空冷机组辅机水冷却系统优化探讨

李 博,王 威,刘 刚

(1.哈尔滨电站工程有限责任公司,黑龙江 哈尔滨 150040;2.东北电力设计院,吉林长春 130021;3.中庆燃气道里第四营业分公司,黑龙江哈尔滨 150010)

空冷机组辅机水冷却系统优化探讨

李 博1,王 威2,刘 刚3

(1.哈尔滨电站工程有限责任公司,黑龙江 哈尔滨 150040;2.东北电力设计院,吉林长春 130021;3.中庆燃气道里第四营业分公司,黑龙江哈尔滨 150010)

以东北某电厂 2台 600MW燃煤机组为例,对辅机冷却设施采用湿式空冷器、自然通风冷却塔或机械通风冷却塔进行了分析计算,对寒冷地区的火电厂冬季结冰影响冷却设施寿命和机组运行安全加以分析,对其他工程的辅机冷却水设计具有参考作用。

辅机;冷却水系统;自然通风冷却塔;机械通风冷却塔;湿式空冷器

由于电厂汽轮机凝汽设备冷却系统采用湿冷系统需水量较大,大多数厂址所在地区地表水缺乏,按照国家在富煤缺水地区规划火电厂积极推广应用空冷技术的要求,新建机组主机可采用直接空冷系统,辅机冷却水系统采用湿式冷却塔的循环供水系统。空冷机组的辅机冷却水冷却设备,可以选用自然通风或辅机机械通风空冷系统方案(湿式空冷器)、机械通风冷却塔或自然通风冷却塔。湿式空冷器的优点是节水,其管外换热系数可比干式空冷器提高 l～3倍,由于显热交换、潜热交换同时存在,使空冷器的换热效果有明显改善,尤其是在炎热的夏季,环境气温较高时,应用湿式空冷器就更为有利;机械通风冷却塔的优点是体积小,投资少,占地面积小,施工安装便捷,并能适应气候变化,调节风机运行速度,以防止冻冰;自然通风冷却塔的优点是没有电耗,机械维护工作量小,运行方便,冬季可以用挡风板防冻。

1 空冷技术在辅机冷却系统的应用

空冷系统也称为干式冷却系统,目前国际、国内得到实际应用的电站空冷系统共有三种:a.直接空冷系统(又称 GEA系统或 ACC);b.采用混合式凝汽器的间接空冷系统(又称海勒系统);c.采用表面式凝汽器的间接空冷系统(又称哈蒙系统)。上述 b、c项又称间接空冷系统,与常规湿式冷却方式(简称湿冷系统)的主要区别是,汽轮机排汽(直冷方式)或受热后的冷却水(间冷方式)通过散热器与空气进行热交换,避免了循环冷却水在湿冷塔中直接与空气接触所带来的蒸发、风吹损失以及排污损失。

直接空冷系统是指汽轮机的排汽直接用空气来冷凝,空气与蒸汽间进行热交换,对于辅机冷却系统不适用(汽动给水泵小汽机空冷系统除外)。而间接空冷系统,如自然通风空冷塔作为辅机冷却系统的冷却设备,是辅机空气冷却系统的一种形式,这种空冷塔占地大,初投资高,防冻渡夏能力均不高,因此不推荐采用这种形式。目前,另外一种采用机械通风的空冷塔也可作为辅机冷却系统的冷却设备。

在夏季炎热干旱、相对湿度又较小而又比较缺水的地区,辅机冷却系统可以采用机械通风的空冷系统,但对于辅机冷却系统采用干式冷却器的电站,由于夏季空气温度较高,即使增加空冷器的传热面积,也不可能将冷却介质的温度冷却到所要求的数值。为解决此问题,出现了在炎热干旱地区使用的喷湿式空冷器。

喷湿式空冷器工作特点是在空冷器的入口处,随同空气流,将雾化的水直接喷洒在翅片管的外表面上,使含有水雾的空气流通过翅片管与管内热流体进行换热。

2 冷却设施运行灵活性比较

机械通风空冷系统方案,选用 80台空冷器分 8列布置,每列 10台,两列排在一起,中间留 5m宽走道,占地 55m×60m,每台空冷器配套 1部风机,风机的电机功率为 37 kW。空冷器包含空冷器管束、风机、电机、减速机及支撑钢结构。可通过调节运行台数满足不同季节、不同工况的需要,运行较为灵活,但操作复杂。

自然通风冷却塔,若采用一机一塔方案,辅机冷却水系统运行较为灵活,冬季可采用仅塔外围配水或两个塔一停一运,两塔之间设置了连通沟,以满足冬季可能出现的一塔配水运行,另一塔池内过水(不上塔)的工况。自然通风冷却塔,若采用两机一塔方案,则冬季只能采用停止塔内围配水,仅对外围配水,以增加外围淋水密度的方式防止塔内结冰。

机械通风冷却塔,若采用两段塔方案,辅机冷却水系统运行就较为灵活,可通过控制冷却塔运行段数满足不同季节、不同工况的需要。机械通风冷却塔,若采用三段塔方案,辅机冷却水系统运行更为灵活,可通过控制冷却塔运行段数满足不同季节、不同工况的需要。

3 冷却设施维修对机组运行的影响

若采用机械通风空冷系统方案,检修可在气温不高的春、秋季节某段停运期间进行,或配合主机大修期进行。

若选用湿式冷却塔方案,寒冷地区冷却塔普遍存在塔壁及淋水装置架构混凝土冻胀危害,以及塔内壁防水涂料剥落。当冷却塔内壁检修时,需将塔内填料、除水器及塑料配水管等构件移出,冷却塔需停运。检修和更换淋水填料时,冷却塔需停运。

冷却塔的钢筋混凝土结构受汽、水侵蚀和冻融破坏是冷却塔损坏的主要原因。

冷却塔的筒壁、配水槽、淋水装置架构等混凝土结构物,常年处于蒸汽和水的侵蚀条件下,其中的筒壁和配水槽属薄壁构件,受汽、水侵蚀,混凝土材料中的胶结料 -氢氧化钙和硅铝酸钙渐渐被溶蚀出来,在混凝土表面渗出,形成白色的浆液。寒冷地区的冷却塔普遍存在塔筒和淋水装置支柱、塔筒人字柱以及贮水池上缘混凝土冻胀问题。冷却塔运行 15～20 a后,就要对塔壳体内外壁局部或较大面积进行定期的维修。通常的维修方法是先将酥化松动的表皮混凝土剝落,然后喷高强度水泥砂浆补强。为了防止维修内壁时敲落的混凝土块砸坏配水系统及填料,逆流塔需停止运行并将塔内的配水管、除水器和淋水填料暂时拆除运至塔外;横流塔由于塔筒在淋水填料内侧,塔筒检修对淋水装置和配水系统均无影响。此项维修工作通常在暖季进行,视塔筒大小及维修面积的大小,通常需30～60 d才能完成维修工作。

除上述壳体内壁混凝土表面大修外,壳体内壁的防水涂料通常 5～7 a也需要全面更换 1次。淋水填料支柱和贮水池内壁的混凝土大修需放空水池。淋水填料 10～15 a需进行更换,逆流塔的以上各项大修都需要停塔。如果两机一塔,并采用逆流塔方案,则以上各项大修需同时停运 2台机组,且时间长达 30～60 d甚至更长,对电厂的发电效益影响甚大。

若采用多段机械通风冷却塔,由于机械通风冷却塔的检修工作量较小,工期短则检修可在气温不高的春、秋季节,其中某段停运期间进行,或配合主机大修期进行。

4 冷却设施的冬季防冻问题

寒冷地区的火电厂,冷却设施冬季结冰是影响冷却设施寿命和机组运行安全的问题之一。

4.1 机械通风空冷系统方案

辅机空冷系统在技术理论和实际应用中也是成熟的,所有配套设备均可以国产化,而且这些设备在伊朗、伊拉克等中东国家的电站中有实际应用的例子,夏季高温渡夏应该是没有问题的,但在冬季防冻的问题上,还需进一步研究。

4.2 自然通风冷却塔方案

冬季由于气温低、冷却水温低,如果采用 1台机配 1座逆流式自然通风冷却塔,严寒冬季采取一些相应的防冻措施可基本保持冷却塔不结冰。如果采用两机一塔,即便采取一些常规的防冻措施,也难保证塔内不结冰。因此,从冷却塔冬季防冰冻角度,北方严寒地区也不宜采用 2台机组配 1座逆流式自然通风冷却塔。

4.3 机械通风冷却塔方案

针对该地区所处地理位置及气候条件,冷却塔在冬季运行中存在一定的冰冻隐患,机械通风冷却塔采取以下措施避免该现象的发生:

a.根据环境气温变化可停运 1个塔,或停运其中 1个至全部风机,严寒季节按自然塔方式进行既可防冻,又节约厂用电。

b.在塔壁板内侧设置挡水板,尽量减少塔壁流量。

c.加设防冻管。

d.设计中配水系统主管及支管下部装有喷头以防止停车时管道积水和运行时管道污泥沉淀。

e.冷却塔的上水管亦设有放空阀门和旁通管。

5 投资及运行费用比较

循环冷却水系统的优化计算采用年费用最小法,在技术经济方案比较中,冷却设施征地单价按67.4元 /m2,发电成本按 0.19元/(kW◦h),自然通风冷却塔按 3 800元/m2,机械通风冷却塔按实际发生的设备和混凝土量计算,投资年分摊固定费率按16%计算,电厂机组的年利用小时数按 5 000 h计算(年运行小时数按 7 300 h计算),冷却设施不同配置的比较结果见表 1。

表1 冷却设施不同配置的比较分析

6 结论

a.辅机空冷系统在技术理论是成熟的,所有配套设备均已国产化,并已有实际应用,夏季高温渡夏是没有问题的,但在冬季防冻的问题上,还需进一步研究。另外,辅机空冷系统在北方地区运行经验少,能节省一部分水,但投资高,不推荐采用。

b.机械通风冷却塔的优点是体积小、投资少、占地面积小,施工安装便捷,并能适应气候变化,调节风机运行速度和运行格数,以防止冻冰;自然通风冷却塔的优点是没有电耗,机械维护工作量小,运行方便,冬季可以用挡风板防冻。本期工程从投资、占地、运行费、维修费、运行稳定性及厂区总布置等方面综合分析,推荐采用 2台机组配置两段7.0m风机的机械逆流式冷却塔,每台风机电动机功率为 90 kW。

c.寒冷地区的火电厂,冷却塔冬季结冰是影响冷却塔寿命和机组运行安全的问题之一,应予以重视。应采取在塔壁板内侧设置挡水板、加设防冻管、在冷却塔上水管设置放空阀门和旁通管等必要措施防止冷却塔冬季结冰。

[1] 张文斌.电力工程水务设计手册[M].北京:中国电力出版社,2005.

[2] 许保玖.给水处理理论[M].北京:中国建筑工业出版社,2000.

[3] 江乃昌.水泵及水泵站[M].北京:中国出版建筑工业出版社,1998.

Discussion on the optim ization of auxiliary water-cooling system of the air-cooling unit

LIBo1,WANG Wei2,LIU Gang3
(1.Harbin Power Engineering Company Lim ited,Harbin 150040,China 2.Northeast Institution of Electric Power Design,Changchun 130021,China;3.No.4Daoli Business Subsidiary of Zhongqing Gas Co.,Ltd,Harbin 150010,China)

Based on the two 600 MW coal-fired units in a power plant in the northeast,this paper analyzes and calculates the wetair cooler,the natural draft cooling tower or the mechanical draft cooling tower adop ted by the auxiliary.The life span and operation security of the cooling equipmentwhich is influenced by ice in winter of cold area are analyzed,which provides reference for the design of auxiliary water-cooling system for other projects.

auxiliary;water-cooling system;natural draft cooling tower;mechanical draft cooling tower,westair cooler

TK264.1

A

1002-1663(2010)01-0028-03

2009-10-19

李博(1978-),女,毕业于东北林业大学,助理工程师。

(责任编辑 李世杰)