空冷機組輔機循環(huán)水冷卻方式的選擇分析

王磊，賀瑞雪

(山東電力工程咨詢院有限公司，濟(jì)南 250013)

空冷機組輔機循環(huán)水冷卻方式的選擇分析

王磊，賀瑞雪

(山東電力工程咨詢院有限公司，濟(jì)南 250013)

以山西某電廠2×300 MW直接空冷機組為依托，對電廠輔機循環(huán)水采用機力通風(fēng)濕冷塔、空冷器和蒸發(fā)式冷凝器3種冷卻方案分別進(jìn)行了深入的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，最終提出一個技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理的推薦方案，以對其他相近工程的輔機循環(huán)水設(shè)計提供參考。

空冷機組；輔機冷卻；機力通風(fēng)濕冷塔；空冷器；蒸發(fā)式冷凝器

0 引言

隨著空冷技術(shù)的發(fā)展，空冷機組憑其顯著的節(jié)水優(yōu)勢在西北等缺水地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用，目前已建及在建的300 MW及以上機組的火力發(fā)電廠逾百座，而且呈日益擴(kuò)大之勢。火力發(fā)電廠汽輪機組排汽采用空冷系統(tǒng)時，其輔機通常需要設(shè)計獨立的循環(huán)冷卻系統(tǒng)。以磨煤機、給水泵、送風(fēng)機、引風(fēng)機、真空泵為主的電廠輔機冷卻采用濕冷時，濕冷塔耗水約占電廠總用水量的25%～ 30%[1]，數(shù)量較大，如果采用空氣冷卻方式就可實現(xiàn)進(jìn)一步節(jié)水，但投資增加。 本文將對3種常規(guī)的空冷技術(shù)方案進(jìn)行比較分析。

1 空冷機組輔機循環(huán)水冷卻方式簡介

空冷機組輔機循環(huán)水冷卻方式的選擇，通常根據(jù)電廠供水水源、場地條件、氣象條件等經(jīng)綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較后確定。根據(jù)目前已投運及在建的空冷機組輔機循環(huán)水的設(shè)計方案，電廠輔機冷卻可以選用機力通風(fēng)濕冷塔、空冷器和蒸發(fā)式冷凝器。

1.1 機力通風(fēng)濕冷塔

機力通風(fēng)濕冷塔是目前空冷機組最常用的輔機循環(huán)水冷卻方式， 其原理是水由上而下噴淋在塔內(nèi)填料上形成水膜，空氣在風(fēng)機的抽吸下通過填料層和噴水層，水在傳熱和傳質(zhì)過程中被空氣冷卻，濕熱空氣從風(fēng)筒口散失。冷卻塔多采用鋼筋混凝土支撐結(jié)構(gòu)，塔內(nèi)填料、除水器及配水管道、噴頭通常為塑料材質(zhì)，風(fēng)筒和外圍護(hù)多采用玻璃鋼，塔底部設(shè)置鋼筋混凝土水池。冷卻水為開式系統(tǒng)，因此系統(tǒng)存在蒸發(fā)、風(fēng)吹和排污損失，需要補充新鮮水，水質(zhì)要求較低，可以采用常規(guī)的工業(yè)水。

1.2 空冷器

空冷器基本原理類似于汽輪機的帶表面式凝汽器的間接空冷系統(tǒng)，工藝流程為：冷卻水進(jìn)入輔機換熱器進(jìn)行換熱，受熱后的冷卻水由循環(huán)水泵送至空冷器內(nèi)，通過空冷散熱器的翅片管束與空氣進(jìn)行表面換熱(冷空氣被抽吸，流過空冷器外側(cè)，從而冷卻冷卻器內(nèi)的熱水)，冷卻水被空氣冷卻后再返回輔機換熱器去冷卻，構(gòu)成了密閉循環(huán)，閉式循環(huán)水采用除鹽水。該系統(tǒng)空冷散熱器多立式布置在冷卻塔進(jìn)風(fēng)口外側(cè)，空冷冷卻元件為鋁管/鋁翅片的Forgo型空冷管束或者鋼管/鋼翅片的空冷管束。由于輔機循環(huán)水溫一般要求低于38 ℃，因此輔機空冷器通常配有1套噴霧設(shè)備，在夏季高溫炎熱期(一般環(huán)境溫度在30 ℃以上)， 可采用外噴冷水的方法達(dá)到輔機冷卻要求。

1.3 蒸發(fā)式冷凝器

蒸發(fā)式冷凝器是1種將水冷與空冷、傳質(zhì)和傳熱過程融為一體的冷卻系統(tǒng)。其工作原理是冷卻介質(zhì)在換熱器管內(nèi)流動，外部冷卻水經(jīng)噴淋泵提升后向下噴淋到水平放置的光管管束表面，使管外表面形成連續(xù)均勻的薄水膜，水膜迅速蒸發(fā)帶走熱量；同時用風(fēng)機將空氣從設(shè)備下部窗口吸入，使空氣自下向上流動，橫掠水平放置的傳熱管，蒸發(fā)后的濕空氣由上方的風(fēng)機抽走，以此循環(huán)[2-3]。 此時傳熱管的管外換熱除依靠水膜與空氣流間的熱傳遞外，還有管外表面水膜的迅速蒸發(fā)散熱，從而強化了管外傳熱。由于水具有較高的汽化潛熱，因此管外水膜的蒸發(fā)大大強化了管外傳熱，使設(shè)備總體熱效率明顯提高。管外表面水膜的蒸發(fā)使得空氣穿過光管管束后濕度增加而接近飽和，風(fēng)機將飽和濕空氣從管束中抽出并使其穿過位于噴淋水分配器上方的收水器，除去飽和濕空氣中夾帶的水滴后從設(shè)備頂部風(fēng)機出口排入大氣中。由于風(fēng)機位于設(shè)備上部并向上

抽吸空氣，從而在風(fēng)機下部空間形成負(fù)壓區(qū)域，加速了管外表面水膜的蒸發(fā)，有利于強化管外傳熱[4]。由于其可以利用空氣冷卻，隨著環(huán)境氣溫逐步降低，冷卻需要噴淋水量也逐步降低，甚至在冬季寒冷期可以僅靠風(fēng)冷(一般認(rèn)為在氣溫0 ℃以下時)，從而可以節(jié)約用水[5]。外部冷卻水循環(huán)使用，可采用工業(yè)水或除鹽水，冷卻器內(nèi)循環(huán)水應(yīng)采用除鹽水。

2 設(shè)計方案

2.1 項目概況

依托項目為2×300 MW直接空冷機組，位于山西省呂梁山脈中段東麓。該地區(qū)屬溫帶季風(fēng)氣候，冬季寒冷少雪，夏季炎熱，春秋季多風(fēng)干旱。項目所在地的年平均干球溫度11 ℃，夏季10%干球溫度27 ℃，對應(yīng)的濕球溫度、相對濕度和大氣壓力分別為22 ℃， 61%和91.71 kPa。

2.2 機力通風(fēng)濕冷塔方案

2臺機組開式水體積流量約4 000 m3/h。冷卻水通過循環(huán)水泵升壓后送到主廠房，用于冷卻真空泵、潤滑油冷油器、發(fā)電機空冷器、閉式循環(huán)水板式換熱器等，升溫后的水經(jīng)過管道輸送至冷卻塔冷卻降溫，然后經(jīng)循環(huán)水泵繼續(xù)循環(huán)使用。

本工程設(shè)置1座輔機循環(huán)水泵房和吸水前池，內(nèi)設(shè)3臺循環(huán)水泵，泵房內(nèi)部和前池上方分別設(shè)置1臺電動單梁懸掛起重機和電動葫蘆，吸水前池內(nèi)設(shè)平板濾網(wǎng)和鋼閘板。主廠房內(nèi)閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)2臺閉式泵和2臺板式換熱器。

本工程設(shè)1座3格機力通風(fēng)濕冷塔，其工藝參數(shù)詳見表1，方案投資估算詳見表2。

表1 機力通風(fēng)濕冷塔工藝參數(shù)

注：循環(huán)水排污水可用于其他項目用水，不作為耗水進(jìn)行統(tǒng)計。

2.3 空冷器方案

2臺機組閉式水體積流量約3 800 m3/h,系統(tǒng)采用母管制供水系統(tǒng)。2 臺機組配3臺循環(huán)水泵，1 座機械通風(fēng)干冷塔(8個空冷器)，設(shè)置1 條壓力進(jìn)水管和1 條壓力回水管。經(jīng)空冷器冷卻后的輔機循環(huán)水，通過管道回至循環(huán)水泵，升壓后通過壓力進(jìn)水管至主廠房冷卻輔機設(shè)備，升溫后的冷卻水被輸送回干冷塔冷卻，循環(huán)使用。

表2 機力通風(fēng)濕冷塔方案投資估算

2臺300 MW機組輔機冷卻需配備8個冷卻器，采用兩兩背靠背布置，每個冷卻器由4個冷卻三角和1臺直徑9.14 m的軸流風(fēng)機組成，每個冷卻三角由6片空冷管束構(gòu)成，材質(zhì)為鋁管鋁翅片。空冷器采用型鋼支撐架和維護(hù)結(jié)構(gòu)。

由于采用空氣冷卻，因此設(shè)計冷卻水溫比濕冷略高，否則所需空冷散熱器面積太大，投資太高。2臺300 MW空冷機組設(shè)計進(jìn)水溫度43 ℃，出水溫度35 ℃，當(dāng)夏季環(huán)境溫度超過30 ℃時，采用外噴冷水(除鹽水)的方法降溫達(dá)到輔機冷卻要求。

為了能有效儲存該冷卻系統(tǒng)所有冷卻管、散熱器內(nèi)水量，在冷卻塔內(nèi)設(shè)有儲(排)水箱，每個冷卻三角都有1個向儲(排)水箱排水的排放系統(tǒng)。每個排水箱都有通氣口和人孔。儲(排)水箱的冷卻水可通過2臺潛水泵再升壓到冷卻水系統(tǒng)中。同時為了保持循環(huán)水系統(tǒng)的穩(wěn)定，維持正常的水循環(huán)，空冷塔內(nèi)需設(shè)置穩(wěn)壓補水系統(tǒng)。每臺機組各設(shè)置1套，該系統(tǒng)由補水泵、高位水箱及連接管道組成，穩(wěn)壓泵布置在底下儲水箱中，水泵根據(jù)高位水箱的水位自動控制補水。同時為了保持散熱器良好的換熱性能，考慮每年應(yīng)清洗散熱器1～2次。單臺機組輔機空冷器工藝參數(shù)見表3，方案投資估算詳見表4。

2.4 蒸發(fā)式冷凝器方案

2臺機組閉式水總體積流量約3 800 m3/h。

表7 各冷卻方案技術(shù)對比表

表3 單臺機組輔機空冷器工藝參數(shù)

注：(1)空冷器清洗，按照每年每臺機組各清洗1次，每次

1天，每天8 h，清洗水體積流量10 m3/h。

(2)空冷系統(tǒng)泄漏率按照0.01%考慮。

(3)典型年中夏季干球溫度超過30 ℃的小時數(shù)為238 h。

表4 空冷器方案投資估算

系統(tǒng)采用母管制供水系統(tǒng)，2 臺機組配3臺循環(huán)水泵，4 座蒸發(fā)式冷凝器，設(shè)置1 條壓力進(jìn)水管和1 條壓力回水管。工藝流程基本同空冷器方案。

2臺300 MW機組輔機冷卻需配備4個蒸發(fā)式冷凝器，采用一列式布置，每個蒸發(fā)式冷凝器傳熱管管束為多排不銹鋼管排列組成，冷卻器采用型鋼和鋼板支撐維護(hù)，設(shè)備下方設(shè)置鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的噴淋水池。

系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)水溫度43 ℃，出水溫度35 ℃，當(dāng)環(huán)境溫度低于-5 ℃時，停止噴水采用干式模式運行。

單臺機組蒸發(fā)式冷凝器工藝參數(shù)見表5，方案投資估算詳見表6。

表5 單臺蒸發(fā)式冷凝器工藝參數(shù)

表6 蒸發(fā)式冷凝器方案投資估算

3 各冷卻方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

3個方案的技術(shù)對比結(jié)果見表7，經(jīng)濟(jì)對比結(jié)果見表8。

表8 各冷卻方案經(jīng)濟(jì)對比表 萬元

注：(1)年固定分?jǐn)偮拾?2.5%。

(2)工業(yè)水價3.5元/m3，除鹽水價10.0元/m3。

(3)電價采用成本電價0.21元/(kW·h)。

(4)占地費用所占比例很小不計入總費用。

(5)設(shè)備投資包含設(shè)備本體以及組成完整冷卻水系統(tǒng)的其

他設(shè)備，包括各類水泵、閘板、濾網(wǎng)、閥門、板換等。

(6)考慮冬季3個月可以關(guān)停循環(huán)水泵、變頻風(fēng)機或調(diào)節(jié)

轉(zhuǎn)速，因此相應(yīng)設(shè)備的軸功率加權(quán)系數(shù)均按0.75考慮。

4 結(jié)論和建議

(1)綜上所述，3個方案都有不同的優(yōu)缺點。機力通風(fēng)濕冷塔方案優(yōu)點是初投資少，冷卻效率高，適應(yīng)能力強等，缺點是耗水量大，運行費用高，且主廠房內(nèi)需要設(shè)置閉式泵和板式換熱器，系統(tǒng)流程比較復(fù)雜；空冷器方案優(yōu)點是高度節(jié)水，工藝流程比較簡單，缺點是投資最大，運行費用偏高，占地面積也大，而且冷卻效率相對較低，適應(yīng)能力一般，維護(hù)工作量也大；蒸發(fā)式冷凝器方案的耗水量和靜態(tài)投資等主要指標(biāo)處于機力通風(fēng)濕冷塔和空冷器方案的中間水平，運行費用接近空冷器方案，如果后期設(shè)備造價能有一定幅度的下降，蒸發(fā)式冷凝器憑借其多方面的特點將成為輔機循環(huán)水冷卻技術(shù)發(fā)展的主流。

鑒于各方案的技術(shù)特點和經(jīng)濟(jì)比較結(jié)果，本文采用技術(shù)成熟可靠、年費用最低的機力通風(fēng)濕冷塔方案。

(2)在實際工程設(shè)計中，采用哪種冷卻方式需要優(yōu)先考慮是否存在場地布置限制、節(jié)水政策及電廠全廠耗水指標(biāo)要求等具備1票否決性質(zhì)的因素；其次如果主機冷卻采用間接空冷系統(tǒng)，輔機冷卻采用空冷閉式系統(tǒng)，可以在冬季將輔機循環(huán)水切換進(jìn)入主機間冷系統(tǒng)，節(jié)省輔機空冷系統(tǒng)的運行電耗，增強輔機空冷系統(tǒng)方案的競爭力；再次由于廠家、材質(zhì)和區(qū)域的不同導(dǎo)致的設(shè)備價格、土建費用、水電藥費的差異，會使各個方案的最終排序產(chǎn)生不同的結(jié)果，因此最終采用的冷卻方案需要多方面綜合考慮確定。

[1]李海.空冷電站輔機冷卻水冷卻方式的探討[J].電力勘測設(shè)計,2006(2)：36-38.

[2]趙耀,李曉楠.火力發(fā)電廠輔機循環(huán)水冷卻方式的比較[J].電力勘測設(shè)計,2015(1)：37-41.

[3]包衛(wèi).蒸發(fā)式冷凝器用于火電廠冷卻系統(tǒng)的可行性分析[J].浙江電力,2004,23(4)：46-49.

[4]周曉莉.蒸發(fā)冷卻器冷卻方式探討[J].科技信息,2013(4)：449-450.

(本文責(zé)編：劉炳鋒)

2017-05-04；

2017-06-02

TK 39

B

1674-1951(2017)07-0067-04

王磊(1983—)，男，吉林長春人，工程師，工學(xué)碩士，從事電廠水工系統(tǒng)的設(shè)計與研究工作(E-mail:wanglei3@sdepci.com)。