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華潤電力首陽山有限公司 凝汽器加裝在線清洗機器人裝置 可行性方案 鄭州賽為機電設備有限公司 二O一六年七月 凝汽器加裝在線清洗機器人裝置 可行性方案 一、背景及必要性 1、背景 凝汽器是煤電機組重要的冷端設備，凝汽器真空是衡量煤電機組效率的關鍵指標。提高并保持機組最佳真空，是發(fā)揮660MW超超臨界機組冷端設備經(jīng)濟性能，有效降低發(fā)電成本的有效路徑之一，也是發(fā)電企業(yè)目前需要研究解決的重要課題。 影響凝汽器真空因素很多，如真空嚴密性、循環(huán)水量和水溫、凝汽器清潔系數(shù)等，在真空嚴密性合格、循環(huán)誰系統(tǒng)相同運行工況下，清潔系數(shù)直接影響到凝汽器真空指標。以660MW機組為例，新管清潔系數(shù)為0.90，如果管內垢厚0.10mm,清潔系數(shù)就會降至0.75，真空降低約0.6kPa,影響煤耗1.6g/kwh；泥垢厚度0.20mm，清潔系數(shù)就會降至0.57，真空降低約1.8kPa,影響煤耗4.8g/kwh。對一般大型煤電機組來說，不同程度地存在泥垢或清洗方面的問題，機組運行中清潔系數(shù)一般在0.7左右，有的長期在0.6以下運行，可見清潔系數(shù)對機組經(jīng)濟性影響是比較明顯的。 隨著國家環(huán)保政策的加強和落實，新建電廠循環(huán)水大多采用城市中水等二次用水，來水的COD及離子含量普遍偏高，水質不穩(wěn)定，凝汽器運行中極易沉積泥垢，長期結垢不僅會造成換熱效率降低，汽輪機熱耗增加，而且長時間結垢還會造成換熱管內壁發(fā)生電化學腐蝕，導致?lián)Q熱管穿孔泄漏，使用壽命縮短。冷卻水泄漏還會污染機組的汽水品質，造成鍋爐結垢，燃燒效率下降，嚴重時導致鍋爐爆管事故，影響機組安全運行。因此，提高并保持凝汽器換熱管清潔度，對發(fā)電機組的安全經(jīng)濟運行十分重要。 現(xiàn)有的膠球清洗技術屬于常規(guī)清洗技術，由于膠球是隨機分布，受循環(huán)水質和流速影響較大，尤其是大型機組大部分時間采用單泵或低速循環(huán)泵運行，循環(huán)水流速長期低于設計流速，導致膠球堵塞管口，收球率降低，泥沙更加容易沉積，造成循環(huán)水水阻增大等問題。因此，常規(guī)膠球清洗系統(tǒng)不僅清洗效果差，而且一旦膠球系統(tǒng)故障或收球率降低，凝汽器就沒有有效的清洗手段，只能等待停機處理，隨著機組長期運行和熱交換，泥垢容易變成硬垢，嚴重時須采用化學清洗，給機組帶來更大的經(jīng)濟損失。 2、 運行現(xiàn)狀 1、設備基本情況 首陽山電廠建設2600MW容量燃煤超臨界發(fā)電機組、一次中間再熱、單軸、三缸雙排汽、凝汽式汽輪機，配套東方汽輪機廠生產(chǎn)的N-38000型單殼體、雙流程、表面式凝汽器，采用地表水和城市中水作為循環(huán)水補充水。 循環(huán)水系統(tǒng)采用閉式循環(huán)方式，每臺機配置2臺混流式循環(huán)泵，冬季采用低速泵運行。 循環(huán)泵前池裝有平板濾網(wǎng)，無二次濾網(wǎng)設備，由于冬季結冰或填料老化破碎等原因，容易產(chǎn)生填料碎片堵塞凝汽器管口。 循環(huán)水補水采用城市中水作為補充水，除了鈣鎂離子含量較高外，COD等有機物指標也比較高，容易產(chǎn)生生物泥垢和硬垢。 每臺機組配套兩套國產(chǎn)膠球清洗系統(tǒng)，大部分時間膠球收球率可達90%以上，其它季節(jié)收球率偏低，尤其是冬季低速循環(huán)泵運行時，膠球收球率更低，每月需要定期開啟高速循環(huán)泵回收膠球。 機組停機沒有清洗手段，只能在計劃檢修中安排人工清洗。每次清洗費用大約8萬元左右，耗時10天左右。 以下是機組檢修中檢查照片，管板和管口內部均有一層0.1-0.2mm的粘泥，有的換熱管已經(jīng)結有硬垢。 圖1 進水側 圖2 出水側 分析原因： 一是循環(huán)水來水存在問題：由于循環(huán)水來水水質不穩(wěn)，含泥量較大，循環(huán)水質控制難度較大，冷凝管容易產(chǎn)生較厚的泥垢；二是循環(huán)水中雜物較多，流速長期偏低運行：循環(huán)水中填料碎片和膠球易堵塞管口，不僅影響膠球通行，還會造成凝汽器水阻加大，循環(huán)泵電耗增加，再加上循環(huán)水流速長期偏低，尤其是冬季采用單臺循環(huán)泵運行方式，泥沙或微生物更加容易沉積；三是膠球清洗系統(tǒng)問題：傳統(tǒng)的膠球清洗系統(tǒng)更易出現(xiàn)收球率低、低流速下堵塞冷凝管并造成泥垢沉積等問題，而且一旦膠球系統(tǒng)故障，凝汽器就失去在線清洗手段，長期泥垢沉積會導致硬垢產(chǎn)生，導致凝汽器換熱效率下降。因此，膠球系統(tǒng)不能滿足大機組對凝汽器更高清潔度的要求。 以600MW機組為例，凝汽器泥垢厚度大約在0.1-0.2mm，加上結垢及膠球堵塞問題，夏季就會影響機組真空在1.0kPa左右，全年平均影響真空0.6kPa，每年多消耗煤炭4000多噸，增加CO2排放10000余噸，因此，對機組的經(jīng)濟性和環(huán)境影響較大。 因此，現(xiàn)有的清洗技術遠不能滿足大型機組經(jīng)濟運行的需要，凝汽器作為汽輪機重要的冷端設備，需要重視其清潔系數(shù)對機組經(jīng)濟指標的影響因素，采取切實有效的措施，對提高大機組運行經(jīng)濟性和安全性具有重要的意義。 二、 國內外調研報告： 近幾年，汽輪機冷端節(jié)能技術受到業(yè)界的高度重視，國家發(fā)改委在《2014-2020煤電機組深度節(jié)能行動計劃》中，明確把汽輪機冷端設備的先進節(jié)能技術作為重點推廣項目。根據(jù)目前情況，國內外凝汽器清洗技術包括以下幾類： 1、傳統(tǒng)凝汽器清洗技術 凝汽器膠球系統(tǒng)是目前最常規(guī)的清洗方式，屬于電廠標準配置。膠球清洗系統(tǒng)雖然在一定程度上能夠緩解凝汽器結垢問題。但是在大容量煤電機組使用中，經(jīng)常存在以下幾方面問題。 ①收球率偏低。由于中大型機組凝汽器采用新型水室結構，循環(huán)水管路規(guī)格較大，水力流場復雜，膠球清洗系統(tǒng)故障率較高，容易存在收球率低、堵球、跑球等問題，見圖一。 ②清洗效果差。由于膠球清洗系統(tǒng)是按冷凝管數(shù)量的一定比例投加膠球，進入凝汽器是隨機分布，無法對所有冷凝管進行清洗。此外，水質、膠球質量、循環(huán)水雜物堵塞等，均會造成部分冷凝管長期得不到清洗而集聚泥垢。 ③運行和維護工作量較大。由于膠球清洗系統(tǒng)的加球、收球、查球、篩選等程序均靠人工操作，自動化程度較低，運行操作比較繁瑣，缺陷也比較多，維護工作量大，消耗人力和材料。 2、大比例膠球清洗技術 近幾年，膠球清洗系統(tǒng)也出現(xiàn)一些新的改進和發(fā)展。如國內某公司或以色列CQM采用大比例(加球率100%) 的集中發(fā)球膠球清洗系統(tǒng)，原理是通過壓縮氣體和大容量膠球泵，將大比例膠球同時注入凝汽器，靠膠球壓差自動分布管口，達到清洗覆蓋率提高的目的。此類技術需要更換傳統(tǒng)的膠球清洗系統(tǒng)與控制系統(tǒng)，占用場地大，施工量較大，在膠球加球量、收球網(wǎng)、控制技術方面有了較大改進。如華潤南京熱電廠、浙能嘉興電廠等廠就是采用此類技術。600MW機組改造費用在400萬元左右，運行中需要消耗膠球。從使用效果考察情況看，真空提升效果與傳統(tǒng)膠球系統(tǒng)相當。 3、凝汽器在線清洗機器人技術 隨著現(xiàn)代科技的不斷進步和工業(yè)機器人技術的快速發(fā)展，國內也推出了多種凝汽器在線清洗機器人技術，進入實際應用的有高壓水驅動式軟管清洗機器人和WSD（水蜘蛛式）凝汽器在線清洗機器人兩種技術。 前者利用安裝在凝汽器水室內部的機械臂和定位系統(tǒng)，采用20MPa壓力的高壓除鹽水驅動沖洗軟管前行沖洗，利用絞盤回收軟管，對換熱管進行全過程沖洗。如大唐南京熱電廠，揚州二電廠采用該技術，600MW費用在600萬元左右。 由于該技術應用高壓水軟管逐根換熱管沖洗，存在著清洗時間過長（600MW機組完成一次清洗大約10天以上），清洗覆蓋率低（約70%左右），尤其是系統(tǒng)可靠性較差（如高壓軟管容易卡死和磨損破裂等），投資額較大，且需要消耗寶貴的除鹽水。因此，該技術業(yè)績尚不夠成熟。 4、WSD（水蜘蛛式）凝汽器在線清洗機器人技術 該技術是國內大機組推廣應用比較成熟的凝汽器在線清洗技術。其采用水蜘蛛仿生機器人技術，將精細化生產(chǎn)方式應用到電力清潔生產(chǎn)中，形成了集在線水沖洗、化學清洗、氣水脈沖清洗、通風保養(yǎng)于一體的清洗工作模式，采用一鍵啟動，實現(xiàn)了凝汽器等冷端設備精細化管理和便捷運行。 原理：通過計算機程序協(xié)調控制供水裝置和清洗機器人裝置，采用外部移動電機帶動凝汽器內部的機器人裝置定向行走，多功能泵組通過水力機械臂向機器人清洗機構提供（1.5-2.0）MPa的中壓水，經(jīng)噴嘴組噴出后在冷凝管口形成若干噴射泵，快速增加管內循環(huán)水流量，確保換熱管內部流速在一定時間內達到（4-5）米/秒的流速和紊流狀態(tài)，從而加快管內水和泥垢的流速，使泥垢逐漸剝離隨水流沖走，保持凝汽器內部長期清潔。其主要有以下特點： ①可靠性高。由于采用了高密封性、高可靠性設計，機器人構造合理，導向穩(wěn)定，采用外部伺服驅動與感應機構，凝汽器內部不存在復雜的電氣和易損設施，設備耐腐蝕性和耐水力擾動性強，正常運行不產(chǎn)生明顯的水阻。 ②清洗效率高。采用大流量噴嘴組逐排沖洗技術，噴嘴與管口一一對應，與常規(guī)高壓水單只噴嘴清洗相比，清洗速度高數(shù)百倍，清洗時間短（大機組清洗一次大約4小時左右），適應于運行中定期清洗。 ③清洗效果好。智能化控制，逐行（排）點對點沖洗，清洗覆蓋率達98%以上，具有全方位精準清洗的特點，不存在傳統(tǒng)的漏洗和堵塞問題，可保持凝汽器長期清潔高效運行。 ④智能化程度高。采用PLC控制和觸摸屏控制按鈕，一鍵啟動，自動運行/停止，數(shù)據(jù)記錄與保護功能齊全，清洗狀態(tài)檢測，實時判斷清洗狀態(tài)，人機畫面友好。 ⑤較強的延展性功能。通過管路走向設計和泵站設置，可實現(xiàn)凝汽器檢修中氣水脈沖沖洗，化學加藥清洗，停機通風保養(yǎng)等功能，解決凝汽器硬垢和粘泥問題，節(jié)約檢修清洗費用。 ⑥運行成本低。除每次消耗數(shù)百度電外無需其它材料消耗，運行操作簡單，維護工作量少。 以下是東方600MW機組凝汽器在線清洗系統(tǒng)效果圖。 圖3 600MW機組凝汽器在線清洗系統(tǒng)示意圖 該技術應用業(yè)績比較多：如豫能天益電廠（600MW，閉冷）、華潤常熟#1、2、3機組（3600MW，江水直流）、張家港沙洲電廠#1、2機組（2630MW，江水直流）、鎮(zhèn)江電廠（2630MW，江水直流）、大唐魯北電廠#1、2機組（2300MW，海水直流）、華潤登封電廠（600MW，閉冷）、華電萊州電廠#1、2機組（1050MW，海水，直流）等十多臺大機組上成功應用。上述電廠真空提升（0.5-1.2）KPa不等，夏季真空提高幅度相對較大，尤其是采用單臺循環(huán)泵或低速泵運行時，可明顯提高膠球收球率和凝汽器真空，節(jié)能效果明顯。該技術運行方便，可靠性高，維護工作量較少，深受電廠人員好評。 近期，我們重點調查了華潤登封電廠（東方600MW，中水，閉式冷卻）和江蘇鎮(zhèn)江電廠（上海630MW，江水，直流）加裝WSD凝汽器清洗機器人后運行情況，以下是華潤登封電廠#3機凝汽器WSD在線清洗裝置現(xiàn)場實物。 圖4 WSD在線清洗上水系統(tǒng) 圖5 WSD在線清洗機器人噴嘴對孔準確 圖6 WSD在線清洗控制系統(tǒng) 圖7 WSD多功能清洗泵站 以下是江蘇鎮(zhèn)江電廠#1、2機組凝汽器在線清洗現(xiàn)場情況 圖8 WSD在線清洗上水系統(tǒng) 圖9 WSD裝置停機清洗工作狀態(tài) 圖10 WSD裝置投運前 圖11 WSD裝置投運后 三、項目建議 結合我公司機組的實際，由于設計采用城市中水，配套國產(chǎn)膠球清洗系統(tǒng)，相對每臺凝汽器來說就是單套膠球清洗裝置，一旦膠球系統(tǒng)故障，或者出現(xiàn)收球率低等問題，凝汽器沒有備用清洗手段，而且無法解決機組低負荷或循環(huán)水低流速工況下管口膠球和雜物堵塞等問題，因此，建議加裝WSD凝汽器在線清洗機器人裝置。在不改變原有膠球清洗系統(tǒng)設計的基礎上（也代替膠球系統(tǒng)），在凝汽器水室內部加裝WSD在線清洗機器人裝置，采用順流布置方式，零米增加一套多功能清洗泵站和控制柜，自循環(huán)水連通管或開冷水母管引出水源進入泵站，經(jīng)泵站升壓后送至機器人清洗機構，采用就地與遠方控制相結合方式，實現(xiàn)凝汽器運行中在線水沖洗和停機后及時沖洗。 該項目優(yōu)點：不改變原有系統(tǒng)和凝汽器結構設計，結構緊湊合理，運行可靠性高，自動化程度高，投入產(chǎn)出也比較高，應用業(yè)績成熟，尤其適合管口經(jīng)常有雜物堵塞的機組。 該技術作為先進的凝汽器真空提高與保持節(jié)能技術，其應用不僅為大容量機組凝汽器清潔高效運行提供了高可靠性的在線清洗手段，彌補膠球清洗系統(tǒng)存在的不足，尤其是在循環(huán)水低流速工況下，沖走管口堵塞物和管內泥垢，提高膠球收球率和凝汽器清潔度，在提升凝汽器換熱效率的同時，充分發(fā)揮低負荷低流速工況下循環(huán)泵節(jié)電效益，對于有效提升機組整體經(jīng)濟運行水平有著深遠的意義。 四、構成和內容： 1、項目要求 1）項目采用的WSD凝汽器在線清洗機器人技術是先進的，可靠的，經(jīng)濟的，業(yè)績成熟的技術，完全能夠滿足660MW機組凝汽器定期在線清洗和停機清洗的需求。 2) 項目采用數(shù)字化控制技術的點對點逐排沖洗技術，清洗覆蓋率超過98%，最大程度上清除換熱管內積存泥垢，甚至是硬垢。在確保清洗效果的前提下盡可能減少沖洗時間，達到節(jié)能降耗的目的。 3）項目由多功能泵站、WSD清洗機器人裝置、控制柜與傳感系統(tǒng)、清洗管路系統(tǒng)構成，完全能夠滿足現(xiàn)場安裝條件，在安裝施工過程中不損壞凝汽器原設備部件。 4）項目的控制方式以就地/遠方操作方式，設置多機自動/單機自動方式功能，機器人傳動機構設置多重保護,采用伺服馬達控制位移速度和方式。控制柜采用帶液晶顯示單元的PLC 控制，程控柜防護等級為IP54。 5）項目采用PLC控制和觸摸屏控制按鈕，一鍵啟動，自動運行/停止，數(shù)據(jù)記錄與保護功能齊全，人機畫面準確清晰。 6）項目的整體使用壽命不低于20年，年運行小時數(shù)將不低于5000小時。機械設備大修周期不少于5年，電子元器件及易損件壽命不低于2年，日常投用故障率低，維護工作量少，設備整體性能可以滿足機組檢修周期要求。 2、系統(tǒng)配置和參數(shù) 1）在HP和LP凝汽器進水室分別安裝一套WSD凝汽器清洗裝置，采用雙驅動順流水平移動清洗方式。四套機器人裝置并聯(lián)布置，逐列清洗，配用一套供水裝置和控制系統(tǒng)。 2）供水裝置采用ZD200-504型大流量、高揚程、自平衡多級離心泵，優(yōu)質不銹鋼結構，配套精密自動過濾器，清洗水源取自電廠循環(huán)水供水母管（或凝汽器聯(lián)絡管）。泵站設置自動再循環(huán)，防止水泵頻繁啟動造成管道沖擊。 3)清洗泵站配置380V節(jié)能型電機，預留消防水、壓縮空氣和化學加藥接口。泵站配置一套氣-水-藥液三相脈沖混合發(fā)生器，能實現(xiàn)化學加藥清洗和停機后氣水脈沖清洗功能。 4)清洗系統(tǒng)配置高性能不銹鋼電動控制閥門，采用西門子等進口品牌電動執(zhí)行機構，系統(tǒng)供水母管和支管道分別設置手動隔離球閥，電動閥門具有開關靈活、啟動穩(wěn)定、方便檢修特點。 5)傳動電機選用臺達進口品牌伺服電機，配套機器人專用諧波減速機，傳動軸端部密封采用稀油（或油脂）潤滑的組合式軸承+機械密封，確保密封嚴密，運轉可靠。 6）控制方式以就地PLC 控制、多機自動/單機自動方式為主，采用數(shù)字化智能控制方式。適時采集移動電流、轉矩、位移、水壓等指標，形成歷史記錄和曲線，方便管理和分析。 7）在控制柜設置遠方通訊線路接口，方便電廠將控制畫面和參數(shù)引入DCS控制系統(tǒng)，實現(xiàn)遠方控制和參數(shù)監(jiān)督。 8）程控柜防護等級為IP54?？刂乒癫捎?5寸液晶觸摸屏顯示和控制，一鍵操作按鈕，控制機構設置過流、遇阻、防碰車三重保護,報警、操作記錄記憶，配置“設置”、“幫助”等畫面，人機畫面友好。 9）采用GPRS技術，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程傳輸功能。與廠家數(shù)據(jù)云服務平臺連接，方便電廠技術分析和維護服務，軟件遠程升級服務。 10）現(xiàn)場加裝運行維護平臺，方便運行操作和維護。 3、性能參數(shù) WSD凝汽器在線清洗機器人裝置型號與形式： WSD-600H -Ⅲ型智能、雙驅動、順流式、并列點對點逐排移動式 沖洗泵站：ZD200-450型多級自平衡式 流量：250t/h 沖洗壓力：2.0MPa 效率：80% 電機功率185KW 轉速：2950r/min 電壓380V 移動驅動馬達：雙驅式功率1.5KW 轉速：2500r/min 電壓：380V 扭矩與速比：7.16 / 100 Nm 清洗電動閥門：電壓220V（380V），開啟和關閉時間：30s。 自動過濾器：電壓220V，開啟和關閉時間：（15-30）s，壓差：0.05-0.20MPa 清洗時間：（4-5）小時/次。具體根據(jù)現(xiàn)場需要可調。 凝汽器順流清洗周期：夏季：每周3-4次；春秋季：每周2次；冬季：每周不少于1次。具體視水質情況調整。 4、系統(tǒng)圖紙 1）凝汽器在線清洗系統(tǒng)圖 五、投資估算及概（預）算明細表： 1.單臺機組投資估算表 單位：萬元 工程前期費 施工費 設備費 其它費（試驗、調試等） 材料費 工程總投資 2.安裝工期：單臺機組需25-30天。 六、預期效果： 1、安全性分析： 項目改造后可提高膠球清洗系統(tǒng)收球率，增加凝汽器清洗手段，防止換熱管結垢腐蝕泄漏導致的機組汽水平直下降問題，提高了機組運行安全可靠性。 3、經(jīng)濟性分析： 在真空嚴密性合格下，凝汽器平均真空可提高0.4kPa以上，煤耗降低1.2g/kwh進行計算。 以機組實際利用小時計算，按年發(fā)電量30億kwh計算，年可節(jié)約標準煤3600噸，如標煤單價500元/噸，企業(yè)可年節(jié)約燃煤成本180萬元。 按裝置每年運行200次，每次耗電約600KWh，年耗電大約12萬KWh，加上年度維護費用（主要是備件費），年運行成本10萬元左右。 如按預算費用 萬元，投資回收期： 個月。 2、環(huán)保性分析： 按每燃燒1噸標準煤產(chǎn)生2.3噸二氧化碳，0.024噸二氧化硫，0.0074噸氮氧化物計算，則每臺600MW機組經(jīng)改造應用后： 年減排CO2為：2.33600≈8280噸 年減排SO2為：0.0243600≈86.4噸 年減排NOx為：0.00743600≈26.64噸 結論：凝汽器加裝在線清洗機器人可提高機組冷端設備可靠性和安全性，從而提高凝汽器冷卻效率和真空指標，在降低機組煤耗、減少機組大氣污染物排放的同時，充分發(fā)揮低負荷工況下循環(huán)水泵節(jié)電效益。對于提升新機組節(jié)能減排水平，提高電廠經(jīng)濟性能具有重要的意義。