直接空冷機組冷端乏汽節能減排技術的分析

黎淵博， 趙　建， 牛全興， 秦曉艷

(西安協力動力科技有限公司, 西安 710119)

我國北方由于煤炭資源豐富，而水資源貧乏，因此投入大量直接空冷機組；但直接空冷機組在節水的同時帶來了機組運行背壓高(11～50 kPa)、供電煤耗高的狀況。直接空冷機組乏汽冷凝損失的熱量占輸入燃料總發熱量的40%以上[1-4]。可見，對于火力發電廠來說，降低直接空冷機組運行背壓或有效利用乏汽余熱是節能減排的重要措施。

1　直接空冷機組冷端運行的特點

直接空冷機組由于采用空氣冷卻汽輪機末葉排出的乏汽，所以機組的背壓受季節環境影響較大。

夏季，我國北方早晚溫差較大，且空冷島投資占設備投資總比例較大，大多數空冷島設計面積偏小，由于環境溫度偏高往往導致運行背壓高達30 kPa以上，大部分機組不能滿負荷運行[5-7]。為保證發電量，機組煤耗上升，污染物排放量上升，機組的安全性也受到威脅。可見，夏季節能減排主要途徑以降低機組背壓為主。

冬季，一方面隨著城市規模的發展，出現了供暖需求的增加，因此提供了小型供熱鍋爐，其污染物排放對冬季城市環境加霜的局面；另一方面，電廠大量乏汽余熱白白損失在大氣中。可見，冬季節能減排主要途徑以乏汽供熱利用為主。

直接空冷機組汽輪機乏汽余熱具有鮮明的特點，余熱損失比較集中，熱量品位低，在目前的熱力系統中被浪費掉。如何夏季提高冷端冷卻效率，冬季充分回收利用這部分低品位熱量，國內電力行業做了大量研究和技術改進工作。

2　夏季直接空冷機組降低背壓的技術特點

目前，現有工程降低機組夏季背壓的技術主要有：空冷島噴水降溫，調整空冷島風機風量，增加空冷島散熱單元，增加濕冷蒸發式冷卻器，增加尖峰凝汽器。

2.1 空冷島噴水降溫系統

空冷島噴水降溫系統是將霧化的除鹽水直接噴在翅片表面，利用水汽化吸熱來降低翅片表面的溫度，從而降低凝結水溫度、降低機組背壓。

空冷島噴水降溫系統的優缺點如下：(1)設備投資成本低，安裝簡便、快捷，運行維護簡單；(2)噴水系統采用除鹽水，運行成本較高；(3)噴淋水易造成軸流風機損壞，空冷島下部空間污染，對下部主變壓器等設施造成污閃等安全問題。

2.2 調整空冷島風機風量

通過調整風機葉片角度或提高轉速增加風機風量。

增加空冷島風機風量的優缺點如下：(1)提高轉速,至少增加30%以上的風機功率，導致運行費用增加；(2)當葉片角度接近臨界角度時，易發生振動導致葉片產生裂紋。

2.3 增加空冷島散熱單元

在空冷島附近增加獨立的散熱單元，蒸汽從乏汽管道合適位置引出接入獨立的散熱單元，真空系統需并入原主機真空管道，凝結水回流至空冷島主凝結水箱。

增加空冷島散熱單元的優缺點如下：(1)空冷機組配套的真空泵因空冷系統容積變化也要相應改變，投資費用增加，造價高；(2)施工困難，增加空冷冷卻單元受場地條件限制，土建、鋼結構、管道等施工難度較新建工程難度大；(3)占地多。

此技術在內蒙古豐鎮新豐熱電廠300 MW機組上應用[8]。

2.4 增加濕冷蒸發式冷卻器

在空冷島主機排汽管道末端引出部分乏汽，采用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，蒸發式凝汽器中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的水池，通過循環水泵進行二次循環[9-10]。

蒸發式冷卻器優缺點如下：(1)蒸發式凝汽器需要的噴淋水量與機力通風冷卻系統基本持平；(2)蒸發式凝汽器噴淋循環水量小，蒸發量大，循環水泵功率較濕冷系統較小；(3)對水質要求相對較低；(4)占地面積相對空冷單元較小，施工工期短；(5)投資大；(6)蒸發式凝汽器緊鄰空冷島布置，會對原空冷島產生影響。

該技術在山西漳山發電有限責任公司二期600 MW亞臨界機組[11]，神華國能寧夏煤電有限公司660 MW超臨界機組上應用[12]。

2.5 增加尖峰凝汽器

在原空冷島主排汽管道末端增加一臺表面式濕冷尖峰凝汽器，增加相應的循環水泵和機力塔。空冷機組的部分乏汽通過尖峰凝汽器冷卻凝結，凝結水自流至空冷島排汽裝置的凝結水箱，熱量傳入循環水，由機械通風冷卻塔進行冷卻。系統設計見圖1。

圖1　尖峰凝汽器濕冷系統

尖峰凝汽器濕冷系統技術特點如下：(1)尖峰冷卻器就近布置在主排汽管道末端，蒸汽阻力小；(2)泄漏隱患小，由于采用不銹鋼冷凝管和復合管板的脹接加焊接技術，凝結水和冷端循環水系統泄漏隱患小，可以在線檢漏和解決泄漏問題；(3)系統設膠球清洗系統，運行維護方便；(4)循環水質要求低，可采用中水，實現水資源的再利用；(5)設備一次性投資小；(6)循環水管道與原地下管網相互影響，系統復雜，改造施工困難；(7)由于循環水量大，相應機械通風冷卻塔的蒸發、風吹、排污損失也增大；(8)耗電量高，由于循環水量大，造成循環水泵所配電動機功率也增大。

該技術系統在華能榆社電廠2臺300 MW機組、華能上安電廠2臺600 MW機組上應用[13-14]。

2.6 技術特點

各技術實際應用效果及其技術特點見表1。

表1　空冷機組降低背壓技術特點

3　冬季直接空冷機組冷端乏汽有效利用的技術特點

直接空冷機組的設計背壓較高，乏汽余熱可利用率較大。在冬季，主要利用乏汽余熱用于供熱站的一次回水加熱升溫。目前應用的技術主要有：熱網凝汽器回收乏汽供熱、吸收式熱泵回收乏汽供熱、蒸汽噴射泵回收乏汽供熱、電熱泵回收乏汽供熱。

3.1 熱網凝汽器回收乏汽供熱

在空冷島主機排汽末端安裝熱網凝汽器，直接空冷機組需高背壓運行，保證熱網50 ℃回水首先經熱網凝汽器加熱到60 ℃以上后，再經熱網加熱器逐級升溫到120 ℃供熱網首站。系統流程見圖2。

圖2　熱網凝汽器乏汽供熱系統

熱網凝汽器回收乏汽供熱技術特點：(1)可在不增加機組規模的前提下，回收冷源損失，增加供熱量，增大供熱面積，達到節約高品位蒸汽、提高機組經濟效益的目的；(2)供熱的經濟性取決于用戶所需的供熱溫度，在采暖負荷相對穩定并且采暖髙峰時段利用更加經濟；(3)供暖季，對發電需求較高的機組不適合，影響機組發電效率。

該系統在山西國錦煤電、山西國際瑞光熱電廠、華能內蒙古聚達發電廠應用[15-16]。

3.2 吸收式熱泵回收乏汽供熱

目前應用較廣泛的是第二類溴化鋰吸收式熱泵，熱泵換熱機組一般建在機組空冷島附近，通過汽輪機采暖抽汽驅動換熱機組，回收汽輪機排出的部分乏汽，用于加熱一次網回水。一次網回水經熱泵換熱機組加熱后進入加熱器，經汽輪機部分抽汽再加熱送出換熱首站。隨著技術革新，目前國內溴化鋰吸收式熱泵的性能系數(COP)可達到1.7左右。系統流程見圖3。

圖3　吸收式熱泵回收乏汽供熱系統

吸收式熱泵回收乏汽供熱技術特點：(1)利用溴化鋰吸收式熱泵回收乏汽余熱，可不增加電廠容量、不增加當地排放量、不影響發電、不增加供熱煤耗的情況下，有效地增加電廠的供熱能力；(2)吸收式熱泵機組初投資較高，成本投資回收將在5年以上，回收期較長。

該系統在華電大同第一熱電廠有限公司、山西云岡熱電公司、新疆華電昌吉熱電有限責任公司、國電內蒙古東勝熱電有限公司、興安熱電廠應用[17-23]。

3.3 蒸汽噴射泵回收乏汽供熱

抽取5段抽汽通過噴射器噴嘴時產生高速氣流，在噴嘴出口處，接受室為低壓區，可將空冷機組乏汽吸入設備，在進入混合室后，5段抽汽在膨脹的同時壓縮乏汽，兩種參數蒸汽進行良好混合，混合后的蒸汽再通過擴壓室恢復部分壓力損失，達到凝汽器的加熱要求，通過凝汽器喉部送入凝汽器汽側，與熱網回水進行熱交換，可將熱網水大幅升溫，實現供熱余熱再利用。

該系統中熱網循環水一般采用三級串聯供熱，熱網50 ℃回水：第一級為空冷島乏汽加熱高背壓凝汽器循環水，水溫可達到70 ℃；第二級為蒸汽噴射式熱泵加熱循環水，循環水溫可達到85 ℃；第三級為中壓缸5段抽汽加熱熱網加熱器循環水，熱網水溫提升到120 ℃，向熱網換熱站供熱。系統中蒸汽噴射泵的COP可達到1.6。系統流程見圖4。

圖4　蒸汽噴射泵回收乏汽供熱系統

蒸汽噴射泵回收乏汽供熱技術特點：(1)結構簡單、無轉動部件，因而壽命長、運行可靠；(2)操作方便、維修容易、自動調節，保證出口壓力穩定；(3)節能效果顯著；(4)安裝方便，可水平安裝或垂直安裝，與管路連接均為法蘭連接；(5)蒸汽噴射式熱泵單位熱量設備投資成本約為溴化鋰吸收式熱泵的1/3。

該系統應用在電廠山西漳電國電王坪發電有限公司[24-27]。

3.4 電熱泵回收乏汽供熱

低溫低壓的制冷劑流經蒸發器，從冷源吸熱升溫蒸發后進入壓縮機，形成高溫高壓蒸汽，然后進入冷凝器向熱源放熱冷凝，再經節流閥節流，降溫降壓成低干度的濕蒸汽，低溫低壓制冷劑再流經蒸發器從熱源吸熱蒸發，完成一個循環。

電熱泵回收乏汽特點：(1)安裝位置限制少，可在電廠端，也可在用戶端；(2)自身能源消耗較高，要使電熱泵達到節能效果，COP需達到6.03，只有超過這個數值，才能達到節能標準[28-30]。

3.5 應用效果

各技術實際應用效果及其技術特點見表2。

表2　空冷機組冷端乏汽利用技術特點

4　結語

(1) 夏季，降低空冷島背壓的幾種技術，能有效降低機組背壓，保證直接空冷機組夏季滿負荷安全運行，降低了機組的發電煤耗，達到了減排的目的；但是從能源有效利用的角度看，沒能達到廢熱綜合利用的目的，此項目還需要進一步深入研究。

(2) 冬季，北方乏汽余熱供暖系統，有效利用了直接空冷機組的乏汽廢熱，在不增加煤耗和氣體排放的前提下提高了能源利用率，在北方有非常大的應用前景，其中熱網凝汽器回收乏汽技術和蒸汽噴射泵回收乏汽技術投資小，見效快，效果顯著，比較有競爭力。

參考文獻：

[1] 隨家寶. 直接空冷機組不同供熱方式熱經濟分析[D]. 北京: 華北電力大學, 2016.

[2] 王佩璋. 我國火電空冷技術的發展概況及特點[J]. 熱力透平, 2006, 35(4): 224-228.

[3] 王佩璋. 拓展直接空冷技術的應用空間——記全國火電空冷機組技術交流研討會[J]. 電力設備, 2005, 6(12): 114-115.

[4] 王文忠, 劉振華, 梁志福, 等. 600 MW直接空冷機組夏季限負荷的原因及解決措施[J]. 中國電力, 2008, 41(1): 56-59.

[5] 劉慶, 徐勤芳, 張曉霞. 超超臨界1 000 MW空冷汽輪機的技術特點和選型[J]. 發電設備, 2012, 26(1): 50-53.

[6] 楊勇平, 楊志平, 徐鋼, 等. 中國火力發電能耗狀況及展望[J]. 中國電機工程學報, 2013, 33(23): 1-11.

[7] 陳立軍, 楊趙輝, 鄒曉旭, 等. 我國電站空冷技術的發展[J]. 東北電力大學學報, 2012, 32(6): 38-42.

[8] 范曉英. 600 MW直接空冷機組運行優化研究[D]. 北京: 華北電力大學, 2015.

[9] 金生祥, 王清. 空冷機組混合冷卻的綜合應用及發展前景[J]. 中國電力, 2013, 46(6): 5-9.

[10] 呂凱, 陳勝利, 荊濤, 等. 蒸發冷卻技術在600 MW機組直接空冷系統上的應用[J]. 熱力發電, 2016, 45(8): 58-62, 93.

[11] 路鵬. 漳山發電公司600 MW機組空冷改造工程分析[D]. 保定: 華北電力大學, 2014.

[12] 張國興. 鴛鴦湖電廠一期工程2×660 MW機組汽輪機冷端系統優化運行方案[J]. 科技資訊, 2015, 13(31): 35-37.

[13] 劉吉, 付喜亮, 趙志宏, 等. 600 MW空冷機組加裝尖峰凝汽器性能評估[J]. 能源研究與利用, 2016(3): 27-30, 35.

[14] 呂凱, 陳勝利, 荊濤, 等. 提高直接空冷機組夏季冷卻性能技術分析[J]. 熱力發電, 2016, 45(5): 107-111.

[15] 黃治坤, 張攀, 張艷輝, 等. 直接空冷機組高背壓供熱系統及安全運行[J]. 發電設備, 2015, 29(3): 196-199.

[16] 商繼鵬, 陳淑琴. 乏汽綜合利用改造技術在300 MW直接空冷機組中的應用分析[J]. 山西電力, 2014(3): 63-65.

[17] 王雪峰, 張學鐳, 盧家勇, 等. 回收乏汽余熱的吸收式熱泵性能及對機組調峰性能的影響[J]. 電力建設, 2016, 37(4): 138-144.

[18] 陳玉勇. 基于吸收式熱泵的熱電聯產系統節能研究[D]. 北京: 華北電力大學, 2014.

[19] 連素芬. 空冷機組乏汽余熱回收供熱改造的可行性研究[J]. 山西科技, 2013, 28(1): 137-139.

[20] 楊慶祥. 淺談直接空冷機組乏汽余熱利用改造后的安全運行[J]. 價值工程, 2014, 33(7): 51-52.

[21] 武平德. 熱泵技術在340 MW直接空冷機組供熱改造中的應用探討[J]. 內蒙古電力技術, 2015, 33(4): 68-71.

[22] 趙虎, 閻維平, 郭江龍, 等. 利用吸收式熱泵回收電廠循環水余熱的方案研究[J]. 電力科學與工程, 2012, 28(8): 64-69.

[23] 曹瑋. 蒸汽型LiBr吸收式熱泵在直接空冷機組余熱回收技術中的應用[J]. 能源工程, 2015(1): 69-72.

[24] 孫方田, 李德英, 李翠潔, 等. 基于噴射式換熱的熱電聯產集中供熱技術[J]. 區域供熱, 2013(4): 7-10.

[25] 高陽, 王晟. 蒸汽噴射泵、噴射式混合加熱器的應用[J]. 煤氣與熱力, 2012, 32(8): 10-13.

[26] 高陽. 蒸汽噴射泵與熱yong的有效利用[J]. 節能與環保, 2005(4): 23-25.

[27] 達健. 蒸汽噴射式熱泵技術應用探討[J]. 管道技術與設備, 1996(4): 24-28.

[28] 吳楷. 機械壓縮型開路循環系統熱泵蒸發技術及節能分析(一)[J]. 北京節能, 1992(4): 18-20.

[29] 吳楷. 機械壓縮型開路循環系統熱泵蒸發技術及節能分析(二)[J]. 北京節能, 1993(1): 23-26.

[30] 侯春平. 300 MW直接空冷機組乏汽余熱利用改造技術探討[J]. 山西電力, 2016(4): 44-47.