随着国家对节能减排的重视, 大部分钢铁企业对二次能源利用提高到一个新的高度, 余热余能发电作为二次能源利用的关键点之一越来越受到关注。钢铁企业的发电系统随着规模的扩大其效率的提高对其经济运行影响较大, 而发电汽轮机凝汽器热交换管道的清洁度又是提高发电效率的关键点之一, 其选用的清洁方式和清洁效果直接影响到发电机组的效率提高。福建某钢铁公司2012年开始筹备建设余热余能自备电厂, 现有3台发电机组建成投产, 投产的发电机组凝汽器清洁方式设计采用胶球自清洗方式, 但投产后出现漏球率高、自清洗效果差、胶球堵塞严重等一系列导致无法稳定运行的问题, 严重影响机组的安全稳定经济运行, 为此对以上系统进行技术改造, 以便达到发电效率最大化的目的。

　　 该有限公司的发电机组容量为2台1×20 MW+1×18 MW高温高压煤气发电机组以及1台1×12 MW烧结余热发电机组, 3台发电机组冷却均采用泵房循环水+开式机力冷却塔方式进行, 水池的水通过循环泵加压后输送至发电机组的热交换设备 (如汽轮机凝汽器、发电机空冷器、冷油器等) 进行热交换, 水吸收热量后输送至机力冷却塔冷却降温, 降温后的水再进入水池泵房循环使用, 系统如图1所示。

　　 因钢铁企业内部的环境一般较为恶劣, 开式冷却会把空气中大量的粉尘以及微生物等通过吸风口带入水中, 同时由于开式冷却系统的日光会照射至水上, 加上25~45℃水温及循环水中的营养成分, 这些非常有利于微生物繁殖等因素导致在日光照射部分常产生大量的藻类;在不受日光照射的部分, 则由于细菌、真菌的大量繁殖, 产生粘泥, 因此在冷却水循环过程中会产生大量的菌类、藻类以及粘泥。菌类、藻类及粘泥会通过水的流动吸附在热交换管的内壁上, 阻碍了热交换管的换热, 降低换热效率, 最终影响了发电机组的发电效率, 其危害极大, 必须清除。

　　 发电机组的主要冷却设备有:汽轮机的凝汽器、发电机的空气冷却器以及润滑油系统的油冷却器, 而汽轮机的凝汽器冷却水量占所有发电冷却设备的90%以上, 是最主要的冷却设备, 其冷却效果的好坏直接影响到发电机组安全经济运行。发电设备在汽轮机进出口的水管上安装了胶球清洗装置, 胶球通过凝汽器换热管内流动, 流动时带走黏附在管内壁的菌类、藻类及粘泥, 从而达到清洁换热器的目的。

　　 胶球清洗系统如图2所示。

　　 其原理是通过比换热管直径略大的软胶球进入凝汽器等换热设备的热交换管内, 把管内的菌类、藻类及粘泥等阻碍换热的物质带出管内, 从而达到清洁换热管的目的, 但是运行一段时间, 胶球清洗有较多问题, 主要如下:

　　 (1) 安装胶球清洗装置进球和收球分别安装在冷却设备的进水管和出水管, 胶球通过换热管时需一定的动力源才能推动, 因此胶球清洗装置增加了水的阻力, 使循环泵房的耗电量明显增加。

　　 (2) 胶球清洗装置在回收胶球时经常存在漏球现象, 致使大量的胶球进入回水管网, 堵塞冷却塔内的喷头, 造成供水压力升高和水流不畅等问题, 且堵塞部分喷头后造成冷却塔下水不均匀, 影响冷却塔的降温, 造成冷却塔电耗增加。

　　 (3) 因换热管内壁有粘泥等污物, 加上换热管内部的截面积有微量变形, 部分胶球通过换热管时堵塞里面无法通过, 此时不仅起不了清洁作用, 反而因堵塞没有过水造成换热效果变差。

　　 鉴于凝汽器胶球清洗装置给系统带来一系列的问题, 无法达到发电机组安全、稳定及经济运行的目标, 因此决定取消凝汽器的胶球清洗装置, 通过其他方式对凝汽器进行清洗和清洁。

　　 原有设计在泵房水池内进行连续加药, 通过连续不间断投入缓蚀阻垢剂及杀菌灭藻剂等药品进行杀菌、杀藻等措施, 以达到抑制和消灭菌类和藻类的目的。

　　 经过详细分析和观察发电机组循环水系统的菌类、藻类及粘泥生成的特点, 发电机组冷却设备热交换管内吸附的菌类、藻类和粘泥可以通过集中加药的方式进行抑制和杀死, 剥离方式由原来的胶球机械方式更改为水流式剥离, 即由现有的通过加药装置连续不间断加药更改为定期定量大容量加药, 增加旁滤系统, 由原来的无序加药更改为有序加药, 具体改造措施如下:

　　 (1) 缓蚀阻垢剂每天加药一次, 药剂量约按水池装水容量的0.01‰投药。

　　 (2) 氧化性杀菌灭藻剂每隔10天加一次, 一次性按水池装水容量的0.05‰~0.07‰投药 (冬天和夏天的间隔时间可适当调整, 不同厂家提供的药剂所需药剂量会有不同, 以实际经验为主) 。

　　 (3) 在氧化性杀菌灭藻剂加完后, 过24h一次性加同等量的非氧化性粘泥剥离剂 (杀菌剥离剂) 。

　　 (4) 增加循环冷却水回水管道上的旁滤系统, 通过旁滤系统把菌类和藻类以及部分淤泥进行过滤除去。

　　 (5) 大量加药后的24h内适当提高泵房的循环水量, 以便达到换热管内的水流按紊流运行, 确保水流剥离的效果。

　　 通过以上改造措施后发电机组冷却设备的换热管内、循环水水管内以及冷却塔填料等水流地方的污泥、菌类和藻类全部杀死并实现剥离进入水池, 同时剥离后的污泥、菌类和藻类等污物溶解或漂浮在循环水管道内或水池中, 通过循环水管上设置的旁滤装置进行过滤 (旁滤装置为无阀过滤器, 约4%的过滤量, 一天可以把所有水量过滤一遍) , 最终的污物在旁滤装置中进行反洗脱离出来, 进入钢厂的废水管网进行集中处理 (加药及旁滤等系统如图3所示) 。

　　 换热管内水流式污物剥离理论来源主要如下:

　　 (1) 因循环水经蒸发损失后, 水中含盐量必然随着水蒸气的散失而增加, 水中的盐分浓度增加后容易析出并黏附在换热管的壁上, 阻碍管子的热交换, 因此每天小量剂的缓蚀阻垢剂加入, 可以起到阻碍盐垢的产生。

　　 (2) 集中式大量加入氧化性杀菌灭藻剂可以一次性把循环水池内和所有管道内 (含热交换管) 的菌类、藻类集中杀死, 特别是管壁内的菌类和藻类经过24h运行后已经完全杀死。

　　 (3) 通过杀菌灭藻剂工作24h后管壁内的菌类和藻类已经完全杀死, 但是大部分菌类、藻类的尸体和粘泥松散地黏附在管壁上, 此时集中加入非氧化性的剥离剂, 剥离剂会形成大量的泡沫, 泡沫在水的流动过程中形成紊流, 大流量的紊流扰动和剥离剂的剥离作用会把松散黏附在管道内壁的菌类、藻类的尸体以及粘泥带出来, 从而达到清洁换热管的目的。特别是提高水的流速后, 换热管内紊流效果明显, 对水流式剥离杀菌后的粘泥起到非常好的作用。

　　 (4) 被水流式剥离出来的菌类、藻类尸体以及粘泥会以悬浮的方式浮在水中, 此时水池的浊度明显变大, 水相对较混, 但通过改造后的旁滤系统不停过滤, 把菌类、藻类以及粘泥等杂质过滤出来, 过滤后清洁的水再送回水池, 确保循环水的清洁度和浊度要求 (旁滤系统如图3所示) ;较大颗粒的杂质和污物会慢慢沉淀在水池底部, 可通过定期清理水池的方式把杂质和污物清出。通过以上2个方式把粘泥等脏物排除出来, 可确保循环水系统长期清洁要求, 达到长期稳定运行的目标。

　　 (5) 旁滤系统采用的无阀滤池过滤设备, 大量的菌类、藻类及粘泥被过滤设备内的过滤材料吸附, 一定时间后进行自动反冲洗把吸附在过滤料上的粘泥等脏物反洗出来 (反洗后的废水进入钢厂总的排污管道进行集中处理) , 确保旁滤系统长期运行。在反洗过程中会损失部分循环水, 此时进行新水补充, 新水的不断补充可以稀释循环水的盐分浓度, 正好可以确保循环水的循环倍率和盐分浓度在合理范围内。

　　 更改发电机组冷却设备的清洁方式后, 发电机组凝汽器真空明显提高, 凝汽器端差由原来的6~7℃降低为3~4℃, 真空由原来的-89kPa调整至-92kPa, 技术指标明显改善, 效果非常好, 并经运行6个月后打开凝汽器端盖检查换热管清洁度, 发现换热管内壁非常光滑, 无任何菌类、藻类及粘泥等脏物, 目前1#发电机组已经改造运行3年, 发电机组的凝汽器、空冷器及冷油器等冷却设备未进行任何的机械清洗, 凝汽器端差及真空保持在最佳值状态, 发电机空冷器和冷油器冷却效果明显改善, 对提高机组负荷能力有较大帮助, 改造达到预期的效果。

　　 改造后发电机组真空由原来的-89kPa调整至-92kPa, 以每提高1kPa真空可节约2g标煤计算, 余热余能发电机组全年并网发电量约为3.3亿kW·h, 折价约为600元/t煤, 则改造后全年节约标煤产生的效益为:2×3×330 000 000×600÷10 000÷1 000÷1 000=118.8 (万元) 。

　　 改造后取消了胶球清洗装置, 经统计发电机组自耗电降低了约0.5%, 并网电价扣除成本后按0.5元/ (kW·h) 计算, 则全年因降低自耗电可节约费用:0.5×330 000 000×0.5%÷10 000=82.5 (万元) 。

　　 以上2项合计年可产生效益118.8+82.5=201.3 (万元) , 改造后经济效益可观。

　　 目前大部分钢铁企业均有以余热余能发电机组为主的自备电厂, 随着节能减排工作的深入, 其发电效率的提高越来越受到各企业的重视, 而汽轮机凝汽器的清洁度对发电机组的效率有着举足轻重的作用, 发电汽轮机凝汽器由原来的胶球机械清洗改造为集中加药式水流自动清洗, 其改造量小, 投资额少, 操作简单, 效果明显, 彻底解决了发电机组冷却设备换热管内壁黏附菌类、藻类及粘泥的问题, 对钢铁企业的自备电厂中小型发电机组具有借鉴和推广意义。