火電機組冷端優化措施及效果

丁立斌，杜小鐵,劉葉麗

(1.河北西柏坡發電有限責任公司，石家莊 054000；2. 河北建投能源投資股份有限公司，石家莊 050041)

火電機組冷端優化措施及效果

丁立斌1，杜小鐵2,劉葉麗2

(1.河北西柏坡發電有限責任公司，石家莊 054000；2. 河北建投能源投資股份有限公司，石家莊 050041)

從凝汽器入口蒸汽流場均流裝置、凝汽器增效改造、冷卻塔新型節能旋轉式噴濺裝置、冷卻塔進風導流板、真空系統完善等方面分析火電機組冷端優化措施，并結合國內工程實例，認為優化措施的節能效果顯著，可供火電機組借鑒。

火電機組；冷端系統；優化措施；凝汽器；冷卻塔

火電機組冷端一般包括汽輪機低壓缸、凝汽器、冷卻塔、循環水泵、抽真空設備及其相連接的管路。冷端設計主要指凝汽器面積計算和結構選型、冷卻倍率計算、水泵選型和一般配置等，濕冷閉式循環冷卻機組包括冷卻塔配水形式及面積選擇，空冷機組包括空冷島面積計算。冷端優化設計是指在前者的基礎上開展的合理降低工程總造價并兼顧經濟運行的深度優化，最終目標是為了確定最佳真空所對應的凝汽器面積、循環倍率、冷卻塔面積和低壓缸末級葉片長度等參數。但是優化設計后的冷端系統在長期運行中經常暴露出一些新問題，例如汽輪機低壓缸排汽區流場不均勻、凝汽器真空偏離設計值、冷卻塔出水溫度高、凝汽器泄漏等，導致機組能耗升高，運營成本增加，程度嚴重的甚至會影響到機組安全運行。因此，對投運機組冷端系統繼續優化，不僅能夠提高機組運行可靠性，而且是企業實現和提高競爭力的重要手段。以下從凝汽器、冷卻塔、真空系統等方面介紹典型的火電機組冷端系統優化措施。

1 凝汽器優化措施

1.1 加裝入口蒸汽流場均流裝置

人們普遍重視汽輪機排汽缸出口蒸汽流場的優化，卻未重視凝汽器管束入口蒸汽速度分布對凝汽器汽阻和傳熱系數的影響。近幾年的研究表明，凝汽器入口蒸汽流場也是影響凝汽器工作性能的重要因素。國產引進型300 MW汽輪機由于低壓加熱器龐大的筒身占據在排汽口中央，周圍布置了大量的抽汽管道，導致凝汽器管束入口截面上的蒸汽流場極不合理：縱向上，冷卻管的進出口端汽流非常密集，速度高，將迎風面管束吹刷的異常光滑；橫向上，兩側遠離中心線的管束從入口到出口一直處于高速汽流的沖刷之下；越靠近凝汽器的中心區域汽流速度越低，中間甚至會出現漩渦區，管束迎風面產生輕微銹垢；整個截面上蒸汽流速最高超過100 m/s，接近中間區域蒸汽速度的5～10倍[1]。這種極不合理的速度場使冷卻管傳熱系數下降，并使汽阻和不凝結蒸汽量有較大幅度增加，這也是機組真空偏低的原因之一。

在模型試驗及計算機三維模擬計算的指導下，按照流場速度分布規律，在凝汽器管束入口上方區域內的蒸汽高速區加裝由不銹鋼板制成的均流裝置，固定在附近支撐管上，促使凝汽器管束入口原高速區的速度有所降低、原低速區的速度有明顯升高，蒸汽流場趨于均勻，從而改善管束的傳熱溫差、傳熱系數和內部汽阻，最終降低了排汽壓力。鐵嶺電廠4號機組優化后的測試結果表明，在額定負荷、循環水入口溫度30 ℃時可以降低凝汽器排汽壓力0.7 kPa以上，煤耗下降約1.32 g/kWh[2]，循環水入口溫度越高則節能效果越明顯。

1.2 凝汽器增效改造

凝汽器設計優化的主要任務是增大管束邊界、降低汽側邊界流速、縮短汽流流程、均衡凝結負荷、疏通不凝結氣體抽氣通道、消除不凝結氣體滯留區、提高換熱效能，蒸汽回熱凝結水進一步除氧并降低過冷度，其中管束布置是影響汽側流動特性和傳熱特性的主要因素。

如今國內外已經成功開發出多種先進的管束布置型式，典型的有教堂窗式、雙菱式、AT型式、模塊化式、將軍帽式、垂直均衡流動式等。

哈爾濱汽輪機有限公司選用東芝AT型式管束排列技術，特點是：空氣到達空冷區出口的距離明顯縮短，同時進汽邊周長加大，有利于降低進入管束流體的流速，減小汽阻；管束之間的蒸汽通道數量增多，部分蒸汽直接到達熱井凝結水的表面后再折返向上進入管束，有利于對凝結水更好地回熱除氧，降低凝結水過冷度；在空冷區設置專用擋板，將上部管束的凝結水引出，空冷區中的凝結水也由水封槽、疏水管引出，凝結水的及時導出減弱了空冷區下方管束表面水膜效應的不利影響，上部、下部和空冷區管束都獲得了較高的換熱性能。

東方汽輪機有限公司采用德國B-D公司模塊化式管束排列技術，特點是：1臺凝汽器布置3條蒸汽通道，汽流速度均勻，中間無反流，整體管束汽阻小，熱負荷分布均勻；增加中間隔板數量，解決管束振動問題；抽空氣管分兩路直接抵達空冷區，中間隔板孔徑增大方便不凝結氣體抽出；空冷區增設雙層多孔疏水擋板有利于凝結水排出；凝結水基本無過冷度，除氧效果好。

這些新型凝汽器均在管束布置和抽氣通道優化等細節上做了大量研究，并取得了一些關鍵性突破，整體換熱系數較傳統管束布置有10%～20%的大幅度提高。

以河北西柏坡發電有限責任公司1號、2號機組為例，其凝汽器為二十世紀八十年代技術、九十年代初產品，采用向心式布置，缺點是管束整體布局不合理，汽阻較大，下部管束水膜效應明顯，換熱效率低，凝結水過冷度大等，目前該技術已十分落后。1號機組統計數據表明，凝汽器在機組年平均負荷率66.26%的情況下，年平均排汽壓力比設計值4.9 kPa高0.87 kPa，在額定負荷下，凝汽器排汽壓力與設計值的差值更大。

2號凝汽器鑒于銅管老化頻繁泄漏及效率低等原因，于2010年實施了整體改造。經招標比選，確定改造方案選用AT型管束排列技術，換熱管選用TP316L不銹鋼管子，不僅能夠杜絕原銅管腐蝕老化不斷泄漏帶來的檢修維護量大、凝結水品質經常被污染、汽輪機葉片結垢多導致效率下降較快等問題，而且長期運行中能夠維持較高的管束清潔系數，有利于提高機組真空。

2號汽輪機凝汽器整體改造后的實時運行數據表明，在相同外界條件下，與未改造前相比，凝汽器換熱效率有了明顯提高，排汽壓力降低了約1 kPa。

2 冷卻塔優化措施

2.1 采用新型節能旋轉式噴濺裝置

噴濺裝置的作用是將進入冷卻塔的熱水均勻地淋灑在下方填料頂上，以便充分發揮填料比面積大、散熱能力強的優點，淋水的均勻性對冷卻塔冷卻效率影響極大。二十世紀九十年代，北方地區大型濕冷火電機組冷端多采用逆流式自然通風冷卻塔，對于豎井槽式配水通常使用反射Ⅲ型噴濺裝置，管式配水多采用旋流式XPH型噴頭。反射Ⅲ型噴濺裝置在長期使用后逐漸暴露出一些問題：由于設計缺陷，濺水碟下方始終存在(無水)中空區；由于加工工藝限制，噴濺裝置的上盤和下盤是分別成型后粘結上的，局部強度低、易斷裂，導致濺水碟脫落，形成水柱；上下濺水碟的挑水齒表面極易生成水垢，若維護清理不及時濺水效果就會逐漸變差，形成較多水幕，下方填料的熱負荷分布趨于不均勻，冷卻塔效率明顯下降。

針對反射Ⅲ型噴濺裝置存在的諸多不足，近期國內開發出一種節能旋轉式噴濺裝置，它利用水頭下泄的沖擊力帶動濺水碟旋轉實現濺水，上揚的水滴沿著無規則軌跡均勻地灑在填料上，水滴更加細碎，噴濺半徑有所增加，有利于平面交叉布置，水滴在空中延緩了下落時間，水氣熱交換更充分，淋水密度更趨均勻，無水區減小甚至消失，噴濺效果受水量變化影響小。錦州東港電廠1號機組冷卻塔使用節能旋轉式噴濺裝置后，與反射Ⅲ型噴濺裝置相比，夏季工況下可使冷卻塔出水溫度降低1 ℃，機組真空提高0.4%，機組出力提高0.4%，若煤耗為330 g/kWh，煤耗可降低1.65 g/kWh，全年平均可降低0.825 g/kWh[3]。

2.2 優化冷卻塔進風導流板

二十世紀九十年代火電廠冷卻塔的設計并未對進風優化給予過多關注，本世紀初部分冷卻塔開始在雨區加裝了實心十字擋風墻，以消除較大橫向風對冷卻塔效率的不利影響。橫向風對出塔水溫影響較大，無風時出塔水溫最低。隨著風速的增加，出塔水溫先升高后降低，當風速為6 m/s，其值最高，相對于無風時升高了1.34 ℃[3]。雨區加設擋風墻在中低速環境下能有效提高冷卻塔性能。

對于已有十字擋風墻的冷卻塔，優化措施是將實心十字擋風墻改造為分段優化多空墻，不但在中低速環境條件下能有效提高冷卻塔的性能，而且在高風速條件下能接近不加墻時的效果。改進后的十字墻最大能使出塔水溫降低0.32 ℃、煤耗降低0.3～0.5 g/kWh，并且具有較強的風向適應性[4]。

對于無十字擋風墻的冷卻塔，可以在冷卻塔進風口安裝導風板，削弱外界側風的不利影響，均勻塔內通風，增加進塔風量，從而提高冷卻塔效率。實測數據表明，安裝導風板后的冷卻塔的冷卻溫差增幅在夏季最大可達5 ℃，冬季則效果甚微，3月僅為0.1 ℃[5]。

3 真空系統優化措施

3.1 提高真空泵抽吸能力

凝汽器絕對壓力會隨著環境溫度的升高而升高，當夏季環境溫度接近設計上限時，凝汽器絕對壓力已經達到設計上限，就會限制機組帶負荷能力，這與水環式真空泵的抽吸能力惡化有一定關系。真空泵抽吸能力主要與其內部密封水溫度有關，當密封水溫度低于15 ℃時過冷度可以得到充分保障，抽吸能力就能夠達到極限值，反之密封水溫度升高、過冷度降低，真空泵抽吸能力會逐漸降低，所以真空泵冷卻水系統設計時一般盡量選用溫度較低的地下水或地表水，而盡量不選用機組冷卻塔的循環水。

為使機組獲得較高真空，尤其是考慮夏季工況的特殊需求，某廠通過技術改造，從中央空調冷凍機組引一路冷凍水至真空泵冷卻器，相同工況下可降低密封水溫度6～8 ℃，提高凝汽器真空約1 kPa，折合供電煤耗降低約3 g/kWh[6]。

3.2 優化真空管道布置方案

國產600 MW機組普遍采用雙背壓凝汽器，設計為正常運行時高壓凝汽器絕對壓力比低壓凝汽器高約1.2～1.5 kPa，維持這個壓差值是實現雙背壓凝汽器經濟運行的關鍵。當雙背壓凝汽器的抽空氣管道設計為并聯母管制后，機組實際運行中高、低壓凝汽器的壓力十分接近甚至相等，雙背壓凝汽器的經濟優勢并不突出，必然導致機組能耗升高。并聯母管制的特點是，抽真空管道起點在高壓凝汽器側，進入低壓凝汽器后與后者的抽真空管道合并成一根聯合母管，再引出凝汽器與真空泵組對接；也有一種類似設計方案，即高、低壓凝汽器抽真空管道的合并選擇在凝汽器外、與真空泵組對接之前。這種設計方案未全面考慮管道合并前的壓力不匹配問題，雖然設計有對應措施，比如在高壓凝汽器抽真空管道上安裝限流孔板或者手動調節閥，但是對于壓力變化范圍僅為4.9～12 kPa的系統，高低壓凝汽器壓差控制在1.2～1.5 kPa很難實現。實踐證明這種設計方案與實際不符、可操作性差，直接導致高壓凝汽器抽氣排擠低壓凝汽器抽氣，低壓凝汽器壓力異常上升并逐漸接近高壓凝汽器壓力。

優化措施是：系統共設有3臺真空泵，兩運一備，高壓凝汽器抽真空管道單獨接入真空泵A，低壓凝汽器抽真空管道單獨接入真空泵C，在真空泵A、B、C入口前增設橫向聯絡管道和閥門，徹底解決抽氣排擠問題，可大幅降低低壓凝汽器壓力。河北西柏坡發電有限責任公司600 MW超臨界5號機組采用了此項優化，低壓凝汽器壓力降低了0.762 kPa。

4 循環水熱泵供熱技術

燃煤火電廠的總體熱效率最高約為45%，是因為大量低品位廢熱無法再利用，只能由水蒸氣和煙氣攜帶散發到大氣中，由此形成了很大浪費。若能充分利用這部分廢熱向特定用戶提供采暖熱能，不僅可以提高火電廠整體熱能利用率，而且還能降低企業經營成本。近幾年國內已有多個火電廠成功嘗試采用吸收式熱泵技術提取汽輪機循環水余熱向居民提供采暖用熱，為火電廠余熱利用積累了豐富經驗。

吸收式熱泵的節能原理是：吸收式熱泵的輸出供熱量等于從低溫(余)熱源吸收的熱量和高溫驅動熱源熱量之和，即熱泵的輸出供熱量始終大于消耗的高品位熱源熱量(COP>1)，又稱為增熱型熱泵，根據不同的工況條件，COP一般在1.65～1.85，具有較大的節能優勢。

以邢臺國泰發電有限責任公司11號機組為例，采暖熱網一次供回水溫度平均為115 ℃/55 ℃，加裝9臺吸收式熱泵后，將凝汽器送出的約34 ℃的循環水經升壓泵引入熱泵放熱，放熱后約28 ℃的循環水再進入凝汽器吸熱；以0.3 MPaG的高溫蒸汽作為驅動熱源，提取34 ℃循環水的低質熱能，加熱55 ℃的采暖熱網一次回水至73 ℃。單臺熱泵設計供熱量26 MW，可回收循環水熱量10.9 MW，9臺熱泵可提取廢熱326 GJ/h用于居民采暖供熱，預期收益可觀。

5 結束語

近幾年國內火電行業十分重視機組冷端優化，各種優化措施不斷推陳出新，節能效果顯著，有的已被列入《國家重點節能技術推廣目錄》，有的已在實際工程項目中得到成功應用。以上提出了幾種典型的，已在實際工程項目中成功應用的冷端系統優化措施，優化效果良好，供同行們參考。

[1] 郭玉雙.300 MW機組排汽通道改造研究[D].北京:清華大學,2002.

[2] 萬逵芳,彭翔宇.蒸汽流場對凝汽器汽阻的影響[J].汽輪機技術,2004,46(2):86-88.

[3] 吳百龍.冷卻塔運行特性研究[D].北京：華北電力大學,2004.

[4] 蔣 波,周蘭欣.自然通風冷卻塔加裝十字擋風墻數值研究[J].汽輪機技術,2010,52(3):165-168,172.

[5] 戴振會,孫奉仲等.冷卻塔進風口加裝導風板后的冷卻性能比較與評價[J].中國電力,2009,42(10):24-27.

[6] 郭江龍.水環式真空泵節能運行技術[J].河北電力技術,2009,28(6):22.

本文責任編輯：丁 力

Optimized Measures and Effect of Cold End in Thermal Power Units

This paper introduces the optimized measures of the cold end from the aspeits of condenser entrance steam flow equalizing device,condenser efficiency transformation,cooling tower new energy-saving rotary spray device,cooling tower inlet guide plate,vacuum system,and combined with engineering examples,considers that the energy saving effect of optimized measures is significant to worth thermal power units to use for reference.

thermal power units;cold end system;optimized measures;condenser;cooling tower

2013-05-15

丁立斌(1973-)，男，工程師，主要從事火力發電技術管理工作。

TM621

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1001-9898(2013)04-0037-04