尖峰冷卻技術(shù)在直接空冷機(jī)組中的應(yīng)用

胡曉花

(神華國(guó)華(北京)電力研究院有限公司，北京 100025)

尖峰冷卻技術(shù)在直接空冷機(jī)組中的應(yīng)用

胡曉花*

(神華國(guó)華(北京)電力研究院有限公司，北京 100025)

為解決夏季高溫時(shí)段熱負(fù)荷大，火電空冷機(jī)組出力不足，發(fā)電煤耗高、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性低等問(wèn)題，提出空冷尖峰冷卻技術(shù)。并結(jié)合尖峰冷卻裝置的型式，從其機(jī)理、技術(shù)特點(diǎn)、工程應(yīng)用方案、應(yīng)用安全性等方面展開討論。結(jié)果表明：空冷尖峰冷卻技術(shù)能夠降低機(jī)組背壓，減少煤耗，提高汽輪機(jī)機(jī)組運(yùn)行可靠性。

直接空冷；尖峰冷卻；背壓

隨著火電空冷機(jī)組在我國(guó)北方相繼投運(yùn)，空冷機(jī)組設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行和維護(hù)水平不斷完善和提升，但也存在夏季高溫時(shí)段熱負(fù)荷大，機(jī)組出力不足，發(fā)電煤耗高、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性低等問(wèn)題。從實(shí)際運(yùn)行情況看，機(jī)組出力不足，夏季會(huì)因?yàn)榭諝鉁囟冗^(guò)高造成高背壓而導(dǎo)致背壓保護(hù)動(dòng)作跳機(jī)，或因?yàn)槟Y(jié)水溫過(guò)高而自動(dòng)解列乃至機(jī)組真空過(guò)低引起保護(hù)動(dòng)作，嚴(yán)重影響機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此，為降低機(jī)組排汽背壓，近年來(lái)國(guó)內(nèi)已有多個(gè)電廠對(duì)已投運(yùn)的空冷機(jī)組進(jìn)行改造，通過(guò)采用空冷尖峰冷卻裝置，解決了空冷機(jī)組夏季出力不足問(wèn)題。本文結(jié)合尖峰冷卻裝置的型式，從其機(jī)理、技術(shù)特點(diǎn)、工程應(yīng)用方案、應(yīng)用安全性、經(jīng)濟(jì)性等方面展開討論并提出建議。

1 降低汽輪機(jī)背壓的機(jī)理

汽輪機(jī)背壓(排汽壓力)的高低取決于排汽的凝結(jié)溫度的高低，排汽的凝結(jié)溫度越低，則對(duì)應(yīng)的背壓越低。汽輪機(jī)的排汽凝結(jié)溫度為：

tc=t1+Δt+δt

(1)

其中：tc為汽輪機(jī)排汽凝結(jié)溫度/℃；t1為冷空氣溫度/℃；Δt為空氣吸熱后的溫升/℃；δt=Δt/(expAk/DCp-1)，為凝汽器傳熱端差/℃;A為凝汽器散熱面積/m2；k為換熱面總換熱系數(shù)/(W·m-2·℃-1);D為冷卻空氣量/(kg·s-1);Cp為冷卻空氣比熱/(J·kg-1·℃-1)。

因此，通過(guò)給空冷凝汽器加裝(并聯(lián))蒸發(fā)式凝汽器(或水冷表面式凝汽器)，可以分流一部分排汽，從而使空氣溫升和傳熱端差減小，也可以降低汽輪機(jī)的排汽壓力。

2 尖峰冷卻技術(shù)型式及特點(diǎn)

針對(duì)直接空冷機(jī)組夏季工況，用于降低背壓的尖峰冷卻技術(shù)主要有3種：濕式尖峰冷卻技術(shù)[1](包括蒸發(fā)式濕冷凝汽器、表面式濕冷凝汽器)、干濕混合式冷卻技術(shù)[2]、干式冷卻技術(shù)[3](包括直接冷卻和間接冷卻方式)。如何針對(duì)具體情況，合理選擇直接空冷機(jī)組在夏季工況的尖峰冷卻裝置是本文的主要內(nèi)容。

2.1 蒸發(fā)式濕冷凝汽器

蒸發(fā)式濕冷凝汽器系統(tǒng)是從汽輪機(jī)低壓缸主排汽管道上接出排汽管，分流部分乏汽接入蒸發(fā)式凝汽器，冷卻水噴淋在蒸發(fā)式換熱管束表面，將乏汽凝結(jié)成水，凝結(jié)水自流至空冷島排汽裝置的凝結(jié)水箱，不凝結(jié)氣體由抽真空系統(tǒng)排出，溫度升高的冷卻水在下降過(guò)程中與冷空氣進(jìn)行熱交換，降溫后的冷卻水匯至蒸發(fā)式凝汽器下部水池，通過(guò)循環(huán)水泵進(jìn)行二次循環(huán)。其工藝流程如圖1所示。

2.2 表面式濕冷凝汽器

表面式濕冷凝汽器系統(tǒng)是在汽輪機(jī)低壓缸主排汽管道增加一臺(tái)表面式濕冷凝汽器，增加相應(yīng)的循環(huán)水泵和機(jī)力塔。部分乏汽通過(guò)濕冷凝汽器冷卻凝結(jié)，凝結(jié)水自流至空冷島排汽裝置的凝結(jié)水箱，循環(huán)水由機(jī)械通風(fēng)冷卻塔進(jìn)行冷卻。增加循環(huán)水、膠球清洗等系統(tǒng)，凝汽器、機(jī)力塔、循環(huán)泵等設(shè)備。 其工藝流程如圖2所示。

圖2 表面式濕冷凝汽器系統(tǒng)工藝流程

2.3 干式直接冷卻系統(tǒng)

干式凝汽器目前主要有立式三角、六角形、八角形冷卻塔和立式三角空冷等型式，其工作原理是外界環(huán)境風(fēng)利用風(fēng)機(jī)強(qiáng)制通過(guò)管束表面換熱，將管束中的排汽冷凝成水。主要以立式三角式來(lái)概述本技術(shù)特點(diǎn)。立式三角形空冷凝汽器是一種新型布置方式的小型直冷凝汽器，主要用于大型空冷島的尖峰冷卻裝置。整個(gè)系統(tǒng)由管束、風(fēng)機(jī)、管道、單元內(nèi)部的支撐結(jié)構(gòu)等構(gòu)成。

立式三角形是將管束沿著長(zhǎng)度的方向布置成固定的夾角，豎直放置在平臺(tái)上，形成三角形的兩個(gè)側(cè)邊，三角形的背面及上面除去風(fēng)機(jī)部分均用壓型鋼板密封，防止風(fēng)從三角形的背面和頂面漏出去，可以說(shuō)整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)五邊形的結(jié)構(gòu)。

立式三角形結(jié)構(gòu)，因?yàn)閱卧嫉乇容^小，在場(chǎng)地布置上比較靈活，尤其適合場(chǎng)地條件比較不規(guī)則的情況，可根據(jù)不同的布置方式，確定整個(gè)平臺(tái)的占地尺寸及管道尺寸，包括背對(duì)背布置方式及肩并肩的布置方式。模塊化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了熱力計(jì)算的過(guò)程，同時(shí)模塊化形式也節(jié)省了一部分設(shè)計(jì)成本。

2.4 干式間接冷卻系統(tǒng)

干式間接冷卻系統(tǒng)是凝汽器利用循環(huán)水冷卻排汽，升溫后的循環(huán)冷卻水被送入布置在自然通風(fēng)冷卻塔進(jìn)風(fēng)口四周或塔內(nèi)的翅片管組成的表面式換熱器中，被空氣冷卻后再流回凝汽器重復(fù)使用的冷卻系統(tǒng)。其系統(tǒng)裝置如圖3所示。

圖3 干式間接冷卻裝置

2.5 干濕混合冷卻技術(shù)

干濕混合冷卻技術(shù)是以一定比例冷卻能力配置的干式冷卻系統(tǒng)和濕式冷卻系統(tǒng)的組合的，是一門新技術(shù)，此技術(shù)目前在國(guó)外有較多應(yīng)用業(yè)績(jī)，國(guó)內(nèi)寧夏大壩電廠2×600 MW機(jī)組已有應(yīng)用。干和濕的比例設(shè)計(jì)時(shí)可靈活調(diào)節(jié)，因此其應(yīng)用是火電廠冷卻系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。

3 尖峰冷卻技術(shù)應(yīng)用分析

目前業(yè)內(nèi)尖峰冷卻裝置以濕式冷卻方式為主，其中相關(guān)生產(chǎn)廠家以推出蒸發(fā)式濕式凝汽器為主，電力設(shè)計(jì)單位以推出表面式濕式凝汽器為主。較早采用蒸發(fā)式尖峰冷卻器的有鴛鴦湖(1×660 MW)、漳山二期(1×600 MW)、寧煤(2×600 MW)等電廠，較早采用表面式凝汽器的有榆社(2×300 MW)、武鄉(xiāng)(2×600 MW)、漳山一期(2×300 MW)、上安(2×600 MW)、瑞光(2×300 MW)等電廠。近年來(lái)，部分廠商推出了干式及干濕混合式冷卻技術(shù)，采用該技術(shù)的相關(guān)廠家主要有上海電氣SEC-SPX公司和GEA公司，采用該技術(shù)的電廠主要有：太原石頭水泥自備電廠(2×50 MW)、華光(柳林)、上都#2機(jī)組600 MW、金牛(2×300 MW)、崇光介休(2×300 MW)、趙莊金光(2×600 MW)、趙石畔(1×1 000 MW)等。

3.1 濕式尖峰系統(tǒng)安全性分析

3.1.1 泄漏風(fēng)險(xiǎn)

尖峰冷卻系統(tǒng)發(fā)生泄漏的影響主要是破壞汽輪機(jī)真空嚴(yán)密性和影響凝結(jié)水水質(zhì)。表面式凝汽器工藝成熟，泄漏隱患較低，蒸發(fā)式凝汽器管束龐大，目前已實(shí)現(xiàn)模塊化，出現(xiàn)故障可部分隔離而無(wú)需停機(jī)，對(duì)機(jī)組影響不大。

3.1.2 對(duì)周邊設(shè)備運(yùn)行影響

蒸發(fā)式凝汽器一般布置在空冷島附近，濕蒸汽對(duì)附近電氣設(shè)備運(yùn)行構(gòu)成一定影響。某600 MW機(jī)組尖峰冷卻裝置在2013年夏季環(huán)境濕度大時(shí)電氣設(shè)備發(fā)生閃絡(luò)被迫多次退出運(yùn)行。同時(shí)由于使用中水或廢水，蒸發(fā)式凝汽器飄灑的濕蒸汽對(duì)空冷散熱器表面腐蝕和清潔度有一定影響。表面式凝汽器配套的機(jī)力通風(fēng)塔一般遠(yuǎn)離空冷島布置，以減少對(duì)關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行的影響。

3.2 濕式尖峰系統(tǒng)運(yùn)行及經(jīng)濟(jì)性分析比較

3.2.1 耗水量比較

綜合考慮運(yùn)行維護(hù)、設(shè)備結(jié)垢、水質(zhì)控制等因素，600 MW機(jī)組尖峰冷卻蒸汽流量設(shè)計(jì)一般按20～30%低壓缸排汽流量，2種尖峰冷卻系統(tǒng)耗水量在同等容量下蒸發(fā)式約為表面式的80%左右。600 MW機(jī)組表面式尖峰冷卻系統(tǒng)日最大耗水量大約10 000～12 000 t左右。

3.2.2 應(yīng)用效果對(duì)比

通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，只要冷卻分流蒸汽流量與計(jì)算一致，換熱器散熱面積合理，冷卻水流量充足，冷卻塔滿足冷卻效果要求2種尖峰冷卻系統(tǒng)均能滿足節(jié)能效果要求。

國(guó)神鴛鴦湖電廠對(duì)1號(hào)機(jī)組進(jìn)行了改造，采用蒸發(fā)式凝汽器分流部分蒸汽，具體方案為：從原直接空冷凝汽系統(tǒng)主排汽管道分流320 t/h的蒸汽，采用16臺(tái)蒸發(fā)式凝汽器進(jìn)行換熱冷卻。

1)外部條件相同時(shí)，1號(hào)機(jī)組投運(yùn)尖冷系統(tǒng)與2號(hào)機(jī)組(未投運(yùn)時(shí))比較，如表1所示。

1號(hào)機(jī)組和2號(hào)機(jī)組負(fù)荷相同且空冷風(fēng)機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)及頻率相同，且空冷均進(jìn)行了高壓水沖洗，換熱翅片管外表面臟污程度相近，具有可比性。環(huán)境溫度20 ℃時(shí)負(fù)荷在600 MW時(shí)，投入尖峰系統(tǒng)，背壓降低6.8 kPa。

表1 空冷尖峰冷卻改造前、后節(jié)能效果

2)1號(hào)機(jī)組投運(yùn)尖峰冷卻系統(tǒng)前、后對(duì)比，如表2所示。

表2 不同環(huán)境溫度下投運(yùn)尖峰冷卻系統(tǒng)節(jié)能效果

夏季環(huán)境溫度18～24℃，660 MW負(fù)荷，投運(yùn)尖峰冷卻裝置，機(jī)組背壓可下降5～11 kPa。環(huán)境溫度越高時(shí)，背壓降低越多，節(jié)能效果尤為突出。

3.3 尖峰冷卻系統(tǒng)技術(shù)比較

在背壓下降目標(biāo)一致的情況下，幾種不同形式的尖峰冷卻裝置在耗水、占地之間有較大的差別，蒸發(fā)式和表面式耗水量均較大，干式無(wú)耗水，但占地面積較大，布置靈活。技術(shù)方案對(duì)比如表3所示。

表3 技術(shù)方案對(duì)比表

3.4 實(shí)際工程選型方案

某300 MW機(jī)組的尖峰冷卻選型方案比較如表4所示。

表4 某300 MW機(jī)組尖峰冷卻選型方案比較

表4是某300 MW機(jī)組尖峰冷卻方案的對(duì)比，在背壓下降目標(biāo)值一致的情況下，從耗水、系統(tǒng)、傳熱、土建量、維護(hù)、工期等方面進(jìn)行對(duì)比的方案說(shuō)明，各工程要根據(jù)自身的實(shí)際情況，選取適合自身機(jī)組的方案。

4 尖峰冷卻技術(shù)工程應(yīng)用情況

4.1 工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

國(guó)內(nèi)已有多臺(tái)機(jī)組應(yīng)用了尖峰冷卻技術(shù)，各工程基本數(shù)據(jù)見表5所示。

4.2 蒸發(fā)式凝汽器應(yīng)用存在問(wèn)題及應(yīng)對(duì)措施

蒸發(fā)式凝汽器近年來(lái)在電廠的應(yīng)用逐漸增多，已成為解決空冷機(jī)組夏季滿發(fā)問(wèn)題及降低夏季運(yùn)行背壓的重要手段之一。目前蒸發(fā)式凝汽器在工程應(yīng)用中存在一些問(wèn)題，在設(shè)備制造及設(shè)計(jì)以及水質(zhì)管理中，已有了一些解決方案及應(yīng)對(duì)措施。

1)設(shè)備管束腐蝕嚴(yán)重，維護(hù)保養(yǎng)難度大

設(shè)備管束腐蝕結(jié)垢快、傳熱效率下降，腐蝕后容易出現(xiàn)漏點(diǎn)，滲漏點(diǎn)的存在直接影響主機(jī)水質(zhì)，設(shè)備出現(xiàn)積鹽現(xiàn)象，需每年對(duì)整個(gè)冷卻器進(jìn)行清洗。

2)對(duì)主空冷島及電氣設(shè)備存在影響

蒸發(fā)器排出的濕熱氣排入大空冷島，濕熱空氣中含有一定鹽分，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)造成主空冷島管束的結(jié)垢和腐蝕，會(huì)影響大空冷島的性能。

針對(duì)上述問(wèn)題可以采取下列應(yīng)對(duì)措施：

1)換熱部件模塊化設(shè)計(jì)，設(shè)備整體熱浸鋅防腐或采用不銹鋼材料；

2)定期加入緩蝕阻垢劑，由于阻垢劑的螯合等作用，提高了CaCO3等鹽類物質(zhì)的溶解度，降低了結(jié)垢傾向，從而達(dá)到阻垢的目的。

3)設(shè)置水質(zhì)自動(dòng)(手動(dòng))檢測(cè)裝置，控制循環(huán)水濃縮倍率，合理的進(jìn)行排污。

4)合理選取蒸發(fā)器布置位置。

表5 部分應(yīng)用電廠尖峰冷卻系統(tǒng)應(yīng)用情況

5 結(jié)論與建議

1)空冷凝汽器設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮極端氣象環(huán)境因素、散熱器臟污、汽輪機(jī)排汽熱負(fù)荷增加等不利條件的影響，留有一定裕量。對(duì)早期面積偏小，出力不足，背壓偏高的機(jī)組，可采用尖峰冷卻系統(tǒng)緩解夏季出力受阻等問(wèn)題。

2)干式尖峰冷卻技術(shù)在節(jié)水效果上有明顯優(yōu)勢(shì)，符合國(guó)家節(jié)水環(huán)保政策的要求，宜優(yōu)先采用。電廠具備中水和疏矸水等低品質(zhì)水源時(shí)，可采用表面式或蒸發(fā)式尖峰冷卻系統(tǒng)。

3)在水資源允許的情況下可采用干濕混合冷卻技術(shù)，該技術(shù)耗水量小、投資小、運(yùn)行靈活，是一種新技術(shù)，應(yīng)密切跟蹤。

[1] 朱冬生,孫荷靜,蔣翔,等.蒸發(fā)式冷凝器的研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用[J].流體機(jī)械,2008,36(10):28-34.

[2] 黎穎慧,韋紅旗,王麗麗,等.干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)模型及其變工況特性分析[J].熱力發(fā)電,2014,43(4):82-86.

[3] 馬慶中,張龍英.直接空冷凝結(jié)器尖峰冷卻系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].山西電力,2007(s1):55-57.

Application of Peak Cooling Technology in Direct Air-cooling Unit

HUXiaohua*

(Shenhua Guohua Electric Power Research Institute (Beijing) co., LTD, Beijing 100025, China)

As thermal power air cooling unit in north China is in operation, air cooling units design, manufacture, installation, operation and maintenance level are constantly improved, but there are also some issues because air temperature is too high, the high back pressure caused by the limit load, even the high back pressure unit wil couse accidents. It is found that air cooling peak cooling can be used to solve this problem, such as reducing the unit back pressure and coal consumption, enhancing reliability steam turbine unit. Combining with the peak cooling device model, from the mechanism, technical characteristics and engineering application solutions and application security technology research, suggestions are put forward。

direct air-cooling unit；peak load cooling；back pressure

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2016.04.011

2016-10-11

胡曉花(1972— ),女(漢族),甘肅天水人，高級(jí)工程師，學(xué)士，研究方向：電廠設(shè)計(jì)、研究與工程咨詢，通信作者郵箱：guohuahxh@126.com。

TK264.11

A

2095-5383(2016)04-0040-05