汽輪機(jī)直接空冷應(yīng)用

徐志民

在我國(guó)火力發(fā)電廠一般采用濕冷系統(tǒng)對(duì)機(jī)組進(jìn)行冷卻，但隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水資源的緊缺，此種傳統(tǒng)的方法受到了限制，近年來(lái)隨著直接空冷技術(shù)的日趨成熟，以及直接空冷技術(shù)在大容量機(jī)組中運(yùn)行的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，有著廣闊的發(fā)展前景，特別對(duì)于富煤缺水地區(qū)，它的應(yīng)用更能顯示出優(yōu)越性，它的應(yīng)用將是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

1.空冷技術(shù)簡(jiǎn)介

空冷技術(shù)是指采用空氣來(lái)直接或間接地冷卻汽輪機(jī)排氣的一種技術(shù)。當(dāng)今由于大容量火力發(fā)電廠的正常運(yùn)行需要充足的冷卻水源，同時(shí)由于濕冷機(jī)組耗水量巨大，產(chǎn)生的廢熱排到江河、湖泊里造成生態(tài)平衡的破壞，而在缺水地區(qū)興建大容量火力發(fā)電廠，就需要采用新的冷卻方式來(lái)排除廢熱。

火力發(fā)電廠的排汽冷卻技術(shù)主要分為兩大類(lèi)：水冷卻和空氣冷卻（簡(jiǎn)稱(chēng)空冷）。發(fā)電廠采用翅片管式的空冷散熱器，直接或者間接用環(huán)境空氣來(lái)冷凝汽輪機(jī)的排汽，稱(chēng)為發(fā)電廠空冷。采用空冷技術(shù)的冷卻系統(tǒng)稱(chēng)為空冷系統(tǒng)。采用空冷系統(tǒng)的汽輪發(fā)電機(jī)組稱(chēng)為空冷機(jī)組。采用空冷系統(tǒng)的發(fā)電廠稱(chēng)為空冷電廠。

發(fā)電廠空冷系統(tǒng)也稱(chēng)為干冷系統(tǒng)。它相對(duì)于常規(guī)發(fā)電廠濕冷系統(tǒng)而言的。常規(guī)發(fā)電廠的濕式冷卻塔是把塔內(nèi)的循環(huán)水以“淋雨”方式與空氣直接接觸進(jìn)行熱交換的。其整個(gè)過(guò)程處于“濕”的狀態(tài)，其冷卻系統(tǒng)稱(chēng)為濕冷系統(tǒng)?？绽浒l(fā)電廠的空冷塔，其循環(huán)水與空氣是通過(guò)散熱器間接進(jìn)行熱交換的，整個(gè)冷卻過(guò)程處于“干”的狀態(tài)，所以空冷塔又稱(chēng)干式冷卻塔。

根據(jù)汽輪機(jī)排汽凝結(jié)方式的不同，發(fā)電廠的空冷系統(tǒng)可以分為直接空冷系統(tǒng)和間接空冷系統(tǒng)兩大類(lèi)。

2.直接空冷系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)組成

直接空冷系統(tǒng)，又稱(chēng)空氣冷凝系統(tǒng)，汽輪機(jī)的排汽直接用空氣來(lái)冷凝，冷卻空氣通常用機(jī)械通風(fēng)或自然通風(fēng)方式供應(yīng)。空冷凝汽器是由兩或三排外表面鍍鋅的橢圓形鋼管外套矩形鋼翅片，或由單排扁平形鋼管，外焊硅鋁合金蛇形翅片的若干個(gè)管束組成。這些管束亦稱(chēng)空冷散熱器。直接空冷系統(tǒng)的流程汽輪機(jī)排汽通過(guò)排汽管道送到室外的空冷凝汽器內(nèi)，機(jī)械通風(fēng)鼓風(fēng)式軸流冷卻風(fēng)機(jī)使空氣橫向吹向空冷散熱器外表面，將排汽冷凝成水，凝結(jié)水再經(jīng)泵送回汽輪機(jī)的回?zé)嵯到y(tǒng)。直接空冷系統(tǒng)自汽輪機(jī)低壓缸排汽口至凝結(jié)水泵入口范圍內(nèi)的設(shè)備和管道，主要包括：（1）汽輪機(jī)低壓缸排汽管道系統(tǒng)；（2）空冷凝汽器；（3）凝結(jié)水系統(tǒng)設(shè)備；（4）抽氣系統(tǒng)設(shè)備；（5）疏水系統(tǒng)設(shè)備；（6）通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備；（7）直接空冷支撐結(jié)構(gòu)；（8）自控系統(tǒng)設(shè)備；（9）清洗裝置設(shè)備；（10）空冷汽輪機(jī)；（11）空冷散熱器；（12）空冷風(fēng)機(jī)。

2.1排汽管道系統(tǒng)

通常排汽管道系統(tǒng)包括：1根排汽管；6個(gè)上升管和配汽集管；壓力控制和保護(hù)系統(tǒng)；2個(gè)安全爆破膜作為另外兩個(gè)安裝在汽輪排氣上的爆破膜的補(bǔ)充。這4個(gè)爆破膜的總和達(dá)到100%至ACC的蒸汽流量。

排汽管道的功用是將汽輪機(jī)排汽裝置的乏汽引出室外后向蒸汽分配管道配汽。一般情況下排汽管道自排汽裝置水平引出室外，垂直上升一定高度，然后水平向兩側(cè)延伸、變徑并形成歧管，并與若干列垂直布置的配汽管道相連接。對(duì)于有兩根排汽管道的機(jī)組，在排汽管道剛性支座上方設(shè)有一根連通管，以平衡兩根排汽管間的壓力，排汽管道的轉(zhuǎn)彎處有導(dǎo)流片，其目的是減小流動(dòng)阻力。大容量空冷機(jī)組排汽管道直徑比較粗，排汽管道從汽機(jī)房A列引出后，橫向排汽母管布置，目前有兩種方式，一種為低位布置、一種為高位布置。

2.2空冷凝汽器的冷卻裝置

空冷凝汽器的冷卻裝置是直接空冷系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，它的作用是把汽輪機(jī)排出的乏汽由空氣凝結(jié)成水。

空冷凝汽器的冷卻裝置一般由以下幾部分構(gòu)成：（1）A型架構(gòu)；（2）冷卻元件；（3）雙排管的構(gòu)成；（4）散熱單元布置。

2.3凝結(jié)水系統(tǒng)

一般凝結(jié)水系統(tǒng)設(shè)備包括冷卻單元組凝結(jié)水聯(lián)箱、凝結(jié)水箱、凝結(jié)水泵組及設(shè)備間的連接管道等。凝結(jié)水系統(tǒng)在直接空冷系統(tǒng)中占有重要的地位，汽輪機(jī)低缸的排氣要由凝結(jié)水系統(tǒng)的作用送到回?zé)嵯到y(tǒng)。對(duì)于現(xiàn)代大型空冷機(jī)組的凝結(jié)水箱與排汽裝置大致可分為分建和合建兩種型式。凝結(jié)水系統(tǒng)的工作過(guò)程一般是冷卻單元下端集水箱，從翅片管束收集的凝結(jié)水自流至平臺(tái)地面或以下的熱井，通過(guò)凝結(jié)泵再將凝結(jié)水送往凝結(jié)水箱并送回?zé)崃ο到y(tǒng)。汽機(jī)下方的汽輪排氣裝置（他方供貨）收集主凝汽器的凝結(jié)水、給水和部分汽機(jī)排汽裝置的汽凝結(jié)水：位于凝結(jié)水管線上的水回路可以避免汽輪排氣裝置的任何蒸汽回流。在停機(jī)期間，水回路通過(guò)小孔徑管道進(jìn)行疏水，避免在寒冷的季節(jié)結(jié)冰。

2.4抽氣系統(tǒng)

抽氣系統(tǒng)在直接空冷系統(tǒng)中的作用也是很重要的。直接空冷系統(tǒng)為了將龐大的真空系統(tǒng)內(nèi)的不凝結(jié)氣體排出系統(tǒng)，需設(shè)置抽氣系統(tǒng)來(lái)保證機(jī)組的背壓和凝結(jié)水水質(zhì)。在引入蒸汽用于冷凝之前，必須從凝汽器中排出不可冷凝氣體，為了啟動(dòng)的原因?qū)⑻峁?臺(tái)33%的抽真空器。每一臺(tái)抽真空器的設(shè)計(jì)名義參考為207.3公斤/小時(shí)空氣及蒸汽。當(dāng)“啟動(dòng)”時(shí)，要求盡快降壓。在這種情況下，要求所有三臺(tái)抽真空器在30分鐘內(nèi)從大氣壓強(qiáng)降至350mbar（a）或者在最多60分鐘內(nèi)從大氣壓強(qiáng)降至160mbar（a）。同時(shí)在啟動(dòng)時(shí)輔助蒸汽將注入除氧器以實(shí)施啟動(dòng)時(shí)的凝結(jié)水除氧。

3.直接空冷系統(tǒng)的工作原理及流程

直接空冷系統(tǒng)，又稱(chēng)空氣冷凝系統(tǒng)。其工作原理是汽輪機(jī)排汽經(jīng)粗大排汽管道送至室外布置的空氣凝汽器的翅片管束中，冷卻空氣（通常由機(jī)械通風(fēng)方式供應(yīng)）在翅片管外流動(dòng)將管內(nèi)的排汽凝結(jié)，得到的凝結(jié)水由凝結(jié)水泵送至回?zé)嵯到y(tǒng)。

其流程如下所示。

（1）鍋爐；（2）過(guò)熱器；（3）汽輪機(jī)；（4）空冷凝汽器；（5）凝結(jié)水泵；（6）凝結(jié)水精處理裝置；（7）凝結(jié)水升壓泵；（8）低壓加熱器；（9）除氧器；（10）給水泵；（11）高壓加熱器；（12）汽輪機(jī)排汽管道。

4.直接空冷系統(tǒng)的特點(diǎn)

直接空冷系統(tǒng)的特點(diǎn)是：不需要冷卻水等中間冷卻介質(zhì)，設(shè)備少，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，基建投資較少，占地少，空氣量的調(diào)節(jié)靈活，冬季防凍措施比較可靠，汽輪機(jī)排汽直接在冷卻元件內(nèi)凝結(jié)，傳熱溫差大。但這種系統(tǒng)由于排汽管道直徑很大，如馬丁巴電廠汽輪機(jī)排汽，采用兩根Φ5m的排汽管道，真空系統(tǒng)體積大，范圍廣，密封困難，易漏入空氣，維持排汽管內(nèi)的真空困難，啟動(dòng)時(shí)抽真空時(shí)間長(zhǎng)，運(yùn)行背壓高，機(jī)組效率低，對(duì)采用機(jī)力通風(fēng)的系統(tǒng)，廠用電率也較高。

5.提高可靠經(jīng)濟(jì)性的應(yīng)對(duì)措施

風(fēng)速會(huì)影響到空冷凝汽器的回流率、冷卻性能、壓力變化，同時(shí)橫向風(fēng)會(huì)影響到空冷凝汽器單元流場(chǎng)的特性，熱風(fēng)再循環(huán)還會(huì)影響凝汽器的壓力，針對(duì)這些影響，可采取加裝擋風(fēng)墻，并且在現(xiàn)有擋風(fēng)墻的基礎(chǔ)上，將擋風(fēng)墻向下延伸，空冷風(fēng)機(jī)配置較大容量的電動(dòng)機(jī)，改進(jìn)空冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，完善空冷系統(tǒng)的監(jiān)控手段等措施來(lái)預(yù)防風(fēng)速對(duì)空冷凝汽器的影響，使直接空冷機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。

雖然直接空冷技術(shù)有著廣闊的發(fā)展前景，但就目前我國(guó)電力工業(yè)的發(fā)展來(lái)看，直接空冷技術(shù)還不完善，還存在一些問(wèn)題，特別是環(huán)境條件對(duì)空冷凝汽器影響的問(wèn)題，在環(huán)境條件中風(fēng)速的影響更普遍，這些問(wèn)題都很?chē)?yán)重，所以這都有待于進(jìn)一步的改善。

縱觀我國(guó)電力工業(yè)發(fā)展的前景和形勢(shì)，應(yīng)盡快引進(jìn)國(guó)外一些先進(jìn)的直接空冷技術(shù)和設(shè)備，形成我國(guó)自己制造直接空冷系統(tǒng)設(shè)備的能力已成為當(dāng)務(wù)之急，直接空冷技術(shù)將在我國(guó)得到廣泛的應(yīng)用與發(fā)展，我相信不久直接空冷技術(shù)將會(huì)遍及全球。 [科]