瓦斯電廠發(fā)電機(jī)組冷卻系統(tǒng)節(jié)能改造

張治倉，桂福珍

（1.陜西新泰能源有限公司，陜西 彬州 713500；2.陜西陜煤澄合礦業(yè)有限公司職工培訓(xùn)中心，陜西 渭南 715200）

0 引言

大佛寺煤礦瓦斯電廠現(xiàn)有低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組24臺(tái)500 kW發(fā)電機(jī)組，容量12 MW。原設(shè)計(jì)采用外循環(huán)開式冷卻系統(tǒng)并配套機(jī)組熱交換器。該冷卻系統(tǒng)使用4臺(tái)500 m3/h玻璃鋼逆流冷卻塔，配套6臺(tái)功率45 kW的冷卻循環(huán)泵以及循環(huán)冷卻水池，運(yùn)行方式為4用2備。

1 改造前冷卻系統(tǒng)存在的問題

大佛寺低濃度瓦斯發(fā)電廠地處陜西省彬州市，屬暖溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，環(huán)境干燥且常年伴風(fēng)。瓦斯發(fā)電機(jī)組使用的開式冷卻塔長期暴露在外受周邊環(huán)境影響，水資源損失巨大，每天消耗水量可達(dá)300 m3左右。同時(shí)冷卻塔為開式結(jié)構(gòu)，水池清理周期短，冷卻塔換熱效率偏低，漂水損失大。圖1為開式冷卻系統(tǒng)冷卻塔實(shí)物圖。

圖1 開式冷卻系統(tǒng)冷卻塔

此外，該地區(qū)水質(zhì)較硬，機(jī)組高、低溫?zé)峤粨Q器結(jié)垢頻繁，水垢處理是電廠生產(chǎn)過程中所面對的核心問題。清理水垢需將發(fā)電機(jī)組停機(jī)，待機(jī)組溫度冷卻后方可進(jìn)行拆卸、清洗［1-3］，每臺(tái)機(jī)組高、低溫交換器平均每2 d便需進(jìn)行一次清理，頻繁的啟停機(jī)，嚴(yán)重影響機(jī)組發(fā)電效率的同時(shí)還造成了巨大的能源損耗。頻繁拆裝清洗熱交換器還導(dǎo)致熱交換器使用壽命縮短為一年，該問題的發(fā)生造成瓦斯發(fā)電廠年運(yùn)行成本增加了近50萬元。

電廠冷卻系統(tǒng)用水來自于大佛寺煤礦水源井，水資源分配困難。特別夏季來臨時(shí)，煤礦自身用水需求增大，無法保證電廠正常生產(chǎn)用水供水，發(fā)電設(shè)備隨時(shí)面臨因水源不足導(dǎo)致停運(yùn)。

2 冷卻系統(tǒng)的技術(shù)改造措施

對發(fā)電機(jī)組冷卻系統(tǒng)的改造可以改善機(jī)組運(yùn)行條件、減少水資源浪費(fèi)、降低機(jī)組檢修頻次、降低機(jī)組停機(jī)率、減少機(jī)組維修費(fèi)用、避免大范圍停機(jī)、提高發(fā)電量，同時(shí)擺脫水資源不足的制約［4-6］。

為了解決開式冷卻系統(tǒng)存在的問題，經(jīng)過多方調(diào)研，認(rèn)為臥式多風(fēng)扇水箱閉式冷卻系統(tǒng)替代燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組外循環(huán)冷卻系統(tǒng)技術(shù)可行。采用垂直筒風(fēng)扇冷卻方式取代熱交換器配冷卻水塔的冷卻，能夠達(dá)到機(jī)組冷卻要求。臥式多風(fēng)扇水箱閉式冷卻系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 臥式多風(fēng)扇水箱閉式冷卻系統(tǒng)

該冷卻系統(tǒng)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在7大方面。具體為：單臺(tái)機(jī)組散熱面積增加至750 m2，散熱效率明顯提高；采取了封閉循環(huán)系統(tǒng)，減少了水源、機(jī)組配件消耗，降低了運(yùn)行成本；運(yùn)行方式靈活，原冷卻系統(tǒng)停運(yùn)時(shí)，對應(yīng)12臺(tái)機(jī)組需全部停機(jī)，該冷卻方式故障僅影響相對應(yīng)的單臺(tái)機(jī)組，最大程度減少了冷卻系統(tǒng)運(yùn)行對發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行制約；采用分割設(shè)計(jì)的原則，每組散熱器可以單獨(dú)控制，可以根據(jù)電廠所在的不同環(huán)境和氣候進(jìn)行選擇調(diào)節(jié)風(fēng)扇開啟數(shù)量，合理控制整機(jī)溫度，使整機(jī)散熱能力能夠達(dá)到最佳狀態(tài)，減少不必要的電力損失；散熱芯子相對獨(dú)立，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行過程中出現(xiàn)突發(fā)狀況時(shí)可以進(jìn)行單獨(dú)拆卸，不需要全部拆檢，減少發(fā)電機(jī)組停機(jī)頻率、設(shè)備維修時(shí)間［7-9］；立式頂部風(fēng)機(jī)散熱，較傳統(tǒng)水箱安全性提高；整體結(jié)構(gòu)性強(qiáng)，方便拆裝，移動(dòng)方便。

3 開式與閉式冷卻系統(tǒng)對比分析

3.1 改造工期

開式冷卻系統(tǒng)改造，由于水質(zhì)硬產(chǎn)生的積垢影響，需要清理或更換全部冷卻水循環(huán)管線［10-12］。同時(shí)，開式冷卻系統(tǒng)對蓄水方面要求較高。冷卻水循環(huán)水池的清洗需要大量人力投入，清洗過程中還需要對原有水池內(nèi)的蓄水進(jìn)行排空處理，水資源浪費(fèi)較大，結(jié)合設(shè)備、水管線的更換，可知該開式冷卻系統(tǒng)改造成本較大。

閉式冷卻系統(tǒng)改造，臥式多風(fēng)扇閉式冷卻系統(tǒng)的建設(shè)僅需對現(xiàn)場閑置空地進(jìn)行規(guī)劃，必要時(shí)可采用分散式布局，對土地使用要求相對較低，且設(shè)備占地面積小，施工靈活，對人力物力的投入較小。單機(jī)改造工期較短，僅需2 d便可完成1臺(tái)設(shè)備的改造。另外，臥式多風(fēng)扇水箱每臺(tái)機(jī)組配置一臺(tái)套風(fēng)冷裝置，形成獨(dú)立的循環(huán)冷卻系統(tǒng)，發(fā)生突發(fā)事故僅需對相應(yīng)事故機(jī)組的冷卻循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行停機(jī)處理即可，不會(huì)對其他機(jī)組的正常運(yùn)行造成影響。

3.2 運(yùn)行成本分析

開式冷卻系統(tǒng)水耗和電耗：開式冷卻循環(huán)系統(tǒng)理想狀態(tài)下每天需補(bǔ)充冷卻水約為145 m3/d，但實(shí)際用水消耗還包括冷卻塔自然蒸發(fā)、漂水損失等，實(shí)際用水消耗約為300 m3/d，每方水按3元計(jì)算，每天損耗水成本為900元。

開式冷卻循環(huán)系統(tǒng)正常生產(chǎn)運(yùn)行需啟用4臺(tái)循環(huán)水泵以及冷卻塔風(fēng)機(jī)，每小時(shí)電量消耗為（45+15）×4=240 kW，電廠日使用電量為240×24=5 760 kW·h，平均單臺(tái)機(jī)組日用電量240 kW·h。另外，由于水質(zhì)問題影響，水管線內(nèi)存在結(jié)垢問題，需及時(shí)停機(jī)清理熱交換器內(nèi)的水垢，累計(jì)單臺(tái)機(jī)組每月停機(jī)時(shí)長48 h左右，按照開式冷卻系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下機(jī)組發(fā)電功率約為350 kW計(jì)算，清理熱交換器而造成停機(jī)期間損失的發(fā)電量為350×48=16 800 kW·h。由此推算，機(jī)組平均每日損失電量約為16 800/30=560 kW·h。

通過以上計(jì)算可知，使用開式冷卻循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)組，單機(jī)約損耗電力700 kW·h/d，根據(jù)陜西省咸陽市市場電價(jià)0.52元/度進(jìn)行計(jì)算，設(shè)備日消耗電量換算金額約為364元，共計(jì)消耗資源換算金額為1 151元/d。

閉式冷卻系統(tǒng)水耗和電耗：①閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)以散熱風(fēng)扇替代原外循環(huán)水冷系統(tǒng)，無水源消耗，發(fā)電機(jī)組補(bǔ)水周期與原冷卻系統(tǒng)基本持平，約3 d進(jìn)行一次補(bǔ)水，24臺(tái)風(fēng)冷設(shè)備補(bǔ)水量不足5 m3/月，按5 m3用水消耗約為15元；②閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)運(yùn)行用電消耗按滿負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，單臺(tái)設(shè)備日消耗電量約2×8×24=384 kW·h（單臺(tái)風(fēng)機(jī)功率2 kW，共8臺(tái)風(fēng)機(jī)），根據(jù)風(fēng)冷設(shè)備運(yùn)行結(jié)果可知，內(nèi)循環(huán)冷卻設(shè)備同比外循環(huán)冷卻設(shè)備無特殊設(shè)備檢修工作。根據(jù)市場電價(jià)進(jìn)行計(jì)算，設(shè)備日消耗電量換算金額約為200元，共計(jì)消耗資源換算金額為215元/d。

對比結(jié)果：根據(jù)對開式冷卻系統(tǒng)與閉式冷卻系統(tǒng)日常運(yùn)行過程中能源與經(jīng)濟(jì)使用情況進(jìn)行分析對比，得出采用閉式冷卻系統(tǒng)同比開式冷卻系統(tǒng)日節(jié)約用水295 m3；風(fēng)冷設(shè)備運(yùn)行成本每天可節(jié)約用電316 kW·h；風(fēng)冷設(shè)備運(yùn)行過程中單臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)突發(fā)狀況時(shí)發(fā)電機(jī)組不會(huì)出現(xiàn)大面積停機(jī)；由于無特殊設(shè)備檢修工作要求，內(nèi)循環(huán)冷卻系統(tǒng)同比外循環(huán)冷卻系統(tǒng)降低了人力資源成本。

4 工程改造后的效果

大佛寺瓦斯發(fā)電廠臥式多風(fēng)扇內(nèi)循環(huán)冷卻系統(tǒng)改造工程自2018年5月中旬開始施工，于6月下旬完成工程改造。冷卻系統(tǒng)改造前發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行水溫、油溫平均高達(dá)85℃左右，接近報(bào)警臨界值，平均單臺(tái)發(fā)電機(jī)組分網(wǎng)頻率可達(dá)3次/d。同時(shí)，由于水溫、油溫的限制，發(fā)電機(jī)組運(yùn)行功率最高僅能到達(dá)350 kW。

冷卻系統(tǒng)改造完成后，發(fā)電機(jī)組運(yùn)行水溫、油溫降低至75～80℃左右，溫度處于設(shè)備運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)范圍。在沒有了水溫、油溫限制后，發(fā)電機(jī)組單機(jī)運(yùn)行功率可提升至450 kW左右，每天增加發(fā)電量57 600 kW·h左右，折純后的實(shí)際單位瓦斯（純甲烷）發(fā)電量提高至2.6 kW·h/m3，達(dá)到提升發(fā)電機(jī)組發(fā)電量的目的，發(fā)電效率高于國內(nèi)平均水平。

另外，冷卻系統(tǒng)改造后，原系統(tǒng)循環(huán)水泵、冷卻塔、循環(huán)水池轉(zhuǎn)為備用狀態(tài)，減少了系統(tǒng)檢修及循環(huán)水池清淤換水等工作頻次，減輕作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，緩解了生產(chǎn)現(xiàn)場人員緊張現(xiàn)狀。

5 結(jié)論

（1）實(shí)踐結(jié)果表明，對于水源短缺、水質(zhì)硬度高地區(qū)的瓦斯發(fā)電廠，建議根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行冷卻系統(tǒng)改造，改善瓦斯發(fā)電企業(yè)整體安全運(yùn)行環(huán)境，穩(wěn)定發(fā)電機(jī)組運(yùn)行，提高發(fā)電產(chǎn)量。

（2）對于缺水少水或水質(zhì)要求不達(dá)標(biāo)地區(qū)，使用臥式多風(fēng)扇水箱閉式冷卻循環(huán)系統(tǒng)同比開式冷卻系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性高，減少能源浪費(fèi)，還可降低人力資源緊張狀況，提高電廠生產(chǎn)效率。

（3）閉式冷卻系統(tǒng)安裝運(yùn)行操作靈活、施工要求低、建造成本少、運(yùn)行穩(wěn)定，可以為其它同類瓦斯發(fā)電項(xiàng)目提供改造思路。