汽輪機冷端系統節能診斷及優化技術馬汀山西安熱工研究院有限公司2023/2/4主要內容2023/2/4一、冷端系統概述二、常見問題三、冷端系統節能診斷與運行優化四、實例分享五、TPRI冷端系統在線診斷和運行優化裝置六、冷端系統綜合治理2一、冷端系統概述主要設備包括：凝汽器（3）循環水泵及循環水系統（4）凝結水泵及凝結水系統（5）真空泵及抽真空系統（6）冷卻塔（7）管道、閥門等附件2023/2/43主要任務是把從汽輪機排汽口排出的蒸汽凝結成水，并建立與維持一定的真空度。1.凝汽器冷卻管臟污汽側臟污水側臟污2023/2/44二、常見問題通常是指水側臟污2023/2/45二、常見問題2.真空嚴密性差判別指標：真空下降率表征漏入空氣流量大小，切除抽空氣設備后的真空下降率是反映真空系統嚴密程度的指標。僅能判別漏入量，不能判別是否影響真空及影響程度。G：漏入空氣流量V：真空下降率2023/2/46二、常見問題3.真空泵組性能差真空泵工作液溫度高；真空泵抽吸能力低。①空調機組冷卻工作液②羅茨真空泵組（1）影響空氣聚積的關鍵因素。（2）判斷依據呢？4.冷卻塔冷卻能力差除水器：變形、失效等；噴濺裝置：堵塞、下盤脫落、噴水不均等；填料：結垢、堵塞、破損等；配水槽（管）：開裂等。2023/2/47二、常見問題5.循環水泵效率低循環水泵運行效率低；循環水泵的運行工況偏離設計工況；同比循環水泵單耗高；循環水系統阻力特性。2023/2/48二、常見問題循環水泵與循環水系統匹配性分析6.循環水泵耗電率不合理2023/2/49二、常見問題耗電率過高或過低均不經濟，需考慮最佳背壓。造成全年循環水泵在設計方式下的運行時間很短。7.循環水泵運行方式怎么確定負荷變化；氣溫變化；潮位變化（海水冷卻）；冷卻塔性能變化；煤價、電價變化。2023/2/410二、常見問題海水潮位變化雙速改造、增設變頻器的必要性8.凝結水泵耗電率高泵組效率；泵組低頻振動；給水泵迷宮密封用水壓力；雜用凝結水流量；其它連鎖壓力。2023/2/411二、常見問題必要的改造，降低耗電率。二、常見問題2023/2/4129.雙背壓凝汽器問題（1）高、低壓凝汽器壓力差值不明顯，甚至低壓凝汽器壓力與高壓凝汽器壓力相等；（2）低壓凝汽器壓力和高壓凝汽器壓力不能同時達到設計值。抽真空系統布置方式是否合理？三、冷端系統節能診斷與運行優化2023/2/4131.理論依據2023/2/4142.冷端系統性能影響因素（1）冷卻水進口溫度（取決于自然條件和冷卻塔冷卻能力）（2）冷卻水流量（3）凝汽器熱負荷（4）凝汽器冷卻管臟污（5）凝汽器設計特性（管束布置、冷卻面積等等）（6）空氣在凝汽器內的聚積程度（取決于真空泵的抽吸能力）真空泵工作水溫度雙背壓凝汽器抽真空系統的布置方式三、冷端系統節能診斷與運行優化2023/2/42.冷端系統性能影響因素15三、冷端系統節能診斷與運行優化2023/2/416影響類型一級影響因素二級影響因素三級影響因素四級影響因素tw1冷卻水進口溫度冷卻塔性能

自然環境

Δtw冷卻水流量循環水泵出力不足

循泵性能與阻力不匹配

凝汽器或循環水系統堵塞

凝汽器熱負荷汽輪機熱耗高

凝汽器附加熱負荷大

δt凝汽器臟污膠球清洗系統不正常

水質差、雜質多

凝汽器面積設計面積偏小

空氣聚積機組真空嚴密性差漏入空氣

真空泵抽吸能力差工作水溫度高工作水冷卻系統性能差工作水的冷卻水溫度高工作水流量低

雙背壓凝汽器抽空氣系統阻力不匹配

三、冷端系統節能診斷與運行優化2023/2/417（1）冷卻水進口溫度的影響取水口位置不合理（直流供水冷卻）；冷卻塔冷卻能力不足；三、冷端系統節能診斷與運行優化冷卻水溫度變化1℃對發電煤耗影響2023/2/418（2）冷卻水流量的影響三、冷端系統節能診斷與運行優化冷卻水流量變化10%對發電煤耗影響凝汽器冷卻水溫升設計值一般為8-10℃左右，冷卻水流量減少10%，冷卻水溫升增加約1℃，真空降低0.24kPa-0.58kPa。2023/2/419（3）凝汽器熱負荷的影響汽輪機熱耗高；低旁泄漏；小汽輪機缸效率低；閥門內漏嚴重等。三、冷端系統節能診斷與運行優化2023/2/420（4）冷卻管臟污的影響三、冷端系統節能診斷與運行優化冷卻管清潔系數下降0.1對機組發電煤耗影響2023/2/421（5）汽側空氣的影響真空嚴密性真空泵工作水進口溫度真空泵工作水流量真空泵轉速雙背壓凝汽器抽空氣系統的影響三、冷端系統節能診斷與運行優化三、冷端系統節能診斷與運行優化2023/2/4221）雙背壓凝汽器抽空氣系統的影響高、低壓凝汽器壓力差值不明顯，甚至低壓凝汽器壓力與高壓凝汽器壓力相等；低壓凝汽器壓力和高壓凝汽器壓力不能同時達到設計值。三、冷端系統節能診斷與運行優化2023/2/4

A串聯布置方式B

C并聯布置方式D232）雙背壓凝汽器抽空氣系統的常見布置方式2023/2/4項目名稱A機組B機組C機組凝汽器型號N-40000-1N-33500N-49000抽空氣系統布置方式串聯布置方式B串聯布置方式A并聯布置方式D低壓凝汽器真空嚴密性/Pa·min-127323179高壓凝汽器真空嚴密性/Pa·min-126822652機組負荷/MW594.5652.51001.7高壓凝汽器傳熱端差[1]/℃6.1004.9245.259低壓凝汽器傳熱端差[1]/℃10.3649.3666.333高壓凝汽器壓力[1]/kPa6.5795.2085.207低壓凝汽器壓力[1]/kPa6.0235.2354.393影響低壓凝汽器壓力偏高/kPa1.1521.101----24三、冷端系統節能診斷與運行優化3）抽空氣系統阻力不匹配對凝汽器的影響2023/2/4某300MW機組凝汽器面積從16000m2增加到19000m2，凝汽器設計壓力下降0.4kPa。目前現役大型發電機組凝汽器冷卻面積完全可以滿足該型機組冷端系統性能的需求。25（6）凝汽器冷卻面積的影響三、冷端系統節能診斷與運行優化機組容量直流冷卻機組循環冷卻機組300MW16000～1800017500～19000330MW17000～1800018000～19000350MW18000～1900019000～21000600MW亞33000～3500035000～39000600MW超33000～3500034000～380001000MW52000～5500054000～60000設計面積（m2）2023/2/4主要影響因素變化情況影響凝汽器壓力kPa影響供電煤耗g/kW.h影響趨勢凝汽器冷卻水進口溫度1℃0.340.82冷卻水進口溫度越高，凝汽器壓力的單位溫度變化值越大凝汽器冷卻水流量-10%0.410.984冷卻水流量越小，每降低10%水量對凝汽壓力的影響量越大，隨著冷卻水溫度升高，相同水量變化引起的壓力變化越大。凝汽器冷卻管清潔系數-0.10.230.552冷卻水溫度越低，相同清潔系數下降值使得凝汽器壓力升高值越小凝汽器熱負荷10%0.360.864冷卻水進口溫度越高，熱負荷增加使得凝汽器壓力變化值越大凝汽器冷卻面積-10%0.210.504隨著冷卻面積增大，凝汽器壓力降低值越小真空泵工作水進口溫度(真空嚴密性良好)40℃0.651.560工作水溫度超過40℃，凝汽器壓力明顯升高；嚴密性越差，凝汽器壓力升高值越大26（7）冷端影響因素的影響量三、冷端系統節能診斷與運行優化2023/2/4冷卻水進口溫度冷卻水流量冷卻管臟污汽側空氣聚積凝汽器熱負荷凝汽器冷卻面積27（8）冷端性能影響因素排序（由大到小）三、冷端系統節能診斷與運行優化冷卻面積不是關鍵影響因素三、冷端系統節能診斷與運行優化2023/2/43.輔機耗電28輔機耗電量分析循環水泵凝結水泵真空泵三、冷端系統節能診斷與運行優化2023/2/44.運行優化汽輪機出力和排汽壓力的關系凝汽器變工況性能凝汽器冷卻水流量與循環水泵耗功關系冷卻塔淋水密度和凝汽器進水溫度的關系抽氣設備運行狀態優化調整冷端運行優化的技術經濟比較方法機組凈出力(運行經濟性)比較法AGC模式下煤電經濟性(最大利潤)比較法29四、實例分享2023/2/41.節能診斷（1）冷端系統概況N600-16.7/538/538型凝汽式汽輪機配套N-41500-1型雙背壓表面式凝汽器系統采用循環冷卻（冷卻塔）方式。循環水系統配套2臺72LKXA-23型循環水泵、一座自然通風冷卻塔。凝汽器抽空氣系統配套三臺2BW5353-OEK4型水環式真空泵，采用串聯布置方式。302023/2/4（2）診斷內容凝汽器、真空泵及抽空氣系統性能診斷；循環水泵及循環水系統性能診斷；冷端系統性能分析、主要影響因素定性和定量分析；提出提高機組運行真空、降低廠用電率的建議和措施。節能診斷基于試驗。四、實例分享312023/2/4試驗工況MW600MW500MW400MW循環水泵運行方式/ABABAB真空泵運行方式/BBCB凝汽器冷卻水流量m3/h486104861048610低壓凝汽器傳熱端差℃16.19612.54218.199低壓凝汽器運行清潔系數/0.2840.3010.195高壓凝汽器傳熱端差℃9.5497.51013.417高壓凝汽器運行清潔系數/0.4600.4880.268在設計冷卻水進口溫度20℃、現有冷卻水流量條件下凝汽器平均壓力kPa7.926.317.90在設計冷卻水進口溫度20℃、流量58300m3/h條件下凝汽器平均壓力kPa7.165.807.15在設計冷卻水進口溫度20℃、流量58300m3/h和清潔系數0.85條件下凝汽器平均壓力kPa4.724.223.8832四、實例分享2023/2/4（3）診斷結果及分析真空嚴密性。真空嚴密性都達到了良好水平，在真空泵及抽空氣系統正常工作的情況下，真空泵完全有能力抽出漏入的空氣。凝汽器性能600MW負荷下凝汽器壓力偏高約3.21kPa、400MW負荷下凝汽器壓力偏高約4.03kPa。嚴重影響了機組的運行經濟性和安全性。冷卻水流量欠缺約9690m3/h，流量偏小約16.6%。低壓凝汽器的運行清潔系數約為0.284、高壓凝汽器的運行清潔系數約為0.46，和設計清潔系數0.85相比明顯偏低。表明凝汽器中存在空氣聚積、以及凝汽器冷凝管存在臟污，且空氣聚積、冷凝管臟污程度比較嚴重。33四、實例分享2023/2/4（3）診斷結果及分析凝汽器水阻。設計冷卻水流量58300m3/h條件下的凝汽器設計水阻為50kPa。而實際狀態下，凝汽器冷卻水流量為48610m3/h時，凝汽器A側水阻為68kPa、B側水阻為66kPa。表明凝汽器冷凝管內壁臟污、端管板管口有雜質。項目名稱單位A側B側循環水泵運行方式/一機兩泵凝汽器冷卻水流量m3/h48610凝汽器冷卻水入口壓力kPa233230凝汽器冷卻水出口壓力kPa165164水阻kPa686634四、實例分享2023/2/4（3）診斷結果及分析抽空氣系統方式和真空泵狀態。凝汽器中空氣聚積，尤以低壓側為嚴重。真空泵抽不出聚積的空氣。B真空泵工作水流量14.1m3/h，只有設計流量的50%，將影響水環的正常建立，降低真空泵的抽吸能力。真空泵工作水流量冷卻水流量m3/hm3/hA40.5149B14.1151C36.2123真空泵工作水及冷卻水35四、實例分享2023/2/4（3）診斷結果及分析循環水泵性能。在兩泵并聯運行時，單泵的平均流量偏小約18%，效率平均偏低約17個百分點；在單泵運行時，泵的流量平均偏小約7%，效率平均偏低約11.4個百分點。項目單位兩泵并聯單泵運行運行方式/泵標號/設計AB設計AB出口流量m3/h306002428425784363603298734597揚程m2323.923.9118.617.217.7效率%87.569.6471.3688.575.7978.4236四、實例分享2023/2/4（3）診斷結果及分析循環水系統阻力特性。按照現有的循環水系統阻力，現有的兩臺循環水泵的流量-揚程特性明顯偏小。37四、實例分享2023/2/4（4）影響量定量分析廠用電在兩臺循環水泵并聯運行時影響輔機電耗約839.9kW；在單泵運行時影響輔機電耗約255kW。對真空影響的定量分析結果工況MW600MW600MW600MW400MW400MW循泵運行方式/ABABABABAB真空泵運行方式/BBCABCBBC現有平均壓力kPa7.926.956.727.906.05空氣和臟污影響kPa2.441.671.493.271.70水量影響kPa0.760.610.570.750.4738四、實例分享2023/2/4（5）節能技術措施凝汽器冷卻管清洗和水室雜質清理降低循環水系統阻力和循環水泵增容技術改造凝汽器抽空氣管路和真空泵連接方式改進39四、實例分享2023/2/42.運行優化（1）概況某2×600MW超臨界機組(廠內編號1、2號)，每臺機組配套雙殼體、單流程、雙背壓表面式凝汽器，凝汽器冷卻水系統采用循環供水冷卻方式；每臺機組配套2臺循環水泵，以滿足不同季節和不同負荷時凝汽器對冷卻水量的要求。1號機組和2號機組的循環水管道之間加設聯絡管，根據冷卻水進口溫度及機組負荷的變化，循環水泵運行方式有：一機一泵、兩機三泵和一機兩泵三種方式。40四、實例分享2023/2/441四、實例分享循環水泵定速循環水泵雙速四、實例分享2023/2/442循環水泵變頻機組負荷雙速與定速比較變頻與定速比較變頻與雙速比較600MW9974-25540MW151122-29480MW229202-27420MW31235846360MW321461140300MW367589223本表中的數據為機組凈出力變化，正為增加，負為降低，單位為kW三種最佳運行方式的經濟性對比結果五、TPRI冷端系統在線診斷和運行優化裝置2023/2/41.產品功能43汽輪機冷端系統性能監測、診斷及運行優化裝置在線監測在線診斷運行優化性能試驗運行監督2023/2/42.裝置功能模塊（1）冷端性能監測模塊（2）冷端性能診斷模塊（3）冷端運行優化模塊（4）冷端性能試驗模塊44五、TPRI冷端系統在線診斷和運行優化裝置2023/2/4（1）冷端性能監測模塊①冷端系統實測參數監測；②冷端系統計算性能監測；③設備運行特性監督。45五、TPRI冷端系統在線診斷和運行優化裝置2023/2/4（2）冷端性能診斷模塊①明確冷端性能偏差值及各影響因素的影響量；②確定機組真空偏低的原因，并給出處理建議；③確定真空泵抽吸能力不足的原因，并給出處理建議；④確定凝結水過冷度偏大的原因，并給出處理建議；⑤確定循泵和凝泵電耗偏大的原因，并給出處理建議。46五、TPRI冷端系統在線診斷和運行優化裝置2023/2/447冷端系統影響因素定量分析五、TPRI冷端系統在線診斷和運行優化裝置診斷結果+處理建議耗差分析2023/2/4（3）冷端運行優化模塊①根據凝汽器運行狀態、真空泵抽吸能力、機組負荷、循環水溫度、空氣積聚程度等條件，自動尋求機組最佳運行背壓，確定循環水泵和真空泵的最佳運行方式。②循環水泵偏離最佳運行方式對供電煤耗的影響量計算。③真空泵偏離最佳運行方式對供電煤耗的影響量計算。48五、TPRI冷端系統在線診斷和運行優化裝置指導運行人員操作2023/2/4（4）冷端性能試驗模塊①在線性能試驗；②離線性能試驗；③試驗結果生成；④試驗結果查詢；⑤試驗報告生成。49五、TPRI冷端系統在線診斷和運行優化裝置2023/2/43.技術創新及自主知識產權自主研發包含多項技術創新的產品。在國內首次建立并應用了凝汽器汽側空氣量的監測方法、凝汽器冷卻管水側臟污影響系數的計算方法。在國內首次建立并應用了考慮真空泵抽吸能力變化的冷端系統運行方式的在線優化模型。國內首次全面實現了冷端系統性能在線監測、實時診斷和運行優化指導等多項功能。50五、TPRI冷端系統在線診斷和運行優化裝置多項中國電力科技獎、專利2023年2月4日51六、冷端系統綜合治理1.綜合治理的目的冷端改造效益最大化；綜合考慮設備性能相互影響；制定綜合的改造方案。凝汽器冷卻塔循環水泵真空泵2023年2月4日52噴淋區：噴頭優化選型+噴頭優化布置+噴頭數量增加填料區：填料優化選型+非等高布置+非等間距布置+增容可行性+。。。六、冷端系統綜合治理2.冷卻塔改造（1）TPRI改造策略2023年2月4日53

由于傳熱區域外區空氣流速較大、內區空氣流速較小，填料區溫度呈外低內高分布，為強化塔內換熱能力，根據外區、內區溫度場具體分布狀況，合理增大外區填料厚度、減小內區填料厚度，有效利用外區、內區上升空氣的吸熱吸濕能力，使得外區、內區循環水均能達到充分冷卻。水池水面水溫場填料非等高布置示意（2）TPRI關鍵技術1—填料非等高布置六、冷端系統綜合治理2023年2月4日54在一定通風阻力情況下，考慮防止污染物堵塞等問題，依據冷卻塔溫度場和空氣動力場分布情況，合理調整填料波間距，更加均勻地分配循環水，使得填料中水氣熱質交換更充分，提高了單位體積填料的冷卻效果。19mm片距斜折波32mm片距S波（2）TPRI關鍵技術2—填料非等間距布置六、冷端系統綜合治理2023年2月4日55根據現場測量噴濺裝置到淋水填料頂部的高度，在滿足噴濺裝置霧化效果的前提下，在考慮嚴寒地區冬季冰載和循環水水質較差地區填料防堵等問題基礎上，依據冷卻塔溫度場和空氣動力場分布情況，合理增加填料組裝高度，滿足對冷卻塔冷卻能力的進一步要求。

通過冷卻塔全面節能提效改造，填料面積增容8～15%左右。（2）TPRI關鍵技術3—淋水填料增容六、冷端系統綜合治理2023年2月4日562023年2月4日

部分冷卻塔存在內區噴淋水量大、外區噴淋水量較小的問題，基于此，冷卻塔改造時依據冷卻塔溫度場和空氣動力場分布情況，對內、外區噴濺裝置重新進行優化布置，調整冷