汽轮机冷端系统节能诊断及优化技术

1、汽轮机冷端系统节能诊断及优化技术 马汀山 西安热工研究院有限公司 2021-5-24 主要内容 2021-5-24 一、冷端系统概述 二、常见问题 三、冷端系统节能诊断与运行优化 四、实例分享 五、tpritpri冷端系统在线诊断和运行优化装置 六、冷端系统综合治理 2 一、冷端系统概述 主要设备包括： 凝汽器（3） 循环水泵及循环水系统（4） 凝结水泵及凝结水系统（5） 真空泵及抽真空系统（6） 冷却塔（7） 管道、阀门等附件 2021-5-24 3 主要任务是把从汽轮机排汽口排出的蒸汽 凝结成水，并建立与维持一定的真空度。 1.凝汽器冷却管脏污 汽侧脏污 水侧脏污 2021-5-24 4

2、二、常见问题 通常是指 水侧脏污 2021-5-24 5 二、常见问题 2.真空严密性差 判别指标：真空下降率 表征漏入空气流量大小，切除抽 空气设备后的真空下降率是反映 真空系统严密程度的指标。 仅能判别漏入量， 不能判别是否影响 真空及影响程度。 g：漏入空气流量 v：真空下降率 2021-5-24 6 二、常见问题 3.真空泵组性能差 真空泵工作液温度高； 真空泵抽吸能力低。 空调机组冷却工作液 罗茨真空泵组 （1）影响空气聚 积的关键因素。 （2）判断依据呢？ 4.冷却塔冷却能力差 除水器：变形、失效等； 喷溅装置：堵塞、下盘脱落、喷水不均等； 填料：结垢、堵塞、破损等； 配水槽（管）

3、：开裂等。 2021-5-24 7 二、常见问题 5.循环水泵效率低 循环水泵运行效率低； 循环水泵的运行工况偏离设计工况； 同比循环水泵单耗高； 循环水系统阻力特性。 2021-5-24 8 二、常见问题 循环水泵与循环水 系统匹配性分析 6.循环水泵耗电率不合理 2021-5-24 9 二、常见问题 耗电率过高或过 低均不经济，需 考虑最佳背压。 造成全年循环水泵在设计方式下的运行时间很短。 7.循环水泵运行方式怎么确定 负荷变化； 气温变化； 潮位变化（海水冷却）； 冷却塔性能变化； 煤价、电价变化。 2021-5-24 10 二、常见问题 海水海水潮位变化潮位变化 双速改造、增设 变频

4、器的必要性 8.凝结水泵耗电率高 泵组效率； 泵组低频振动； 给水泵迷宫密封用水压力； 杂用凝结水流量； 其它连锁压力。 2021-5-24 11 二、常见问题 必要的改造，降 低耗电率。 二、常见问题 2021-5-24 12 9.双背压凝汽器问题 （1）高、低压凝汽器压力差值不 明显，甚至低压凝汽器压力与高 压凝汽器压力相等； （2）低压凝汽器压力和高压凝汽 器压力不能同时达到设计值。 m m 抽真空系统布置 方式是否合理？ 三、冷端系统节能诊断与运行优化 2021-5-24 13 1.理论依据 2021-5-24 14 2.冷端系统性能影响因素 （1）冷却水进口温度（取决于自然条件和冷却

5、塔冷却能力） （2）冷却水流量 （3）凝汽器热负荷 （4）凝汽器冷却管脏污 （5）凝汽器设计特性（管束布置、冷却面积等等） （6）空气在凝汽器内的聚积程度（取决于真空泵的抽吸能力） 真空泵工作水温度 双背压凝汽器抽真空系统的布置方式 三、冷端系统节能诊断与运行优化 2021-5-24 2.冷端系统性能影响因素 15 三、冷端系统节能诊断与运行优化 2021-5-24 16 影响类型一级影响因素二级影响因素三级影响因素四级影响因素 tw1 冷却水进口温度 冷却塔性能 自然环境 tw 冷却水流量 循环水泵出力不足 循泵性能与阻力不匹配 凝汽器或循环水系统堵塞 凝汽器热负荷 汽轮机热耗高 凝汽器附加

6、热负荷大 t 凝汽器脏污 胶球清洗系统不正常 水质差、杂质多 凝汽器面积设计面积偏小 空气聚积 机组真空严密性差漏入空气 真空泵抽吸能力差 工作水温度高 工作水冷却系统性能差 工作水的冷却水温度高 工作水流量低 双背压凝汽器抽空气系统 阻力不匹配 三、冷端系统节能诊断与运行优化 2021-5-24 冷却水进口温度与端差的关系 0 2 4 6 8 10 0510152025303540 冷却水进口温度() 端差() 冷却水进口温度和凝汽器压力关系曲线 0 2 4 6 8 10 12 14 0510152025303540 冷却水进口温度() 凝汽器压力(kpa) 17 （1）冷却水进口温度的影响

7、 取水口位置不合理（直流供水冷却）； 冷却塔冷却能力不足； 三、冷端系统节能诊断与运行优化 冷却水温度变化1 对发电煤耗影响 2021-5-24 18 （2）冷却水流量的影响 三、冷端系统节能诊断与运行优化 冷却水流量变化10% 对发电煤耗影响 凝汽器冷却水温升设计值一般为8-10左右，冷却水流量减 少10%，冷却水温升增加约1，真空降低0.24kpa-0.58kpa。 2021-5-24 凝汽器热负荷增加对凝汽器压力的影响量 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 34567891011121314 凝汽器压力(kpa) 凝汽器压力增加量(kpa) 热负荷增加15% 热负

8、荷增加7.5% 19 （3）凝汽器热负荷的影响 汽轮机热耗高； 低旁泄漏； 小汽轮机缸效率低； 阀门内漏严重等。 三、冷端系统节能诊断与运行优化 2021-5-24 某300mw机组间隔6个月前、后凝汽器性能对比 (设计冷却水温度和流量下) 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 405060708090100110120 凝汽器热负荷百分比(%) 凝汽器压力(kpa) 春季试验 秋季试验 某300mw机组凝汽器性能受冷却管清洁度的影响 (设计冷却水温度和流量下，两次试验间隔6个月) 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 100150200250300350

9、机组负荷(mw) 凝汽器压力(kpa) 实际运行 除去空气影响 夏季结果 春季结果 夏季结果 春季结果 20 （4）冷却管脏污的影响 三、冷端系统节能诊断与运行优化 冷却管清洁系数下降0.1 对机组发电煤耗影响 2021-5-24 300mw机组凝汽器端差和机组负荷关系 1 2 3 4 5 6 7 8 100150200250300350 机组负荷(mw) 凝汽器端差() 除去空气影响 实际运行 300mw机组凝汽器压力和机组负荷关系 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 100150200250300350 机组负荷(mw) 凝汽器压力(kpa) 实际运行 除去空气影响 2

10、1 （5）汽侧空气的影响 真空严密性 真空泵工作水进口温度 真空泵工作水流量 真空泵转速 双背压凝汽器抽空气系统的影响 三、冷端系统节能诊断与运行优化 三、冷端系统节能诊断与运行优化 2021-5-24 22 1）双背压凝汽器抽空气系统的影响 高、低压凝汽器压力差值不明显，甚至低压凝汽器压力与高压凝汽器压力 相等； 低压凝汽器压力和高压凝汽器压力不能同时达到设计值。 三、冷端系统节能诊断与运行优化 2021-5-24 m m a 串联布置方式 b c 并联布置方式 d 23 2）双背压凝汽器抽空气系统的常见布置方式 2021-5-24 项目名称项目名称a机组机组b机组机组c机组机组 凝汽器型号

11、n-40000-1n-33500n-49000 抽空气系统布置方式串联布置方式串联布置方式b串联布置方式串联布置方式a并联布置方式并联布置方式d 低压凝汽器真空严密性/pamin-127323179 高压凝汽器真空严密性/pamin-126822652 机组负荷/mw594.5652.51001.7 高压凝汽器传热端差1/6.1004.9245.259 低压凝汽器传热端差1/10.3649.3666.333 高压凝汽器压力1/kpa6.5795.2085.207 低压凝汽器压力1/kpa6.0235.2354.393 影响低压影响低压凝汽器凝汽器压力偏高压力偏高/kpa1.1521.101-

12、24 三、冷端系统节能诊断与运行优化 3）抽空气系统阻力不匹配对凝汽器的影响 2021-5-24 某某300mw300mw机组凝汽器面积从机组凝汽器面积从 16000m16000m2 2增加到增加到19000m19000m2 2，凝汽，凝汽 器设计压力下降器设计压力下降0.4kpa0.4kpa。 目前现役大型发电机组凝汽器目前现役大型发电机组凝汽器 冷却面积完全可以满足该型机冷却面积完全可以满足该型机 组冷端系统性能的需求组冷端系统性能的需求。 25 （6）凝汽器冷却面积的影响 三、冷端系统节能诊断与运行优化 机组容量直流冷却机组循环冷却机组 300mw16000180001750019000

13、 330mw17000180001800019000 350mw18000190001900021000 600mw亚33000350003500039000 600mw超33000350003400038000 1000mw52000550005400060000 设计面积（m2） 2021-5-24 主要影响因素主要影响因素变化情况变化情况 影响凝汽影响凝汽 器压力器压力 kpa 影响影响 供电煤耗供电煤耗 g/kw.h 影响趋势影响趋势 凝汽器冷却水凝汽器冷却水 进口温度进口温度 10.340.82 冷却水进口温度越高，凝汽器压力的单位温度变冷却水进口温度越高，凝汽器压力的单位温度变 化

14、值越大化值越大 凝汽器冷却水流量凝汽器冷却水流量-10%0.410.984 冷却水流量越小，每降低冷却水流量越小，每降低10%水量对凝汽压力的水量对凝汽压力的 影响量越大，随着冷却水温度升高，相同水量变影响量越大，随着冷却水温度升高，相同水量变 化引起的压力变化越大。化引起的压力变化越大。 凝汽器冷却管凝汽器冷却管 清洁系数清洁系数 -0.10.230.552 冷却水温度越低，相同清洁系数下降值使得凝汽冷却水温度越低，相同清洁系数下降值使得凝汽 器压力升高值越小器压力升高值越小 凝汽器热负荷凝汽器热负荷10%0.360.864 冷却水进口温度越高，热负荷增加使得凝汽器压冷却水进口温度越高，热负

15、荷增加使得凝汽器压 力变化值越大力变化值越大 凝汽器冷却面积凝汽器冷却面积-10%0.210.504随着冷却面积增大，凝汽器压力降低值越小随着冷却面积增大，凝汽器压力降低值越小 真空泵工作水进口温真空泵工作水进口温 度度(真空严密性良好真空严密性良好) 400.651.560 工作水温度超过工作水温度超过40，凝汽器压力明显升高；严，凝汽器压力明显升高；严 密性越差，凝汽器压力升高值越大密性越差，凝汽器压力升高值越大 26 （7）冷端影响因素的影响量 三、冷端系统节能诊断与运行优化 2021-5-24 冷却水进口温度 冷却水流量 冷却管脏污 汽侧空气聚积 凝汽器热负荷 凝汽器冷却面积 27 （

16、8）冷端性能影响因素排序（由大到小） 三、冷端系统节能诊断与运行优化 冷却面积不是 关键影响因素 三、冷端系统节能诊断与运行优化 2021-5-24 3.辅机耗电 28 辅机耗辅机耗 电量分电量分 析析 循环循环 水泵水泵 凝结凝结 水泵水泵 真空真空 泵泵 三、冷端系统节能诊断与运行优化 2021-5-24 4.运行优化 汽轮机出力和排汽压力的关系 凝汽器变工况性能 凝汽器冷却水流量与循环水泵耗功关系 冷却塔淋水密度和凝汽器进水温度的关系 抽气设备运行状态优化调整 冷端运行优化的技术经济比较方法 机组净出力(运行经济性)比较法 agc模式下煤电经济性(最大利润)比较法 29 四、实例分享 2

17、021-5-24 1.节能诊断 （1）冷端系统概况 n600-16.7/538/538型凝汽式汽轮机 配套n-41500-1型双背压表面式凝汽器 系统采用循环冷却（冷却塔）方式。 循环水系统配套2台72lkxa-23型循环水泵、一座自然通风冷却塔。 凝汽器抽空气系统配套三台2bw5353-oek4型水环式真空泵，采用串 联布置方式。 30 2021-5-24 （2）诊断内容 凝汽器、真空泵及抽空气系统性能诊断； 循环水泵及循环水系统性能诊断； 冷端系统性能分析、主要影响因素定性和定量分析； 提出提高机组运行真空、降低厂用电率的建议和措施。 节能诊断基于试验。 四、实例分享 31 2021-5-

18、24 试验工况试验工况mw600mw500mw400mw 循环水泵运行方式循环水泵运行方式/ababab 真空泵运行方式真空泵运行方式/bbcb 凝汽器冷却水流量凝汽器冷却水流量m3/h486104861048610 低压凝汽器传热端差低压凝汽器传热端差16.19612.54218.199 低压凝汽器运行清洁系数低压凝汽器运行清洁系数/0.2840.3010.195 高压凝汽器传热端差高压凝汽器传热端差9.5497.51013.417 高压凝汽器运行清洁系数高压凝汽器运行清洁系数/0.4600.4880.268 在设计冷却水进口温度在设计冷却水进口温度20、现有冷却水流量条件下、现有冷却水流量

19、条件下 凝汽器平均压力凝汽器平均压力kpa7.926.317.90 在设计冷却水进口温度在设计冷却水进口温度20、流量、流量58300m3/h条件下条件下 凝汽器平均压力凝汽器平均压力kpa7.165.807.15 在设计冷却水进口温度在设计冷却水进口温度20、流量、流量58300m3/h和清洁系数和清洁系数0.85条件下条件下 凝汽器平均压力凝汽器平均压力kpa4.724.223.88 32 四、实例分享 2021-5-24 （3）诊断结果及分析 l真空严密性。 真空严密性都达到了良好水平，在真空泵及抽空气系统正常工作的情 况下，真空泵完全有能力抽出漏入的空气 。 l凝汽器性能 600mw负

20、荷下凝汽器压力偏高约3.21kpa、400mw负荷下凝汽器压力 偏高约4.03kpa。严重影响了机组的运行经济性和安全性。 冷却水流量欠缺约9690m3/h，流量偏小约16.6% 。 低压凝汽器的运行清洁系数约为0.284、高压凝汽器的运行清洁系数约 为0.46，和设计清洁系数0.85相比明显偏低。表明凝汽器中存在空气聚积、 以及凝汽器冷凝管存在脏污，且空气聚积、冷凝管脏污程度比较严重。 33 四、实例分享 2021-5-24 （3）诊断结果及分析 l凝汽器水阻。 设计冷却水流量58300m3/h条件下的凝汽器设计水阻为50kpa。而实际状 态下，凝汽器冷却水流量为48610m3/h时，凝汽器

21、a侧水阻为68kpa、b侧 水阻为66kpa。表明凝汽器冷凝管内壁脏污、端管板管口有杂质 。 项目名称项目名称单位单位a侧侧b侧侧 循环水泵运行方式循环水泵运行方式/一机两泵一机两泵 凝汽器冷却水流量凝汽器冷却水流量m3/h48610 凝汽器冷却水入口压力凝汽器冷却水入口压力kpa233230 凝汽器冷却水出口压力凝汽器冷却水出口压力kpa165164 水阻水阻kpa6866 34 四、实例分享 2021-5-24 （3）诊断结果及分析 l抽空气系统方式和真空泵状态。 凝汽器中空气聚积，尤以低压侧为严重。真空泵抽不出聚积的空气。 b真空泵工作水流量14.1 m3/h ，只有设计流量的50%，将

22、影响水环的正常 建立，降低真空泵的抽吸能力。 真空泵真空泵 工作水流量工作水流量冷却水流量冷却水流量 m3/hm3/h a40.5149 b14.1151 c36.2123 真空泵工作水及冷却水真空泵工作水及冷却水 35 四、实例分享 2021-5-24 （3）诊断结果及分析 l循环水泵性能。 在两泵并联运行时，单泵的平均流量偏小约18%，效率平均偏低约17个百 分点；在单泵运行时，泵的流量平均偏小约7%，效率平均偏低约11.4个 百分点。 项目项目单位单位 两泵并联两泵并联单泵运行单泵运行 运行方式运行方式/ 泵标号泵标号/设计设计ab设计设计ab 出口流量出口流量m3/h306002428

23、425784363603298734597 扬程扬程m2323.923.9118.617.217.7 效率效率%87.569.6471.3688.575.7978.42 36 四、实例分享 2021-5-24 （3）诊断结果及分析 l循环水系统阻力特 性。 按照现有的循环水系 统阻力，现有的两台 循环水泵的流量-扬程 特性明显偏小。 37 四、实例分享 2021-5-24 （4）影响量定量分析 l厂用电 在两台循环水泵并联运行时影响辅机电耗约839.9kw；在单泵运行时影响辅机电 耗约255kw。 l对真空影响的定量分析结果 工况工况mw600mw600mw600mw400mw400mw 循泵

24、运行方式循泵运行方式/ababababab 真空泵运行方式真空泵运行方式/bbcabcbbc 现有平均压力现有平均压力kpa7.926.956.727.906.05 空气和空气和 脏污影响脏污影响 kpa2.441.671.493.271.70 水量影响水量影响kpa0.760.610.570.750.47 38 四、实例分享 2021-5-24 （5）节能技术措施 凝汽器冷却管清洗和水室杂质清理 降低循环水系统阻力和循环水泵增容技术改造 凝汽器抽空气管路和真空泵连接方式改进 m m 39 四、实例分享 2021-5-24 2. 运行优化 （1）概况 某2600mw超临界机组(厂内编号1、2号

25、)，每台机组配套双壳体、单流程、双 背压表面式凝汽器，凝汽器冷却水系统采用循环供水冷却方式； 每台机组配套2台循环水泵，以满足不同季节和不同负荷时凝汽器对冷却水量的 要求。 1号机组和2号机组的循环水管道之间加设联络管，根据冷却水进口温度及机组 负荷的变化，循环水泵运行方式有：一机一泵、两机三泵和一机两泵三种方式。 40 四、实例分享 2021-5-24 41 四、实例分享 循环水泵定速 循环水泵双速 四、实例分享 2021-5-24 42 循环水泵变频 机组负荷机组负荷 双速与定双速与定 速比较速比较 变频与变频与 定速比定速比 较较 变频与双变频与双 速比较速比较 600mw9974-25

26、 540mw151122-29 480mw229202-27 420mw31235846 360mw321461140 300mw367589223 本表中的数据为机组净出力变化，本表中的数据为机组净出力变化， 正为增加，负为降低，单位为正为增加，负为降低，单位为kw 三种最佳运行方式的经济性对比结果 五、tpritpri冷端系统在线诊断和运行优化装置 2021-5-24 1.产品功能 43 汽轮机冷端 系统性能监 测、诊断及 运行优化装 置 在线 监测 在线 诊断 运行 优化 性能 试验 运行 监督 2021-5-24 2.装置功能模块 （1）冷端性能监测模块 （2）冷端性能诊断模块 （3）

27、冷端运行优化模块 （4）冷端性能试验模块 44 五、tpritpri冷端系统在线诊断和运行优化装置 2021-5-24 （1）冷端）冷端性能监测模块性能监测模块 冷端系统实测参数监测； 冷端系统计算性能监测； 设备运行特性监督。 45 五、tpritpri冷端系统在线诊断和运行优化装置 2021-5-24 （2）冷端）冷端性能诊断模块性能诊断模块 明确冷端性能偏差值及各影响因素 的影响量； 确定机组真空偏低的原因，并给出 处理建议； 确定真空泵抽吸能力不足的原因， 并给出处理建议； 确定凝结水过冷度偏大的原因，并 给出处理建议； 确定循泵和凝泵电耗偏大的原因， 并给出处理建议。 46 五、tp

28、ritpri冷端系统在线诊断和运行优化装置 2021-5-24 47 冷端系统影响因素定量分析 五、tpritpri冷端系统在线诊断和运行优化装置 诊断结果+处理建议 耗差分析 2021-5-24 （3）冷端）冷端运行优化模块运行优化模块 根据凝汽器运行状态、真空泵抽吸 能力、机组负荷、循环水温度、空气 积聚程度等条件，自动寻求机组最佳 运行背压，确定循环水泵和真空泵的 最佳运行方式。 循环水泵偏离最佳运行方式对供电 煤耗的影响量计算。 真空泵偏离最佳运行方式对供电煤 耗的影响量计算。 48 五、tpritpri冷端系统在线诊断和运行优化装置 指导运行人员操作 2021-5-24 （4）冷端）

29、冷端性能试验模块性能试验模块 在线性能试验； 离线性能试验； 试验结果生成； 试验结果查询； 试验报告生成。 49 五、tpritpri冷端系统在线诊断和运行优化装置 2021-5-24 3.技术创新及自主知识产权 自主研发包含多项技术创新的产品。 在国内首次建立并应用了凝汽器汽侧空气 量的监测方法、凝汽器冷却管水侧脏污影 响系数的计算方法。 在国内首次建立并应用了考虑真空泵抽吸 能力变化的冷端系统运行方式的在线优化 模型。 国内首次全面实现了冷端系统性能在线监 测、实时诊断和运行优化指导等多项功能。 50 五、tpritpri冷端系统在线诊断和运行优化装置 多项中国电力 科技奖、专利 202

30、1年5月24日51 六、冷端系统综合治理 1.综合治理的目的 冷端改造效益最大化； 综合考虑设备性能相互影响； 制定综合的改造方案。 凝汽器 冷却 塔 循环水泵 真空 泵 2021年5月24日52 喷淋区：喷头优化选型+喷头优化布 置+喷头数量增加 填料区：填料优化选型+非等高布置+ 非等间距布置+增容可行性+。 六、冷端系统综合治理 2.冷却塔改造 （1）tpritpri改造策略 2021年5月24日53 由于传热区域外区空气流速较大、内区空气流速较小，填料区温度呈外低 内高分布，为强化塔内换热能力，根据外区、内区温度场具体分布状况，合理 增大外区填料厚度、减小内区填料厚度，有效利用外区、内

31、区上升空气的吸热 吸湿能力，使得外区、内区循环水均能达到充分冷却。 水池水面水温场水池水面水温场 填料非等高布置填料非等高布置示意示意 （2）tpritpri关键技术1填料非等高布置 六、冷端系统综合治理 2021年5月24日54 在一定通风阻力情况下，考虑防止污染物堵塞等问题，依 据冷却塔温度场和空气动力场分布情况，合理调整填料波间距， 更加均匀地分配循环水，使得填料中水气热质交换更充分，提 高了单位体积填料的冷却效果。 19mm片距斜折波片距斜折波 32mm片距片距s波波 （2）tpritpri关键技术2填料非等间距布置 六、冷端系统综合治理 2021年5月24日55 根据现场测量喷溅装置到淋水填料顶部的高度，在满足喷 溅装置雾化效果的前提下，在考虑严寒地区冬季冰载和循环水 水质较差地区填料防堵等问题基础上，依据冷却塔温度场和空 气动力场分布情况，合理增加填料组装高度，满足对冷却塔冷 却能力的进一步要求。 通过冷却塔全面节能提效改造，填料面积增容815%左右。 （2）tpritpri关键技术3淋水填料增容 六、冷端系统综合治理 2021年5月24日56