优化余热发电附属装置

何华 唐顺欢 余毅｜文

本文简述了原有的余热回收系统及其装置因工程前期调研、论证、设计等的不合理，造成生产运行中故障停机频繁，维修量过多，能源浪费严重等诸多问题。通过对其余热回收系统及其装置优化和改造，经过多年使用，达到了预期的效果，并取得了良好的经济效益。

云南冶金集团下属某公司是一个集铅、锌冶炼为一体的有色金属企业，整个冶炼重要过程均采用DCS自动控制技术，实现了重要过程的自动监测及其控制。为了充分利用冶炼过程中冶金炉产生的高温烟气余热，企业配置了四台余热锅炉和一台饱和蒸汽发电机组，每年可利用余热发电达5600万千瓦时。发电机组及其相关附属装置技术参数见表1。

表1

余热发电附属装置存在的问题

1.凝汽器存在的问题

与发电机组相连的两台凝汽器（560平方米），换热管束为铜管胀接结构，壳体、管板、隔板、进汽室等均为碳钢结构件；通过的介质为含氨、氮较高的低压蒸汽和凝结水，冷凝介质为经过加药处理过的碱性生产循环水；投运仅一年，凝汽器在以上不同介质侵蚀，发电机组频繁甩负荷的振动应力等因素的综合作用下，导致凝汽器内部管板、隔板等碳钢结构件腐蚀严重，先后发生了25根28个铜制管口断裂泄漏的事件，使得通过凝汽器蒸汽凝结水与生产循环水混合，频繁泄漏使得蒸汽凝结水受生产循环水污染，不符合锅炉用水水质要求，一直外排且无法回收使用，经常采用堵管方式对断裂泄漏铜制管束的凝汽器进行修复，带来的是凝汽器有效冷却面积减小，效率降低。

表2 铜管换热系数

表3 不锈钢螺纹管换热系数

2.热水井与凝结水泵存在的问题

与两台凝汽器相连的两台热水井，因设计时每台容积仅0.3立方米，在发电机组投入运行过程中，容积较小的热水井不适应余热锅炉蒸汽总量变化需求，导致热水井水位无法控制，连锁保护经常动作，致使发电机组频繁停机，水位变化较大时，每班发生多达7次甩负荷，导致蒸汽排空浪费能源，严重威胁到发电机组安全运行，并给岗位人员作业带来很大难度。与热水井相连的凝结水泵，密封型式为填料密封，连续运行中极易造成填料泄漏，造成凝汽器真空度减小，冷却效率降低，也直接影响热水井水位控制，致使发电机组频繁甩负荷。

优化与改造必要性

1.凝汽器改造的必要性

可有效消除含氨、氮较高的低压蒸汽和凝结水对凝汽器管束的侵蚀，降低发电机组频繁甩负荷的振动应力，消除碳钢结构件的抗腐蚀差等综合因素，最大限度地降低因凝汽器管束损坏造成的凝结水与生产循环水混合污染，每天能有效回收再使用近1000立方米左右蒸汽冷凝水，直接经除氧器供四台余热锅炉使用。

2.热水井与凝结水泵改造的必要性

使热水井水位得到有效控制，提高发电机组适应蒸汽总量变化能力，大大降低发电机组因水位连锁甩负荷的机率，提高发电机组的安全性和岗位人员的可操作性，增加机组发电量。通过对凝结水泵的改造，杜绝密封泄漏，确保凝汽器真空度，有效提高凝汽器冷却效率，预防发电机组频繁甩负荷。

优化与改造技术方案

1.凝汽器改造技术方案

（1）凝汽器光管与螺纹管换热管束理论分析

凝汽器管束外蒸汽凝结为膜状凝结，膜状凝结的热阻主要存在于管壁的水膜中，其大小与水膜的厚度及水膜内水的紊流度有关。采用螺旋管，内侧的螺纹凸起，增强了管内流体的扰动，使其紊流程度增加，边界层减薄，热阻减小；管外凹槽使液膜内的水向内聚集，使凸起部分液膜减薄，使得部分换热由膜状凝结变为珠状凝结，热阻减小；而光管与螺纹管的水垢热阻、壳程垢阻和管壁导热热阻均视为不变。因此，采用不锈钢螺纹管后，水阻增加，传热系数增大，有效换热面积增加。

（2）铜管与不锈钢螺纹管换热管换热分析

原铜管规格为：2042根Ф20×1，改为不锈钢管螺纹管为：2042根Ф20×1 材质：316L。两者对比见表2、表3。

通过分析，在不考虑水垢热阻和壳程垢阻的影响下，可知在保持循环水量不变的情况下，采用不锈钢螺纹管其传热系数比铜管提高约40%，传热温差减小2℃左右，真空度提高约为8%。不锈钢螺纹管比铜管的换热效率大大提高，即在管子规格、数量不变的条件下，换热面积增大。

（3）通过详细的热力计算，确定凝汽器改造方案

将原换热面积为560平方米碳钢铜制管束凝汽器改为同规格且主要部件为不锈钢的凝汽器（管板、隔板、进室汽等为304L不锈钢结构，换热管束为316L不锈钢高效强化螺纹管结构），换热效果远远满足发电机组配置要求，其管束与管板采用先胀后焊且增设分隔支撑板，在满足换热效果及提高抗振性能的前提下，有效地防止含氨、氮较高的低压蒸汽和凝结水的侵蚀、发电机组频繁甩负荷的振动应力影响等综合因素，极大提高了凝汽器使用寿命和凝结水回收率（每天约回收1000立方米左右冷凝水），为发电机组的安全高效运行提供良好的物质保证。

2.热水井与凝结水泵改造技术方案

通过对进入发电机组蒸汽总量的波动（30吨/小时左右）导致热水井水位难以控制情况，确定热水井由Φ600毫米碳钢结构改为Φ1000毫米不锈钢结构，储水量增大3倍（0.3立方米增至0.9立方米），消除含氨、氮较高凝结水的腐蚀，可有效解决因余热锅炉负荷不稳定，热水井水位难有效控制的问题，提高发电系统的稳定性，提高发电机组的安全性和岗位人员的可操作性，增加机组发电量。通过对泵使用条件及密封材料的分析研究，将容易发生泄漏的填料密封泵改为机械密封泵，可解决在同等使用条件下发生泵的泄漏，确保凝汽器真空度，有效提高凝汽器冷却效率，有效预防了发电机组频繁甩负荷，延长发电机组的运行周期时间。

结论

凝汽器改造后，设备的结构强度、抗腐蚀性、换热效果大大提高，有效消除因凝汽器铜制管束泄漏造成的凝结水不合格全部排放问题，大大节约了能源，年回收凝结水25万吨左右，为公司创效达：25万吨/年×20吨/元＝500万元；热水井改造完成后，有效消除了发电机组因生产工艺波动频繁甩负荷，机组甩负荷情况从改造前的平均3～4次/天，降低为1次/3月；凝结水泵改造后，基本消除了泵的填料密封泄漏造成的停机损失，降低维修成本。综上所述，通过对余热发电附属装置的优化和改造，确保了发电机组的安全且长周期运行，提高了蒸汽的利用率，在节约能源的同时也为公司带来较大的经济效益。