直接空冷系統(tǒng)實際設計流程

程靜靈

（山西新唐工程設計有限公司，山西 太原 030006）

直接空冷系統(tǒng)實際設計流程

程靜靈

（山西新唐工程設計有限公司，山西 太原 030006）

以某工程為例簡單介紹直接空冷的結構、工作原理及所需直接空冷凝汽系統(tǒng)的技術方案及各子系統(tǒng)，為電廠實際選用空冷機組提供參考。

直接空冷；真空；空冷凝汽器

直接空冷凝汽器系統(tǒng)（英文Air Cooled Condenser System，縮寫為ACC）是指汽輪機的排氣直接與空氣進行熱交換，用空氣來冷凝排氣的系統(tǒng)。所需冷卻空氣，一般由機械通風供應。直接空冷的凝汽設備稱為空冷凝汽器，這種空冷系統(tǒng)簡單所需設備少，基建投資少，空氣量的調節(jié)靈活，一般與高背壓汽輪機配套。尤其在現(xiàn)在全世界都提倡低碳生活的今天，采用直接空冷技術,電廠耗水量將大大減少，對緩解水資源短缺、合理利用水資源、充分發(fā)揮僅有水資源有著更大的社會效應。同時，電廠采用直接空冷后,廢水可以達到零排放,對保護當?shù)氐乃w環(huán)境是很有好處的。

以山西定襄某待建設電廠120 MW煤層氣發(fā)電工程為例，見表1，配備4×3 MW凝汽式發(fā)電機組，簡單介紹空冷系統(tǒng)配置及要求。作為整體的直接空冷系統(tǒng)，要保證空冷凝汽器的散熱性能、防凍和安全經(jīng)濟運行，確保提供的空冷設備在各種運行工況下能安全、可靠地運行，還要便于試驗、檢修、維護。

表1 本工程所用發(fā)電機組數(shù)據(jù)

空冷凝汽器散熱面積的選擇按以下條件：當大氣溫度為22℃時，滿足汽機正常工況的運行要求，即汽機排氣壓力為15 kPa，見表2。

表2 本工程考核工況

本次采用屋頂結構（或稱A型框架結構）。根據(jù)實際經(jīng)驗，屋頂型結構的空氣冷凝器具有可靠的凝結水排水功能并且可減少占地面積。來自汽輪機的尾氣通過排氣管道和配氣管道輸送到翅片管換熱器，配氣管道連接到汽輪機的排氣管道和位于上部的翅片管換熱器。蒸氣被直接送入換熱器的翅片管道內，氣攜帶的熱能由經(jīng)過換熱器翅片表面的冷卻空氣帶走，冷卻空氣是由置于管束下面的軸流風機驅動的。

70%～80%的蒸氣在通過由上部的配氣管道到順流冷凝的換熱器中被冷凝成凝結水，凝結水流到底部的蒸氣/凝結水聯(lián)箱中。順流管束一般稱為冷凝管束或K管束。

其余的蒸氣在被稱為D管束的反流管束中被冷凝，蒸氣是沿蒸氣/凝結水聯(lián)箱向上流動的，而凝結水由冷凝的位置向下流到蒸氣/凝結水聯(lián)箱中并被排出。

此次空冷系統(tǒng)設計采用大管徑單排管換熱管束，設計迎面風速2.37 m/s，單臺機組總換熱面積約26 176 m2，換熱計算時必須考慮各種因素對換熱的影響，比如贓污影響、環(huán)境風造成的熱風回流、換熱原件的老化等。

配置低噪聲風機，直徑6.24 m，單臺機組采用4×2方式布置，由于自然環(huán)境風速較高（平均風速1.9 m/s），噪聲指標要求也較高，初步選定電動機功率75 kW,可以滿足風機110%超速運轉的要求，且有一定裕量。設計空冷平臺高度為18 m，單臺機組空冷平臺面積約為8.95 m×18.24 m，平臺四周設置擋風墻，高度約為8.78 m，與最大直徑蒸氣分配管平齊。

空冷凝汽器系統(tǒng)：采用恒壓兩段式冷凝，有兩個凝汽斷構成，即汽機排氣先經(jīng)過順流冷凝段（蒸氣與凝結水流動方向相同），后經(jīng)過逆流冷凝段，這樣可以確保凝結水在逆流段不斷被加熱，減少了凝結水的過冷和潛在的冰凍危險，同時還可以排除凝結水中額外的溶氧，避免管道內部腐蝕。

在鋼制的較大橢圓截面的芯管（應根據(jù)管材的耐腐蝕性、使用年限、價格、維護費用及凝汽器結構進行全面的技術經(jīng)濟比較確定，使用壽命應該在20年以上）外冷軋復合一層導熱和防腐性能極佳的鋁層，為了獲得最大的換熱效率和最低的能耗，鋁制翹片的集合形狀經(jīng)過有限元法的優(yōu)化設計，通過特殊設計的焊接工藝使得鋁翹片與鋼管之間獲得牢靠的連接，確保高強度和抗腐蝕性，通過這種工藝，使翹片與平坦的底部獲得完全的連接，避免產(chǎn)生影響傳熱性能的間隙。所有構成管束單元的翅片和芯管，經(jīng)過一次性加工，可以獲得高強度的整體結構。在運行中管束不會發(fā)生振動和位移，從而不會產(chǎn)生振動磨損，并且確保均勻的空氣流量流過整個管束的表面積，最終獲得最大的換熱性能。沿著整個翹片寬度方向，翹片管束用橫向的固定卡夾及鎖緊螺絲進行加固，可以增加強度，減少運行期間遭遇冰雹，或減少運輸清潔過程中被損壞。

排氣管道系統(tǒng)：指從汽機的排氣裝置出口到與連接各空冷凝汽器的蒸氣分配管之間的管道。管道系統(tǒng)要求嚴密，管道之間的連接要求采用焊接，轉彎處的彎管內設置導流板，管道系統(tǒng)中要有防止振動和熱膨脹的措施，管道的表面也要進行防腐。

凝結水收集系統(tǒng)：經(jīng)過空冷凝汽器凝結成的水通過凝結水管道收集進入布置在主廠房內的排汽裝置下的凝結水箱，然后通過凝結水泵送人凝結水系統(tǒng)。

抽真空系統(tǒng)：將空冷凝汽器中不能凝結的氣體抽出，以便保持系統(tǒng)的真空狀態(tài)，要求嚴密不漏氣，且在運行過程中始終保持一臺運行，即由兩臺真空泵和所需管道閥門組成。若非特別制定，啟動系統(tǒng)將設計成在60 min內使蒸氣汽封系統(tǒng)達到100 mbar的真空。啟動程序必須根據(jù)鍋爐和汽輪機的啟動程序而定，并且不同的電廠會有不同的解決方案。

對于正常運行時的抽氣，配備一套冗余的真空保持系統(tǒng)（2×100%）。設計泄漏量根據(jù)HEI標準確定，抽真空系統(tǒng)使用射汽抽氣器或水環(huán)真空泵，或組合起來使用。

在大多數(shù)情況下使用射汽抽氣器，因為其不易發(fā)生故障（沒有旋轉部件），射汽抽氣器僅需少量的維護工作，而且價格低。水環(huán)真空泵比射汽抽氣器昂貴，并且需要一些維護工作，但具有較低的能耗。由于需要冷卻水，水環(huán)真空泵需要比汽輪機冷凝器壓力下的飽和溫度低13～15℃的冷卻水。

空冷凝汽器清洗系統(tǒng)：為了防止落在空冷凝汽器表面的灰塵影響散熱效果和腐蝕，要設置固定和移動相結合的水力自動清洗系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)：直接空冷系統(tǒng)的控制在集中控制室中完成。室內設置分散控制系統(tǒng)（DCS）中設獨立的控制器對直接空冷系統(tǒng)進行監(jiān)控?？刂葡到y(tǒng)以計算機控制系統(tǒng)的CRT及鍵盤為中心，實現(xiàn)直接空冷系統(tǒng)的正常啟動；實現(xiàn)正常運行工況的監(jiān)視和調整；實現(xiàn)異常工況的報警和緊急事故的處理。

綜合考慮選擇空冷凝汽器應具有換熱性能好、空氣側流動阻力低的優(yōu)良熱工特性，并且具有非常好的抗腐蝕性。所有的冷凝區(qū)充滿蒸汽以保持冷凝水與蒸氣接觸，不使冷凝水過冷，保證系統(tǒng)不凍。翅片管束能夠承受較高機械強度，承受通常冰雹、堆放、裝運以及安裝過程中的踩踏等機械沖擊。

[1]GB/T15386-94《空冷式換熱器》.

[2]GB/T14976《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》.

[3]GB/T755《電機制造標準》.

[4]楊立軍，杜小澤，楊勇平，劉登瀛，郭躍年.直接空冷機組空冷系統(tǒng)運行問題分析及對策.

[5]李高潮，朱寶田，陳勝利，彭娜.空冷機組直接空冷系統(tǒng)變工況特性的計算分析.

The Actual Design Process of Direct Air-cooling System

Cheng Jingling

The article，taking a project as an example，gives a brief introduction about the structure of direct air-cooling，working principle and the technical program and sub-system of required air-cooling condensing system.It can provide the reference for the plant’s actual selection of air-coolingunits.

direct air-cooling；vacuum；Air-cooling Condenser

TK264.1

A

1000-8136(2011)05-0130-02