電廠空冷增裝噴淋裝置節能改造的經濟效益分析

李 斌

(晉控電力同達熱電山西有限公司，大同 037001)

0 引 言

空冷系統是指將環境空氣作為冷卻介質，為特定設備進行降溫的設備系統。比如在發電廠中，一些壓力設備處于運行狀態時，內部溫度會升高，如果長時間處于高溫狀態，必定會影響設備運行質量。此時需要對設備進行降溫處理，可行性方法便是空冷。常規的空冷實現方式為，通過噴淋裝置，將冷卻水噴灑在設備的外表面上，通過水遇熱(吸熱)蒸發這一過程，實現對設備的冷卻降溫。此種模式雖然能夠達到冷卻的目的，但環保性存疑，由此產生的成本支出也偏高。基于此，需要圍繞電廠空冷增裝噴淋裝置進行節能改造，以提高經濟效益。

1 某電廠空冷增裝噴淋裝置節能改造背景簡析

某火力發電廠位于我國北方某城市，原有的空冷系統構成如下：兩臺當量達到330 MW、具有亞臨界警示功能，能夠實現一次中間再熱、單軸及雙缸雙排汽、直接空冷凝的汽輪機發電機組[1]。在投入運營共計3年時間內，設備運轉日志記錄內容顯示：上述空冷系統的冷卻性能極其容易受到環境因素的影響，特別是對自然風的敏感性極強，風向、風力強度、自然溫度一旦出現變化，則空冷系統的冷卻效果均會發生超出預期的變化，不利于發電計劃的制定。此外，如果到了夏天，一點環境溫度達到28 ℃以上，則機組的運行工況整體陷入下滑狀態，機組的真空度和冷卻效果均不同程度降低；如果環境溫度進一步升高至35 ℃之上，則冷卻系統的性能會進一步降低。在汽輪機無法被充分冷卻的情況下，發電機組長時間處于超負荷運行狀態。該發電公司黨組成員組織專家、一線工作人員進行多次討論后得出一致結論——若要提升空冷系統的運轉效率以及發電機組的綜合發電效率，在增加經濟收益的同時，降低煤炭等化石能源的消耗量，貫徹落實可持續發展理念，決定開展空冷增裝噴淋節能裝置改造工程。

2 某電廠空冷系統改造前相關技術參數及運行效果評估

2.1 改造前空冷系統相關參數

該火力發電廠空冷系統改造前的狀態為：兩臺330 MW的汽輪機均采用機械通風直接空冷系統，相關技術參數如下：其一，管束方面。順流型號為單排管，管束尺寸為9 500 mm×1 858 mm；具體數量為290個；基管的橫截面尺寸為219 mm×19 mm；翅片管的外形尺寸在長度方面與基管的橫截面相同，也為219 mm，寬度為57 mm；翅片管的排數為1排；機組設備生產商提供的設備參數說明書中顯示，順流翅片管總散熱面積達到658 027 m2；散熱面積除以迎風面積得到的翅化比參數為129。逆流管型號同樣為單排管，尺寸方面，寬度值與順流管相同，同樣為1 858 mm，長度相較于順流管低1 000 mm，為8 500 mm。數量方面，逆流管共72個；基管橫截面尺寸、翅片管外形尺寸、翅片管排數、翅化比均與順流管完全相同。逆流翅片管的散熱總面積相較于順流管極低，僅為147 190 m2。其二，A型冷卻單元段方面。順流的迎風面面積為17.651 m2；散熱系數為31.7 W/m2·K；每個冷卻段的尺寸均為11.1 m×11.1 m；A型夾角為60°。逆流迎風面面積為15.793 m2；散熱系數、每個冷卻段尺寸、A型夾角均與順流相應參數完全相同。其三，風機方面。順流方面：風機臺數為18臺，風機直徑為9.022 m，風機轉數為90轉/min，風機工作全壓為87 Pa，風機軸功率(對應的TMNCR工況)為57 kW，電動機功率為90 kW；逆流方面，風機臺數為12臺，風機直徑、風機轉數、風機工作全壓、風機軸功率、電動機功率均與順流完全相同。其四，空冷凝汽器方面，總空冷凝汽器散熱面積共計達到805 217 m2[2]。

2.2 改造前空冷系統的運行效果評估

空冷系統日常運行情況為：整個系統被設置在高度達到50 m的半高空平臺中，兩臺汽輪機各自配備的30臺(總計60臺)軸流風機沿著自北向南的方向排布[3]。此外，同走向還布置了共計12拍到的三角形管束散熱器。上文提到，該空冷系統在出力方面特別容易受環境溫度變化的影響，特別是夏季自然溫度超過30 ℃的情況下，由于冷卻效果常常達不到預期，故會增加發電原材料——煤炭化石能源的消耗量。測量結果顯示，凝結水精處理入口處的最高溫度一度達到甚至超過75 ℃，嚴重時(如遭遇極端炎熱天氣，天氣預報溫度為37 ℃以上，但機械設備表面在非運轉狀態下便可能達到至少40 ℃以上)甚至完全無法處理，冷卻效果全無。如果出現極端大風天氣，則冷卻系統的運行效果會進一步降低，運行記錄不止一次顯示發生了高背壓跳閘事故。該單位技術人員在前往兄弟單位考察時發現，兄弟單位針對上述情況采用的方法為：首先，在布置不知方面，應提高科學性，保證管路布置密度處于合理范圍內。其次，調整噴水壓力，需保證噴出的水能夠形成一定規模的霧化效果，即冷卻水落下率不應過高，不能出現“粗壯水柱直接并排噴灑在空冷系統表面”的情況。兄弟單位對空冷系統優化后的運行結果顯示，背壓降低程度達到至少5 kPa，最高記錄為8 kPa，冷卻效果得到了進一步提升[4]。該考察結果顯示，通過對直接空冷裝置進行冷卻，實現對空冷機組被壓的降低在一定程度上具備可行性，可參考。

3 某電廠空冷增裝噴淋裝置節能改造方案

結合該發電廠空冷系統改造前的實際情況以及上文提到的可行性改造思路，最終擬定的改造方案如下：第一，基于節約用水方面的考量，決定將噴霧冷卻和蒸發冷卻兩種冷卻模式相結合。第二，將不銹鋼的噴嘴布置成三角形形態，整體與順逆流管束保持平行狀態。第三，進行管束布置時，相鄰兩條管束之間的間距應該控制在1 m左右。第四，為實現“噴霧冷卻和蒸發冷卻兩種冷卻模式相結合”，需要將噴淋裝置噴出的水霧與散熱器入口處的空氣充分混合。性此種操作轉移后，空氣溫度會在一定程度上降低、對應的空氣濕度會增加。此外，一部分霧珠在吸收熱量之后會迅速汽化，而一部分尚未完成汽化的霧珠會被噴到管束外表面，在接觸管束壁的高溫之后會蒸發，最終剩余的霧珠會通過管束翅片，并在這個過程中充分吸收熱量，同樣會企劃。如此一來，管束入口、管束外壁、管束內部的溫度均會降低、濕度會增高，便可實現利用空冷管束換熱原理，實現對機組設備降溫的目的。

根據上文所述的空冷增裝噴淋裝置節能改造方案，理論上能夠產生的其他良好效果為：其一，自然環境溫度升高帶動的空氣溫度升高原本會在不同程度上(自然環境的具體溫度差異)對空冷系統管束散熱造成影響，經過改進之后，此種影響已經微乎其微(但在一些極端炎熱天氣下，對管束散熱造成的影響依然存在，不可完全消除)。其二，改進之前，隨著風力強度、風向的不同，散熱裝置入口處會形成一種“熱風回流”現象。此種現象改進后會得到有效控制，連帶著會使冷卻設備背壓升高的情況小時，能夠在很大程度上解決在自然溫度較高的情況下，空冷系統入口處受空氣溫度影響較高的問題。

基于上述方法進行空冷增裝噴淋裝置節能改造時，核心改造區域為霧化噴淋裝置。該處的改造原理為：如果保證“水流量輸出”這一條件不變，那么對水施加的霧化壓力越大，則產生的霧化水珠顆粒便會越小，整體霧化效果便會越好。基于上述考量，最終決定在A性塔內額外均勻增設大量高壓霧化噴嘴。經過此種改造，除鹽水轉化成水蒸氣的效率明顯提升；通過調整霧化壓力，最終可以使噴淋出的霧化顆粒度降低到20 μm以下。如果自然環境中出現一定的風力，則水珠可懸浮在空氣中，令冷卻系統附近區域的空氣溫度、濕度不間斷地處于理想冷卻范圍。

4 改造后的環保節能經濟效益分析

機組設備運行日志顯示，在過往連續運行的三年時間內，每逢夏季炎熱時節，機組的背壓最大值超過35 kPa。按照上述方案進行空冷增裝噴淋裝置節能改造后，背壓降低達到兄弟單位的標準，介于5～8 kPa之間，大幅度降低了發電機組、冷卻機組在整個夏天的運行壓力，并使得煤炭化石能源的消耗量得到了明顯降低。一組數據顯示，機組設備的背壓每降低1 kPa，則每千瓦時發電量對應的煤炭化石能源消耗量會降低2 g。僅僅從上述文字表達結果無法直觀顯示發電廠節省的成本支出，故需進行詳細計算。具體而言：設定冷卻系統每小時消耗的冷卻除鹽水用量達到70 t，且當前環境溫度控制在33℃，有效降低的背壓僅僅以最低值5 kPa為準，那么改造完成之后，冷卻系統每小時產生的運行成本為：①除鹽冷卻水每小時的消耗量為70噸，按照每噸水10元的單價進行計算，水部分的成本為70×10=700元。②冷卻系統維持穩定運行狀態，每小時消耗的電能為110 kW。按照我國2021年發布的工業用電價格新標準(峰時段1.025元/kw·h；平均時段0.725元/kW·h；谷時段0.425元/kW·h，取中位數用電標準0.5元/kW·h)，則電能消耗成本為110×0.5=55元。因此，改造后的冷卻系統每小時水電成本為700+55=755元。冷卻系統改造之后，對比改造之前節省的成本支出計算過程如下：在保證環境等基本條件不變的情況下，設備背壓每降低1 kPa，煤炭消耗量降低2 g/kW·h，那么取每年夏天溫度超過33 ℃的天數為60天，每天噴淋冷卻時間共計7小時，那么總冷卻時間為60×7=420 h。忽略近兩年的煤炭價格變動情況，仍然按照300元一噸的標準值進行計算，結合兩臺汽輪機330 MW的參數，每一年節約的煤炭購入量2×330×420×0.002×5=2 772 t，金額為2 772×300=831 600元。減去上文所述的每小時產生的費用755×420=317 100元，最終剩余514 600元。由此可見，經過改造，發電廠每年在冷卻方面節約的成本支出超過50余萬元，經濟效益得到了明顯的提升。

5 結束語

綜上述所，經過空冷增裝噴淋裝置節能改造之后，發電廠每年在冷卻方面的成本并不是全部下降。成本產生供包含兩個部分。其一，冷卻系統運行期間，消耗的電能和除鹽冷卻用水。事實上，由于應用這些物品，對應方面的成本支出處于增加狀態；其二，通過改造后的冷卻工藝，機組設備的發電效率會大幅度增加，同等發電量消耗的煤炭化石能源量會降低。一出一進之下，每一年能夠節省50多萬元，故整體經濟效益切實得到了提升。