容量电价考核机制下的煤电机组冷端优化研究及应用

0引言

随着科技的高速发展和国家“双碳”目标纵深推进,煤电机组“三改联动”和托底作用成为能源结构调整的重要战略[1]。根据国家能源局发布的2024年全国电力工业统计数据,全国发电装机容量已达33.5亿kw,同比增长14.6%,其中风电、太阳能同比增长18.0%、45.2%[2]。可见,国内风电、太阳能发电装机容量大增。

国内新能源的迅猛发展,造成了煤电机组经常性处于深度调峰负荷工况[3]。为缓解煤电企业困局,国家发展改革委、国家能源局制定了煤电容量电价机制。这一政策肯定了煤电对电网坚强性、可靠性的调节支撑价值,明确了煤电固定成本回收机制[4]。从长远来看,容量电价机制有利于提高煤电项目投资积极性,能更好地保障我国电力安全稳定供应。但是,某发电厂某煤电机组因受机组冷端系统设备影响,可能无法满足获得应有容量电价补贴的要求。

1某煤电机组设备现状

某煤电机组凝汽器采用开式循环水,循环水取自椒江水,水质含沙量较高,并存在大量的水草、稻草、塑料等漂浮物及海生物,循环水经过旋转滤网、循泵、二次滤网后送入凝汽器水室。该煤电机组旋转滤网因其结构问题,造成循环水内夹带的各类垃圾由经滤网网板旋转后被带至旋转滤网后侧的循环水泵进水室,导致循环水内夹带的漂浮物、海生物经由此处间隙进入凝汽器循环水进水室、堵塞管束,造成凝汽器冷却面积不足、真空下降。为保证机组不停机,需频繁安排凝汽器单侧隔离清扫,由此造成机组出力受限。

在现行容量电价考核机制下,频繁降出力进行清洗,会造成容量电价考核损失;同时,频繁进入凝汽器进水室内部清扫,存在有限空间作业的人身和设备安全隐患。为冲破困境、开拓新局,本文对容量电价考核机制下的煤电机组冷端优化展开研究及应用, 目的在于在容量电价机制下,提高机组安全生产的可靠性和经济性,降低可能的容量电价考核损失。

2 改造方案及可行性分析

目前,国内外学者对机组冷端系统优化开展了一系列卓有成效的研究,主要分为化学方法和物理方法。

2.1化学工艺处理

化学处理工艺主要从杀灭以藤壶为主的海生物及消除海生物附着生长的环境两方面入手。国内外基于上述功能的杀生剂和分散剂主要有EGD绿色杀生剂、西安热工院研发的TRL—2004C环保型杀菌剂、法国MEXEL公司的烷基胺水乳浊液、广州金柏华环保有限公司生物杀生防污剂等,还可应用NaClo与CT的间隔组合加药法[5]。

各类化学加药工艺不复杂,但需投入数百万元的海生物控制药品费用,且只能灭杀海生物,无法清除各类漂浮物。此外,化学加药会造成严重污染,和目前环保政策相悖,其应用被严格限制。

2.2物理清理技术

某煤电机组冷端优化主要考虑从各类物理清理技术着手,物理清理技术主要分为各种滤网改造方案和凝汽器在线清洗方案。

2.2.1循环水旋转滤网改造

某煤电机组循环水旋转滤网因其结构问题,易造成各类垃圾由经滤网网板旋转后被带至后侧的循泵进水室。为配合旋转滤网改造,需在旋转滤网进口设置底坎、旋转滤网后采用1/2椭圆导流墙的措施,整个工程涉及面广,会导致机组较长时间停机,改造不具有可行性。

2.2.2二次滤网改造

1)原二次滤网改造:分批次拆除原二次滤网,在原二次滤网的位置安装新采购的电动二次滤网,可通过集控DCS手动操作滤网的排污。

2)二次滤网后增加三次滤网:在原管道型式为钢管的部分进行新增三次滤网的改造。但改造涉及的吊装、管道、电缆、电缆桥架及其他附属设备的移位工作量较大,施工难度较大,并会增加循环水运行水阻。

可见,二次滤网改造方案不可行。

2.2.3胶球清洗系统

胶球清洗是传统的在线清洗方法,胶球随机分布后通过水流自然擦洗换热管,在一定程度上可缓解凝汽器结垢问题,但易受循环水质量和流速的影响,存在胶球堵塞、运营成本高的问题。鉴于胶球清洗系统的弊端以及机组运行现状分析,胶球清洗系统对某煤电机组水室杂物堵塞问题不适用。

2.2.4凝汽器在线清洗装置

“水蜘蛛”凝汽器在线清洗机器人装置,通过PLC或远程DCS智能控制系统,由伺服动力带动凝汽器内部清洗装置逐排定点精准移动。清洗泵站提供高压水、压缩气体、清洗剂或混合清洗介质,经WSD机器人清洗机构喷射后,在管口形成若干喷射器,迅速加大换热管内流速,实现机组在线清洗,保持凝汽器的高清洁度。

凝汽器在线清洗装置逐排定点的工作模式值得借鉴,某煤电机组冷端系统优化研究可在此基础上增加虹吸(抽吸)功能,以解决循环水水源中的漂浮物及海生物进入水室进而堵塞钛管管口,并导致机组出力受限的问题。

在充分研究分析某煤电机组漂浮物、海生物堵塞问题的可行性改造方案后,认为化学处理工艺、旋转滤网、二次滤网以及胶球清洗系统改造方案均不能彻底解决机组出力受限问题,而基于逐排定点式凝汽器在线清洗装置的(虹吸)抽吸方案具有良好的可行性。

3煤电机组冷端优化研究

结合设备运行现状,研发一种可以在进水室内部逐排移动的双通道式在线清洗与除贝设备。该装置开创性地应用虹吸/抽吸工作模式,既能利用现有在线清洗机器人装置的中压水喷射技术实现原有的管束冲洗功能,又能将附着堵塞在钛管口的垃圾抽离排出水室并通过过滤网过滤出去,即利用虹吸/抽吸排污对漂浮物、海生物进行抽吸后,用在线清洗装置再进行冲洗。

3.1抽吸喷射器及双通道机械臂研究

为实现虹吸(抽吸)新功能,本研究开创性地采取了具有两个独立通道的抽吸喷射器和双通道机械臂,打破了原凝汽器在线清洗装置中压水冲洗难以处理较大漂浮物的技术壁垒。如图1和图2所示,本研究在抽吸喷射器上设计三个抽吸口,并采用与抽吸喷射器相适配的双通道三关节机械臂结构,本结构具有相互密封的内、外管结构,内管内部为抽吸管道,内、外管夹层为冲洗管道。

抽吸喷射器的抽吸口按照图1方式与双通道机械臂的抽吸通道相连通,在水泵的抽吸作用下,水室内的漂浮物、海生物从抽吸口经双通道机械臂抽吸通道和水室外部抽吸管道抽出,并通过过滤器实现排污。喷射器根据钛管间隔尺寸及水室尺寸设计上下两排喷嘴,喷嘴与双通道机械臂的冲洗通道相连通,水泵提供的中压水经外部冲洗管道与双通道机械臂的冲洗通道到达喷嘴,实现对钛管定点定时进行冲洗。

3.2 清洗方式研究

考虑到用泵抽吸对用电量的影响以及可能存在吸力过大等浪费现象,在设计抽吸过程中,新增了利用循环水进出水差压实现的虹吸模式,该模式可将进水室内的漂浮物和海生物通过虹吸作用经由管路直接排到循环水出水管。同时,为实现抽吸/虹吸时不因各类漂浮物、海生物造成堵塞,新增反冲洗功能,机械臂内管及抽吸管道可临时性由负压抽吸/虹吸转变为正压冲洗,使设备兼具虹吸、抽吸、冲洗以及反冲洗等功能。此外,设备清洗泵站增设了气—药—水多相流体混合器,与自动过滤器搅拌功能结合形成加药系统,可以在需要的情况下对凝汽器进行化学加药清洗,适应恶劣水质环境的凝汽器除垢和清洗需求。

3.3设备可靠性研究

抽吸喷射器及双通道机械臂在水室内部连接后,采用双伺服驱动、双丝杠同步移动技术。搭载工业级高精度伺服控制单元,通过先进的自适应算法与实时反馈调节机制,实现异常状态的毫秒级响应与智能预警,并能对装置三维空间运动轨迹进行精准复刻与动态补偿。此外,该系统还具备卓越的负载适应能力,能实现清洗设备在全行程范围内的精准定位、零卡滞、零形变,为凝汽器的高效稳定运行提供可靠保障。同时,喷嘴外沿加装毛刷,用于抽吸喷射器运行过程中对管口周围垃圾进行扫除,便于抽吸。抽吸口的开口位置及尺寸充分考虑水室内垃圾的尺寸及种类,同时对不同种类的漂浮物和海生物分别进行了抽吸试验,验证了抽吸口的实用性。

3.4设备智能化研究

凝汽器在线清洗与除贝设备控制系统遵循“数据→决策→控制”的设计模式,可通过DCS→上位机→控制器实现DCS对底层执行器的控制,继而实现电厂主控系统对该智能化系统的监测及控制。同时,该设备提出了凝汽器AI数字可视化技术概念并搭建可视化平台,实现对凝汽器内部结构仿真显示和精准识别,通过AI数字可视化技术,操作人员可以直观地了解凝汽器的内部情况,从而更加精准地控制清洗过程,并及时调整清洗策略,以提高清洗效率和质量。AI数字可视化技术显示画面如图3所示。

4设备应用情况

4.1应用效果分析

根据该厂近三年运行情况,年均单侧隔离清扫及双侧隔离清扫次数分别为58.3、17.3次,由于循环水系统阀门隔离难度大,现场存在工作环境恶劣和不安全因素等风险。

凝汽器在线清洗与除贝设备投运后,机组凝汽器漂浮物、海生物堵塞问题得到明显改善,工作人员仅需操作控制柜即可完成凝汽器在线清洗,劳动强度降低了90%,节省人工成本的同时,也带来更多的发电效益,提高了机组生产运行的安全性与经济性。通过检修发现,管板杂物堆积情况减少。装置投运前后凝汽器水室状况对比如图4所示。

根据该机组投运凝汽器在线清洗与除贝设备后与另一台机组真空对比数据(对比机组与某煤电机组运行环境相同),在额定负荷下,凝汽器压力平均下降约0.4 kpa,可见凝汽器真空度提升明显。

4.2 经济效益分析

1)多发电效益:以该机组年平均清洗75次,若每次清扫负荷从251.2Mw降至210Mw,则加装凝汽器在线清洗与除贝装置后,隔离清扫期间可多发电309万kw.h,折合盈利27.8万元[按照上网电价和成本0.09元/(kw.h)计],综合节省的人工成本12万元,则可多盈利约40万元。2)节能效益:按该机组真空平均提升0.4 kpa,供电煤耗下降约1.04 g/(kw.h)。按年平均发电量20亿kw.h计算,则年节省耗煤2 080 t,年均节省燃料支出约150万元。

综上所述,加装凝汽器在线清洗与除贝设备后,年均可产生效益约190万元,一年半即可收回投资,同时可获容量电价补贴。

5 结束语

本文所用设备通过清洗方式创新、清洗策略创新、清洗结构创新,克服了传统清洗方式的弊端,采用稳定可靠的抽吸喷射器技术、双流道机械臂技术、可视化AI显示技术等关键技术,达到了预期目标,对提高真空、降低煤耗、降低成本、节能降碳等具有重要意义。它不仅解决了凝汽器漂浮物、海生物堵塞与机组出力受限问题,还为发电厂的智慧化建设、高效益运营提供了新的机遇。相信该设备在未来的运营中能够发挥不可替代的作用。

[参考文献]

[1]任晨星,任清洁,高翔.“双碳”背景下我国低碳电力发展研究[J].热力发电,2024,53(2):1—7.

[2]孙朝.新能源发电在电力建设中的应用与发展[J].电站辅机,2025,46(1):37—40.

[3]孙志伟.煤电机组深度调峰的现状及灵活性改造[J].现代工业经济和信息化,2024,14(7):279—281.

[4] 陈雷,袁康龙,文婷.新型电力系统火电容量成本回收机制研究 [J/0L]. 内蒙古电力技术 ,1—6. (2025—04—22)[2025—07—17].https://link.cnki.net/urlid/15.1200.TM.20250421.1330.004.

[5] 蒋宏朝.1 000 MW煤燃电厂开式海水冷却系统中突发性藻类污染治理研究[J].能源工程,2024,44(5):59—64.

《机电信息》2025年第22期第5篇