蒸發(fā)式冷卻器在600 MW機組中的應用

史文玎，寇德林，李啟明

（京能山西漳山發(fā)電有限責任公司，山西長治046021）

蒸發(fā)式冷卻器在600 MW機組中的應用

史文玎，寇德林，李啟明

（京能山西漳山發(fā)電有限責任公司，山西長治046021）

京能山西漳山發(fā)電有限責任公司600MW機組由于基建期空冷設備選型及設備老化問題，近年來冷端冷卻能力不足越來越突出，在夏季炎熱天氣經(jīng)常出現(xiàn)限負荷運行。2013年采用蒸發(fā)式冷卻器對空冷進行增容改造，改造后進行收益分析，反映出該技術經(jīng)濟效益可觀、節(jié)能效果顯著，對同類型機組節(jié)能改造有一定的借鑒指導意義。

蒸發(fā)式凝汽器；直接空冷；節(jié)能節(jié)水

0 引言

漳山發(fā)電二期2臺600 MW直接空冷機組2008年相繼投產(chǎn)發(fā)電，至今已經(jīng)運行近7 a，直接空冷系統(tǒng)設計面積為128萬m2，空冷散熱器采用三排管束，在夏季空氣干球溫度為33℃，汽輪機在汽機額定負載TRL（turbine rated load）工況（汽輪機排汽量為1 332.277 t/h，排汽焓為2 537.8 kJ/kg）汽輪機排汽口處背壓不大于34 kPa。由于空冷系統(tǒng)散熱面積設計偏小，機組運行中背壓偏高，夏季工況機組運行背壓高達40～45 kPa，機組被迫降負荷運行，機組運行的安全性、經(jīng)濟性較低，因此非常有必要對汽輪機冷端系統(tǒng)進行改造，增加冷卻能力，降低機組運行背壓，提高運行的安全性和經(jīng)濟性。2013年漳山電廠率先引用蒸發(fā)式冷卻器在600 MW機組上進行增容改造，改造后取得良好的效果。

1 蒸發(fā)式冷卻器系統(tǒng)概述

火力發(fā)電廠由鍋爐、汽輪機、發(fā)電機、凝結水泵和給水泵等組成。水在鍋爐中被加熱成蒸汽，通過主蒸汽管道進入汽輪機。蒸汽在汽輪機中膨脹做功推動汽輪機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動從而帶動發(fā)電機發(fā)出電。做完功的乏汽排入凝汽器或空冷島進行冷卻后進行下一個熱力循環(huán)1-2-3-4-1。工質(zhì)水的這種熱力循環(huán)過程稱為朗肯循環(huán)，如圖1所示。根據(jù)熱力學知識降低排汽壓力可以有效提高熱力系統(tǒng)的循環(huán)效率，降低排汽壓力后的熱力循環(huán)過程為1-2′-3′-4′-1，其中22′33′在圖中圍出的面積及為排汽壓力降低多做的功。本文所述蒸發(fā)冷卻器改造工程即是通過增大冷端換熱面積降低排汽壓力從而達到提高熱效率的過程。

圖1 朗肯循環(huán)

2 蒸發(fā)式冷卻器的工作原理

與傳統(tǒng)的濕式冷卻塔及空冷系統(tǒng)相比，蒸發(fā)式冷卻器是一種截然不同的換熱設備。濕冷塔與空冷換熱器都是通過冷介質(zhì)在管外流動吸熱升溫冷卻管內(nèi)蒸汽，蒸發(fā)式冷卻器卻是通過管外冷卻水蒸發(fā)吸熱和對流換熱相結合冷卻管內(nèi)蒸汽。不同的換熱原理導致它們的結構也不相同，圖2為一個蒸發(fā)式冷凝器單元的典型結構圖。它從上到下主要由軸流風機、收水器、換熱器、及冷卻水系統(tǒng)組成。經(jīng)過汽輪機做工后的乏汽，經(jīng)過低壓缸排汽管母管進入蒸發(fā)式凝汽器，換熱器內(nèi)與外部噴淋的冷卻水進行熱交換，蒸汽冷凝后回到汽輪機排汽裝置熱井，重新開始下一個熱力循環(huán)。換熱器管外噴淋水吸收乏汽熱量后一部分蒸發(fā)成水蒸氣，在軸流風機的作用下隨著冷空氣向上流動，運動的同時被冷空氣冷卻為液態(tài)水滴，在經(jīng)過收水器時小水滴被截留流入下部水池；換熱器管外還有一部分噴淋水沒有被汽化的水直接流到下方水池。換熱器上部的軸流風機一方面從周圍吸進冷空氣冷卻汽化的水蒸氣，同時也可使換熱器內(nèi)部保持一定的負壓，降低水蒸氣的飽和溫度，提高冷卻水利用率。

圖2 蒸發(fā)式冷凝器原理圖

3 蒸發(fā)式冷卻器的特點

從蒸發(fā)式冷凝器工作原理可以看出，該冷卻器與傳統(tǒng)凝汽器及空冷散熱器最大的區(qū)別是管外換熱過程是一種結合相變的強制對流換熱過程，換熱系數(shù)遠高于同等參數(shù)的濕冷凝汽器和空冷散熱器，循環(huán)水單位吸熱量大于傳統(tǒng)凝汽器。其節(jié)能、節(jié)水效果不僅在理論上明顯，而且在實際應用中得到很好的證明。

3.1 比空冷和傳統(tǒng)濕冷機組循環(huán)熱效率更高

蒸發(fā)式冷凝器的設計理念主要是通過水蒸發(fā)吸收汽化潛熱實現(xiàn)換熱，換熱器管內(nèi)凝結水溫度極限趨近大氣濕球溫度，一般設計可以達到比空氣的濕球溫度高5～10℃[1]；而濕冷機組和直接空冷系統(tǒng)的換熱過程均是通過顯熱傳遞實現(xiàn)的，其冷凝溫度極限趨近于環(huán)境大氣干球溫度，但濕冷機組考慮到循環(huán)水溫升與凝汽器端差，凝結水溫度比空氣的濕球溫度高13～23℃[2]；而空冷機組考慮到設備投資及冬季運行防凍等因素，冷凝溫度平均高于空氣干球溫度30℃。所以采用蒸發(fā)式冷凝器，熱力循環(huán)平均放熱溫度更低,循環(huán)熱效率更高。

3.2 與傳統(tǒng)濕冷機組相比更節(jié)水

結合相變的對流換熱系數(shù)要遠遠大于沒有相變的換熱系數(shù)，所以循環(huán)水單位吸熱量大于傳統(tǒng)凝汽器，同時蒸發(fā)式凝汽器在風機局部負壓的作用下以相對較低的溫度發(fā)生蒸發(fā)換熱，水蒸汽分壓力降低，飽和溫度也降低，根據(jù)圖1可以看出水的汽化潛熱相應增大，進一步提高了循環(huán)水的利用率。布置于軸流風機上方的高效收水器又能有效避免水汽飄失，從另一方面防止水汽損失。文獻指出與帶濕冷塔的濕式循環(huán)冷卻系統(tǒng)相比，蒸發(fā)式冷凝器的全年耗水量可降到前者的50%。

3.3 比傳統(tǒng)濕冷機組節(jié)省運行費用

蒸發(fā)式凝汽器主要依靠換熱器管外水膜蒸發(fā)帶走汽輪機乏汽放出的熱量，其換熱系數(shù)高、循環(huán)水利用率高；與帶濕冷塔的循環(huán)冷卻系統(tǒng)相比，循環(huán)水量小于后者的1/3，因此水泵功耗顯著降低，廠用電量進一步降低。

4 蒸發(fā)式冷卻器改造技術實施

改造原理如圖3所示，本次改造的本質(zhì)就是擴大汽輪發(fā)電機組的冷端換熱面積，在原空冷凝汽器的基礎上并列安裝若干單元蒸發(fā)式冷卻器，本次工程采用洛陽隆化換熱科技生產(chǎn)的FQN(Z)-11000型換熱單元，每個換熱單元的換熱面積為11 000 m2，根據(jù)設計需要安裝不同數(shù)量的換熱單元。本工程是在原直接空冷系統(tǒng)中2根DN5500的大排汽管道上各接出一根DN3000管道，將汽輪機乏汽送至蒸發(fā)式凝汽器系統(tǒng)，圖3中虛線包絡部分為增加的蒸發(fā)冷卻器系統(tǒng)。管道上設有膨脹節(jié)和電動蝶閥，膨脹節(jié)用以吸收管道的橫向和軸向位移。電動蝶閥用于控制蒸汽的流向，當需要蒸發(fā)式冷卻器投入運行時，打開管道上電動蝶閥使一部分蒸汽流至蒸發(fā)式凝汽器進行冷卻，擴大汽輪機冷端換熱面積，達到降低背壓的目的，當環(huán)境溫度較低不需要蒸發(fā)冷卻器投入運行時，關閉閥門使低壓缸排汽全部通過直接空冷散熱器冷卻。

圖3 蒸發(fā)式冷卻器改造示意圖

根據(jù)斯必克冷卻技術公司提供的計算數(shù)據(jù)，按機組目前空冷面積測算，在TRL工況：環(huán)境溫度33℃時，機組負荷600 MW，如果機組運行背壓保持20.0 kPa需要抽出蒸汽量452 t/h；如果機組運行背壓保持18.0 kPa需要抽出蒸汽量540 t/h；如果機組運行背壓保持15.0 kPa需要抽出蒸汽量673 t/h。根據(jù)當?shù)貧庀髼l件，為保證機組在任何工況下運行背壓保持20 kPa以內(nèi)，選型計算時按照環(huán)境溫度34℃，75%相對濕度，需配置28個FQN(Z)-11000型蒸發(fā)式冷卻器單元。

5 改造驗收

改造完成后機組TRL工況運行背壓較改造前平均降低15.0 kPa，根據(jù)本地區(qū)氣候條件（3月底—11月底）額定工況下運行背壓可保持在20.0 kPa以內(nèi)，能夠保證機組在較經(jīng)濟背壓下滿負荷運行。改造前后典型工況下機組運行數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 典型工況運行數(shù)據(jù)表

在試驗工況（機組負荷599.75 MW，環(huán)境溫度29.1℃）下，直接空冷系統(tǒng)和蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)并聯(lián)運行，機組背壓為20.03 kPa，經(jīng)過環(huán)境溫度修正到設計環(huán)境溫度33℃和原空冷機組運行背壓修正后，新增蒸發(fā)式冷卻器與空冷系統(tǒng)聯(lián)合運行機組運行背壓為17.9 kPa，達到了設計值，滿足運行需要。

收益計算:

改造前夏季滿發(fā)背壓：35 kPa；

改造后夏季滿發(fā)背壓：20 kPa；

夏季運行時間段：3月底—11月底（共8月）；

煤耗差：背壓每降低1 kPa，煤耗減少1.25g/kW·h；

標煤價按：350元/t；

煤耗降低：（35-20）×1.25×24×30×8×60× 104=64 800 t/a；

煤耗費用降低：64 800×350=2 268萬元/a；

電費消耗：2 540×2 160×0.4×2=438.912萬元；

水費消耗：405×2 160×3×2=524.88萬元；

大修費用：2 800×2%×2=112萬元；

每年收益：2 268-438.912-524.88-112= 1 192.208萬元。

建設項目建設投資4 512萬元，通過計算可以看出，若不考慮折舊每年可以節(jié)省1 192.208萬元，約4 a能夠回收建設期投資。

6 存在問題

a)為保證蒸發(fā)式凝汽器內(nèi)水汽流動暢通，蒸汽聯(lián)箱與凝結水聯(lián)箱之間設計有一連通管，但由于該連通管設計缺陷焊口容易出現(xiàn)斷裂情況。在設備投產(chǎn)運行后發(fā)生多次該連通管斷裂導致的汽輪機真空嚴密性差、水環(huán)真空泵電流高的問題，后經(jīng)廠家調(diào)整處理后正常。

b)由于冷卻水系統(tǒng)為開式循環(huán)水，水質(zhì)相對較差，同時在蒸發(fā)式冷凝器中,隨著水分蒸發(fā),水中溶解的固體濃度就會不斷提高,如果這些雜質(zhì)和污物不能有效控制,就會引起結垢、腐蝕和泥漿積聚，從而降低傳熱效率。為了達到蒸發(fā)式冷凝凝汽器應有的水質(zhì)要求，必須采取相應的水處理措施。目前本改造項目也只是采取一些常規(guī)的加藥技術,同時通過排污控制循環(huán)水的循環(huán)倍率。從目前看效果不是太理想。

7 結束語

隨著國家節(jié)能降耗力度不斷加大，火電企業(yè)的節(jié)能降耗工作刻不容緩。根據(jù)上文的論述可以看出蒸發(fā)式冷卻技術雖然存在一些問題，但不致命，其經(jīng)濟效益可觀，節(jié)能減排效果顯著。相比傳統(tǒng)的濕冷效率高、補水率小；比空冷技術補水率高，但換熱效率遠遠大于空冷散熱器。彌補了傳統(tǒng)濕冷技術的高耗水和空冷技術高背壓的問題，有較大推廣價值。該項目是國內(nèi)蒸發(fā)式凝汽器在600 MW機組中的首次應用，可供同類機組參考借鑒。

[1]袁建新．蒸發(fā)式冷凝器的應用分析[J]．制冷，2000，19（2）：85-86．

[2]郭常青，朱冬生，閆常峰．蒸發(fā)式冷凝器在發(fā)電冷卻系統(tǒng)中的研究與應用[J]．電站系統(tǒng)工程，2010，26（6）：27-30．

Application of Evaporative Cooler in 600MW Unit

SHI Wending,KOU Delin,LI Qiming
（BEIH Shanxi Zhangshan Power Co.,Ltd.,Changzhi,Shanxi 046021,China）

In recent years,due to the aging of equipment and equipment selection,the problem of poor cooling capacity of a 600MW unit in Shanxi Zhangshan Power Co.,Ltd.gets more serious.In the summer,limited operation often occurs.In order to solve the problem, evaporative cooler was used to increase the capacity of air cooling in 2013.After the reform,benefit analysis is carried out,the result of which shows that it brings considerable economic benefits and remarkable energy saving effect so that it has references for the same type of units.

evaporative condenser;direct air cooling;energy saving and water saving

TK172

B

1671-0320（2017）01-0034-04

2016-07-18，

2016-09-29

史文玎（1988），男，山西呂梁人，2011年畢業(yè)于山西大學熱能與動力工程專業(yè)，助理工程師，從事汽輪機設備檢修與節(jié)能管理工作；寇德林（1975），男，山西陽高人，2010年畢業(yè)于武漢大學熱能與動力工程專業(yè)，工程師，從事汽機設備檢修維護工作；李啟明（1977），男，山西朔州人，2016年畢業(yè)于長沙理工大學熱能與動力工程專業(yè)，助理工程師，從事汽機設備檢修維護工作。