空冷機組輔機水冷卻系統優化探討

李 博,王 威,劉 剛

(1.哈爾濱電站工程有限責任公司,黑龍江 哈爾濱 150040;2.東北電力設計院,吉林長春 130021;3.中慶燃氣道里第四營業分公司,黑龍江哈爾濱 150010)

空冷機組輔機水冷卻系統優化探討

李 博1,王 威2,劉 剛3

(1.哈爾濱電站工程有限責任公司,黑龍江 哈爾濱 150040;2.東北電力設計院,吉林長春 130021;3.中慶燃氣道里第四營業分公司,黑龍江哈爾濱 150010)

以東北某電廠 2臺 600MW燃煤機組為例,對輔機冷卻設施采用濕式空冷器、自然通風冷卻塔或機械通風冷卻塔進行了分析計算,對寒冷地區的火電廠冬季結冰影響冷卻設施壽命和機組運行安全加以分析,對其他工程的輔機冷卻水設計具有參考作用。

輔機;冷卻水系統;自然通風冷卻塔;機械通風冷卻塔;濕式空冷器

由于電廠汽輪機凝汽設備冷卻系統采用濕冷系統需水量較大,大多數廠址所在地區地表水缺乏,按照國家在富煤缺水地區規劃火電廠積極推廣應用空冷技術的要求,新建機組主機可采用直接空冷系統,輔機冷卻水系統采用濕式冷卻塔的循環供水系統。空冷機組的輔機冷卻水冷卻設備,可以選用自然通風或輔機機械通風空冷系統方案(濕式空冷器)、機械通風冷卻塔或自然通風冷卻塔。濕式空冷器的優點是節水,其管外換熱系數可比干式空冷器提高 l～3倍,由于顯熱交換、潛熱交換同時存在,使空冷器的換熱效果有明顯改善,尤其是在炎熱的夏季,環境氣溫較高時,應用濕式空冷器就更為有利;機械通風冷卻塔的優點是體積小,投資少,占地面積小,施工安裝便捷,并能適應氣候變化,調節風機運行速度,以防止凍冰;自然通風冷卻塔的優點是沒有電耗,機械維護工作量小,運行方便,冬季可以用擋風板防凍。

1 空冷技術在輔機冷卻系統的應用

空冷系統也稱為干式冷卻系統,目前國際、國內得到實際應用的電站空冷系統共有三種:a.直接空冷系統(又稱 GEA系統或 ACC);b.采用混合式凝汽器的間接空冷系統(又稱海勒系統);c.采用表面式凝汽器的間接空冷系統(又稱哈蒙系統)。上述 b、c項又稱間接空冷系統,與常規濕式冷卻方式(簡稱濕冷系統)的主要區別是,汽輪機排汽(直冷方式)或受熱后的冷卻水(間冷方式)通過散熱器與空氣進行熱交換,避免了循環冷卻水在濕冷塔中直接與空氣接觸所帶來的蒸發、風吹損失以及排污損失。

直接空冷系統是指汽輪機的排汽直接用空氣來冷凝,空氣與蒸汽間進行熱交換,對于輔機冷卻系統不適用(汽動給水泵小汽機空冷系統除外)。而間接空冷系統,如自然通風空冷塔作為輔機冷卻系統的冷卻設備,是輔機空氣冷卻系統的一種形式,這種空冷塔占地大,初投資高,防凍渡夏能力均不高,因此不推薦采用這種形式。目前,另外一種采用機械通風的空冷塔也可作為輔機冷卻系統的冷卻設備。

在夏季炎熱干旱、相對濕度又較小而又比較缺水的地區,輔機冷卻系統可以采用機械通風的空冷系統,但對于輔機冷卻系統采用干式冷卻器的電站,由于夏季空氣溫度較高,即使增加空冷器的傳熱面積,也不可能將冷卻介質的溫度冷卻到所要求的數值。為解決此問題,出現了在炎熱干旱地區使用的噴濕式空冷器。

噴濕式空冷器工作特點是在空冷器的入口處,隨同空氣流,將霧化的水直接噴灑在翅片管的外表面上,使含有水霧的空氣流通過翅片管與管內熱流體進行換熱。

2 冷卻設施運行靈活性比較

機械通風空冷系統方案,選用 80臺空冷器分 8列布置,每列 10臺,兩列排在一起,中間留 5m寬走道,占地 55m×60m,每臺空冷器配套 1部風機,風機的電機功率為 37 kW。空冷器包含空冷器管束、風機、電機、減速機及支撐鋼結構。可通過調節運行臺數滿足不同季節、不同工況的需要,運行較為靈活,但操作復雜。

自然通風冷卻塔,若采用一機一塔方案,輔機冷卻水系統運行較為靈活,冬季可采用僅塔外圍配水或兩個塔一停一運,兩塔之間設置了連通溝,以滿足冬季可能出現的一塔配水運行,另一塔池內過水(不上塔)的工況。自然通風冷卻塔,若采用兩機一塔方案,則冬季只能采用停止塔內圍配水,僅對外圍配水,以增加外圍淋水密度的方式防止塔內結冰。

機械通風冷卻塔,若采用兩段塔方案,輔機冷卻水系統運行就較為靈活,可通過控制冷卻塔運行段數滿足不同季節、不同工況的需要。機械通風冷卻塔,若采用三段塔方案,輔機冷卻水系統運行更為靈活,可通過控制冷卻塔運行段數滿足不同季節、不同工況的需要。

3 冷卻設施維修對機組運行的影響

若采用機械通風空冷系統方案,檢修可在氣溫不高的春、秋季節某段停運期間進行,或配合主機大修期進行。

若選用濕式冷卻塔方案,寒冷地區冷卻塔普遍存在塔壁及淋水裝置架構混凝土凍脹危害,以及塔內壁防水涂料剝落。當冷卻塔內壁檢修時,需將塔內填料、除水器及塑料配水管等構件移出,冷卻塔需停運。檢修和更換淋水填料時,冷卻塔需停運。

冷卻塔的鋼筋混凝土結構受汽、水侵蝕和凍融破壞是冷卻塔損壞的主要原因。

冷卻塔的筒壁、配水槽、淋水裝置架構等混凝土結構物,常年處于蒸汽和水的侵蝕條件下,其中的筒壁和配水槽屬薄壁構件,受汽、水侵蝕,混凝土材料中的膠結料 -氫氧化鈣和硅鋁酸鈣漸漸被溶蝕出來,在混凝土表面滲出,形成白色的漿液。寒冷地區的冷卻塔普遍存在塔筒和淋水裝置支柱、塔筒人字柱以及貯水池上緣混凝土凍脹問題。冷卻塔運行 15～20 a后,就要對塔殼體內外壁局部或較大面積進行定期的維修。通常的維修方法是先將酥化松動的表皮混凝土剝落,然后噴高強度水泥砂漿補強。為了防止維修內壁時敲落的混凝土塊砸壞配水系統及填料,逆流塔需停止運行并將塔內的配水管、除水器和淋水填料暫時拆除運至塔外;橫流塔由于塔筒在淋水填料內側,塔筒檢修對淋水裝置和配水系統均無影響。此項維修工作通常在暖季進行,視塔筒大小及維修面積的大小,通常需30～60 d才能完成維修工作。

除上述殼體內壁混凝土表面大修外,殼體內壁的防水涂料通常 5～7 a也需要全面更換 1次。淋水填料支柱和貯水池內壁的混凝土大修需放空水池。淋水填料 10～15 a需進行更換,逆流塔的以上各項大修都需要停塔。如果兩機一塔,并采用逆流塔方案,則以上各項大修需同時停運 2臺機組,且時間長達 30～60 d甚至更長,對電廠的發電效益影響甚大。

若采用多段機械通風冷卻塔,由于機械通風冷卻塔的檢修工作量較小,工期短則檢修可在氣溫不高的春、秋季節,其中某段停運期間進行,或配合主機大修期進行。

4 冷卻設施的冬季防凍問題

寒冷地區的火電廠,冷卻設施冬季結冰是影響冷卻設施壽命和機組運行安全的問題之一。

4.1 機械通風空冷系統方案

輔機空冷系統在技術理論和實際應用中也是成熟的,所有配套設備均可以國產化,而且這些設備在伊朗、伊拉克等中東國家的電站中有實際應用的例子,夏季高溫渡夏應該是沒有問題的,但在冬季防凍的問題上,還需進一步研究。

4.2 自然通風冷卻塔方案

冬季由于氣溫低、冷卻水溫低,如果采用 1臺機配 1座逆流式自然通風冷卻塔,嚴寒冬季采取一些相應的防凍措施可基本保持冷卻塔不結冰。如果采用兩機一塔,即便采取一些常規的防凍措施,也難保證塔內不結冰。因此,從冷卻塔冬季防冰凍角度,北方嚴寒地區也不宜采用 2臺機組配 1座逆流式自然通風冷卻塔。

4.3 機械通風冷卻塔方案

針對該地區所處地理位置及氣候條件,冷卻塔在冬季運行中存在一定的冰凍隱患,機械通風冷卻塔采取以下措施避免該現象的發生:

a.根據環境氣溫變化可停運 1個塔,或停運其中 1個至全部風機,嚴寒季節按自然塔方式進行既可防凍,又節約廠用電。

b.在塔壁板內側設置擋水板,盡量減少塔壁流量。

c.加設防凍管。

d.設計中配水系統主管及支管下部裝有噴頭以防止停車時管道積水和運行時管道污泥沉淀。

e.冷卻塔的上水管亦設有放空閥門和旁通管。

5 投資及運行費用比較

循環冷卻水系統的優化計算采用年費用最小法,在技術經濟方案比較中,冷卻設施征地單價按67.4元 /m2,發電成本按 0.19元/(kW?h),自然通風冷卻塔按 3 800元/m2,機械通風冷卻塔按實際發生的設備和混凝土量計算,投資年分攤固定費率按16%計算,電廠機組的年利用小時數按 5 000 h計算(年運行小時數按 7 300 h計算),冷卻設施不同配置的比較結果見表 1。

表1 冷卻設施不同配置的比較分析

6 結論

a.輔機空冷系統在技術理論是成熟的,所有配套設備均已國產化,并已有實際應用,夏季高溫渡夏是沒有問題的,但在冬季防凍的問題上,還需進一步研究。另外,輔機空冷系統在北方地區運行經驗少,能節省一部分水,但投資高,不推薦采用。

b.機械通風冷卻塔的優點是體積小、投資少、占地面積小,施工安裝便捷,并能適應氣候變化,調節風機運行速度和運行格數,以防止凍冰;自然通風冷卻塔的優點是沒有電耗,機械維護工作量小,運行方便,冬季可以用擋風板防凍。本期工程從投資、占地、運行費、維修費、運行穩定性及廠區總布置等方面綜合分析,推薦采用 2臺機組配置兩段7.0m風機的機械逆流式冷卻塔,每臺風機電動機功率為 90 kW。

c.寒冷地區的火電廠,冷卻塔冬季結冰是影響冷卻塔壽命和機組運行安全的問題之一,應予以重視。應采取在塔壁板內側設置擋水板、加設防凍管、在冷卻塔上水管設置放空閥門和旁通管等必要措施防止冷卻塔冬季結冰。

[1] 張文斌.電力工程水務設計手冊[M].北京:中國電力出版社,2005.

[2] 許保玖.給水處理理論[M].北京:中國建筑工業出版社,2000.

[3] 江乃昌.水泵及水泵站[M].北京:中國出版建筑工業出版社,1998.

Discussion on the optim ization of auxiliary water-cooling system of the air-cooling unit

LIBo1,WANG Wei2,LIU Gang3
(1.Harbin Power Engineering Company Lim ited,Harbin 150040,China 2.Northeast Institution of Electric Power Design,Changchun 130021,China;3.No.4Daoli Business Subsidiary of Zhongqing Gas Co.,Ltd,Harbin 150010,China)

Based on the two 600 MW coal-fired units in a power plant in the northeast,this paper analyzes and calculates the wetair cooler,the natural draft cooling tower or the mechanical draft cooling tower adop ted by the auxiliary.The life span and operation security of the cooling equipmentwhich is influenced by ice in winter of cold area are analyzed,which provides reference for the design of auxiliary water-cooling system for other projects.

auxiliary;water-cooling system;natural draft cooling tower;mechanical draft cooling tower,westair cooler

TK264.1

A

1002-1663(2010)01-0028-03

2009-10-19

李博(1978-),女,畢業于東北林業大學,助理工程師。

(責任編輯 李世杰)