蒸發式冷凝器在12 MW凝汽發電機組中的應用

景玉國

(河北凱躍化工集團有限公司 河北文安065801)

1 凝汽器的種類及其優缺點

1.1 水冷凝汽器

1.1.1 水流程

由循環水泵從涼水塔送來的具有一定壓力的冷卻水流經換熱器冷卻水管，把蒸汽在換熱器內凝結為水時放出的熱量帶走，凝結水從凝汽器底部通過凝結水泵抽出，回收到鍋爐或蒸汽發生器使用；吸收熱量的冷卻水返回到涼水塔降溫,循環使用。

1.1.2 結構形式

大型水冷凝汽發電機組一般配置自然通風涼水塔，涼水塔不設冷卻風機。因自然通風涼水塔占地面積及投資都很大，小型水冷凝汽發電機組一般配置強制通風涼水塔，涼水塔設置冷卻風機。凝汽換熱器的結構形式一般采用列管式，冷卻水用量一般占發電機組總循環冷卻水量的80%左右。

1.1.3 優缺點

優點：技術成熟、發電負荷穩定、故障率較低。

缺點：冷卻水循環量大、冷卻水消耗量高。大型自然通風涼水塔冷卻水消耗量在0.005～0.007 t/(kW·h)；小型機組設置強制風冷涼水塔，因飄水率高，導致冷卻水消耗量較高(一般在0.007～0.012 t/(kW·h)；循環水泵揚程高、能耗高；列管式凝汽換熱器容易出現結垢、堵塞、腐蝕、泄漏等問題，使用壽命短；對循環水質的管理要求嚴格。

1.1.4 12 MW水冷凝汽發電機組主要配置及運行指標

12 MW水冷凝汽發電機組循環冷卻水量3 200～3 600 m3/h，循環水泵揚程40～60 m，循環水泵功率400～500 kW，凝汽換熱器換熱面積1 000～1 200 m2。若采用強制通風涼水塔，還需增加冷卻風機的功率100～150 kW；設計乏汽壓力5～6 kPa，實際運行壓力10～15 kPa，實際發電汽耗4.7～4.9 kg/(kW·h)。按年運行300 d、發電負荷10 MW，機組耗電量(包括循環水泵、冷卻風機、凝結水泵及抽氣器)為自發電量的4.5%～5.5%，年耗水量500～850 kt。

1.2 空冷凝汽器

1.2.1 結構形式

空冷凝汽器的結構形式主要分為直接空冷、間接空冷、干濕聯合空冷等，其中以直接空冷技術發展最為迅速。

1.2.2 優缺點

直接空冷結構的空冷凝汽器具有投資小、占地面積小，且不受水資源限制的優點。我國北方地區四季分明，部分地區富煤缺水，冬季氣溫通常在-10～-40 ℃，有利于空冷發電機組的經濟運行，但夏季氣溫也在30 ℃以上，空冷發電機組很難實現滿負荷運行。

缺點：①換熱效率低；②運行的穩定性及安全性較差；③操作及管理難度大，空冷發電機組真空系統龐大，操作及管理復雜，冬季防凍性能差，易發生凍結事故；④投資大，運行費用高；⑤發電能耗較高。

1.2.3 12 MW空冷凝汽發電機組主要配置及運行指標

12 MW空冷凝汽發電機組配置的空冷換熱器的換熱面積60 000～70 000 m2，空冷冷卻風機功率300～500 kW，循環冷卻水量400～600 m3/h，循環冷卻水系統功率100～150 kW；設計乏汽壓力15～17 kPa，冬季運行時可達到設計值，夏季氣溫高時，實際乏汽壓力40～50 kPa；實際發電汽耗5.0～5.5 kg/(kW·h)。按年運行300 d、發電負荷10 MW、機組耗電量(包括空冷風機、循環水系統、凝結水泵及抽氣器等)為自發電量5.0%～6.0%計，年耗水量100～200 kt。

2 蒸發式冷凝器的引入及應用

河北凱躍化工集團有限公司(以下簡稱凱躍公司)是以生產合成氨、甲醇、甲醛、二甲醚等產品為主的綜合性化工企業，將廢熱綜合利用、熱電聯產作為主要改造措施。2009年之前，凱躍公司先后增加了2臺6 MW背壓發電機組。背壓發電機組只能根據用汽裝置的蒸汽用量來調節，在產汽量大于用汽量時，背壓發電機組無法調節，只能將背壓后多余的蒸汽排空處理，造成了極大的浪費。為了解決多余蒸汽排空和電力不足的問題，凱躍公司于2010年至2012年間新增了6 MW和12 MW 凝汽及抽凝發電機組各1臺。

2.1 蒸發式冷凝器應用于凝汽發電的背景

凱躍公司地處河北中北部，年平均氣溫12～15 ℃、四季分明，極端最高氣溫40～42 ℃、最低氣溫-15～-20 ℃，屬于水資源較為缺乏的地區。根據需要，新增機組需采用凝汽或抽凝發電機組，解決生產上多余蒸汽排空的問題，同時增加電力供應；凝汽必然要涉及乏汽冷凝的問題。

經對現有的水冷和空冷發電機組進行分析、比較，得出的結論：這2種類型機組都存在一定的問題和缺陷，均不適合凱躍公司的實際狀況。水冷發電機組冷卻水消耗太多、需新建涼水塔等設施，占地面積太大，而凱躍公司水資源較為緊張，同時還受到場地限制，沒有建設涼水塔的空間；空冷發電機組雖然冷卻水消耗低、占地面積小，但夏季氣溫高時發電效率太低、經濟性太差，同時投資又太高。故以選擇耗水量較低、發電效率較高、占地面積不大、投資較低的凝汽設備較為理想。

2.2 蒸發式冷凝器的選用

凱躍公司自2007年起先后在合成氨、甲醇、甲醛、二甲醚等裝置上使用蒸發式冷凝器設備50余臺(套)代替原有的涼水塔。蒸發式冷凝器具有換熱效率高、耗水量低、結構緊湊、占地面積小的特點，適用于清潔介質的冷卻和冷凝，汽輪機出口的乏汽非常清潔、不會堵塞蒸發式冷凝器的換熱管道。

2009年底開始籌備新增發電機組事宜。經分析認為：蒸發式冷凝器與現有的水冷和空冷凝汽器相比具有一定的優勢，決定購買1臺6 MW二手凝汽發電機組，利用閑置的1臺6 MW背壓發電機組，用蒸發式冷凝器代替凝汽器，進行一次試驗性嘗試。洛陽隆華傳熱科技股份有限公司承擔了蒸發式冷凝器的設計制造，項目總投資約700萬元。2010年初開工。2011年初投入試運行，因舊發電機組故障率較高，運行不太穩定，但獲得了一些有益的數據。在此基礎上，2011年初，又新增1臺12 MW抽凝發電機組，同樣采用蒸發式冷凝器代替凝汽器。項目于2011年1月29日開工；2012年3月23日調試合格投入試運行。項目總投資約1 900萬元，包括發電機組、土建廠房、配套蒸發式冷凝器及設計、安裝、電器儀表等費用。

2.3 配置情況

蒸發式冷凝器分2組配置(4臺1組)，每組設12臺冷卻風機，單臺風機功率18.5 kW；設置3臺循環冷卻水泵(開2備1)，單臺水泵功率55 kW、流量984 m3/h、揚程14 m。

蒸發式冷凝器位置緊靠汽輪機廠房布置，2組蒸發式冷凝器之間留6 m左右的空間，布置3臺循環水泵，蒸發式冷凝器及循環水泵總占地面積720 m2。

2.4 裝置運行情況

2012年3月投入試運行，自2012年4月至今已累計運行1年多，運行穩定；2013年1月至2月，因后續用電裝置停產而停運；2012年4月至2013年6月共運行13個月，全部按全凝模式運行。

2.4.1 主要運行指標

(1)主要運行工藝指標：汽輪機的進汽壓力3.4～3.5 MPa，乏汽溫度52～60 ℃，乏汽壓力 8～12 kPa(絕壓)，凝水溫度45～48 ℃。

(2)冷卻風機運行數量：根據環境溫度變化以滿足排氣(乏汽)壓力、凝水溫度指標為前提，增減冷卻風機的運行臺數。機組發電負荷80%左右、冬季環境溫度0 ℃以下，開8～12臺冷卻風機；春、秋季環境溫度20 ℃以下，開12～17臺冷卻風機；夏季環境溫度30 ℃以上，需開19～22臺冷卻風機。

(3)循環水泵的運行：常開2臺循環水泵，運行負荷80%左右，循環水泵的運行負荷一般固定不變，主要調節冷卻風機的運行臺數。

2.4.2 發電量及主要消耗指標(2012年4月至2013年6月)

(1)發電量：累計發電量7 770 000 kW·h，月有效運行28 d，平均小時發電負荷8 900 kW，發電負荷以滿足后續用電設備的需要為主，發電量受環境氣溫的影響很小。

(2)發電汽耗：累計耗蒸汽量357 467 t，平均發電汽耗4.599 kg/(kW·h)；冬季和夏季發電汽耗沒有明顯差異。

(3)冷卻水消耗量：累計耗冷卻水量約300 kt，單耗約0.003 9 t/(kW·h)，冬季和夏季冷卻水消耗量相差很大(夏季約為冬季的1.5～2.0倍)。

(4)機組自耗電量：機組自耗累計耗電量沒有單獨計量，估計為自發電量的4%～5%；2013年 5月開始單獨計量，計量結果約為自發電量的5%。冬季和夏季自耗電量相差也很大，冬季自耗電量為夏季的60%～70%，主要原因為冬季冷卻風機開的臺數較少。

(5)夏季運行情況：進入2013年6月中、下旬，氣溫明顯升高；2013年6月14日至30日，環境溫度24～37 ℃，累計17 d發電量3 781 500 kW·h，平均小時發電負荷9 268 kW；累計耗蒸汽量17 178 t、平均發電汽耗4.543 kg/(kW·h)；累計耗水量17 174 t，平均單耗0.004 54 t/(kW·h)；累計自耗電量199 100 kW·h，占自發電量的5.27%。

3 蒸發式冷凝器使用注意事項

蒸發式冷凝器對水質的管理要求相對于水冷機組來說不是很嚴格，但根據蒸發式冷凝器的結構特點，換熱管一般橫向布置，且排布得較為密集，換熱管間的縫隙較小，在使用過程中，以下幾個方面的問題需要引起重視。

(1)蒸發式冷凝器的制造應選擇可靠的廠家承攬，材料的選取、結構的設計及制造質量的控制對蒸發式冷凝器的使用壽命和使用效果起著決定性作用。

(2)循環冷卻水的管理仍需加強，主要在防止腐蝕、結垢和堵塞等方面。循環冷卻水中的Cl-質量濃度應嚴格控制在<700 mg/L，以減輕對設備的腐蝕；冷卻水及冷卻空氣的分布應均勻，杜絕局部死區，以減輕換熱管的氧腐蝕。

(3)系統應盡可能相對封閉運行，避免雜物進入循環水中或通過風機帶入一些雜物堵塞噴頭或換熱管縫隙，造成冷卻空氣或冷卻水偏流；同時應加強檢查，出現堵塞、偏流等問題應及時發現并處理。

(4)應注意飄水問題，飄水會導致冷卻水消耗大幅度上升、收水器錯位及變形等都會導致飄水率提高。

4 結語

蒸發式冷凝器用于凝汽發電機組，與水冷、空冷技術相比，都具有明顯的優勢。與水冷機組相比，具有顯著的節水效果；與空冷機組相比，具有明顯的節能優勢，適宜在我國中北部及以南地區的大、中、小型凝汽發電機組推廣應用；因蒸發式冷凝器投資較低、占地面積小，特別適用于老企業中、小型凝汽機組節能改造；但在高寒及嚴重缺水地區不宜選用。