直接空冷自然通風(fēng)專利的試驗和應(yīng)用

中國能源建設(shè)投資有限公司 張建輝 中國電力顧問集團新能源有限公司智能配網(wǎng)分公司 楊若松

火電廠采用自然通風(fēng)直接空冷(NDC)的愿景由來已久，歷久彌新。以節(jié)能、降噪、投資低和安全防凍為目標(biāo)引領(lǐng)，圍繞NDC這個“城墻垛口”，世界各國特別是我國的設(shè)計和制造人員前赴后繼。為愿景提供要約的有比例時HAMON-LUMMUS公司和德國GEA公司，為愿景加力的論文也很多，為愿景加力的專利則層出不窮[1-9]，僅發(fā)明專利就多達12個，楊伙盤2×600MW電廠采用了TZL專利[10]貢獻的方案。

1 塔式直冷TZL專利

TZL是“塔式直接空冷凝汽器及其塔式直接干冷系統(tǒng)”發(fā)明專利的縮略簡稱，是幾種不同NDC的其中之一。TZL既代表系統(tǒng)，又代表凝汽器，TZL系統(tǒng)配帶TZL凝汽器。具有凝汽功能的部件連同其附件，被定義為TZL凝汽器，其余的部件和TZL凝汽器被定義為TZL冷卻系統(tǒng)。凝汽器和系統(tǒng)既有區(qū)別又有聯(lián)系，系統(tǒng)的范圍大。TZL系統(tǒng)是一種NDC系統(tǒng)，它布置排列的特點是TZL凝汽器的環(huán)塔布置和塔外布置。TZL系統(tǒng)的蝸殼蒸汽分配管呈環(huán)狀布置在塔外。蝸殼管布置在塔外費用低，凝汽器的外立面美觀，排放展寬平臺的雨水比較順暢。在蝸殼管上開洞直連配汽立管可減少阻力并節(jié)省管材。蝸殼管可以用齊平的上頂面（下部以不等高環(huán)墻支撐）。

如圖1所示，TZL凝汽器在∧型立柱的兩個面上有順流、逆流構(gòu)造，即有KD設(shè)計。TZL凝汽器直接安裝在塔外的蝸殼管上（圖2），蝸殼管是一種漸縮配汽環(huán)。TZL凝汽器含有三角斜蓋板，它與擋風(fēng)板、塔殼體和展寬平臺的關(guān)系見圖3。TZL凝汽器的構(gòu)造特色是順逆流設(shè)計和比值可調(diào)節(jié)整定，布排的特點是塔外環(huán)塔布置。TZL凝汽器可以采用扁平基管配折疊翅片，也可以采用橢圓管配矩形翅片。TZL凝汽器以立柱的方式布置在自然抽風(fēng)冷卻塔外的周圈，俯視翅片管束板，呈現(xiàn)八字狀傾斜布置。自然抽風(fēng)，無百葉窗，防凍的主要手段是加掛擋風(fēng)板（逆流區(qū)抗凍，不需要擋風(fēng)板）。TZL凝汽器是一種開口三角立柱式凝汽器，它的構(gòu)造特色是有順流逆流設(shè)計和KD比可以任意整定,防凍不用百葉窗，依賴KD比和擋風(fēng)板。

圖1 TZL原理圖或系統(tǒng)圖

圖2 TZL的輸汽干管和蝸殼管圖

圖3 凝汽器及擋風(fēng)板與塔殼體和展寬平臺

TZL采用開口三角立柱式凝汽器，純塔外布置，防凍用擋風(fēng)板和KD設(shè)計，不用百葉窗。TZL有“荷載落地”的特征和塔外環(huán)塔布置的蝸殼管“輔助散熱”的特征。蝸殼管在塔內(nèi)側(cè)設(shè)有醒目的防燙傷欄桿和警示。百葉窗作為傳統(tǒng)的防凍手段，讓人既愛又恨，欲舍不能，TZL的目標(biāo)十分明確：就是要剔除百葉窗，以增加夏季的冷卻能力并減少總投資。TZL的專利說明書中寫有：“盡管結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方案進行了描述，但本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方案，上述的具體實施例僅僅是示意性的、指導(dǎo)性的方案，而不是限制性的方案。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本說明書的啟示下，在不脫離本發(fā)明的權(quán)利要求所保護的范圍的情況下，還可以做出幾種變異的型式，這些均屬于本發(fā)明的保護內(nèi)容。”

TZL由ACC孕育和發(fā)展成為可實施的NDC，經(jīng)歷了漫長的創(chuàng)意熔煉，并不是一蹴而成的。可以用五個非凡來總結(jié)（圖4）：非凡的旋轉(zhuǎn)：把∧型三角旋轉(zhuǎn)為豎立三角；非凡的抬升：抬升配汽立管，拉斜翅片管造坡度；非凡的KD改變：把KD單元復(fù)原為早先的KD片區(qū)；非凡的百葉改變：變化水平百葉為豎直百葉；非凡的荷載落地：無高空荷載，全是地面荷載。

圖4 TZL創(chuàng)意熔煉的五個非凡

2 TZL的工業(yè)性試驗

TZL在陜西神木大柳塔熱電廠0.3MW機組的工業(yè)性試驗為了節(jié)約費用，并沒有采用完全標(biāo)準(zhǔn)的TZL做試驗。大柳塔熱電廠0.3MW機組和其它5臺機組公用一座濕冷塔，為了做試驗，把0.3MW機組分離出來，濕冷改為TZL直冷[11]，其它機組維持濕冷運行的現(xiàn)狀，不做任何改動：去掉0.3MW機組在主廠房內(nèi)的濕冷凝汽器，把乏汽用DN3000引向其機房固定端50米處的冷卻塔，再用蝸殼管分配給12根DN2000的配汽立管中。凝汽器∧型立柱高6米、寬6米，采用石化系統(tǒng)常用的3排鋼軋鋁結(jié)構(gòu)的翅片管，鋼管規(guī)格為D25×1.5mm，翅片規(guī)格為D57/D25mm，片厚0.30mm，翅片間距2.3mm。KD比為4:1，即逆流面積占總面積的20%。

為減小試驗費用，大柳塔沒采用TZL的擋風(fēng)板，改用手動“豎立旋轉(zhuǎn)”百業(yè)窗替代，并且在冷卻塔的出口增加了一臺5.7m直徑的引風(fēng)扇，把TZL硬生生地改造成了混合通風(fēng)，只能稱作TZL-。這種TZL-翅片總面積為36000m2，冷卻風(fēng)量也比濕冷時增加了50%，如此大的冷風(fēng)量和換熱面積，達到了較好的冷卻效果：在氣溫20℃時可保證汽輪機背壓達到10.8kPa，使汽輪機以接近濕冷的工況運行，在進汽量不變的條件下，進減小發(fā)電量18kW。

這種TZL-(即TZL minus)僅有凝結(jié)水泵耗電20kW，抽真空泵耗電11kW，與引風(fēng)扇耗電三者加起來的耗電比濕冷耗電（凝結(jié)水泵和循環(huán)水泵耗電之和）節(jié)電72kW。對比ACC，TZL-的換熱面積大幅增加，相當(dāng)于600MW機組翅片管的總換熱面積為72000000m2。大柳塔TZL-試驗投資約600萬元，10年內(nèi)可實現(xiàn)還本付息（估算時計入了其它5臺濕冷機組冷卻能力變大后的獲益）。

3 楊伙盤直冷塔

楊伙盤電廠是陜北—湖北±800千伏特高壓直流輸電工程的配套電源，是陜西“十四五”計劃的重點建設(shè)項目。經(jīng)過篩選、二次組合、優(yōu)化和風(fēng)險分析以及在大柳塔電廠的混合通風(fēng)直接空冷的工業(yè)性試驗，審定采納TZL專利和其補強專利，在楊伙盤電廠實施NDC。楊伙盤直冷塔的尺寸與9000m2濕冷塔的尺寸接近。

楊伙盤NDC具有“拼盤”性質(zhì)，以TZL為主（去掉擋風(fēng)板），混搭間接空冷用的百葉窗防凍。作為塔外布置煙道及排汽干管的一種形式，“煙塔合一”布置排列方式專利[9]的出現(xiàn)有力地支撐了TZL專利的實施，這是楊伙盤NDC方案能夠通過審查的主要原因之一。應(yīng)用自然通風(fēng)直接空冷（NDC）技術(shù)建造的直接空冷塔已在楊伙盤2×600MW電廠開工建設(shè)，這座全球首臺的直接空冷塔計劃于2022年4季度內(nèi)投運。

綜上，TZL專利攜帶有“荷載落地”和“塔外布置”的威力，導(dǎo)致其它NDC專利的市場競爭能力減弱。組合的創(chuàng)新點越多、業(yè)主接受的難度就越大，畏懼第一個吃螃蟹的心理是可以被理解的。