jīng)長期運(yùn)行，常會出現(xiàn)凝汽器結(jié)垢、系統(tǒng)真空度降低與發(fā)電效率低下等問題。

需及時清除凝汽器的污垢，否則，極易引發(fā)凝汽器換熱管穿孔。由于凝汽器結(jié)垢，常被迫停機(jī)進(jìn)行離線除垢，影響了余熱發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

玻璃熔窯的余熱發(fā)電及煙氣的脫硝脫硫是個系統(tǒng)工程，需一體化規(guī)劃并設(shè)計。玻璃熔窯的煙氣溫度約為500℃，余熱鍋爐所產(chǎn)蒸汽壓力為2.35 MPa，溫度為400℃。在汽輪機(jī)檢修及停機(jī)時，停汽輪機(jī)而不停余熱鍋爐，則面臨停機(jī)時利用余熱鍋爐所產(chǎn)蒸汽的難題?，F(xiàn)根據(jù)玻璃熔窯余熱機(jī)組的運(yùn)行特點，設(shè)置相應(yīng)的汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)。

1 凝汽器的除垢方式

凝汽器的除垢方式，可分為在線除垢和離線除垢方式。除垢的主要方法有高壓水沖洗、化學(xué)清洗、循環(huán)水處理、膠球清洗和凝汽器機(jī)器人清洗等。常用的凝汽器除垢方式及對比，如表1所示。

表1 常用的凝汽器除垢方式及對比

序號除垢方式除垢方法優(yōu)點缺點1離線除垢高壓水沖洗環(huán)境污染小,能有效去除難清洗的硬垢。停汽輪機(jī)后清洗,難以清洗運(yùn)行環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的污垢。2離線除垢化學(xué)清洗清洗效果較好。(1)易腐蝕凝汽器管,縮短凝汽器生命周期。(2)污染環(huán)境,清洗成本較高。3在線除垢循環(huán)水處理(加阻垢劑及殺菌劑等)(1)水處理的費用較低。(2)操作較簡單,水處理管理較方便。(1)實際投入的藥劑質(zhì)量和數(shù)量易出現(xiàn)偏差。(2)較依賴運(yùn)行人員操作水平,疏于水質(zhì)監(jiān)控、排污與濃縮倍率控制不當(dāng)、長期運(yùn)用單一藥劑及缺乏對加藥方案適時調(diào)整等因素影響除垢效果。4在線除垢膠球清洗可定期在線清洗,投資較少。(1)運(yùn)行較復(fù)雜,難以有效清除硬垢,仍需停機(jī)清洗。(2)存在膠球回收率不高或凝汽器管被膠球堵塞等缺陷。5在線除垢凝汽器機(jī)器人清洗(1)能根據(jù)需要,由機(jī)器人隨時完成在線清洗,能有效解決火電廠凝汽器結(jié)垢問題[1]。(2)智能控制,在線適時清洗,操作簡便。(1)一般應(yīng)用于300MW以上的汽輪發(fā)電機(jī)組,投資達(dá)數(shù)百萬元以上。(2)運(yùn)行成本和維護(hù)成本較高。

從表1可知，凝汽器機(jī)器人清洗的投資與成本均較高。處理小機(jī)組凝汽器結(jié)垢，尚缺少合適的智能化在線除垢方法，需組合應(yīng)用不同的除垢方法。

大機(jī)組的凝汽器常選用雙流程結(jié)構(gòu)，并設(shè)置分隔水室，可單側(cè)運(yùn)行另一側(cè)檢修，但需降低機(jī)組負(fù)荷。當(dāng)外界環(huán)境溫度較高時，單側(cè)運(yùn)行將影響循環(huán)水系統(tǒng)的冷卻效果。因而，為保持良好的凝汽器清潔度、提高換熱效率及提升系統(tǒng)的安全性，仍需定期停機(jī)，離線清洗凝汽器。

冷卻水管結(jié)垢后，嚴(yán)重影響凝汽器真空度和機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。隨著污垢層厚度的增加，凝汽器真空度和機(jī)組功率近似成正比例下降，機(jī)組的熱耗率近似成正比例增大[2]。污垢熱阻在總熱阻中占比大，污垢使凝汽器總換熱系數(shù)急劇下降[3]。

另外，在汽輪機(jī)運(yùn)行過程中，常因出現(xiàn)故障而停機(jī)，亦影響余熱機(jī)組對蒸汽的有效利用，因而，需設(shè)置相應(yīng)的汽輪機(jī)旁路，以循環(huán)利用余熱鍋爐的蒸汽。

2 汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)的形式與容量選擇

2.1 旁路系統(tǒng)的常用形式

汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)是現(xiàn)代大型機(jī)組的重要附屬設(shè)備，經(jīng)優(yōu)化后能縮短機(jī)組啟動時間及甩負(fù)荷后并網(wǎng)時間[4]。該系統(tǒng)常應(yīng)用于大型火電機(jī)組、核電機(jī)組與燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組。火電廠常用的汽輪機(jī)旁路有高壓旁路(Ⅰ級旁路)、低壓旁路(Ⅱ級旁路)和Ⅰ級大旁路[5]。Ⅰ級大旁路亦稱整體旁路，系指過熱器出來的蒸汽，經(jīng)減溫減壓后排入凝汽器。設(shè)計時，可串聯(lián)高壓與低壓旁路構(gòu)成Ⅱ級旁路，或者將Ⅱ級旁路與整體旁路并聯(lián)構(gòu)成Ш級旁路。承擔(dān)基本負(fù)荷機(jī)組的起停次數(shù)較少，負(fù)荷穩(wěn)定，可選用整體旁路[6]。

此外，生活垃圾焚燒發(fā)電廠亦有應(yīng)用汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)，有的設(shè)置小旁路(用汽輪機(jī)原配的常溫凝汽器)，有的設(shè)置大旁路(用新增的獨立旁路高壓凝汽器)及啟動母管。從運(yùn)行的穩(wěn)定性看，大旁路系統(tǒng)模塊分明，系統(tǒng)的可靠性和靈活性增強(qiáng)[7]。

2.2 旁路系統(tǒng)的形式選擇

玻璃熔窯余熱機(jī)組汽輪機(jī)的功率較小，常采用單缸結(jié)構(gòu)的中壓凝汽式汽輪機(jī)，汽輪機(jī)可預(yù)留非調(diào)抽汽口。余熱鍋爐需連續(xù)運(yùn)行，要求保持停機(jī)不停爐狀態(tài)，從而將持續(xù)產(chǎn)生蒸汽。按周期性換火的玻璃生產(chǎn)工藝，易造成熔窯煙氣流量和溫度不規(guī)則波動，因此，要求汽輪機(jī)組在變負(fù)荷工況下能穩(wěn)定運(yùn)行。對于玻璃熔窯的煙氣排放，應(yīng)達(dá)到環(huán)保要求后才能排放。

當(dāng)汽輪機(jī)檢修或故障停機(jī)時，若直接排放余熱鍋爐的蒸汽，能源消耗很大，且產(chǎn)生噪聲污染。結(jié)合火電和垃圾焚燒發(fā)電的汽輪機(jī)大旁路優(yōu)缺點，基于玻璃行業(yè)余熱發(fā)電的特點和環(huán)保要求，余熱發(fā)電汽輪機(jī)旁路，可采用旁路減溫減壓裝置+旁路換熱器形式，并可作為凝結(jié)水系統(tǒng)的備用旁路。汽輪機(jī)的旁路系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 汽輪機(jī)的旁路系統(tǒng)

2.3 旁路系統(tǒng)的容量選擇

通常情況下，燃?xì)鈾C(jī)組的啟停較頻繁，需設(shè)置100%旁路[8]。普通燃煤機(jī)組常配備35%BMCR通流量的旁路[9]， 需結(jié)合電網(wǎng)要求、甩負(fù)荷、起動方式及投資控制等方面的因素，設(shè)置旁路系統(tǒng)的容量。

玻璃熔窯余熱發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)容量，與配置的玻璃生產(chǎn)線數(shù)量有關(guān)，較多采用2爐1機(jī)模式。在2條玻璃生產(chǎn)線熔窯的窯頭，各設(shè)置1套型余熱鍋爐，配置1套汽輪發(fā)電機(jī)組。結(jié)合玻璃熔窯余熱發(fā)電的特點，當(dāng)采用1套汽輪機(jī)組時，旁路系統(tǒng)容量需與汽輪機(jī)組的額定進(jìn)汽量相等。當(dāng)采用2套汽輪機(jī)組時，為平衡協(xié)調(diào)汽輪機(jī)組之間的發(fā)電能力，旁路系統(tǒng)容量應(yīng)按較大汽輪機(jī)組的額定進(jìn)汽量設(shè)計。

3 汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)的方法研究

結(jié)合價值工程方法，對玻璃熔窯余熱發(fā)電汽輪機(jī)的旁路系統(tǒng)進(jìn)行分析。價值工程包含3個構(gòu)成要素，可表示為：

(1)

式(1)中，V表示價值；F表示功能；C表示壽命周期成本。

基于汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)的功能分析，在資源條件的約束下，實現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)，力爭效益最大化，以最低的成本，實現(xiàn)系統(tǒng)所需的功能，提升汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)的價值。

3.1 汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)的主要功能

汽輪機(jī)停機(jī)后，余熱鍋爐仍在運(yùn)行，將連續(xù)產(chǎn)生約400℃的蒸汽。因此，汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)應(yīng)具多個方面的功能。

(1)通過減溫減壓后的二次蒸汽成為生產(chǎn)用汽，具有利用剩余蒸汽的功能。

(2)可將凝結(jié)水送至除氧器，予以循環(huán)利用。自動控制減溫水和化學(xué)水的補(bǔ)水量。

(3)具有DCS遠(yuǎn)程動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，可監(jiān)控壓力和流量等主要參數(shù)的變化。設(shè)有蒸汽的直排管路，并安裝多級小孔復(fù)合式蒸汽消音器進(jìn)行降噪。

(4)還應(yīng)有外觀與便捷維護(hù)的功能。外觀標(biāo)識的可視化，規(guī)范管道色環(huán)、介質(zhì)流向箭頭和介質(zhì)名稱等。反饋水泵電流、電動調(diào)節(jié)閥位置和凝結(jié)水箱液位等信息，為維護(hù)提供參考。

根據(jù)功能分類，列出了汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)的主要功能，如圖2所示。

圖2 汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)的主要功能圖

經(jīng)分析，采用了優(yōu)化設(shè)計的結(jié)構(gòu)和工藝路線，合理選型及平面布置。在作業(yè)區(qū)間，預(yù)留了合適的空間。利用AHP法或其它定量化的計算方法，可計算各功能的權(quán)重，并進(jìn)行綜合評價。

3.2 汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)的壽命周期成本優(yōu)化

汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)的壽命周期成本，主要包括了設(shè)計、調(diào)試、運(yùn)行與維護(hù)等方面的成本。因而，在達(dá)到必需功能的同時，還應(yīng)降低成本，并平衡功能及成本之間的關(guān)系。例如，充分利用余熱發(fā)電的主循環(huán)水系統(tǒng)管道，合理地運(yùn)用主管網(wǎng)測點參數(shù)。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計后，再增設(shè)旁路系統(tǒng)的相關(guān)測點。設(shè)計便于清洗及維護(hù)的結(jié)構(gòu)，降低維護(hù)成本?？紤]到系統(tǒng)布置的合理性及設(shè)備零件的互換性，旁路系統(tǒng)的凝結(jié)水泵，可與余熱發(fā)電凝汽器的凝給水泵互為備用。優(yōu)化泵葉輪的設(shè)計，提高遠(yuǎn)程自動化控制水平。結(jié)合工藝和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，對壽命周期運(yùn)行維護(hù)的方式進(jìn)行分析和研究。

3.3 應(yīng)用實例

在2016年，汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)已被應(yīng)用于某公司玻璃熔窯余熱發(fā)電機(jī)組，該主機(jī)包括1套3MW凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組和1臺主蒸汽段額定蒸發(fā)量為15.7t/h的型余熱鍋爐，將鍋爐低壓段的蒸汽接入除氧器，對給水進(jìn)行加熱。

旁路系統(tǒng)就近設(shè)置在汽輪機(jī)旁，從汽輪機(jī)主汽閥前的蒸汽管引出蒸汽，配置了旁路閥，可實現(xiàn)蒸汽進(jìn)旁路系統(tǒng)的快速切換，以滿足停機(jī)不停爐的要求。汽輪機(jī)主汽閥前的額定進(jìn)汽壓力、溫度和流量，分別為2.35MPa、400℃、15.7t/h，蒸汽經(jīng)汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)減溫減壓裝置后產(chǎn)生的二次蒸汽壓力、溫度和流量，分別為0.6MPa、160℃、18.5t/h。在二次蒸汽中，抽出部分蒸汽供生產(chǎn)用(約為3t/h)，剩余的二次蒸汽流入換熱器。設(shè)計時，需適度考慮減溫減壓裝置進(jìn)口蒸汽量的裕量。

換熱器的管程循環(huán)水進(jìn)冷卻塔的溫度<43℃，出冷卻塔溫度<33℃。二次蒸汽經(jīng)過換熱器殼程被凝結(jié)成水，換熱器的理論換熱面積，按公式(2)計算：

(2)

式(2)中，A表示換熱面積；Q表示換熱量；K表示傳熱系數(shù)；ΔT表示對數(shù)平均溫差。

換熱器采用了列管式結(jié)構(gòu)，根據(jù)換熱器特點與設(shè)計經(jīng)驗，合理修正相關(guān)系數(shù)，優(yōu)化計算并考慮裕量，設(shè)定實際換熱面積與理論換熱面積的比值大于1.2。換熱器配置有安全閥，換熱管及管板均采用304不銹鋼材質(zhì)。另外，考慮熱應(yīng)力引起的位移，還在管網(wǎng)內(nèi)配置了不銹鋼膨脹節(jié)，并設(shè)置凝結(jié)水箱，有效解決了換熱器凝結(jié)水溫度偏高的問題。

汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)投用后，需考慮暖管時間。從開啟預(yù)熱至正常運(yùn)行工況，一般需30 min，可通過蒸汽應(yīng)急排放管道進(jìn)行調(diào)節(jié)，以免鍋爐的安全閥起跳。此外，配置化學(xué)水補(bǔ)水管路，以補(bǔ)償系統(tǒng)循環(huán)過程中的損耗水量。旁路系統(tǒng)的工藝流程，如圖3所示。

圖3 汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)的工藝流程

4 汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)的設(shè)置方法

4.1 經(jīng)濟(jì)性

在汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)上，使用了原余熱發(fā)電系統(tǒng)循環(huán)水母管和蒸汽母管上的智能化測量儀表和流量計，利用了原余熱發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)的相關(guān)功能。汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)的投資較少，3 MW汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)的投資，約為30萬元，系統(tǒng)的設(shè)計使用年限，大于10年。

設(shè)置旁路系統(tǒng)后，避免了停機(jī)后讓余熱鍋爐蒸汽直接排放所產(chǎn)生的浪費。而且，在汽輪機(jī)停機(jī)檢修期間，可系統(tǒng)地對凝汽器除垢或更換損壞的凝汽器部件。因此，設(shè)置汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 安全性

在玻璃熔窯余熱機(jī)組應(yīng)用旁路系統(tǒng)之前，凝汽器的在線除垢較難達(dá)到預(yù)期效果，往往需停機(jī)后進(jìn)行離線除垢。若管理存在偏差或者除垢滯后，易引起凝汽器換熱管的腐蝕穿孔，使循環(huán)冷卻水進(jìn)入凝結(jié)水中，將影響鍋爐的給水品質(zhì)，并腐蝕余熱鍋爐的受熱面，導(dǎo)致蒸汽管路及汽輪機(jī)結(jié)垢，還可能出現(xiàn)節(jié)流孔板堵塞、調(diào)速汽門卡澀及引發(fā)振動等問題，從而危及余熱機(jī)組的安全運(yùn)行。

設(shè)置汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)后，可實現(xiàn)余熱發(fā)電系統(tǒng)和旁路系統(tǒng)之間的快捷切換，優(yōu)化了余熱機(jī)組的應(yīng)急預(yù)案，增強(qiáng)了整個系統(tǒng)的靈活性與可靠性。汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)的工藝流程清晰，安全性高，合理地布置了各測點位置，可避免所測參數(shù)的失真。將遠(yuǎn)傳信號接入余熱機(jī)組的DCS控制系統(tǒng)，可精確地控制相關(guān)的運(yùn)行參數(shù)。

4.3 環(huán)保效益

目前，對玻璃行業(yè)的節(jié)能減排與環(huán)保要求較嚴(yán)，煙氣必須經(jīng)處理達(dá)標(biāo)后才能排放。利用煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)，可對煙氣指標(biāo)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測。余熱鍋爐、煙氣脫硝和煙氣脫硫系統(tǒng)需連續(xù)運(yùn)行，設(shè)置汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)后，有效解決了停汽輪機(jī)后利用余熱鍋爐蒸汽的難題，具有良好的環(huán)保效益。

5 結(jié) 語

采用旁路減溫減壓裝置+旁路換熱器的旁路系統(tǒng)，投資省、綜合性價比較高。

在汽輪機(jī)停機(jī)及凝汽器離線除垢等工況下，不停余熱鍋爐，解決了循環(huán)利用余熱蒸汽的難題，提升了余熱機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，利于煙氣脫硫與脫硝系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

此外，該旁路系統(tǒng)的設(shè)計方案，為玻璃行業(yè)解決類似難題，提供了新穎的思路與方法，還可為同級機(jī)組的改造提供參考，具有推廣價值和借鑒意義。

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The Method and Research for Steam Turbine Bypass System on Waste Heat Power Generation

XIAO Xue-kui

(Shanghai Ruixin Energy-Saving Technology Co., Ltd., Shanghai 200135,China)

In the glass furnace waste heat power generation, when the maintenance and fault of steam turbine occurred, would not be able to cycle steam generated by the waste heat boiler. To improve the security and economy of the whole system, to improve the energy conservation and pollution reduction, the method used steam turbine bypass system to solve the problem was proposed. The corresponding steam turbine bypass system based on the characteristics of glass furnace waste heat power generation was designed. The main technology of the system was analyzed through the example, and the results showed that the system was technically feasible. On this basis, the economic, safety and environmental benefits of the system were analyzed, in order to provide references for the glass industry.

steam turbine; waste heat; glass furnace; condenser; set; bypass； system; energy conservation

1672-0210(2017)01-0043-05

2016-09-23

肖學(xué)奎(1982-)，男，碩士，工程師，從事余熱發(fā)電工程方面的研究和設(shè)計工作。

TK223.7+4

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