我國電站空冷技術(shù)的發(fā)展

陳立軍，楊趙輝，鄒曉旭，楊善讓

(東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，吉林吉林132012)

隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，中國的電力工業(yè)也得到迅猛發(fā)展。在我國電源結(jié)構(gòu)中，資源秉賦決定了火電占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的地位在今后一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生大的改變。

我國煤炭資源主要分布在東北、華北、西北等北方地區(qū)，建設(shè)坑口電站，變“輸煤為輸電”是最佳的選擇［1］。然而建設(shè)傳統(tǒng)的濕冷機(jī)組，需要消耗大量的水資源，我國中西部富煤地區(qū)同時(shí)也是嚴(yán)重缺水地區(qū)，水資源短缺已經(jīng)成為限制發(fā)電裝機(jī)容量提高的主要瓶頸。采用空氣冷卻的空冷機(jī)組的節(jié)水效果非常顯著，發(fā)展空冷技術(shù)已成為當(dāng)前發(fā)電廠建設(shè)中的一個(gè)熱門課題［2-5］。截至2010年9月，我國電力裝機(jī)總?cè)萘恳呀?jīng)達(dá)到9.26億千瓦，其中火電裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到了6.86億千瓦，占總裝機(jī)容量的74.08%，而空冷機(jī)組裝機(jī)容量達(dá)到近85 000 MW，超過火電裝機(jī)總量的10%，且年新裝機(jī)的比例不斷增加［6］。目前中國空冷機(jī)組單機(jī)容量和總量均居世界第一位，已經(jīng)成為了發(fā)展空冷技術(shù)的中心。

1 電站空冷技術(shù)的發(fā)展歷史

電站空冷技術(shù)起源于歐洲，已用于發(fā)電廠的有直接空冷和混凝式間接空冷系統(tǒng)(亦稱海勒式或混間冷)和表凝式間接空冷系統(tǒng)(亦稱哈蒙式或表間冷)三種基本型式。1938年德國GEA公司首先提出直接空冷技術(shù)，并應(yīng)用于德國的一臺(tái)1.5 MW汽輪機(jī)，由此開始了直冷技術(shù)的發(fā)展;隨后匈牙利人海勒(Heiler)于1956年提出混凝式間接空冷系統(tǒng)，1960年用于匈牙利Danube鋼廠自備電廠的16 MW機(jī)組;1975年比利時(shí)人福哥(Forgo)在海勒式空冷系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出了表凝式間接空冷系統(tǒng)，并于1977年在南非Grootvlei的200 MW機(jī)組上得到應(yīng)用。至此三種基本型式的空冷全部出現(xiàn)。

直接空冷出現(xiàn)最早，但發(fā)展并不順利，在發(fā)電廠中實(shí)際很少應(yīng)用。其主要原因是直接空冷設(shè)備投資大，配套機(jī)組效率低、煤耗高且當(dāng)時(shí)歐洲有充足的冷卻水源，環(huán)保要求不高。在20世紀(jì)六、七十年代，混間冷得到廣泛的應(yīng)用，一度占到當(dāng)時(shí)總裝機(jī)容量的73.7%，表間冷也得到較快的發(fā)展和應(yīng)用。直到上世紀(jì)90年代，單排管凝汽器(SRC)的研制成功，從而解決了直接空冷管束散熱面積不足的問題，使得直接空冷技術(shù)在全球獲得較大發(fā)展，并成為空冷系統(tǒng)的主流，與間冷系統(tǒng)的比例達(dá)到6 4。這三種主要方式目前均有應(yīng)用，仍在繼續(xù)發(fā)展之中，其中以直冷和表間冷為主。

空冷電站總體經(jīng)濟(jì)性劣于濕冷電站。為提高空冷系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)上的競(jìng)爭(zhēng)力，研究者進(jìn)行了不懈的努力。提出了包括干濕聯(lián)合空冷、改進(jìn)換熱表面、采用塑料塔以及周期干冷塔等先進(jìn)的概念和設(shè)計(jì)［7］。美國電力研究所(EPRI)提出的相變空冷系統(tǒng)，作為美國電力工業(yè)的重大研究課題，在上世紀(jì)八十年代進(jìn)行了為期四年的工業(yè)試驗(yàn)，獲得了有益的經(jīng)驗(yàn)和大量的數(shù)據(jù)［8-10］;文獻(xiàn)［11-12］將壓縮機(jī)和膨脹機(jī)引入相變空冷系統(tǒng)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)能力和經(jīng)濟(jì)性。但都沒有后續(xù)工業(yè)應(yīng)用的報(bào)道。

南非由于地理氣候以及嚴(yán)重缺水的原因，使其成為世界上開發(fā)大容量空冷機(jī)組的較早、較多的國家之一。上世紀(jì)八十年代末和九十年代初分別建成投產(chǎn)了當(dāng)時(shí)世界上最大的直接空冷電站Matimba發(fā)電廠(總裝機(jī)容量6×665 MW機(jī)械通風(fēng)直冷系統(tǒng)，仍是目前規(guī)模最大)和Majuba發(fā)電廠(3×665 MW自然通風(fēng)直冷系統(tǒng));1988～1993年，建成的6×686 MW Kendal發(fā)電廠，采用了表面式凝汽器，仍是目前世界上最大表間冷電站。大型空冷電站的投產(chǎn)標(biāo)志著空冷技術(shù)的成熟。

截至目前，全世界空冷電站總裝機(jī)容量達(dá)到1.3億kW的規(guī)模。單機(jī)容量最大的分別是中國華電靈武二期1 000 MW超超臨界直接空冷機(jī)組，南非Kendal電廠的686 MW表間冷機(jī)組以及伊朗ARAK和SAHAND的325 MW混間冷機(jī)組。從文獻(xiàn)資料我們可以看出，國外空冷研究的高峰是上世紀(jì)70年代到80年代中期，到1987年Matimba電廠600 MW級(jí)的空冷電站投產(chǎn)之后，空冷技術(shù)已基本成熟，空冷文獻(xiàn)就大大減少了。

2 空冷技術(shù)在中國的發(fā)展及創(chuàng)新

2.1 我國空冷發(fā)展歷程

我國最早于上世紀(jì)六十年代進(jìn)行自主研發(fā)。1966年哈爾濱工業(yè)大學(xué)與哈空調(diào)聯(lián)合發(fā)起電站空冷技術(shù)的試驗(yàn)研究，完成了50 kW實(shí)驗(yàn)電站直接空冷系統(tǒng)教學(xué)機(jī)組。1967年山東勝利煉油廠500 kW工業(yè)汽輪機(jī)的首臺(tái)空冷凝汽器，被認(rèn)為是我國最早的空冷電站應(yīng)用。

我國大型電站空冷技術(shù)的發(fā)展始于上世紀(jì)八十年代初的技術(shù)引進(jìn)，可以分為引進(jìn)消化、國產(chǎn)化、創(chuàng)新等三個(gè)階段［13］，1982年開始引進(jìn)，并于1987年投產(chǎn)的大同二發(fā)電是首次引進(jìn)200 MW級(jí)大型空冷系統(tǒng)，標(biāo)志著我國進(jìn)入了引進(jìn)消化階段，該機(jī)組的成功運(yùn)行是我國空冷發(fā)展道路上的一個(gè)重要的里程碑，并為海勒系統(tǒng)國產(chǎn)化創(chuàng)造了條件，1993年按引進(jìn)技術(shù)自行制造設(shè)計(jì)了豐鎮(zhèn)電廠4×200 MW機(jī)組。1993～1994年，山西太原二電廠(四期)的2×200 MW空冷機(jī)組，則是我國第一次采用表凝式間接空冷系統(tǒng)，它標(biāo)志著我國的空冷系統(tǒng)向多樣化發(fā)展。2000年以前，空冷機(jī)組的總裝機(jī)容量只有1 600 MW，而且都為間接空冷系統(tǒng)，最大單機(jī)容量為200 MW。進(jìn)入21世紀(jì)，2001年我國第1臺(tái)小型直接空冷機(jī)組—山西義望鐵合金廠6 000 kW直接空冷機(jī)組成功投入運(yùn)行，為大容量采用直冷積累了經(jīng)驗(yàn)。2003年首臺(tái)大型直接空冷(大同云崗發(fā)電廠2×200 MW)建成投產(chǎn)。隨后直接空冷技術(shù)在我國得到了快速發(fā)展，同時(shí)我國也逐步進(jìn)入國產(chǎn)化階段。06年—08年陸續(xù)投產(chǎn)的內(nèi)蒙烏拉山和通遼兩個(gè)項(xiàng)目國產(chǎn)化率均達(dá)80%以上，華能銅川項(xiàng)目擁有完全自主產(chǎn)權(quán)。它們的實(shí)施初步實(shí)現(xiàn)了大型電站空冷系統(tǒng)自主化設(shè)計(jì)和制造的目標(biāo)。隨后建設(shè)的600 MW、1 000 MW級(jí)超超臨界空冷機(jī)組(包括直冷和間冷)則標(biāo)志著我國進(jìn)入發(fā)展創(chuàng)新階段。

2004年以前，空冷島的設(shè)計(jì)和制造均由國外承包商完成，占據(jù)了約90%的市場(chǎng)份額。以哈空調(diào)為代表的國內(nèi)企業(yè)在此領(lǐng)域已經(jīng)形成了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和技術(shù)體系，能夠獨(dú)立承擔(dān)大型電站制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造，產(chǎn)品達(dá)到國際先進(jìn)水平，打破了國外公司在此領(lǐng)域近70年的壟斷局面，使我國成為世界上繼美、德之后第三個(gè)全面掌握此項(xiàng)技術(shù)的國家。

截至2009年底，發(fā)改委核準(zhǔn)空冷裝機(jī)容量近85 000 MW，裝機(jī)容量近 78 000 MW，訂貨超過100 000 MW。在建或準(zhǔn)備建設(shè)的1 000 MW超超臨界超過10臺(tái)。無論是空冷技術(shù)的發(fā)展還是單機(jī)、總裝機(jī)容量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過世界任何國家，同時(shí)也擁有一只技術(shù)力量強(qiáng)，人員眾多的技術(shù)專家隊(duì)伍。

圖1 未來5年的空冷新裝機(jī)容量、所占比重和MW單價(jià)

據(jù)《2010年中國電力空冷行業(yè)發(fā)展報(bào)告》［6］提供的數(shù)據(jù)，可以預(yù)測(cè)未來5年的空冷新裝機(jī)容量和所占比重不斷上升，MW單價(jià)則不斷下降，如圖1所示。

2.2 我國空冷技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)新

目前國內(nèi)的相關(guān)研究，集中在基于經(jīng)濟(jì)分析的機(jī)組型式選擇、設(shè)計(jì)參數(shù)確定以及運(yùn)行中問題的影響因素分析、對(duì)策研究，空冷系統(tǒng)優(yōu)化等方面［14-20］，并在以下幾個(gè)方面取得了豐碩的成果。

(1)向大容量、高參數(shù)發(fā)展。憑借1 000 MW超超臨界濕冷機(jī)組和600 MW亞臨界、超臨界空冷機(jī)組的設(shè)計(jì)、制造、安裝的經(jīng)驗(yàn)，在國際上率先研制成功1 000 MW超超臨界空冷機(jī)組，2010年底華電靈武電廠二期1 000 MW超超臨界直接空冷機(jī)組是世界首臺(tái)百萬千瓦空冷機(jī)組，標(biāo)志著世界電站空冷技術(shù)已進(jìn)入百萬空冷時(shí)代，中國空冷技術(shù)已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平［21］。

(2)優(yōu)化間冷系統(tǒng)由華北電力設(shè)計(jì)院和大唐陽城電廠開發(fā)的SCAL(SurfaceCondenser Aluminium exchangers)間接空冷系統(tǒng)，兼有兩種間接空冷系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)，是一種優(yōu)化型的空冷系統(tǒng)，2007年首先應(yīng)用于大唐陽城電廠二期2×600 MW間接空冷機(jī)組，取得了良好的運(yùn)行效果［22，23］。

(3)復(fù)合循環(huán)間接空冷系統(tǒng)由東北電力大學(xué)和東北電力設(shè)計(jì)院開發(fā)的復(fù)合循環(huán)間接空冷系統(tǒng)，擁有直接空冷和間接空冷系統(tǒng)所具有的優(yōu)點(diǎn)。理論分析與模擬計(jì)算表明該系統(tǒng)具有高節(jié)水率、與濕冷機(jī)組相近的發(fā)電煤耗、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、能實(shí)現(xiàn)全年滿發(fā)、無凍害等優(yōu)勢(shì)［24］。

3 高速發(fā)展的原因分析

從引進(jìn)空冷技術(shù)短短的近30年的發(fā)展，我國電站空冷技術(shù)的高速發(fā)展，得益于以下一系列原因。

3.1 能源分布格局是外部因素

與世界大多數(shù)國家相比，“富煤、貧油、少氣”的現(xiàn)實(shí)，決定了我國在未來30年至50年內(nèi)，以煤為主的能源結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生根本性改變。我國煤炭資源主要分布在東北、華北、西北等北方地區(qū)，其中晉、陜、蒙3省(區(qū))的預(yù)測(cè)煤炭資源量占全國煤炭資源總量的83.9%。而我國中西部富煤地區(qū)同時(shí)也是嚴(yán)重缺水地區(qū)，煤炭資源和水資源分布的不均衡是我國發(fā)展電站空冷技術(shù)的外部因素。

3.2 政策支持提供了發(fā)展動(dòng)力

(1)堅(jiān)持走引進(jìn)、消化、創(chuàng)新的思路。從最初的自主發(fā)展到混間冷、表間冷的引進(jìn)完成自主設(shè)計(jì)生產(chǎn)間接空冷系統(tǒng)，由合作設(shè)計(jì)建設(shè)直接空冷完成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的直接空冷技術(shù);

(2)加大政策支持力度。從“八五”到“十二五”的連續(xù)五個(gè)五年計(jì)劃中，都將電站空冷技術(shù)作為攻關(guān)項(xiàng)目列入，使得空冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造能力大大增強(qiáng);

(3)嚴(yán)格限制用水推進(jìn)空冷發(fā)展。國家對(duì)電站建設(shè)用水作出了嚴(yán)格的限制，要求在干旱地區(qū)新建和擴(kuò)建機(jī)組，原則上應(yīng)建設(shè)大型空冷機(jī)組，空冷幾乎成了北方火力電站的唯一選擇。

3.3 基礎(chǔ)建設(shè)提供了發(fā)展條件

西電東送是西部大開發(fā)的標(biāo)志性工程之一，國家批準(zhǔn)13個(gè)大型煤炭基地，然而這13個(gè)煤炭基地，位于我國廣大的中部和西部普遍缺水，必將集中建設(shè)大型燃煤空冷電站群，實(shí)施西電東送。據(jù)有關(guān)規(guī)劃，到2020年華北—華中—華東形成特高壓聯(lián)網(wǎng)，也為電站空冷空冷技術(shù)的發(fā)展提供了有力條件。

此外國內(nèi)企業(yè)在此領(lǐng)域已經(jīng)形成了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和技術(shù)體系，使我國成為世界上繼美、德之后第三個(gè)全面掌握此項(xiàng)技術(shù)的國家。自此，大大降低了電廠建設(shè)的投資成本，為空冷技術(shù)的大范圍推廣創(chuàng)造了條件。學(xué)術(shù)交流活躍，成立了空冷專委會(huì)，定期召開空冷技術(shù)研討會(huì)，促進(jìn)空冷技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)新。

4 存在問題及發(fā)展趨勢(shì)

4.1 存在問題

我國空冷技術(shù)的研究還滯后于空冷技術(shù)的應(yīng)用，在空冷技術(shù)的發(fā)展中還有許多問題需要解決。主要是技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)問題、空冷機(jī)組真空系統(tǒng)的嚴(yán)密性問題、冬季防凍問題、夏季高背壓運(yùn)行問題和設(shè)計(jì)規(guī)范等問題［6］。在空冷裝機(jī)容量迅速發(fā)展的同時(shí)，我國尚未制定出空冷技術(shù)、空冷系統(tǒng)、空冷機(jī)組等設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、維護(hù)等系列標(biāo)準(zhǔn)，缺乏電站空冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、檢修維護(hù)等行業(yè)或國家標(biāo)準(zhǔn)。相比國外技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)比較全面，我國還是一片空白。亟待建立標(biāo)準(zhǔn)，更好地指導(dǎo)今后的發(fā)展。

4.2 發(fā)展趨勢(shì)

(1)多種空冷型式繼續(xù)完善，向大容量高參數(shù)發(fā)展?？绽錂C(jī)組在節(jié)水的同時(shí)增加了煤耗，為更好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，應(yīng)采用超臨界或超超臨界參數(shù)機(jī)組;直接空冷機(jī)組不能改變其夏季運(yùn)行背壓高、變化幅度大、一般不能滿發(fā)、環(huán)境適應(yīng)能力差等固有缺陷，超(超)臨界間接空冷機(jī)組也是未來空冷機(jī)組發(fā)展的方向之一;干/濕并列聯(lián)合冷卻系統(tǒng)，綜合空冷和濕冷的優(yōu)點(diǎn)，有一定的發(fā)展趨勢(shì);復(fù)合循環(huán)間接空冷技術(shù)作為一種全新的技術(shù)還有待于進(jìn)一步的試驗(yàn)和理論研究;

(2)應(yīng)用地域和領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。隨著用水費(fèi)用的不斷提高，空冷的經(jīng)濟(jì)性遜于水冷的局面也會(huì)重大改變，空冷在南方地區(qū)的推廣也是可以期待的。空冷系統(tǒng)的應(yīng)用范圍在日益擴(kuò)大，可用于包括垃圾發(fā)電、太陽能熱發(fā)電、核電、聯(lián)合循環(huán)發(fā)電等等的應(yīng)用。

(3)空冷電站的初始投資成本和運(yùn)行費(fèi)用不斷降低。越來越多的電站設(shè)備廠商對(duì)空冷設(shè)備的研發(fā)和創(chuàng)新，改進(jìn)設(shè)備制造工藝，進(jìn)一步降低設(shè)備成本，同時(shí)增加空冷機(jī)組的效率，降低成本和運(yùn)行費(fèi)用，形成空冷電站發(fā)展的良性循環(huán)。

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