尖峰冷卻技術在直接空冷機組中的應用

胡曉花

(神華國華(北京)電力研究院有限公司，北京 100025)

尖峰冷卻技術在直接空冷機組中的應用

胡曉花*

(神華國華(北京)電力研究院有限公司，北京 100025)

為解決夏季高溫時段熱負荷大，火電空冷機組出力不足，發電煤耗高、運行經濟性低等問題，提出空冷尖峰冷卻技術。并結合尖峰冷卻裝置的型式，從其機理、技術特點、工程應用方案、應用安全性等方面展開討論。結果表明：空冷尖峰冷卻技術能夠降低機組背壓，減少煤耗，提高汽輪機機組運行可靠性。

直接空冷；尖峰冷卻；背壓

隨著火電空冷機組在我國北方相繼投運，空冷機組設計、制造、安裝、運行和維護水平不斷完善和提升，但也存在夏季高溫時段熱負荷大，機組出力不足，發電煤耗高、運行經濟性低等問題。從實際運行情況看，機組出力不足，夏季會因為空氣溫度過高造成高背壓而導致背壓保護動作跳機，或因為凝結水溫過高而自動解列乃至機組真空過低引起保護動作，嚴重影響機組安全經濟運行。因此，為降低機組排汽背壓，近年來國內已有多個電廠對已投運的空冷機組進行改造，通過采用空冷尖峰冷卻裝置，解決了空冷機組夏季出力不足問題。本文結合尖峰冷卻裝置的型式，從其機理、技術特點、工程應用方案、應用安全性、經濟性等方面展開討論并提出建議。

1 降低汽輪機背壓的機理

汽輪機背壓(排汽壓力)的高低取決于排汽的凝結溫度的高低，排汽的凝結溫度越低，則對應的背壓越低。汽輪機的排汽凝結溫度為：

tc=t1+Δt+δt

(1)

其中：tc為汽輪機排汽凝結溫度/℃；t1為冷空氣溫度/℃；Δt為空氣吸熱后的溫升/℃；δt=Δt/(expAk/DCp-1)，為凝汽器傳熱端差/℃;A為凝汽器散熱面積/m2；k為換熱面總換熱系數/(W·m-2·℃-1);D為冷卻空氣量/(kg·s-1);Cp為冷卻空氣比熱/(J·kg-1·℃-1)。

因此，通過給空冷凝汽器加裝(并聯)蒸發式凝汽器(或水冷表面式凝汽器)，可以分流一部分排汽，從而使空氣溫升和傳熱端差減小，也可以降低汽輪機的排汽壓力。

2 尖峰冷卻技術型式及特點

針對直接空冷機組夏季工況，用于降低背壓的尖峰冷卻技術主要有3種：濕式尖峰冷卻技術[1](包括蒸發式濕冷凝汽器、表面式濕冷凝汽器)、干濕混合式冷卻技術[2]、干式冷卻技術[3](包括直接冷卻和間接冷卻方式)。如何針對具體情況，合理選擇直接空冷機組在夏季工況的尖峰冷卻裝置是本文的主要內容。

2.1 蒸發式濕冷凝汽器

蒸發式濕冷凝汽器系統是從汽輪機低壓缸主排汽管道上接出排汽管，分流部分乏汽接入蒸發式凝汽器，冷卻水噴淋在蒸發式換熱管束表面，將乏汽凝結成水，凝結水自流至空冷島排汽裝置的凝結水箱，不凝結氣體由抽真空系統排出，溫度升高的冷卻水在下降過程中與冷空氣進行熱交換，降溫后的冷卻水匯至蒸發式凝汽器下部水池，通過循環水泵進行二次循環。其工藝流程如圖1所示。

2.2 表面式濕冷凝汽器

表面式濕冷凝汽器系統是在汽輪機低壓缸主排汽管道增加一臺表面式濕冷凝汽器，增加相應的循環水泵和機力塔。部分乏汽通過濕冷凝汽器冷卻凝結，凝結水自流至空冷島排汽裝置的凝結水箱，循環水由機械通風冷卻塔進行冷卻。增加循環水、膠球清洗等系統，凝汽器、機力塔、循環泵等設備。 其工藝流程如圖2所示。

圖2 表面式濕冷凝汽器系統工藝流程

2.3 干式直接冷卻系統

干式凝汽器目前主要有立式三角、六角形、八角形冷卻塔和立式三角空冷等型式，其工作原理是外界環境風利用風機強制通過管束表面換熱，將管束中的排汽冷凝成水。主要以立式三角式來概述本技術特點。立式三角形空冷凝汽器是一種新型布置方式的小型直冷凝汽器，主要用于大型空冷島的尖峰冷卻裝置。整個系統由管束、風機、管道、單元內部的支撐結構等構成。

立式三角形是將管束沿著長度的方向布置成固定的夾角，豎直放置在平臺上，形成三角形的兩個側邊，三角形的背面及上面除去風機部分均用壓型鋼板密封，防止風從三角形的背面和頂面漏出去，可以說整個系統是一個五邊形的結構。

立式三角形結構，因為單元占地比較小，在場地布置上比較靈活，尤其適合場地條件比較不規則的情況，可根據不同的布置方式，確定整個平臺的占地尺寸及管道尺寸，包括背對背布置方式及肩并肩的布置方式。模塊化設計簡化了熱力計算的過程，同時模塊化形式也節省了一部分設計成本。

2.4 干式間接冷卻系統

干式間接冷卻系統是凝汽器利用循環水冷卻排汽，升溫后的循環冷卻水被送入布置在自然通風冷卻塔進風口四周或塔內的翅片管組成的表面式換熱器中，被空氣冷卻后再流回凝汽器重復使用的冷卻系統。其系統裝置如圖3所示。

圖3 干式間接冷卻裝置

2.5 干濕混合冷卻技術

干濕混合冷卻技術是以一定比例冷卻能力配置的干式冷卻系統和濕式冷卻系統的組合的，是一門新技術，此技術目前在國外有較多應用業績，國內寧夏大壩電廠2×600 MW機組已有應用。干和濕的比例設計時可靈活調節，因此其應用是火電廠冷卻系統的主要發展方向。

3 尖峰冷卻技術應用分析

目前業內尖峰冷卻裝置以濕式冷卻方式為主，其中相關生產廠家以推出蒸發式濕式凝汽器為主，電力設計單位以推出表面式濕式凝汽器為主。較早采用蒸發式尖峰冷卻器的有鴛鴦湖(1×660 MW)、漳山二期(1×600 MW)、寧煤(2×600 MW)等電廠，較早采用表面式凝汽器的有榆社(2×300 MW)、武鄉(2×600 MW)、漳山一期(2×300 MW)、上安(2×600 MW)、瑞光(2×300 MW)等電廠。近年來，部分廠商推出了干式及干濕混合式冷卻技術，采用該技術的相關廠家主要有上海電氣SEC-SPX公司和GEA公司，采用該技術的電廠主要有：太原石頭水泥自備電廠(2×50 MW)、華光(柳林)、上都#2機組600 MW、金牛(2×300 MW)、崇光介休(2×300 MW)、趙莊金光(2×600 MW)、趙石畔(1×1 000 MW)等。

3.1 濕式尖峰系統安全性分析

3.1.1 泄漏風險

尖峰冷卻系統發生泄漏的影響主要是破壞汽輪機真空嚴密性和影響凝結水水質。表面式凝汽器工藝成熟，泄漏隱患較低，蒸發式凝汽器管束龐大，目前已實現模塊化，出現故障可部分隔離而無需停機，對機組影響不大。

3.1.2 對周邊設備運行影響

蒸發式凝汽器一般布置在空冷島附近，濕蒸汽對附近電氣設備運行構成一定影響。某600 MW機組尖峰冷卻裝置在2013年夏季環境濕度大時電氣設備發生閃絡被迫多次退出運行。同時由于使用中水或廢水，蒸發式凝汽器飄灑的濕蒸汽對空冷散熱器表面腐蝕和清潔度有一定影響。表面式凝汽器配套的機力通風塔一般遠離空冷島布置，以減少對關鍵設備運行的影響。

3.2 濕式尖峰系統運行及經濟性分析比較

3.2.1 耗水量比較

綜合考慮運行維護、設備結垢、水質控制等因素，600 MW機組尖峰冷卻蒸汽流量設計一般按20～30%低壓缸排汽流量，2種尖峰冷卻系統耗水量在同等容量下蒸發式約為表面式的80%左右。600 MW機組表面式尖峰冷卻系統日最大耗水量大約10 000～12 000 t左右。

3.2.2 應用效果對比

通過調研發現，只要冷卻分流蒸汽流量與計算一致，換熱器散熱面積合理，冷卻水流量充足，冷卻塔滿足冷卻效果要求2種尖峰冷卻系統均能滿足節能效果要求。

國神鴛鴦湖電廠對1號機組進行了改造，采用蒸發式凝汽器分流部分蒸汽，具體方案為：從原直接空冷凝汽系統主排汽管道分流320 t/h的蒸汽，采用16臺蒸發式凝汽器進行換熱冷卻。

1)外部條件相同時，1號機組投運尖冷系統與2號機組(未投運時)比較，如表1所示。

1號機組和2號機組負荷相同且空冷風機運行臺數及頻率相同，且空冷均進行了高壓水沖洗，換熱翅片管外表面臟污程度相近，具有可比性。環境溫度20 ℃時負荷在600 MW時，投入尖峰系統，背壓降低6.8 kPa。

表1 空冷尖峰冷卻改造前、后節能效果

2)1號機組投運尖峰冷卻系統前、后對比，如表2所示。

表2 不同環境溫度下投運尖峰冷卻系統節能效果

夏季環境溫度18～24℃，660 MW負荷，投運尖峰冷卻裝置，機組背壓可下降5～11 kPa。環境溫度越高時，背壓降低越多，節能效果尤為突出。

3.3 尖峰冷卻系統技術比較

在背壓下降目標一致的情況下，幾種不同形式的尖峰冷卻裝置在耗水、占地之間有較大的差別，蒸發式和表面式耗水量均較大，干式無耗水，但占地面積較大，布置靈活。技術方案對比如表3所示。

表3 技術方案對比表

3.4 實際工程選型方案

某300 MW機組的尖峰冷卻選型方案比較如表4所示。

表4 某300 MW機組尖峰冷卻選型方案比較

表4是某300 MW機組尖峰冷卻方案的對比，在背壓下降目標值一致的情況下，從耗水、系統、傳熱、土建量、維護、工期等方面進行對比的方案說明，各工程要根據自身的實際情況，選取適合自身機組的方案。

4 尖峰冷卻技術工程應用情況

4.1 工程設計數據

國內已有多臺機組應用了尖峰冷卻技術，各工程基本數據見表5所示。

4.2 蒸發式凝汽器應用存在問題及應對措施

蒸發式凝汽器近年來在電廠的應用逐漸增多，已成為解決空冷機組夏季滿發問題及降低夏季運行背壓的重要手段之一。目前蒸發式凝汽器在工程應用中存在一些問題，在設備制造及設計以及水質管理中，已有了一些解決方案及應對措施。

1)設備管束腐蝕嚴重，維護保養難度大

設備管束腐蝕結垢快、傳熱效率下降，腐蝕后容易出現漏點，滲漏點的存在直接影響主機水質，設備出現積鹽現象，需每年對整個冷卻器進行清洗。

2)對主空冷島及電氣設備存在影響

蒸發器排出的濕熱氣排入大空冷島，濕熱空氣中含有一定鹽分，長期運行會造成主空冷島管束的結垢和腐蝕，會影響大空冷島的性能。

針對上述問題可以采取下列應對措施：

1)換熱部件模塊化設計，設備整體熱浸鋅防腐或采用不銹鋼材料；

2)定期加入緩蝕阻垢劑，由于阻垢劑的螯合等作用，提高了CaCO3等鹽類物質的溶解度，降低了結垢傾向，從而達到阻垢的目的。

3)設置水質自動(手動)檢測裝置，控制循環水濃縮倍率，合理的進行排污。

4)合理選取蒸發器布置位置。

表5 部分應用電廠尖峰冷卻系統應用情況

5 結論與建議

1)空冷凝汽器設計時充分考慮極端氣象環境因素、散熱器臟污、汽輪機排汽熱負荷增加等不利條件的影響，留有一定裕量。對早期面積偏小，出力不足，背壓偏高的機組，可采用尖峰冷卻系統緩解夏季出力受阻等問題。

2)干式尖峰冷卻技術在節水效果上有明顯優勢，符合國家節水環保政策的要求，宜優先采用。電廠具備中水和疏矸水等低品質水源時，可采用表面式或蒸發式尖峰冷卻系統。

3)在水資源允許的情況下可采用干濕混合冷卻技術，該技術耗水量小、投資小、運行靈活，是一種新技術，應密切跟蹤。

[1] 朱冬生,孫荷靜,蔣翔,等.蒸發式冷凝器的研究現狀及其應用[J].流體機械,2008,36(10):28-34.

[2] 黎穎慧,韋紅旗,王麗麗,等.干濕聯合冷卻系統模型及其變工況特性分析[J].熱力發電,2014,43(4):82-86.

[3] 馬慶中,張龍英.直接空冷凝結器尖峰冷卻系統的研究與應用[J].山西電力,2007(s1):55-57.

Application of Peak Cooling Technology in Direct Air-cooling Unit

HUXiaohua*

(Shenhua Guohua Electric Power Research Institute (Beijing) co., LTD, Beijing 100025, China)

As thermal power air cooling unit in north China is in operation, air cooling units design, manufacture, installation, operation and maintenance level are constantly improved, but there are also some issues because air temperature is too high, the high back pressure caused by the limit load, even the high back pressure unit wil couse accidents. It is found that air cooling peak cooling can be used to solve this problem, such as reducing the unit back pressure and coal consumption, enhancing reliability steam turbine unit. Combining with the peak cooling device model, from the mechanism, technical characteristics and engineering application solutions and application security technology research, suggestions are put forward。

direct air-cooling unit；peak load cooling；back pressure

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2016.04.011

2016-10-11

胡曉花(1972— ),女(漢族),甘肅天水人，高級工程師，學士，研究方向：電廠設計、研究與工程咨詢，通信作者郵箱：guohuahxh@126.com。

TK264.11

A

2095-5383(2016)04-0040-05