火力發(fā)電廠輔機循環(huán)水冷卻方式的比較

趙 耀，李曉楠

(內(nèi)蒙古電力勘測設(shè)計院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

火力發(fā)電廠汽輪機組排汽采用空冷系統(tǒng)時其輔機通常采用循環(huán)供水濕冷系統(tǒng)，主要的冷卻設(shè)施是濕式機力通風(fēng)冷卻塔。隨著空冷技術(shù)的發(fā)展，空冷技術(shù)也逐步應(yīng)用在了輔機循環(huán)水冷卻系統(tǒng)中。目前主要有兩種，一是采用干式機力通風(fēng)冷卻器的冷卻系統(tǒng)，另一是采用機力通風(fēng)蒸發(fā)式冷卻器的冷卻系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成

1.1 濕式機力通風(fēng)冷卻系統(tǒng)

(1)主機為空冷系統(tǒng)時，輔機循環(huán)水采用濕冷系統(tǒng)設(shè)置一套完整的輔機循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)施，冷卻水通過輔機循環(huán)水泵升壓后送到主廠房內(nèi)各輔機進(jìn)行換熱，升溫后的水經(jīng)過管道至濕式機力通風(fēng)濕冷塔冷卻降溫，然后經(jīng)輔機循環(huán)水泵繼續(xù)循環(huán)使用。系統(tǒng)設(shè)施包括：輔機循環(huán)水泵房、輔機循環(huán)水泵、濕式機力通風(fēng)濕冷塔、控制閥門及輔機循環(huán)水管道等。

(2)在濕冷系統(tǒng)中由于冷卻水是開式的，冷卻水與空氣直接接觸，傳熱傳質(zhì)同時存在，系統(tǒng)存在蒸發(fā)、風(fēng)吹和排污損失，需要補充新鮮水。

(3)系統(tǒng)中的循環(huán)水水質(zhì)為工業(yè)水。

(4)主廠房內(nèi)部分設(shè)備冷卻需要采用除鹽水，因此設(shè)置水－水換熱器及工業(yè)水升壓泵閉式冷卻系統(tǒng)，通過換熱器用循環(huán)水冷卻。

1.2 干式機力通風(fēng)冷卻系統(tǒng)

(1)輔機循環(huán)水在閉式系統(tǒng)中冷卻，經(jīng)過輔機換熱器升溫后的循環(huán)水，經(jīng)管道引至設(shè)在干式機力通風(fēng)冷卻塔內(nèi)的散熱器，通過冷空氣冷卻散熱器，從而達(dá)到對流經(jīng)散熱器的冷卻水的冷卻、降溫。降溫后的循環(huán)水直接回到輔機循環(huán)水泵，經(jīng)水泵升壓后進(jìn)入輔機散熱器，轉(zhuǎn)入下一個循環(huán)。系統(tǒng)的設(shè)施包括：輔機循環(huán)水泵(房)、干式機力通風(fēng)冷卻塔(內(nèi)含散熱器、軸流風(fēng)機、地下儲水箱、補水泵、噴霧設(shè)施)、控制閥門及輔機循環(huán)水管道等。

(2)空冷系統(tǒng)的冷卻水不與空氣直接接觸，僅有傳熱，沒有傳質(zhì)，但為保證冷卻水的出水溫度，空冷塔內(nèi)部輔助少量噴霧水，當(dāng)氣溫高時，對散熱器噴霧降溫，系統(tǒng)補充水少，為了防止水在蒸發(fā)冷卻器內(nèi)結(jié)垢，冷卻水的水質(zhì)為除鹽水。當(dāng)外部需要噴水降溫時，也采用除鹽水。

(3)系統(tǒng)中的循環(huán)水的水質(zhì)為除鹽水，冬季可切換至主機循環(huán)水系統(tǒng)運行。

(4)主廠房內(nèi)不需設(shè)置傳統(tǒng)的水－水換熱器及工業(yè)水升壓泵即閉式冷卻系統(tǒng)。

1.3 蒸發(fā)式冷卻系統(tǒng)

(1)輔機循環(huán)水在閉式系統(tǒng)中冷卻，通過輔機循環(huán)水泵將冷卻水直接送至輔機設(shè)備進(jìn)行冷卻，升溫后的水進(jìn)入到蒸發(fā)冷卻器內(nèi)，經(jīng)過空氣或蒸發(fā)水冷卻降溫后再回到輔機循環(huán)水泵房，通過輔機循環(huán)水泵進(jìn)行循環(huán)使用。輔機蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的設(shè)施包括：輔機循環(huán)水泵房、輔機循環(huán)水泵、蒸發(fā)冷卻塔、噴淋水系統(tǒng)、控制閥門及輔機循環(huán)水管道等。為了防止水在蒸發(fā)冷卻器內(nèi)結(jié)垢，冷卻水的水質(zhì)為除鹽水。

(2)空冷系統(tǒng)的輔機循環(huán)冷卻水不與空氣直接接觸，但為保證冷卻水的出水溫度，一般在環(huán)境溫度6℃以上時進(jìn)行外部噴水降溫，噴水采用工業(yè)補充水即可。

(3)系統(tǒng)中的循環(huán)水的水質(zhì)為除鹽水，冬季可切換至主機循環(huán)水系統(tǒng)運行。

(4)主廠房內(nèi)不需設(shè)置傳統(tǒng)的水－水換熱器及工業(yè)水升壓泵即閉式冷卻系統(tǒng)。

2 干式機力通風(fēng)冷卻系統(tǒng)與機力通風(fēng)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)區(qū)別

(1)兩種系統(tǒng)的冷卻機理不同。

機力通風(fēng)間接空冷系統(tǒng)的冷卻水通過翅片管束與空氣換熱，但不與空氣直接接觸，僅有傳熱，沒有傳質(zhì)，但夏季高溫段可通過向散熱器進(jìn)風(fēng)口噴霧化的水降低空氣進(jìn)風(fēng)溫度，使系統(tǒng)達(dá)到夏季工況的條件和要求。一般在環(huán)境溫度高的時段噴水降溫，水質(zhì)要求除鹽水。

機力通風(fēng)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)是一種將水冷與空冷，傳熱與傳質(zhì)過程融為一體的冷卻系統(tǒng)，其工作原理是冷卻介質(zhì)通過蒸發(fā)冷卻塔把熱量傳給塔內(nèi)管束外壁的水膜，水膜迅速蒸發(fā)帶走熱量，蒸發(fā)后的濕空氣由上方的風(fēng)機抽走，并由下面再進(jìn)來新的冷空氣進(jìn)行冷卻，以此循環(huán)。一般在環(huán)境溫度高于6℃時噴水，水質(zhì)采用工業(yè)水補充水。

(2)兩種系統(tǒng)的冷卻設(shè)施不同。

干式機力通風(fēng)冷卻系統(tǒng)散熱器通常采用是間接空冷系統(tǒng)常用的鋁管鋁翅排管束，冷卻管束組成冷卻三角，冷卻三角進(jìn)風(fēng)側(cè)設(shè)置百葉窗。系統(tǒng)設(shè)充水及排水系統(tǒng)，由貯水箱、輸水泵、充水管道和閥門等組成。水箱布置在冷卻塔(間冷塔)內(nèi)地面以下，輸水泵布置在間冷塔地下泵房內(nèi)。設(shè)置噴淋水泵，水泵布置在塔內(nèi)，降溫水從冷卻塔出水管道引接，系統(tǒng)包括噴頭、噴淋水泵、管道、閥門及管道支吊架、管件和配件等。噴淋水和輔機循環(huán)冷卻水是互通的，水質(zhì)一樣，都為除鹽水。

機力通風(fēng)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的蒸發(fā)冷卻塔由冷卻器管束和填料組成，冷卻器管束由不銹鋼或無縫鋼管盤繞而成，在冷卻管束上設(shè)有噴淋水系統(tǒng)，噴淋水通過換熱后水溫較高，在換熱器底部設(shè)有填料和集水池來冷卻、收集噴淋水，收集到的噴淋水通過噴淋泵提升后循環(huán)使用。噴淋水與輔機循環(huán)冷卻水是獨立的，不互通，水質(zhì)不同。

3 案例

在某電廠(2×350 MW機組)主機冷卻采用空冷系統(tǒng)。輔機選擇三種冷卻方式進(jìn)行比較。輔機循環(huán)水見表1。

表1 輔機冷卻水量

3.1 各系統(tǒng)設(shè)施配置

3.1.1 濕式機力通風(fēng)冷卻系統(tǒng)

采用母管制供水系統(tǒng)。2臺機組配3臺輔機循環(huán)水泵，1座濕式機力通風(fēng)冷卻塔，設(shè)置1條壓力進(jìn)水管和1條壓力回水管。經(jīng)冷卻塔冷卻后的輔機循環(huán)水，通過鋼筋混凝土溝自流至輔機循環(huán)水泵前池，經(jīng)輔機循環(huán)水泵升壓，通過壓力進(jìn)水管，冷卻輔機設(shè)備，輔機排出的熱水由回水壓力鋼管送回冷卻塔冷卻，循環(huán)使用。

輔機循環(huán)水泵：

流量：Q=1650 m3/h

揚程：H= 0.45 MPa

電動機功率：250 kW

數(shù)量：3臺(2運1備)

冷卻設(shè)施：

總處理水量：Q= 3500 m3/h

風(fēng)機功率：75 kW/格

數(shù)量：3格

3.1.2 干式機力通風(fēng)冷卻系統(tǒng)

(1)系統(tǒng)過程

系統(tǒng)采用母管制供水系統(tǒng)。2臺機組配3臺輔機循環(huán)水泵，1座干式機力通風(fēng)冷卻塔，設(shè)置1條壓力進(jìn)水管和1條壓力回水管。經(jīng)冷卻塔冷卻后的輔機循環(huán)水，通過管道回至輔機循環(huán)水泵，經(jīng)循環(huán)水泵升壓，通過壓力進(jìn)水管，至主廠房冷卻機務(wù)輔機設(shè)備，熱水送回冷卻塔冷卻，循環(huán)使用。

目前國內(nèi)輔機循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的最高允許水溫為38℃左右。氣溫與閉式冷卻水的溫差按6℃～7℃左右考慮。對本案例工程，所對應(yīng)的氣溫(干球溫度)為30.5℃左右。根據(jù)工程氣象條件，氣溫在31℃以上的小時數(shù)為186 h(典型年氣溫)。超過該溫度時開始向散熱器管束噴水。

輔機循環(huán)水進(jìn)入空冷器內(nèi)的換熱管束，當(dāng)環(huán)境溫度低于30.5℃時，間接空冷塔不用噴水，只依靠風(fēng)機抽吸冷空氣來冷卻換熱管束內(nèi)的循環(huán)水；當(dāng)溫度高于30.5℃時，開啟噴淋水泵，將噴淋水送至換熱管束上方的噴淋水布水系統(tǒng)，噴淋管向下噴向換熱管束，在換熱管束外形成均勻的水膜，水膜吸收管內(nèi)的熱量，并向空氣蒸發(fā)汽化，帶走熱量，以達(dá)到冷卻管束內(nèi)循環(huán)水的目的。

(2)干式機力通風(fēng)冷卻塔計算結(jié)果見表2。

(3)設(shè)備配置

1套干式機力通風(fēng)冷卻塔。其中包括間接空冷塔(內(nèi)含散熱器、軸流風(fēng)機、地下儲水箱、補水泵、噴霧設(shè)施)、控制閥門及輔機循環(huán)水管道等。輔機循環(huán)冷卻水泵，設(shè)置3臺(2運1備)，水泵型式為單級雙吸離心清水泵。設(shè)置1根D920×10循環(huán)水給水管及1根D920×10循環(huán)水回水管，管道采用焊接鋼管。

表2 干式機力通風(fēng)冷卻塔計算結(jié)果

輔機循環(huán)水泵：

流量：Q=1500 m3/h

揚程：H=40 m

電動機功率：310 kW

數(shù)量：3臺(2運1備)

3.1.3 機力通風(fēng)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)

(1)系統(tǒng)流程

系統(tǒng)采用母管制供水系統(tǒng)。配1臺輔機循環(huán)水泵，1套蒸發(fā)冷卻器，設(shè)置1條壓力進(jìn)水管和1條壓力回水管。經(jīng)蒸發(fā)冷卻器冷卻后的輔機循環(huán)水，通過管道回至輔機循環(huán)水泵，經(jīng)循環(huán)水泵升壓，通過壓力進(jìn)水管，至主廠房冷卻機務(wù)輔機設(shè)備，熱水送回冷卻塔冷卻，循環(huán)使用。

輔機循環(huán)水進(jìn)入空冷器內(nèi)的換熱管束，當(dāng)環(huán)境溫度6℃以上時，進(jìn)行噴水，在換熱管束外形成均勻的水膜，水膜吸收管內(nèi)的熱量，并向空氣蒸發(fā)汽化，帶走熱量，以達(dá)到冷卻管束內(nèi)循環(huán)水的目的。環(huán)境溫度6℃以下時，依靠風(fēng)機抽吸冷空氣來冷卻換熱管束內(nèi)的循環(huán)水。

(2)機力通風(fēng)蒸發(fā)冷卻器計算結(jié)果見表3。

表3 機力通風(fēng)蒸發(fā)冷卻器計算結(jié)果

(3)設(shè)備配置

1套機力通風(fēng)蒸發(fā)冷卻器。其中包括蒸發(fā)冷卻塔、噴淋水系統(tǒng)、噴淋水箱、控制閥門及輔機循環(huán)水管道等。輔機循環(huán)冷卻水泵設(shè)置3臺(2運1備)，水泵型式為單級雙吸離心清水泵。廠區(qū)設(shè)置1根D920×10循環(huán)水給水管及1根D920×10循環(huán)水回水管，管道采用焊接鋼管。

輔機循環(huán)水泵：

流量：Q=1500 m3/h

揚程：H=40 m

電動機功率：310 kW

數(shù)量：3臺(2運1備)

噴淋水泵：

流量：Q=11 m3/h

揚程：H=9 m

電動機功率：5.5 kW

數(shù)量：12臺

3.2 方案技術(shù)經(jīng)濟比較

技術(shù)經(jīng)濟比較結(jié)果見表4。

表4 技術(shù)經(jīng)濟比較

3.3 結(jié)論

(1)從對比中知，輔機循環(huán)水冷卻方案，干式機力通風(fēng)冷卻系統(tǒng)雖節(jié)約用水，但目前一次性投資和年總費用均高于其他方案。

(2)從節(jié)水角度考慮，機力通風(fēng)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)年耗水量比濕式機力通風(fēng)冷卻系統(tǒng)濕冷方案節(jié)省一半以上。

干式機力通風(fēng)冷卻系統(tǒng)雖節(jié)約用水，但除鹽水的制備成本較高，故年水耗費用比機力通風(fēng)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)方案高。

從電耗、水耗及年固定費用綜合比較，機力通風(fēng)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)方案最小。故本工程輔機循環(huán)水冷卻方式最終采用機力通風(fēng)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)。

4 結(jié)語

通過對三種輔機循環(huán)水冷卻方式的比較以及工程實際案例的介紹，可以推進(jìn)火電廠輔機循環(huán)水系統(tǒng)的冷卻技術(shù)的發(fā)展，不斷地提高使用效能，節(jié)約資源。

[1]馬義偉，劉紀(jì)夫，錢輝廣．空氣冷卻器[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1982．

[2]GB 50660－2011，大中型火力發(fā)電廠設(shè)計規(guī)范[S]．

[3]周蘭欣，等．對直接空冷機組空冷單元內(nèi)環(huán)形噴霧增濕系統(tǒng)的數(shù)值討論[J]．汽輪機技術(shù)，2011，(01)．

[4]丁爾謀．發(fā)電廠空冷技術(shù)[M]．北京：水利電力出版社，1992．