污垢對(duì)火力發(fā)電廠節(jié)能減排的影響

21世紀(jì)中國(guó)火力發(fā)電主題――“節(jié)能、環(huán)保、節(jié)水”。這不僅僅是節(jié)能的重要技術(shù)措施，也是減少環(huán)境污染、溫室效應(yīng)氣體(CO2)排放和降低發(fā)電水耗的重要途徑，同時(shí)也是緩解今后煤炭供應(yīng)日趨緊張的重要技術(shù)措施。十七大報(bào)告指出，加強(qiáng)能源資源節(jié)約和生態(tài)環(huán)境保護(hù)，增強(qiáng)可持續(xù)發(fā)展能力?！豆?jié)能法》的修訂，從制度上確保節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。 　　近年來(lái),我國(guó)火力發(fā)電廠建設(shè)得到迅猛發(fā)展,隨著我國(guó)煤炭等能源資源緊缺,人們節(jié)能降耗意識(shí)的日益增強(qiáng).國(guó)家政策對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求越來(lái)越高. 　　目前，我國(guó)發(fā)電能源構(gòu)成中還是以煤為主(占80%)，雖然今后將大力開(kāi)發(fā)西部水電資源，但預(yù)測(cè)在本世紀(jì)30～40年內(nèi)以煤為主的結(jié)構(gòu)還不會(huì)改變。到2020年全國(guó)總裝機(jī)容量將達(dá)到9.5億千瓦左右，發(fā)電量將達(dá)到42000億千瓦時(shí)左右，其中火電裝機(jī)比重仍然占70%?；痣姍C(jī)組在為人們提供電和熱的同時(shí)，產(chǎn)生了大量的廢棄物，嚴(yán)重污染環(huán)境，也同時(shí)產(chǎn)生很高的消耗。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在一些高度工業(yè)化國(guó)家，換熱設(shè)備污垢的消耗占國(guó)民生產(chǎn)總值的0.25%，美國(guó)僅煉油工業(yè)與污垢有關(guān)的費(fèi)用就達(dá)13.6億美元。在我國(guó)，雖然工業(yè)構(gòu)成與美國(guó)不同，生產(chǎn)水平和管理水平也不一樣，污垢費(fèi)用占工業(yè)生產(chǎn)總值的比例理所當(dāng)然地也會(huì)有所不同。同樣，按0.25%這個(gè)比例估算我國(guó)在2004年因污垢而造成的損失應(yīng)為341億元(黑龍江省電力勘察設(shè)計(jì)研究院)。東北電力學(xué)院徐志明等對(duì)我國(guó)2000年電力工業(yè)因污垢而增加的費(fèi)用作了粗略估算，得出2000年鍋爐和凝汽器的污垢總損失費(fèi)用為128.21億元，約占GDP的0.15%。 　　節(jié)能降耗，簡(jiǎn)言之就是節(jié)約能源、降低消耗，用最少的投入去獲取最大的經(jīng)濟(jì)效益。節(jié)能降耗、點(diǎn)滴節(jié)約是企業(yè)的立身之本，誰(shuí)怠慢了它，輕視了它，誰(shuí)就會(huì)失去立足之基。我們不能不屑于一滴水、一度電、一塊煤的價(jià)值，這些都將直接影響到企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。 　　火力發(fā)電廠污垢的形成是一種極其復(fù)雜的熱量、動(dòng)量、和質(zhì)量交換過(guò)程，而且污染現(xiàn)象遍及自然過(guò)程。電廠多采用井水、河水作為循環(huán)水，水中含有能溶解在水中的鹽類、灰塵、泥砂、微生物等雜質(zhì)，循環(huán)水系統(tǒng)的冷卻水由于蒸發(fā)損失、風(fēng)吹損失等不斷濃縮，雜質(zhì)在水中的比例也不斷增高，因此、污垢的形成概率也高。一般來(lái)說(shuō)，污垢可以粗略按沉積物的形成機(jī)理分為二大類：水垢、泥垢等。 　　盡管水垢和泥垢的物理形態(tài)、形成機(jī)理、沉積區(qū)域和化學(xué)活性等都不相同，但對(duì)換熱過(guò)程的影響卻是相同的，它們都增加了換熱面的熱阻，減小了傳熱系數(shù)。一般認(rèn)為污垢還可分為以下幾種類型：①析晶污垢;②微粒污垢;③化學(xué)反應(yīng)污垢;④腐蝕污垢;⑤生物污垢;⑥凝固污垢等。 　　在我國(guó)，由于人們對(duì)污垢問(wèn)題普遍缺乏足夠的認(rèn)識(shí)和重視，換熱設(shè)備運(yùn)行環(huán)境惡劣和水體污染愈加嚴(yán)重等方面的原因，使得換熱器中結(jié)垢現(xiàn)象更加嚴(yán)重。污垢所帶來(lái)的危害是巨大的，也是多方面的。 　　首先，熱阻增大：循環(huán)水在凝汽器銅管內(nèi)流動(dòng)，吸收大量的熱量，保證了汽輪機(jī)的正常運(yùn)行。工業(yè)換熱器內(nèi)，一般管內(nèi)流體的流動(dòng)總是處于旺盛湍流狀態(tài)。根據(jù)管內(nèi)受迫流動(dòng)換熱理論，液體在管道內(nèi)流動(dòng)分為層流邊界層、過(guò)渡流層、紊流區(qū)三種基本現(xiàn)象，并由于流體的粘性而具有不同的流動(dòng)速度。層流邊界層是貼附于管壁的一層，流速非常緩慢，水中的CaCO3等污垢最易滯留在管內(nèi)壁上形成污垢;并且，層流邊界層雖然很薄，但緊靠管壁，熱阻很大，影響傳熱效果。一般污垢的導(dǎo)熱系數(shù)都很小，為0.174-1.163W/(m.oC)，僅為鋼材的1/50^1/30，即使污垢層厚度不大，也會(huì)導(dǎo)致傳熱系數(shù)降低。據(jù)《工業(yè)能源》雜志提供的權(quán)威統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),垢質(zhì)每年在換熱設(shè)備和管道中的沉積厚度至少在4mm以上,而換熱設(shè)備積垢每增加1mm,換熱系數(shù)下降9～9.6%,能耗將增加10%以上。 　　以某電廠600MW機(jī)組雙背壓凝汽器為例進(jìn)行計(jì)算，冷卻水管結(jié)垢0.3mm時(shí)使凝汽器真空下降1.6kPa，使機(jī)組的功率減少7572.304kW，使機(jī)組的熱耗率增加95.91kJ/(kW·h)。按年發(fā)電300天計(jì)算，一年減少收入：7572.3×24×300×0.35元/kW·h=1908萬(wàn)元。為了進(jìn)一步說(shuō)明問(wèn)題，在這里計(jì)算了不同污垢層厚度對(duì)雙背壓凝汽器真空及機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響數(shù)據(jù)，如表所示。   機(jī)組容量(Mw) 水垢厚度(mm) 真空度降低(kpa) 真空度降低(%) 汽耗增加（%） 100 1.2～2.0 26.7～33.3 3～5% 3～7.5% 50 0.8～1.2 ２０～４０ 2～4% 2～ 6% 　　由表上可看出，在相同的汽側(cè)放熱系數(shù)情況下，隨垢層厚度的增加，低壓、高壓凝汽器的真空近似成正比例下降，而機(jī)組的發(fā)出功率減小量和機(jī)組的熱耗率增加量近似成正比例增大。這說(shuō)明垢層的厚度增量越大，對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響就越大。 　　2.使排汽溫度升高：污垢造成傳熱系數(shù)降低，使循環(huán)冷卻水吸熱不良，減緩了排汽的凝結(jié)速度，致使排汽壓力升高、排汽溫度升高。而排汽溫度的升高又導(dǎo)致有更多的熱量需要冷卻水帶走，使循環(huán)冷卻水溫度升得很快。冷卻水溫度升高后又進(jìn)一步惡化真空，形成惡性循環(huán)。凝汽器真空是評(píng)價(jià)凝汽器運(yùn)行狀態(tài)優(yōu)劣和運(yùn)行檢測(cè)中的一個(gè)很重要的指標(biāo)。凝汽器真空過(guò)低會(huì)嚴(yán)重影響電廠機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，對(duì)于一臺(tái)已經(jīng)投運(yùn)的抽汽凝汽式機(jī)組，凝汽器的冷卻面積、冷卻水量、凝汽器熱負(fù)荷等已基本固定，冷卻水系統(tǒng)的特性、冷卻方式、冷卻水溫也受到電廠的地理位置、季節(jié)氣候等因素限制，凝汽器銅管水側(cè)的臟污和結(jié)垢是導(dǎo)致凝汽器真空惡化的最主要最常見(jiàn)的原因。 　　根據(jù)《火電廠節(jié)能工程師培訓(xùn)教材》介紹的實(shí)驗(yàn)數(shù)值：真空每降低1%，影響汽輪機(jī)熱耗率增加0.86%，真空降低2%，影響熱耗率增加1.72%，影響供電煤耗增加6.97g/kW•h(標(biāo)煤)。凝汽器真空每下降1kPa，汽輪機(jī)汽耗會(huì)增加1.5%～2.5%。以100MW機(jī)組為例，真空每下降1kPa，煤耗增加3.485g/kWh。正常情況下，一般真空都會(huì)下降5kPa，煤耗增加17.425g/kWh。根據(jù)等效焓降法計(jì)算真空度每提高1%，標(biāo)準(zhǔn)煤耗下降3.485g/kwh。若100MW機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行則可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤：1.45t/h以上，標(biāo)煤按500元/T計(jì)算，則可節(jié)約人民幣725元/h，若每年發(fā)電按8000小時(shí)計(jì)算，每年可節(jié)約發(fā)電成本580萬(wàn)元。 　　3.改變了設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)：水側(cè)污垢不僅使凝汽器清潔率下降和冷卻面積減少，增加了冷卻循環(huán)水系統(tǒng)的水流阻力，降低了冷卻水的流量，還增加了循環(huán)水的出口壓力和循環(huán)水泵的能耗，使換熱效率減小，端差升高。保持凝汽器較高的真空和較小的端差，是提高機(jī)組循環(huán)熱效率的主要方法之一。某廠一臺(tái)125MW機(jī)組，汽輪機(jī)背壓增高0.004MPa，導(dǎo)致熱耗增加244.5kJ/kWh，煤耗增加9.70g/kWh;凝汽器端差升高5℃，導(dǎo)致熱耗增加95.12kJ/kWh，煤耗增加3.66kJ/kWh。 　　另以100MW機(jī)組為例，裝配N(xiāo)-6815-2型凝汽器，正常運(yùn)行中凝汽器端差控制在6℃以內(nèi)，運(yùn)行一段時(shí)間后，凝汽器端差就升高到9℃左右，嚴(yán)重影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。造成端差大的主要原因是循環(huán)水中的污泥、微生物和溶于水中的碳酸鹽析出附在凝結(jié)器銅管水側(cè)產(chǎn)生水垢，形成很大的熱阻，使傳過(guò)同樣熱量時(shí)傳熱端差增大，凝結(jié)器排汽溫度升高，真空下降。根據(jù)N-6815-2型凝汽器熱力計(jì)算說(shuō)明書(shū)查得：其設(shè)計(jì)傳熱端差為4.04℃。經(jīng)測(cè)試機(jī)組的平均傳熱端差為9℃左右，較設(shè)計(jì)值大5℃左右，根據(jù)公式tz=t1+△t+δt，式中：循環(huán)水入口溫度t1取20℃，循環(huán)水溫升△t取13.14℃，端差δt取9℃，則：tz=42.14℃。對(duì)應(yīng)的排汽壓力，Pk′=0.0085MPa。由于端差增大5℃，使汽輪機(jī)熱耗率增加1.69%，供電煤耗增加8.31g/kW•h(標(biāo)煤)。經(jīng)計(jì)算，機(jī)組發(fā)電煤耗率增加8.31g/kW•h(標(biāo)煤)，年多耗標(biāo)準(zhǔn)煤9700噸，標(biāo)煤按500元/T計(jì)算，折合人民幣485萬(wàn)元，浪費(fèi)很大。 　　4.使汽輪機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益降低： 　　當(dāng)凝汽器在運(yùn)行中由于水側(cè)污垢熱阻的增加而導(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)減小時(shí)，就直接影響到了經(jīng)濟(jì)效益。 　　5.威脅機(jī)組的安全運(yùn)行：真空過(guò)低，會(huì)使低壓缸、排汽缸溫度升高，引起汽輪機(jī)軸承中心偏移，嚴(yán)重時(shí)會(huì)增大汽輪機(jī)組的振動(dòng);當(dāng)真空降低時(shí)，為保證機(jī)組出力不變，必須增加蒸汽流量，從而導(dǎo)致軸向推力增大，使推力軸承過(guò)負(fù)荷，影響汽輪機(jī)組的安全運(yùn)行。 　　6.引起垢下腐蝕：沉積物垢下腐蝕是凝汽器銅管腐蝕的主要形態(tài)。沉積物造成銅管表面不同部位上的供氧差異和介質(zhì)濃度差異會(huì)導(dǎo)致局部腐蝕。銅被氧化生成的Cu2+及Cu+離子傾向于水解生成氧化亞銅，并使溶液局部酸化，加劇了腐蝕的發(fā)展，嚴(yán)重時(shí)造成針型腐蝕穿孔，導(dǎo)致銅管及管板泄漏，循環(huán)水進(jìn)入凝結(jié)水，在無(wú)法預(yù)知的情況下，鍋爐給水品質(zhì)變差，威脅著鍋爐及發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行，也直接影響發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)效益。 　　7.降低凝汽器的使用效率：銅管內(nèi)壁形成污垢的速度很快，根據(jù)文獻(xiàn)，凝汽器銅管清掃24h后，清潔系數(shù)從1.0變?yōu)?.692，實(shí)際傳熱系數(shù)由2.93kW/(m2•℃)降到1.98kW/(m2•℃)，致使排汽溫度從31.5℃上升到35.5℃。而0.1mm厚污垢的熱阻足以讓1mm厚的銅管的導(dǎo)熱熱阻被忽略不計(jì)。如此短的積垢時(shí)間和低的傳熱效率，導(dǎo)致凝汽器長(zhǎng)期處于低效率運(yùn)行中。 　　大型火力發(fā)電廠各項(xiàng)熱損失大約為：鍋爐熱損失>9%、管道熱損失>1%、汽輪機(jī)排汽熱損失>50%、汽輪機(jī)機(jī)械損失>2%、發(fā)電機(jī)損失>1%——引自《熱能工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》。從設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，總熱損失>60%，綜合熱效率<40%。其中汽輪機(jī)排汽熱損失>50%。50%以上的汽輪機(jī)排汽熱損失不僅帶來(lái)了能源資源的巨大浪費(fèi)，也帶來(lái)了大量的環(huán)境污染。提高火力發(fā)電廠的整體熱效率技術(shù)有很多。如高效燃燒技術(shù);發(fā)電效率提高技術(shù);余熱回收技術(shù);乏汽回收技術(shù)及水回收技術(shù)等。技術(shù)不同，應(yīng)用部位不同，對(duì)整體效率影響不同?，F(xiàn)在，僅從通過(guò)降低主要損失----排汽熱損失提高整體熱效率。在凝結(jié)水量、冷卻水流量和進(jìn)口水溫一定的情況下，提高凝汽器換熱效果，減小凝汽器銅管內(nèi)外壁溫差，管外的蒸汽就能迅速被水冷凝，體積縮小，真空提高，蒸汽的發(fā)電能力提高，蒸汽的更多熱量轉(zhuǎn)化為電能，導(dǎo)致蒸汽的溫度(排汽溫度)降低，冷卻水的出水溫度也降低，使排汽溫度和冷卻水出水溫度的溫差(傳熱端差)減小，冷卻水帶走的熱量減少，即汽輪機(jī)排汽熱損失減少，發(fā)電熱效率提高，經(jīng)濟(jì)效益也相應(yīng)提高，而除垢、防垢是提高換熱效率的最主要途徑?？梢?jiàn)：除垢、防垢能大幅度提高火電機(jī)組凝汽器的換熱效率，從而提高機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性，減少冷源損失，就可以減少發(fā)電汽耗，也就降低了發(fā)電煤耗。 　　降低生產(chǎn)熱能量的成本不僅僅有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的意義，而且具有社會(huì)意義，是構(gòu)建節(jié)約型社會(huì)的一種技術(shù)手段。湖南省株洲工學(xué)院俞秀明教授所在課題組為了獲得冷凝器污垢對(duì)傳熱造成的經(jīng)濟(jì)損失評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，選取了江氨化工公司和湖南省南天實(shí)業(yè)公司進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，通過(guò)分析測(cè)試結(jié)果表明，冷卻水的污垢使換熱器的實(shí)際運(yùn)行效率下降40%以上。他們進(jìn)一步對(duì)污垢造成的各個(gè)方面損失進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。分析結(jié)果顯示，水垢所造成的設(shè)備費(fèi)用損失高達(dá)每年1.6億元左右;造成的水冷器水費(fèi)增加高達(dá)到26.6億元;引起的冷水機(jī)組運(yùn)行電費(fèi)上升7億元。每年因?yàn)槲酃杆斐傻脑O(shè)備費(fèi)用增加、水費(fèi)損失、運(yùn)行費(fèi)用增加總計(jì)達(dá)到30億元之多。換熱器存在污垢會(huì)造成能源的巨大浪費(fèi)和驚人的經(jīng)濟(jì)損失。 　　如何使污垢的影響降到最低，從而提高電廠的效益，也就成為擺在我們面前的一項(xiàng)緊迫的任務(wù)。