直接空冷火電機組乏汽余熱利用技術

徐懷德

（神華神東電力山西河曲發電有限公司，朔州 036500）

火力發電廠是利用化石燃料燃燒釋放的熱能來發電的動力設施，包括燃料燃燒釋放熱能、熱能電能轉化以及電能輸送等所有設備系統。火電廠中鍋爐加熱給水產生的高壓蒸汽經過汽輪機發電時，壓力降低直至變成負壓水蒸氣，稱為乏汽。乏汽冷凝是為了產生真空，降低汽輪機排汽壓力。為了維持正常循環，乏汽需要散熱變成液態水，再回到鍋爐形成高壓蒸汽。乏汽散熱是火電廠最大的熱損失，占總熱量的20%～50%，造成了嚴重的能量浪費[1-2]。乏汽余熱利用可以提高電廠熱效率，增加經濟收益。

1 乏汽冷卻方式

冷凝汽輪機排汽（乏汽）冷卻系統大體分為濕冷機組和空冷機組兩類。濕冷機組的汽輪機排汽由循環水冷卻凝結成水，再由凝結水泵送至除氧器。受熱后的循環水送至濕冷塔，被空氣冷卻后（混合式換熱）由循環水泵送往凝汽器。雖然具有背壓低的優點，但是耗水量大。空冷機組包括直接空冷和間接空冷系統，兩種系統在技術上都比較成熟，在國內外電站都得到廣泛的應用。直接空冷機組因投資少、占地面積小、節水、防凍和夏季運行方式靈活可靠等特點得到快速發展，并逐漸占據領先地位。

直接空冷系統又稱空氣冷凝器系統，是一種通過鼓風機與引風機冷卻汽輪機乏汽的系統。負壓的汽輪機乏汽引出至冷凝器，冷凝器在室外布置，其下側布置冷卻風機。冷卻風機開啟后形成高速氣流，通過凝汽器表面對流換熱，降低冷凝器內的蒸汽溫度，將乏汽凝結成水，再經過凝結水泵和回熱系統后進入除氧器，最終進入鍋爐進行水汽循環。直接空冷系統工作流程，如圖1 所示。

圖1 直接空冷系統工作流程

直接空冷系統的基本單元由一臺風機與數組翅片管束組成，風機順流段、逆流段、翅片管束布置的頂角約為60°。風機安裝在翅片管束下側，與翅片管束組成一個三角冷卻。直接空冷系統還設置了順流與逆流凝汽器、抽真空、疏水等系統[3-4]。正常運行中，蒸汽在順流凝汽器內冷凝，少量蒸汽在逆流段冷凝。抽真空系統設置在逆流凝汽器頂部，用于抽出系統中的空氣及不凝結的氣體，保證系統穩定運行。直接空冷技術采用流速較高的空氣直接冷卻汽輪機乏汽，換熱效率較高。直接空冷系統架空布置在汽機房平臺外，平臺下可以設置變壓器等電氣設備，綜合占地較小，如圖2 所示。

圖2 直接空冷機組

另外，直接空冷系統背壓變化幅度較大，需要高背壓運行，整體熱效率低于濕冷機組。風機電耗較大，用電率高于濕冷機組。在相同氣象條件下，北方地區空冷機組的設計背壓遠遠大于濕冷機組。直接空冷機組正常運行背壓范圍在8.5 ～45.0 kPa，而濕冷機組背壓值維持在8 ～9 kPa，可見直接空冷機組汽輪機乏汽熱量較高。

2 余熱回收利用技術

汽輪機乏汽的特點是蒸汽品質低，雖然具備熱量但是為負壓，一般無法直接供熱，通常采用提高汽輪機背壓的方式提高溫度，或者采用熱泵技術提高供熱溫度。

2.1 汽輪機高背壓技術

汽輪機高背壓改造后，高背壓機組可以有效利用汽輪機釋放的汽化潛熱，也可以利用汽輪機高壓段抽汽提高匯合加熱后的溫度。高背壓改造后，真空度降低，發電效率會有所下降，但是由于余熱利用降低了整體冷源損失，整體的熱效率會提高。高背壓改造需要對排汽缸、軸向推力軸承、葉片等改造進行計算、校核，避免影響汽輪機的整體性能。

2.2 熱泵余熱利用技術

吸收式熱泵通過乏汽余熱回收技術，將較低品質的余熱轉變為高品質的熱能。通常需要以汽輪機高壓段抽汽為驅動，消耗驅動用蒸汽進入熱泵系統，將低品質的乏汽熱量一并帶入熱網系統，從而達到將低溫熱源提取到熱網的目的[5-6]。熱泵技術常以溴化鋰溶液作為工質，對環境沒有污染，不會破壞大氣臭氧層，但是需要消耗汽輪機高壓段抽汽，對系統有一定的影響。

2.3 乏汽冷凝換熱技術

乏汽冷凝換熱技術是利用汽水換熱器將汽輪機乏汽冷凝用于加熱水側溫度的裝置，適用于北方地區的直接空冷機組。乏汽溫度超過40 ℃，可用于加熱生水，將其溫度提升為25 ～30 ℃，滿足膜處理系統的溫度要求。為了使汽輪機乏汽溫度達到供熱需要，對于溫升較高的工業和供熱等領域，更多采用壓縮式熱泵和吸收式熱泵技術。對于加熱溫升較低，采用直接冷凝換熱即可達到溫升要求的系統。熱泵技術系統復雜，需要消耗驅動蒸汽，而驅動高溫蒸汽的量大于乏汽，投資相對較高，經濟效益欠佳。

3 乏汽冷凝技術項目應用

根據不同余熱回收技術的特點，在對熱電廠進行乏汽余熱回收節能時，需要根據實際需求選擇合適的技術改造方式。北方某電廠為300 MW 機組，利用乏汽換熱技術將汽輪機乏汽經汽水換熱器冷凝后加熱生水，應用效果良好。

目前，該熱電廠安裝2 套工業水系統。一套由1 ～3#工業水泵組成，水泵揚程40 m、流量200 t·h-1，經布置在鍋爐12.6 m 高度處的1#、2#生水加熱器加熱后，送至舊水處理制水系統。另一套由4#、5#工業水泵組成，水泵功率110 kW、揚程60 m、流量480 t·h-1，經布置在0 m 處的3 ～5#生水加熱器加熱后，送至新水處理制水系統。工業水全年平均溫度為10 ～15 ℃，化學制水需要的溫度為25 ～30 ℃（反滲透允許的最高溫度為28 ℃）。

3.1 項目概況

目前，工業水系統運行方式為4#、5# 工業水泵出水，經0 m 處的3 ～5# 生水加熱器將水加熱至25 ℃后，供新水處理系統制水。工業水流量為300 ～700 t·h-1，最大可達到800 t·h-1。由于生水加熱器需要采用輔助蒸汽加熱，會消耗大量高品質蒸汽，特別是水流量較大時，所需的蒸汽更多。

生水加熱器的加熱汽源來自1#機組輔汽聯箱，汽源壓強約1.3 MPa，溫度300 ℃。由于蒸汽參數較高，直接加熱生水一方面會導致部分蒸汽不能在汽輪機中做功，機組的經濟性降低；另一方面，工業水壓強約0.3 MPa，平均溫度10 ℃左右，兩者溫差和壓差均較大，加熱器工作環境惡劣，易發生管束泄漏和堵塞問題，檢修維護工作量大。冬季汽輪機最低排氣壓強為9 kPa，排汽溫度為43 ℃，工業水溫度為5 ℃，流量為300 ～800 t·h-1，需要通過汽輪機排汽將上述流量、溫度下的工業水加熱至25 ℃，以滿足化學制水的要求。

3.2 系統設置

本項目新安裝一臺汽水換熱器，換熱面積為530 m2，替代現有工業水生水加熱器，汽源為1#汽輪機排汽，排氣壓強為15 kPa，飽和溫度為54 ℃，排汽管道為負壓管道。冷卻水為工業水，工業水經新汽水換熱器加熱后，溫度由10 ℃升至25 ℃，滿足化學制水需要。汽水換熱器蒸汽凝結水設置2 臺疏水泵排至空冷凝汽器回水管，汽水換熱器抽真空管道接至現有真空泵前的真空管道，從電廠3 臺真空泵附近引接。汽水換熱器設計參數如下：工業水流量700 t·h-1，最大流量800 t·h-1；進口溫度10 ℃；出口溫度25 ℃；排氣壓強15 kPa；飽和溫度54 ℃。

3.2.1 抽汽系統

本項目接入汽水換熱器排氣流量為19.5 t·h-1，蒸汽管道管徑為DN1200，管道采用螺旋縫電焊鋼管，材質為Q235B。引接的DN1200 新蒸汽管道安裝一件DN1200 電動焊接真空蝶閥。為避免漏氣，電動蝶閥與管道采用焊接形式，蝶閥出口焊接短管并封口。排汽管道系統要滿足流體動力特性，因此排汽管道支管在各工況下的流量分配比例偏差最大不宜超過5%。

3.2.2 汽水換熱器

汽水換熱器采用臥式布置，換熱面積滿足本工程需要，且留有1.15 倍的換熱余量，如圖3 所示。換熱器總長度約7 m，布置在1#機組汽機房和空冷島之間的室外空地，空冷凝汽器室外鋼梯東側。換熱器配套安裝自動疏水器，疏水器回水進入凝汽器熱井。凝結水回水及凝結水補水的水質要求除氧，水中含氧量不大于20 μg·L-1，保證冬季不超過30 μg·L-1。汽水換熱器凝結水DN100 管道接至1#機組空冷凝汽器凝結水DN125 回水管道上，并預留DN100 管道短管和一件2.5 MPa 的真空焊接閘閥。管道采用無縫鋼管，材質為20#鋼。

圖3 汽水換熱器

3.2.3 抽真空管路

汽水換熱器頂部增加DN100 抽真空管路，需要保證真空嚴密性。排汽管道和整個空冷系統需要進行真空嚴密性試驗和真空衰減試驗，考核整個系統的氣密性和真空衰減情況。試驗要求的合格標準：嚴密性試驗24 h 平均壓降控制在5 kPa 以內；真空泄漏試驗真空泄漏率控制在0.2 kPa·min-1以內。

3.2.4 工業水引接方案

工為水主管道為DN300，引至距離地面2 m 處。由此處引接工業水進出口管道，并在原管道安裝旁路門1 臺，進口及旁路門采用電動驅動。

3.3 物料平衡計算

水的比熱容為4.2 kJ·kg-1·℃-1，經計算生水加熱熱量為4.41×107kJ·h-1。原設計采用輔助蒸汽加熱，蒸汽壓強1 MPa，溫度300 ℃，焓值3 051.7 kJ·kg-1；疏水溫度95 ℃，焓值398.1 kJ·kg-1。由此，計算得到輔助蒸汽流量為16.6 t·h-1。

改造方案為新增一臺汽水換熱器，汽輪機乏汽設計絕對壓強9 kPa，溫度43.7 ℃，蒸汽干度0.925，焓值2 400 kJ·kg-1；疏水溫度43.7 ℃，焓值183.2 kJ·kg-1。因此，乏汽流量為19.8 t·h-1。

3.4 經濟效益及社會效益

本次改造完成后，可利用汽輪機乏汽流量為19.8 t·h-1，減少了進入直接空冷系統的乏汽量，降低了空冷系統電耗，同時可節約輔助蒸汽量16.6 t·h-1。輔助蒸汽可用于發電或供熱，用于發電時每小時收益900 元，日收益2.16 萬元，按照供暖季5 個月來算，收益可達324 萬元。輔助蒸汽用于供熱時，每小時收益2 988 元，日收益7.2 萬元，按照供暖季5 個月可收益1 075.7 萬元。可見，乏汽余熱利用裝置的成功應用增加了電廠收益，在年發電量不變的情況下增強了供熱能力，降低了生水加熱用輔助蒸汽量。同時，電廠乏汽余熱供熱減少了冷源損失，降低了發電煤耗，也相應減少了大氣污染排放量。該技術具有明顯的經濟效益、社會效益和環保效益，為國家節能減排政策的推行奠定了良好的基礎。

4 結語

乏汽作為發電和生產工藝的余熱，能量密度大、溫度高，是優質的余熱資源。采用汽水換熱系統可以實現對乏汽的高效利用，不但能夠節約能源，而且提高了電廠收益，具有極大的推廣價值。