大型機(jī)組高效復(fù)合冷卻技術(shù)研究及應(yīng)用

張?jiān)屏?+閆霞

【摘 要】本文針對(duì)某空冷機(jī)組受大風(fēng)、沙塵等外界客觀因素易導(dǎo)致的設(shè)備換熱性能減弱、背壓變幅大，導(dǎo)致機(jī)組出力受限、煤耗提高甚導(dǎo)致機(jī)組跳閘等問(wèn)題，提出了一種高效復(fù)合冷卻技術(shù)。高效空蒸復(fù)合冷卻系統(tǒng)結(jié)合顯熱+潛熱換熱機(jī)理，利用“風(fēng)”冷冷卻和“蒸發(fā)”冷卻相結(jié)合方式，與空冷系統(tǒng)并聯(lián)配置，通過(guò)優(yōu)化直接空冷與蒸發(fā)式冷卻單元，充分發(fā)揮直接空冷不耗水、蒸發(fā)式冷卻節(jié)水、凝結(jié)背壓低等各自?xún)?yōu)點(diǎn)，有效地解決直接空冷和水冷在乏汽凝結(jié)中的各自不足，消除機(jī)組夏季運(yùn)行安全可靠性差、背壓高、機(jī)組出力受限等問(wèn)題.通過(guò)試驗(yàn)表明，可以保證高溫大風(fēng)天氣下機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高機(jī)組出力，降低煤耗。

【關(guān)鍵詞】大型空冷機(jī)組 高效復(fù)合冷卻系統(tǒng) 經(jīng)濟(jì) 安全

【Abstract】This paper for an air cooling unit by wind， dust and other external factors to lead to the equipment for thermal performance of weakening， large variation of back pressure， causes the unit to contribute to the limited， the coal consumption improve even lead to unit tripping problem， put forward a kind of high efficient composite cooling technology， through experiments show that can ensure the safe and stable operation of the high temperature environment wind weather units， increase the power output and reduce Coal energy consumption.

【Keywords】Large Scale air cooling unit；High efficiency compound cooling System；Economics；Safety

1 高效復(fù)合冷卻技術(shù)原理

高效空蒸復(fù)合冷卻系統(tǒng)結(jié)合顯熱+潛熱換熱機(jī)理，利用“風(fēng)”冷冷卻和“蒸發(fā)”冷卻相結(jié)合方式，與空冷系統(tǒng)并聯(lián)配置，通過(guò)優(yōu)化直接空冷與蒸發(fā)式冷卻單元，充分發(fā)揮直接空冷不耗水、蒸發(fā)式冷卻節(jié)水、凝結(jié)背壓低等各自?xún)?yōu)點(diǎn)，有效地解決直接空冷和水冷在乏汽凝結(jié)中的各自不足，消除機(jī)組夏季運(yùn)行安全可靠性差、背壓高、機(jī)組出力受限等問(wèn)題[1]，見(jiàn)圖1。

為保證項(xiàng)目的可行性，多次組織系統(tǒng)內(nèi)外論證和行業(yè)專(zhuān)家專(zhuān)題論證，根據(jù)行業(yè)專(zhuān)家的評(píng)審意見(jiàn)及現(xiàn)場(chǎng)考察意見(jiàn)，委托工程咨詢(xún)?cè)簩?duì)該項(xiàng)目進(jìn)行了可研設(shè)計(jì)及可行性研究報(bào)告的編制。

最終可研方案為：從原直接空冷凝汽系統(tǒng)兩根主排汽管道分流360t/h蒸汽，采用18臺(tái)FQN（Z）-15500型號(hào)的蒸發(fā)式凝汽器進(jìn)行冷凝，設(shè)計(jì)：夏季（6月～9月）實(shí)際運(yùn)行排汽背壓在原基礎(chǔ)上降低8 kPa ～14 kPa。

2 本項(xiàng)目收益率：

2.1 改造機(jī)組節(jié)能效果

（1）機(jī)組在環(huán)境溫度大于25℃時(shí)段高負(fù)荷運(yùn)行，凝汽器背壓都較高。在機(jī)組負(fù)荷為653MW，背壓為23.65kPa時(shí)，投用尖峰冷卻裝置，低壓缸排汽壓力降低7.557kPa，機(jī)組功率增加13.84MW；機(jī)組在夏季高溫、609.05MW負(fù)荷下運(yùn)行，背壓為43.858 kPa時(shí)，投用尖峰冷卻裝置，低壓缸排汽壓力降低13.883kPa，機(jī)組功率增加26.044 MW。

（2）機(jī)組在THA工況下，參數(shù)修正后的熱耗率為8124kJ/kWh，凝汽器背壓變化1kPa，影響熱耗率0.38%，影響供電煤耗率約1.2g/kwh。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行背壓為43.858kPa時(shí)，投用尖峰冷卻裝置，低壓缸排汽壓力降低13.883kPa，機(jī)組供電煤耗降低約16.6g/kwh；當(dāng)機(jī)組運(yùn)行背壓為23.65kPa時(shí)，投用尖峰冷卻裝置，低壓缸排汽壓力降低7.557kPa，機(jī)組供電煤耗率降低約9g/kWh。

2.2 計(jì)算參數(shù)

尖峰冷卻裝置運(yùn)行時(shí)間按夏季5、6、7、8五個(gè)月計(jì)算4×30×24×5500/8760=1808h；上網(wǎng)電價(jià)按0.309元/kW·h；維護(hù)費(fèi)：按2%比例計(jì)算，其中包含減速器、電機(jī)、水泵的維護(hù)及換熱管除垢等；折舊費(fèi)：按5%計(jì)提折舊。

2.3 收益計(jì)算

機(jī)組排汽背壓平均降低8.09kPa，根據(jù)汽輪機(jī)排汽背壓對(duì)功率的修正，增加功率約4.4%，按機(jī)組80%的負(fù)荷率計(jì)算，多增加發(fā)電收益為：660MW×80%×4.4%×1808h×0.309元/kWh =1297.91萬(wàn)元。

2.4 收益與成本計(jì)算表（表1）

3 高效復(fù)合冷卻裝置運(yùn)行效果對(duì)比

3.1 高效復(fù)合冷卻系統(tǒng)投運(yùn)前直接空冷運(yùn)行情況

突發(fā)大風(fēng)天氣導(dǎo)致機(jī)組背壓驟升的情況，每年至少3次及以上，最嚴(yán)重的為機(jī)組背壓從39KPa最高升至56.8KPa（65KPa汽輪機(jī)自動(dòng)跳閘），機(jī)組負(fù)荷從618MW最低降至410MW，若運(yùn)行人員處理不當(dāng)極有可能引發(fā)跳機(jī)事件。

環(huán)境溫度在25℃以上機(jī)組帶額定負(fù)荷（660MW）時(shí)凝水溫度達(dá)到65℃，凝水精處理高速混床自動(dòng)解列，汽水品質(zhì)難以保證，尖峰冷卻裝置未投運(yùn)前，#1機(jī)高混停運(yùn)時(shí)間累計(jì)達(dá)574小時(shí)，汽水品質(zhì)難以保證[3]。

3.2 高效復(fù)合冷卻系統(tǒng)投運(yùn)前后變化

當(dāng)外部條件相同時(shí)，一臺(tái)機(jī)組增加高效復(fù)合冷卻系統(tǒng)，另一臺(tái)未增加，即兩臺(tái)機(jī)組負(fù)荷相同且空冷風(fēng)機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)及頻率相同，空冷島上半年均進(jìn)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，見(jiàn)表2。

結(jié)果是：環(huán)境溫度20℃、負(fù)荷在600MW時(shí)一號(hào)機(jī)較二號(hào)機(jī)背壓低6.8KPa。

3.3 #1機(jī)投運(yùn)前后背壓變化對(duì)比

3.3.1 20℃以下投運(yùn)尖冷系統(tǒng)

環(huán)境溫度18℃，負(fù)荷600MW左右投運(yùn)尖冷系統(tǒng)可降背壓5KPa，節(jié)標(biāo)煤5g，見(jiàn)表3。

3.3.2 20℃以上投運(yùn)尖冷系統(tǒng)

環(huán)境溫度21℃，負(fù)荷600MW左右投運(yùn)尖冷系統(tǒng)可降背壓8KPa，節(jié)標(biāo)煤8g，見(jiàn)表4。

3.3.3 9月21日試驗(yàn)

環(huán)境溫度23-24℃，660MW負(fù)荷，機(jī)組運(yùn)行背壓為32kPa時(shí)，投運(yùn)尖峰冷卻裝置，機(jī)組背壓可下降11kPa，見(jiàn)表5。

3.4 尖峰冷卻裝置投運(yùn)小時(shí)數(shù)

根據(jù)多年氣溫情況：大于20℃小時(shí)數(shù)為1943小時(shí)，大于27℃小時(shí)數(shù)為688小時(shí)，大于31℃小時(shí)數(shù)為162小時(shí)，尖峰冷卻裝置投運(yùn)時(shí)間可達(dá)1943小時(shí)。

3.5 相比直接空冷運(yùn)行多發(fā)電量

目前空冷運(yùn)行情況，環(huán)境溫度大于27℃，機(jī)組出力受限，溫度越高受限越大，大于27℃小時(shí)數(shù)為688小時(shí)，可多發(fā)電量約688×660×10%=45408MWh=4540.8萬(wàn)kWh。

3.6 對(duì)全年平均煤耗及環(huán)保的影響

根據(jù)專(zhuān)家測(cè)算，背壓每降1kPa煤耗降1g/kWh，尖峰冷卻裝置投運(yùn)時(shí)間按1943小時(shí)計(jì)，單機(jī)負(fù)荷率80%計(jì)，加權(quán)降低背壓11kPa，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤11×1943×660×80%×1/1000000=11284.94噸，年利用小時(shí)數(shù)按5500小時(shí)，未投尖冷系統(tǒng)煤耗按329g/kWh計(jì)，年平均降煤耗3.11g/kWh。

由此可推算，年灰渣減少排放量2076.94 噸，年脫硫石膏減少量494.18 噸，年SO2排放減少量11.96 噸，年粉塵排放減少量3.44 噸，年NOX排放減少量34.38 噸。

3.7 對(duì)汽水品質(zhì)的影響

為防止凝水溫度高時(shí)樹(shù)脂失效，凝水溫度大于65℃時(shí)高混將自動(dòng)解列，汽水品質(zhì)得不到有效保證，今年大于65℃小時(shí)數(shù)為574小時(shí)。

投運(yùn)尖冷系統(tǒng)后，夏季滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)最高的凝水溫度為67℃，超過(guò)65℃小時(shí)數(shù)將不大于20小時(shí)。

這樣基本上高混可全天候投運(yùn)，汽水品質(zhì)較以往將得到大幅度改善，汽輪機(jī)葉片等通流部分結(jié)垢程度將大大減輕， 大大有利于汽輪機(jī)的安全運(yùn)行與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[4]。

3.8 對(duì)機(jī)組運(yùn)行安全性

夏季高溫時(shí)段投運(yùn)尖冷系統(tǒng)后，機(jī)組在一個(gè)相對(duì)較低的背壓下運(yùn)行，作為直接空冷機(jī)組抵御突發(fā)大風(fēng)天氣的能力增強(qiáng)，減少了機(jī)組跳閘的機(jī)率，提高了機(jī)組的可靠性。

3.9 電耗及水耗情況

（1）電耗：試驗(yàn)中經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，16臺(tái)風(fēng)機(jī)與兩臺(tái)噴淋水泵運(yùn)行，耗電量為820度/小時(shí)左右，廠用電率增加0.14%左右。

（2）水耗：試驗(yàn)中統(tǒng)計(jì)冷凝1 t/h汽輪機(jī)排汽，約需噴淋冷卻水0.85-0.95t/h。尖峰冷卻裝置凝水流量在300-340t/h，水池水位一小時(shí)內(nèi)降0.22米（水池長(zhǎng)69米，寬15米，深1.5米）耗水量約220噸。

試驗(yàn)及系統(tǒng)完善階段，尖峰冷卻裝置用水為本廠化學(xué)中水摻配輔機(jī)冷卻水工業(yè)排污水，由于該換熱器管束外為冷卻水，管內(nèi)通蒸汽，所以對(duì)水質(zhì)要求較為寬松，要求PH值范圍為6.5-9，氯離子小于500mg/L，硬度小于300mg/L，CaCO3堿度小于300mg/L，濁度小于20NTU。正研究制定切實(shí)可行的水處理方案（如先行添加加阻垢劑與殺菌劑防結(jié)垢，一旦結(jié)垢則及時(shí)加入中性除垢劑除垢），積極計(jì)劃使用附近煤礦礦井疏矸水，充分利用、消化寧東地區(qū)低品質(zhì)水源，噴淋水池排污水再輸送至灰場(chǎng)或煤場(chǎng)噴灑再利用。

3.10 最終試驗(yàn)結(jié)果

由委托電科院對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了全面的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果說(shuō)明達(dá)到了原設(shè)計(jì)要求。結(jié)論如下：

（1）在夏季高背壓工況下，投運(yùn)尖峰冷卻裝置，冷卻器冷凝水量達(dá)到304t/h，低壓缸排汽壓力降低11.634kPa，機(jī)組功率增加16.9MW。在模擬夏季高背壓工況下，直接空冷凝汽器背壓降低值達(dá)到設(shè)計(jì)值要求。

（2）在試驗(yàn)環(huán)境溫度條件下，尖峰冷卻裝置的冷凝水量最大為304t/h，接近于設(shè)計(jì)值。冷卻裝置的工作狀態(tài)、換熱性能和最大冷凝水量受環(huán)境濕球溫度影響較大。

（3）在汽機(jī)主機(jī)和直接空冷系統(tǒng)運(yùn)行工況相同的條件下，尖峰冷卻裝置運(yùn)行兩臺(tái)噴淋水泵的冷卻水量稍大于四臺(tái)噴淋水泵的冷卻水量，但主機(jī)功率變化不大。機(jī)組在日常運(yùn)行中，不需采用四臺(tái)噴淋水泵運(yùn)行的方式[5]。

（4）環(huán)境境溫度20-25℃條件下，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷小于500MW時(shí)，投用尖峰冷卻裝置，蒸發(fā)冷卻器冷凝水量較小，低壓缸排汽壓力降低1.554kPa，機(jī)組功率增加3.94MW，變化較小，說(shuō)明在500MW及以下負(fù)荷，不需投運(yùn)尖峰冷卻裝置。

（5）當(dāng)機(jī)組功率大于600MW，環(huán)境溫度小于16℃時(shí)，投用尖峰冷卻裝置，蒸發(fā)冷卻器冷凝水量達(dá)到182.438t/h，低壓缸排汽壓力降低4.07kPa，機(jī)組功率增加6.36MW，投用尖峰冷卻裝置的效果不明顯，也沒(méi)有必要投用尖峰冷卻裝置。

（6）機(jī)組背壓小于15kPa時(shí)，不需投運(yùn)尖峰冷卻裝置。通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)表明：在模擬夏季高背壓工況下，投運(yùn)尖峰冷卻裝置后，凝汽器背壓實(shí)際降低值達(dá)到設(shè)計(jì)值要求。

4 本裝置投運(yùn)后效益分析

4.1 基本數(shù)據(jù)如下

改造前后加權(quán)降低背壓11kPa。

煤耗差：背壓每降低1kPa，供電標(biāo)煤煤耗減少1g/kWh。

標(biāo)煤價(jià)：580元/噸（含稅）。

廠用電價(jià)按：0.31元/kwh計(jì)，

上網(wǎng)電價(jià)按：0.31元/kwh計(jì)，

成本電價(jià)按：0.24元/kwh計(jì)，

廠用水價(jià)：2.5元/噸。

4.2 年收益計(jì)算

（1）提高滿(mǎn)發(fā)溫度收益。目前空冷運(yùn)行情況，環(huán)境溫度大于27℃，機(jī)組出力受限，溫度越高受限越大，大于27℃小時(shí)數(shù)為688小時(shí)，可多發(fā)電量約688×660×10%=45408MWh=4540.8萬(wàn)kWh。增加收益為；

4540.8×（0.31-0.24）/kwh =317.86萬(wàn)元/年

（2）單臺(tái)機(jī)組年煤耗降低。根據(jù)專(zhuān)家測(cè)算，背壓每降1kPa煤耗降1g/kWh，尖峰冷卻裝置投運(yùn)時(shí)間按1943小時(shí)計(jì)，單機(jī)負(fù)荷率80%計(jì)，加權(quán)降低背壓11kPa，

節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤11×1943×660×80%×1/1000000=11284.94噸

（3）年污染物減排收益估算。根據(jù)設(shè)計(jì)資料，兩臺(tái)機(jī)組年排灰量37.49×104t，年排渣量6.64×104t，年排灰渣總量44.13×104t，年產(chǎn)脫硫石膏總量10.5×104t

由節(jié)煤量可推算，年灰渣減少排放量2076.94 噸，年脫硫石膏減少量494.18 噸，年SO2排放減少量11.96 噸，年粉塵排放減少量3.44 噸，年NOX排放減少量34.38 噸。

（4）單臺(tái)機(jī)組年煤耗費(fèi)用降低：

11284.94t/年×580元/t=654.53萬(wàn)元/年

（5）年運(yùn)營(yíng)費(fèi)用計(jì)算（設(shè)備使用期按20年計(jì)，不考慮建設(shè)期與投運(yùn)期的財(cái)務(wù)成本）如表6。

通過(guò)以上數(shù)據(jù)表明：在夏季高背壓工況下，投運(yùn)尖峰冷卻裝置后，背壓實(shí)際降低值達(dá)到設(shè)計(jì)值要求，年凈收益613.63萬(wàn)元，5.39年收回投資成本。

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