空冷與水冷的混合冷卻方式及分析

王　靜，張英器

0　概述

汽輪機乏汽的冷凝方式主要分為直接空冷和表面式水冷。直接空冷最大的優勢就是節水，當然，也存在很多局限性。空冷設備的體積龐大，結構設計較復雜，受環境因素和季節性變化影響很大，控制系統繁瑣，投入成本昂貴。表面式凝汽器是采用了最傳統的冷卻方式，即為水冷。水冷設備的結構形式，為管殼式換熱器，與空冷器相比，結構相對簡單，投資成本小，換熱效率高，真空度的維持更為容易。但表面式凝汽器最大的缺點，是耗水量比較大，運行和維修的成本昂貴，特別是在缺水地區，運行的成本更高。

1　空氣設計溫度與運行方案

目前，在我國西北缺水地區，直接空冷技術越來越受到歡迎，已被廣泛應用。但結合空冷和水冷的各自特點，單獨采用空冷方式，或者單獨采用水冷方式，都不是最經濟的辦法?？绽潆m然具有節水的優勢，但空冷器的換熱效果，直接與空冷器所處的環境溫度有關。空氣設計溫度的選取，對空冷器的設計方案有著很大的影響。如果考慮夏季高溫天氣，換熱面積大，投入成本高，且在冬季運行時，換熱面積的冗余大，并需考慮防凍措施。若空氣設計溫度的取值過低，則在高溫季節運行時，空冷器的換熱效果差，影響汽輪機的出力。

鑒于此，現推薦以空冷為主、水冷為輔的混合冷卻方式。當環境氣溫超過空冷器的空氣設計溫度，系統真空度難以維持時，可開啟輔助水冷設備，既減少了空冷器的投入成本，也確保在高溫天氣的穩定運行，對于冬季的防凍也很有利。

確定最為經濟的運行方案，主要關鍵點在于空冷器空氣設計溫度的選取?？諝庠O計溫度過高，空冷器的傳熱面就大，增加了投入成本。設計溫度過低，空冷器的傳熱面較小，則水冷設備的換熱面積需相應增大，將增加水冷設備的運行成本。因此，需要尋找合理的設計溫度值，才能確定最優最經濟的運行方案。

2　空冷與水冷的混合冷凝系統

2.1　直接空冷凝汽系統

直接空冷凝器是直接利用空氣冷卻汽輪機的乏汽。通過排汽管道，汽輪機的乏汽被排入空冷凝汽器，由軸流風機群產生的氣流與空冷凝汽器進行熱交換。凝結水在凝結水箱內匯集，然后由水泵送出。未冷凝的蒸汽和混雜空氣被真空設備抽出。直接空冷凝汽系統，主要包括了換熱管束、軸流風機組、支撐鋼結構、凝結水收集系統、排汽管道系統、疏水收集系統、抽真空系統、管道閥門等。直接空冷系統的布置，如圖1所示。

圖1　直接空冷系統

2.2　水冷凝氣系統

水冷凝汽系統是利用冷卻水冷卻汽輪機的乏汽。在我國水源充足的地區，大部分機組還是采用了水冷技術。水冷凝汽系統的主要設備，包含表面式冷凝器、循環水泵、凝結水泵、抽真空設備、以及相應的管道和閥門等。水冷凝汽系統的布置，如圖2所示。

圖2　水冷凝汽系統

2.3　混合冷凝系統

空冷與水冷混合冷凝系統，是以空冷為主、水冷為輔的冷凝系統。平時，運行的均為直接空冷凝汽系統，當環境溫度超過空冷凝汽器的空冷溫度設計值，再啟動水冷凝汽系統。該系統的設計要點，是需確定空冷器的設計溫度值，才能使整個混合系統的運行成本降到最低?？绽渑c水冷的混合冷凝系統的布置，如圖3所示。

圖3　空冷與水冷的混合冷凝系統

3　設計方案及成本分析

現以新疆某項目為例，在不同空氣設計溫度值的條件下，分別給出水冷、空冷及空冷與水冷的混合技術方案。通過成本分析，最終得出最為合理、投資成本最少的技術方案，并確定空冷器空氣設計溫度的最佳值。

3.1　設計參數及設計條件

該項目中的汽輪機排汽參數，如表1所示。

一是專業的角度。強調從財政視角看金融，分析不平衡不充分發展在財政金融領域的具體表現，找準監管的著力點。將資金流向作為關鍵變量，規范引導金融資源有序流動，努力在防范財政風險與金融風險相互轉化的同時，促進金融更好服務實體經濟。

表1　汽輪機排汽參數

根據當地氣象資料，該地區夏季的最高月平均溫度，為33℃。為了確保在夏季高溫條件下，空冷設備仍能良好運行，將月平均最高氣溫33℃作為考核溫度，做了純水冷方案。以空氣設計溫度為33℃和35℃，分別做了純空冷方案。同時，以0℃、5℃、8℃、15℃、20℃、25℃、30℃作為空氣設計溫度值，分別做了混合冷卻方案。

在夏季，當環境溫度超過空冷器的設計溫度時，是水冷凝汽器的運行時段。因此，為了計算水冷凝汽器的水電消耗量，需要統計每年超過空氣設計溫度值的總小時數。根據氣象資料，經初步估算，在混合冷卻方案中，每年超過空氣設計溫度值的小時數，如表2所示。

表2　每年在各空氣設計值溫度下的小時數

3.2　設計方案及說明

表面式冷凝器采用了管殼式換熱器，循環水的進水溫度，為32℃，回水溫度為40℃，循環水污垢系數為0.000 4(m2·K)/W，換熱管的材質為不銹鋼，管板及殼體材質均為碳鋼。

空冷器換熱管采用單排管，基管為扁形管，基管規格為220 mm×20 mm，鋁質翅片。

風機的驅動電機均為變頻電機，通過齒輪箱傳動。設計時，空冷器迎風面的風速，取2.5 m/s。

經計算，設計了純水冷、純空冷及不同空氣設計溫度時的混合冷卻方案，如表3所示。

3.3　成本計算及估算條件

表面式冷凝器循環水的日消耗量，按照循環水量的1.5%進行估算。水費按3.5元/噸計算，工業用電的費用為0.5元/度。冷水塔的建造成本=350×表面式水冷凝汽器循環水量。投資成本設定為一次性投資成本，主要是設備費用。N年的運行成本，為運行N年時的耗水與耗電費用的總和。N年運行的總成本，為投資成本+N年運行成本。經計算，不同技術方案的投資成本和運行成本，如表4所示。

表3　不同空氣設計溫度值的混合冷卻方案

表4　成本預算表單位:萬元

3.4　成本計算結果與分析

空冷器運行的成本，按照所有風機全速運行進行計算。實際上，當環境溫度低于空氣設計溫度時，風機轉速低于額定轉速，所以，電機的消耗功率低于額定功率。因此，空冷器的實際運行成本低于計算值，但為了便于分析，在成本計算時，忽略了風機的變頻調速。

每種方案的投資成本趨勢，如圖4所示。從圖4可知，純水冷方案的投資成本，明顯小于空冷方案的投資，且隨著空冷器的空氣設計溫度升高，投資成本越大。若采用純空冷方案，投資成本遠遠超過了水冷方案的投資成本。1年的運行成本趨勢，如圖5所示。從圖5可知，1年純水冷的運行總成本，依然較低。同樣，空冷器的空氣設計溫度越高，運行總成本也越高。

圖4　投資成本趨勢圖

圖5　1年運行成本趨勢圖

圖6　5年運行成本趨勢圖

圖7　10年運行成本趨勢圖

圖6、圖7為運行的總成本趨勢。從圖6、圖7可知，第5年的純水冷方案的總成本，已明顯超過了空冷方案的運行成本，且隨著空冷器空氣設計溫度的升高，運行總成本在逐漸降低。當空冷器空氣設計溫度為25℃時，運行成本最低。若空氣溫度繼續升高，運行總成本反而將出現升高趨勢。

15年運行成本趨勢，如圖8所示。20年運行成本趨勢，如圖9所示。從圖8、圖9可知，隨著運行時間的增加，水冷方案和空冷方案之間運行總成本的差距越來越大。若機組建于嚴重缺水地區，水冷方案的運行成本會更高。

圖8　15年運行成本趨勢圖

圖9　20年運行成本趨勢圖

4　結語

空冷與水冷的混合冷卻方案，主要是為了減少投資總成本，冷卻方式仍以空冷為主。在空冷器熱力計算時，無需考慮最熱月份的環境溫度設計值，而需選取合理的環境溫度值。在夏季氣溫較高時，利用水冷設備分擔部分負荷，以確保機組的正常運行。因此，最關鍵的是，正確選定空冷器環境溫度的設計值。

通過新疆某項目的方案設計，對水冷、空冷、以及不同空氣溫度下的混合冷卻方案，分別進行了技術分析和成本分析。由分析可知，這種以空冷為主，水冷為輔的混合冷卻方式，在經濟性上，是一種較為理想的冷卻方案。據計算可知，當空冷器的設計溫度約為25℃時，運行成本最低，且運行時間越久，成本上的優勢就越明顯。

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