氨水吸收式復合制冷循環(huán)電站空冷系統(tǒng)關(guān)鍵設備研究

郭海山，邵 毅，王金龍

(東北電力大學節(jié)能與測控技術(shù)研究中心，吉林吉林132012)

0 引言

我國是一個水資源相對匱乏的國家，而常規(guī)的濕冷電廠是用水大戶。尤其在我國西北部地區(qū)，富煤缺水的矛盾尤為顯現(xiàn)，因此，采用空冷機組是當今解決這一問題的有效途徑［1］。

近年，中國楊善讓［2］提出了蒸汽動力循環(huán)耦合正、逆制冷循環(huán)的電站空冷系統(tǒng)。該系統(tǒng)的工作分為環(huán)境高溫時段和低溫時段，高溫時段通過氨蒸汽壓縮機完成正制冷循環(huán);低溫時段通過節(jié)流閥完成逆制冷循環(huán)。鑒于壓縮式復合制冷循環(huán)空冷系統(tǒng)高溫時段氨蒸汽壓縮機耗能巨大，低溫時段沒有充分利用環(huán)境低溫資源的缺陷，陳立軍等［3］提出了一種基于氨吸收式復合制冷循環(huán)的間接空冷系統(tǒng)，將氨吸收制冷工藝應用于汽輪機排汽冷卻。若此技術(shù)的關(guān)鍵問題得以突破，將會應用于大型電站空冷系統(tǒng)中并產(chǎn)生較大的經(jīng)濟社會效益。因此，本文對氨水吸收式復合制冷循環(huán)電站間接空冷系統(tǒng)的一些關(guān)鍵技術(shù)進行了研究。

1 復合制冷循環(huán)電站空冷系統(tǒng)

1.1 氨水吸收式復合制冷循環(huán)系統(tǒng)

根據(jù)補償方式的不同，制冷有蒸汽壓縮制冷、蒸汽噴射制冷以及吸收式制冷等多種形式。壓縮制冷以壓縮機消耗機械功轉(zhuǎn)變成熱量的能質(zhì)下降作為代價;而吸收制冷則是以高溫熱源向周圍環(huán)境產(chǎn)熱的能質(zhì)下降以及少量的機械功(溶液泵)為代價。

在蒸汽壓縮式制冷裝置中，核心為壓縮機;在氨水溶液吸收式制冷裝置中，則采用了由吸收器、溶液泵、換熱器、蒸汽發(fā)生器及調(diào)節(jié)閥所組成的溶液配置設備，吸收器的入口相當于壓縮機的入口，發(fā)生器的出口則相當于壓縮機的出口。

吸收式制冷是將經(jīng)過蒸發(fā)器的低壓制冷劑蒸汽轉(zhuǎn)換為高壓蒸汽，然后送往冷凝器冷凝。在壓縮式制冷中，低壓蒸汽變成高溫高壓蒸汽的過程是由壓縮機來完成的，而在吸收式制冷中，制冷蒸汽的升壓是由吸收器、發(fā)生器等設備完成的，外熱源的加熱使蒸汽發(fā)生器中的氨水溶液中的氨蒸發(fā)出來，同時氨蒸汽進入冷凝器，在調(diào)節(jié)閥與溶液泵的作用下，稀溶液被排走，濃溶液被補充，使得吸收器中的氨水溶液濃度保持不變。

1.2 氨水吸收式復合制冷循環(huán)空冷系統(tǒng)工作原理

氨水吸收式復合制冷循環(huán)間接空冷系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)是由一正序空氣冷卻循環(huán)和逆序空氣冷卻循環(huán)并聯(lián)組成，根據(jù)環(huán)境氣溫及汽輪機負荷的變化切換運行方式和改變運行參數(shù)，確保汽輪機排汽參數(shù)長年恒定不變，從而達到與各種直冷、間冷系統(tǒng)相同的功能。

圖1 氨水吸收式復合制冷循環(huán)空冷系統(tǒng)

氨水吸收式復合制冷循環(huán)空冷系統(tǒng)通過雙相變換熱器與相互并聯(lián)的正、逆制冷循環(huán)相耦合完成汽輪機排汽冷卻任務。在雙相變換熱器中發(fā)生兩個相變過程:即汽輪機排出的飽和水蒸汽放出熱量變?yōu)橐簯B(tài)水;液態(tài)制冷劑氨吸收熱量蒸發(fā)變?yōu)闅鈶B(tài)氨。

環(huán)境高溫時段，空冷循環(huán)中的制冷劑液氨在雙相變換熱器中吸收汽輪機排出的乏汽所放出的熱量，液態(tài)氨蒸發(fā)變?yōu)轱柡桶睔?，隨后飽和氨氣經(jīng)過冷卻器將一部分熱量傳遞給空冷散熱器冷凝的液態(tài)氨，然后氨氣進入吸收器、發(fā)生器等設備完成吸收、解吸，以達到提高氨氣溫度和壓力的目的。升溫升壓后的氨氣經(jīng)閥門進入空冷散熱器，在空冷風機的對流冷卻下冷凝成液態(tài)氨，流入儲液箱，然后從儲液箱流出，經(jīng)過節(jié)流閥等焓降壓，使流過節(jié)流閥的液態(tài)制冷劑與雙相變換熱器冷卻側(cè)的參數(shù)幾乎相等，然后液態(tài)制冷劑重新流入雙相變換熱器內(nèi)進行吸熱蒸發(fā)，完成正制冷循環(huán)(圖1中實線所示)。

環(huán)境低溫時段，通過蒸汽—氨氣過熱器將雙相變換熱器出口的飽和氨氣加熱為過熱氨氣，過熱氨氣進入氨氣輪機帶動發(fā)電機發(fā)電，氨氣輪機排出的高溫、高壓氣體進入空冷散熱器，在空冷風機的作用下凝結(jié)為液態(tài)的制冷劑被收集到儲液箱中，液態(tài)制冷劑經(jīng)升壓泵升壓，與雙相變換熱器冷卻側(cè)參數(shù)匹配后進入雙相變換熱器，完成逆制冷循環(huán)(圖1中虛線所示)。

基于以上理論，本文所構(gòu)建的復合制冷循環(huán)空冷系統(tǒng)，可以維持汽輪機背壓長年恒定在某個范圍內(nèi)不隨環(huán)境溫度變化而變化。實現(xiàn)這一目標并不復雜，只需在環(huán)境溫度變化時根據(jù)“汽輪機背壓變工況曲線”實時調(diào)節(jié)閥門9、10的開度(即調(diào)節(jié)進入空冷系統(tǒng)中的制冷劑流量)以及調(diào)節(jié)空冷散熱器風機的轉(zhuǎn)速大小即可。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵設備設計方案

2.1 雙相變換熱器

雙相變換熱器采用管殼式結(jié)構(gòu)，如圖2所示。換熱器殼側(cè)下方設有抽氣口，與真空泵連接。其殼側(cè)運行壓力為4.9 kPa，蒸汽凝結(jié)溫度為32.5℃，換熱器下部設置熱井，凝結(jié)水經(jīng)熱井由凝結(jié)水泵打入啟動鍋爐或直接排放。進入雙相變換熱器管側(cè)飽和液態(tài)氨的額定壓力為1 083 kPa，蒸汽與氨的換熱端差取為5℃，則氨的蒸發(fā)溫度為32.5℃ －5℃ =27.5℃。在雙相變換熱器外部設置液位調(diào)節(jié)容器以保證飽和液態(tài)氨充滿換熱器管側(cè)(圖2未予標示)。蒸發(fā)后的氨的氣液混合物進入液位調(diào)節(jié)容器的上部進行氣液分離，氨氣進入吸收器、發(fā)生器進行升溫升壓，液體氨進入蒸發(fā)式冷凝器進行下一次循環(huán)。

本文以氨為制冷劑的氨水吸收式復合空冷系統(tǒng)的計算采用600 MW凝汽式汽輪機機組為例。汽輪機的排汽量約為1 200 t/h(333.3 kg/s)，該汽輪機有四個排汽口，每個排汽口排汽量為300 t/h，根據(jù)相關(guān)文獻，本文復合空冷機組設計背壓取4.9 kPa，對應的排汽焓 2 544.47 kJ/kg，凝結(jié)水焓121.50 kJ/kg。所以制冷系統(tǒng)單位時間內(nèi)(每秒)需要冷卻的熱量為

圖2 雙相變換熱器設計圖

Q=1 200 ÷3.6×(2 544．47 －121．50)=807 656kW。

雙相變換熱器是本技術(shù)新研制設備，已由上海電站輔機廠與上海風南公司按設計要求進行研制。

雙相變換熱器換熱面積的計算:

1)雙相變換熱器采用鋼管制造，查表知碳鋼導熱系數(shù)為 λ =49．8 W/m2·k，管徑取50 mm，管壁厚度為3 mm。

2)雙相變換熱器換熱系數(shù)的確定，管內(nèi)氨液側(cè)沸騰換熱表面換熱系數(shù)α1i采用文［4］計算，得到:

α1i=1．626 ×105W/m2·k;

管外水蒸汽側(cè)凝結(jié)表面換熱系數(shù)本文采用努謝爾特(Nusselt)公式計算:

得到:α1o=2 676．2 W/m2·k。

3)雙相變換熱器總傳熱系數(shù)為

2.2 多級空氣冷卻型氨吸收器

2．2．1 結(jié)構(gòu)設計

本文吸收器是利用液體吸收劑對各種氣體有著不同的溶解或吸收能力的機理，來達到分離氣體的目的。由于系統(tǒng)設備部件較多，為了減少投資，本文采用單級氨水式制冷設備來冷卻汽輪機排汽。進入吸收器中的是較純的氨蒸汽，用作吸收劑的是稀氨水溶液，在吸收器中全部氨氣都被吸收，吸收終了所產(chǎn)生的濃氨溶液由底部引出，而設備上部不再有其它氣體。稀氨水溶液吸收氨蒸汽的過程中有大量混合熱放出，為了保證吸收過程的有效進

4)雙相變換熱器總面積為行，必須將這部分熱量排出給冷卻介質(zhì)。因此，吸收過程是一個既有傳質(zhì)又有傳熱的過程。

新型吸收器的設計采用吸收—冷卻分體式結(jié)構(gòu)，既保證了換熱效果，又保證了結(jié)構(gòu)緊湊，如圖3所示，其基本換熱單元為板翅式換熱器，如圖4所示，蛇形鋁質(zhì)翅片釬焊在鋁制扁管外側(cè)，扁管的內(nèi)側(cè)表面為強化換熱表面(即三維粗糙元表面)，其中內(nèi)側(cè)為溶液通道，翅片側(cè)為空氣通道。

高溫飽和氨氣進入吸收器后，在經(jīng)過多級板翅式換熱器時，氨氣沿吸收通道與經(jīng)淋水盤下來的多股稀氨水水柱交叉接觸而被不斷吸收、溶解(圖3中空心箭頭標示其路徑)。稀氨水吸收氨氣放出的熱量通過板翅式換熱器的扁管壁面流下而被流經(jīng)翅片通道的空氣冷卻。冷風由引風機輸送。在通道內(nèi)未被及時吸收的氨氣再經(jīng)過最后一級水冷，保證氨氣被充分吸收。

2．2．2 換熱面積計算

新型多級空氣冷卻型氨吸收器總傳熱系數(shù)約為1 500 W/m2·k，空氣溫升取10℃，則此吸收器的換熱面積為

2.3 發(fā)生器

單級氨水吸收式復合循環(huán)電站空冷的熱力系數(shù)很低，約0.15，這主要是由于作為吸收劑的稀氨水具有揮發(fā)性，從發(fā)生器出來的氨蒸汽不是純氨，為提高單位制冷效率，發(fā)生器的上部需要加裝精餾塔。采用精餾塔以及熱交換器等提高效率的措施，可使復合循環(huán)電站空冷的熱力系數(shù)達到0.50左右［5］。由于加裝精餾裝置，吸收器體積將變大。故發(fā)生器需經(jīng)綜合考慮確定，具體設計可參閱相關(guān)文獻。

2.4 空冷散熱器

本系統(tǒng)空冷散熱器需通過具體的技術(shù)經(jīng)濟比較綜合選定最佳型式，擬采用單排翅片管空冷散熱器。翅片管管束組成的換熱面與地面成60度角布置，整體成A字型，翅片管采用不銹鋼扁平長管，翅片長200 mm，寬19 mm，厚度為0.35 mm，其具體型式如圖5所示。

圖5 空冷散熱器設計圖

1)管外空氣強制對流表面換熱系數(shù)

空冷散熱器空氣側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)采用杜小澤等［6］通過實驗方法得出的關(guān)聯(lián)式為

Nu=0.06Re0．76，

式中:Nu=α2ode/λa;Re=Vfde/va; 得到:α2o=39.7 W/(m2·k)。

2)管內(nèi)氨蒸汽冷凝側(cè)換熱系數(shù)

換熱系數(shù)計算公式為

得到:α2i=1．669 3 ×104W/(m2·k)。

3)空冷散熱器總傳熱系數(shù)值為

4)空冷散熱器的傳熱面積為

3 機組背壓保持恒定的調(diào)節(jié)措施

要實現(xiàn)氨水吸收式復合循環(huán)空冷機組的背壓長年保持在某一恒定范圍，必須調(diào)節(jié)進入發(fā)生器的制冷劑氨的進量。在環(huán)境高溫時段，若制冷劑氨進量不足，則雙相變換熱器的部分傳熱面不能吸收汽輪機排汽熱量，影響其工作效率。相反，若制冷劑氨進量過大，將有部分氨沒有參與吸收熱量就被帶入吸收器中，影響空冷機組經(jīng)濟性與穩(wěn)定性。進入發(fā)生器中的制冷劑氨流量應結(jié)合“機組背壓隨環(huán)境溫度變化關(guān)系”來綜合調(diào)節(jié)，亦可采取自動測控技術(shù)進行調(diào)節(jié)。

4 結(jié)論

1)氨水吸收式復合制冷循環(huán)電站空冷系統(tǒng)是可行的，有望在電站空冷領(lǐng)域得到應用。

2)氨水吸收式復合制冷循環(huán)電站空冷系統(tǒng)在節(jié)能減排方面潛力巨大。

3)復合制冷循環(huán)電站空冷設備的大型化問題正逐步得到解決，規(guī)?；I(yè)試驗正處于積極有序準備階段。

［1］陳立軍，米利俊，徐超，等．新形勢下直接空冷和間接空冷的發(fā)展分析［J］．電站系統(tǒng)工程，2010，26(6):5 －6，9．

［2］楊善讓，徐志明，王恭，等．蒸汽動力循環(huán)耦合正、逆制冷循環(huán)的電站空冷系統(tǒng)［J］．中國電機工程學報，2006，26(23):61－66．

［3］陳立軍，楊善讓，王升龍，等．一種新型的電站間接空氣冷卻系統(tǒng)［J］．吉林大學學報:工學版，2009，39(S1):146 －149．

［4］鹿欽軍，郝志金，佟順國，等．新型電站空冷系統(tǒng)初步設計計算［C］//中國電機工程學會第十屆青年學術(shù)會議，2008－09－11，2008:1 －5．

［5］彥啟森，石文星，田長青．空氣調(diào)節(jié)用制冷技術(shù)(第2版)［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010．

［6］杜小澤，楊立軍，金衍勝，等．火電站直接空冷凝汽器傳熱系數(shù)實驗關(guān)聯(lián)式［J］．中國電機工程學報，2008，28(14):32 －37．