蒸發(fā)式凝汽器的研究與應用

張莉　馮宇

摘 要：凝汽器作為汽輪發(fā)電機組重要的輔機之一，其運行狀態(tài)對機組運行的安全性、經(jīng)濟性有著非常重要的影響。因此，凝汽器技術顯得尤為重要。主要對蒸發(fā)式凝汽器的技術特點和經(jīng)濟效益進行了分析，其廣泛應用可有效提高發(fā)電系統(tǒng)的產(chǎn)能、節(jié)能減排的效率，具有較大的現(xiàn)實意義和工程價值。

關鍵詞：蒸發(fā)式凝汽器；經(jīng)濟效益；社會效益；電力行業(yè)

中圖分類號：TQ051.6+2 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.13.011

近年來，我國電力和化工行業(yè)發(fā)展迅猛。在電力行業(yè)采用直接空冷系統(tǒng)、夏季氣溫較高條件下，直接空冷效率低下，導致發(fā)電機組無法“滿發(fā)”，發(fā)電量只為正常情況下的70%～85%，能耗浪費嚴重。在化工行業(yè)，有大量的乏汽需要凝結，傳統(tǒng)工藝中采用水冷工藝凝結，造成了極大的水資源浪費，因此，急需對傳統(tǒng)工藝進行改造。

蒸發(fā)式凝汽器具有先進的潛熱換熱機理，通過合理的結構設計和管道配置，并充分利用蒸發(fā)式冷凝設備節(jié)水、冷凝效率高、背壓低等優(yōu)點，可提高產(chǎn)能、降低耗能，可有效解決電力和化工領域乏汽凝結采用直接空冷冷凝的夏季“滿發(fā)”不足、冬季防凍困難和采用水冷冷凝的水資源浪費嚴重等問題。目前，蒸發(fā)式冷凝器在制冷行業(yè)和煤化工行業(yè)的介質冷凝中得到了廣泛應用，具有非常高的工程應用價值。

1 發(fā)展概述

蒸發(fā)式冷凝主要利用水蒸發(fā)吸收潛熱進行換熱，是一種高效、節(jié)能環(huán)保的換熱設備。由于其傳熱效率高、節(jié)能環(huán)保、結構緊湊等優(yōu)點，20世紀80年代中期，我國開始從國外引進蒸發(fā)式冷凝器技術，經(jīng)10年左右的發(fā)展應用，在制冷裝置和石油化工等行業(yè)獲得了廣泛應用。

進入21世紀，國外的蒸發(fā)式冷凝器在電廠冷卻系統(tǒng)中得以應用，并具備了一定的規(guī)模，而我國在2008年前，蒸發(fā)式冷凝在電廠冷卻系統(tǒng)中的使用幾乎是空白。蒸發(fā)式凝汽方式與傳統(tǒng)水冷卻系統(tǒng)、空氣冷卻系統(tǒng)相比，在節(jié)電、節(jié)水、環(huán)保等方面都有較大的優(yōu)勢。加拿大“TransAlta”能源公司的75 MW聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)采用美國巴爾的摩公司生產(chǎn)的V型蒸發(fā)式乏汽凝結器，可滿足全年運行的需求；美國馬薩諸塞州的MassPower240 MW燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組采用蒸發(fā)式凝汽系統(tǒng)，汽輪機排汽量為300 t/h，夏季干球溫度為36 ℃，排汽壓力為9.48 kPa，低于水冷系統(tǒng)的排汽壓力。

國內(nèi)方面，蒸發(fā)式冷卻方式較國外發(fā)展緩慢。2008年，在自備電廠開始應用蒸發(fā)式冷卻方式。河北文安縣6 MW自備電廠機組采用蒸發(fā)式凝汽方式，用水量較水冷降低了40%以上，經(jīng)過夏季高溫和冬季防凍的考驗，機組運行良好，節(jié)水、節(jié)能效果明顯；山東濰坊55 MW自備電廠機組采用蒸發(fā)式凝汽方式，經(jīng)調試運行，用水量比水冷降低了40%～50%，機組運行平穩(wěn)、可靠。

2 主要技術指標和技術分析

2.1 工作原理

汽輪機排汽由蒸汽進口進入換熱模塊管內(nèi)冷凝放熱；管外噴淋水吸收管內(nèi)蒸汽冷凝放熱，蒸發(fā)變?yōu)樗魵?，并在風機的作用下排入大氣中；未蒸發(fā)的水分經(jīng)收水器下落到水箱中循環(huán)使用；凝結水經(jīng)管道匯集于凝結水箱；不凝性氣體由抽真空裝置排出。

2.2 技術原理

采用直接空冷與蒸發(fā)式凝汽聯(lián)合運行的方式，春、秋、冬季僅直接空冷運行即可滿足機組運行的要求；夏季高溫時，從直接空冷系統(tǒng)中分流出一部分蒸汽，通過蒸發(fā)式凝汽器直接將汽輪機排汽冷凝為凝結水。

蒸發(fā)式凝汽器以潛熱換熱為主要換熱方式，通過換熱管束表面水膜蒸發(fā)冷凝管內(nèi)蒸汽，1 kg水蒸發(fā)帶走的熱量是1 kg水溫升10 ℃帶走熱量的60倍，換熱效率高。蒸發(fā)式凝汽器可將蒸汽在較低溫度冷凝，夏季高溫時采用尖峰冷卻裝置可降低空冷機組的運行背壓5～15 kPa，降低發(fā)電煤耗6～16 gce/kW·h，從而可提高發(fā)電效率。

2.3 主要技術指標

與直接空冷系統(tǒng)相比：夏季溫度超過30 ℃時，排汽背壓可降低5～10 kPa；機組出力增加15%以上；煤耗降低2%以上；投資可降低10%以上。

2.4 關鍵技術和創(chuàng)新點

針對乏汽凝結進汽量大的特點，開發(fā)了異型管箱結構；采用V型結構，乏汽凝結后靠自身質量自流至冷凝管箱內(nèi)，可有效減小壓力降；采用鋼制焊接閥門調節(jié)直接空冷逆流管束與蒸發(fā)式凝汽器內(nèi)抽真空的比例，可有效解決乏汽凝結設備冬季防凍問題，保證了系統(tǒng)整體的嚴密性。

2.5 三維設計

三維設計效果如圖1所示。

2.6 技術特點

將直接空冷的顯熱換熱機理與蒸發(fā)式凝汽器的潛熱換熱機理有機結合，合理配置高效、節(jié)能的復合型空冷凝汽器，充分發(fā)揮直接空冷不耗水、蒸發(fā)冷綜合節(jié)能效果好和背壓低等優(yōu)點，可有效提高發(fā)電系統(tǒng)的產(chǎn)能、降低能耗。

蒸發(fā)式冷凝器結構緊湊，換熱效果取決于當?shù)氐臐袂驕囟?，不受環(huán)境干球溫度的影響。由于水的蒸發(fā)潛熱大、傳熱溫差小，所以，換熱效果好、循環(huán)量少、效率高、投資低，具有節(jié)電、節(jié)水和運行費用低等特點，適合在水資源短缺、氣候干燥的地區(qū)使用。該產(chǎn)品結構合理、技術先進，在采用蒸發(fā)冷、空冷復合冷卻和結構優(yōu)化方面具有創(chuàng)新性，其節(jié)能、節(jié)水效果居國內(nèi)領先水平。

3 經(jīng)濟效益

采用蒸發(fā)式凝汽器對現(xiàn)有30萬機組進行改造的經(jīng)濟效益分析如下。

3.1 計算原始數(shù)據(jù)

改造前，夏季滿發(fā)背壓為34 kPa（環(huán)境溫度為32～41 ℃，實際運行背壓為33～39 kPa）；改造后，夏季機組滿發(fā)背壓降低了8～10 kPa，即運行背壓為25～29 kPa。

夏季運行時間段為6月底至9月底（共3個月）；蒸發(fā)式凝汽器（尖峰冷卻裝置）在夏季32 ℃以上時開啟。

運行小時數(shù)：按3個月計算，即2 160 h。

煤耗差：機組背壓每降低1 kPa，煤耗減少1.25 g/kW·h。

標煤價：800元/t（含稅，僅僅為計算參考值，以當?shù)孛簝r為準）。

單臺機組

年煤耗降低約8 100 t、年煤耗費用降低648萬元。

3.2 年操作費用計算

成本電價按0.4元/kW·h計算，水價按2.0元/t計算。

3.3 計算結果

年收益（節(jié)省煤耗費用）為648萬元；年操作費用（電費+水費）為133.2萬元；電費為69.9萬元；水費為63.3萬元；凈收益為514.8萬元。

通過計算可知，采用蒸發(fā)式凝汽器對現(xiàn)有機組改造后，夏季溫度超過30 ℃時，排汽背壓可降低5～10 kPa，煤耗可降低2%以上，機組出力可提高15%.

4 結束語

截至2010年，我國6 000 kW及以上火電發(fā)電設備容量為6.74×1010 kW。據(jù)此推測，預計到2016年，按15%的火電廠空冷系統(tǒng)采用蒸發(fā)式凝汽器作為尖峰冷卻裝置、年使用1 500 h計算，預期每年可節(jié)能1.592 5×108 tce。其作為電力系統(tǒng)節(jié)能、節(jié)水、安全、可靠、可提高機組發(fā)電效率的冷卻系統(tǒng)，可實現(xiàn)國家“節(jié)能減排”的目標。綜上所述，采用蒸發(fā)式凝汽系統(tǒng)后，無論是新電廠建設，還是舊電廠改造，采用空冷機組夏季出力的蒸發(fā)式換熱裝置——高效復合型空冷凝汽器的經(jīng)濟效益和社會效益巨大，市場前景廣闊。

作者簡介：張莉（1973—），女，本科，主要從事水工機械、升船機和電站機械設備的設計和研究。

〔編輯：張思楠〕

Abstract： As one of the important auxiliary condenser turbine generator， its operating state of the plant operation safety and economy has a very important impact. Therefore， the condenser technology is particularly important. Evaporative Condenser mainly technical characteristics and economic analyzes， which are widely used to improve the capacity of power generation systems， energy saving efficiency， has great practical significance and value of the works.

Key words： evaporative condenser； economic efficiency； social efficiency； the power industry