我国电站空冷技术的发展

陈立军，杨赵辉，邹晓旭，杨善让

(东北电力大学自动化工程学院，吉林吉林132012)

随着中国经济的快速增长，中国的电力工业也得到迅猛发展。在我国电源结构中，资源秉赋决定了火电占绝对优势的地位在今后一段时间内不会发生大的改变。

我国煤炭资源主要分布在东北、华北、西北等北方地区，建设坑口电站，变“输煤为输电”是最佳的选择［1］。然而建设传统的湿冷机组，需要消耗大量的水资源，我国中西部富煤地区同时也是严重缺水地区，水资源短缺已经成为限制发电装机容量提高的主要瓶颈。采用空气冷却的空冷机组的节水效果非常显著，发展空冷技术已成为当前发电厂建设中的一个热门课题［2-5］。截至2010年9月，我国电力装机总容量已经达到9.26亿千瓦，其中火电装机总容量达到了6.86亿千瓦，占总装机容量的74.08%，而空冷机组装机容量达到近85 000 MW，超过火电装机总量的10%，且年新装机的比例不断增加［6］。目前中国空冷机组单机容量和总量均居世界第一位，已经成为了发展空冷技术的中心。

1 电站空冷技术的发展历史

电站空冷技术起源于欧洲，已用于发电厂的有直接空冷和混凝式间接空冷系统(亦称海勒式或混间冷)和表凝式间接空冷系统(亦称哈蒙式或表间冷)三种基本型式。1938年德国GEA公司首先提出直接空冷技术，并应用于德国的一台1.5 MW汽轮机，由此开始了直冷技术的发展;随后匈牙利人海勒(Heiler)于1956年提出混凝式间接空冷系统，1960年用于匈牙利Danube钢厂自备电厂的16 MW机组;1975年比利时人福哥(Forgo)在海勒式空冷系统的基础上提出了表凝式间接空冷系统，并于1977年在南非Grootvlei的200 MW机组上得到应用。至此三种基本型式的空冷全部出现。

直接空冷出现最早，但发展并不顺利，在发电厂中实际很少应用。其主要原因是直接空冷设备投资大，配套机组效率低、煤耗高且当时欧洲有充足的冷却水源，环保要求不高。在20世纪六、七十年代，混间冷得到广泛的应用，一度占到当时总装机容量的73.7%，表间冷也得到较快的发展和应用。直到上世纪90年代，单排管凝汽器(SRC)的研制成功，从而解决了直接空冷管束散热面积不足的问题，使得直接空冷技术在全球获得较大发展，并成为空冷系统的主流，与间冷系统的比例达到6 4。这三种主要方式目前均有应用，仍在继续发展之中，其中以直冷和表间冷为主。

空冷电站总体经济性劣于湿冷电站。为提高空冷系统经济上的竞争力，研究者进行了不懈的努力。提出了包括干湿联合空冷、改进换热表面、采用塑料塔以及周期干冷塔等先进的概念和设计［7］。美国电力研究所(EPRI)提出的相变空冷系统，作为美国电力工业的重大研究课题，在上世纪八十年代进行了为期四年的工业试验，获得了有益的经验和大量的数据［8-10］;文献［11-12］将压缩机和膨胀机引入相变空冷系统，增强了系统的环境适应能力和经济性。但都没有后续工业应用的报道。

南非由于地理气候以及严重缺水的原因，使其成为世界上开发大容量空冷机组的较早、较多的国家之一。上世纪八十年代末和九十年代初分别建成投产了当时世界上最大的直接空冷电站Matimba发电厂(总装机容量6×665 MW机械通风直冷系统，仍是目前规模最大)和Majuba发电厂(3×665 MW自然通风直冷系统);1988～1993年，建成的6×686 MW Kendal发电厂，采用了表面式凝汽器，仍是目前世界上最大表间冷电站。大型空冷电站的投产标志着空冷技术的成熟。

截至目前，全世界空冷电站总装机容量达到1.3亿kW的规模。单机容量最大的分别是中国华电灵武二期1 000 MW超超临界直接空冷机组，南非Kendal电厂的686 MW表间冷机组以及伊朗ARAK和SAHAND的325 MW混间冷机组。从文献资料我们可以看出，国外空冷研究的高峰是上世纪70年代到80年代中期，到1987年Matimba电厂600 MW级的空冷电站投产之后，空冷技术已基本成熟，空冷文献就大大减少了。

2 空冷技术在中国的发展及创新

2.1 我国空冷发展历程

我国最早于上世纪六十年代进行自主研发。1966年哈尔滨工业大学与哈空调联合发起电站空冷技术的试验研究，完成了50 kW实验电站直接空冷系统教学机组。1967年山东胜利炼油厂500 kW工业汽轮机的首台空冷凝汽器，被认为是我国最早的空冷电站应用。

我国大型电站空冷技术的发展始于上世纪八十年代初的技术引进，可以分为引进消化、国产化、创新等三个阶段［13］，1982年开始引进，并于1987年投产的大同二发电是首次引进200 MW级大型空冷系统，标志着我国进入了引进消化阶段，该机组的成功运行是我国空冷发展道路上的一个重要的里程碑，并为海勒系统国产化创造了条件，1993年按引进技术自行制造设计了丰镇电厂4×200 MW机组。1993～1994年，山西太原二电厂(四期)的2×200 MW空冷机组，则是我国第一次采用表凝式间接空冷系统，它标志着我国的空冷系统向多样化发展。2000年以前，空冷机组的总装机容量只有1 600 MW，而且都为间接空冷系统，最大单机容量为200 MW。进入21世纪，2001年我国第1台小型直接空冷机组—山西义望铁合金厂6 000 kW直接空冷机组成功投入运行，为大容量采用直冷积累了经验。2003年首台大型直接空冷(大同云岗发电厂2×200 MW)建成投产。随后直接空冷技术在我国得到了快速发展，同时我国也逐步进入国产化阶段。06年—08年陆续投产的内蒙乌拉山和通辽两个项目国产化率均达80%以上，华能铜川项目拥有完全自主产权。它们的实施初步实现了大型电站空冷系统自主化设计和制造的目标。随后建设的600 MW、1 000 MW级超超临界空冷机组(包括直冷和间冷)则标志着我国进入发展创新阶段。

2004年以前，空冷岛的设计和制造均由国外承包商完成，占据了约90%的市场份额。以哈空调为代表的国内企业在此领域已经形成了自主知识产权和技术体系，能够独立承担大型电站制冷系统的设计和制造，产品达到国际先进水平，打破了国外公司在此领域近70年的垄断局面，使我国成为世界上继美、德之后第三个全面掌握此项技术的国家。

截至2009年底，发改委核准空冷装机容量近85 000 MW，装机容量近 78 000 MW，订货超过100 000 MW。在建或准备建设的1 000 MW超超临界超过10台。无论是空冷技术的发展还是单机、总装机容量都远远超过世界任何国家，同时也拥有一只技术力量强，人员众多的技术专家队伍。

图1 未来5年的空冷新装机容量、所占比重和MW单价

据《2010年中国电力空冷行业发展报告》［6］提供的数据，可以预测未来5年的空冷新装机容量和所占比重不断上升，MW单价则不断下降，如图1所示。

2.2 我国空冷技术的发展创新

目前国内的相关研究，集中在基于经济分析的机组型式选择、设计参数确定以及运行中问题的影响因素分析、对策研究，空冷系统优化等方面［14-20］，并在以下几个方面取得了丰硕的成果。

(1)向大容量、高参数发展。凭借1 000 MW超超临界湿冷机组和600 MW亚临界、超临界空冷机组的设计、制造、安装的经验，在国际上率先研制成功1 000 MW超超临界空冷机组，2010年底华电灵武电厂二期1 000 MW超超临界直接空冷机组是世界首台百万千瓦空冷机组，标志着世界电站空冷技术已进入百万空冷时代，中国空冷技术已经达到世界先进水平［21］。

(2)优化间冷系统由华北电力设计院和大唐阳城电厂开发的SCAL(SurfaceCondenser Aluminium exchangers)间接空冷系统，兼有两种间接空冷系统优点，是一种优化型的空冷系统，2007年首先应用于大唐阳城电厂二期2×600 MW间接空冷机组，取得了良好的运行效果［22，23］。

(3)复合循环间接空冷系统由东北电力大学和东北电力设计院开发的复合循环间接空冷系统，拥有直接空冷和间接空冷系统所具有的优点。理论分析与模拟计算表明该系统具有高节水率、与湿冷机组相近的发电煤耗、环境适应能力强、能实现全年满发、无冻害等优势［24］。

3 高速发展的原因分析

从引进空冷技术短短的近30年的发展，我国电站空冷技术的高速发展，得益于以下一系列原因。

3.1 能源分布格局是外部因素

与世界大多数国家相比，“富煤、贫油、少气”的现实，决定了我国在未来30年至50年内，以煤为主的能源结构不会发生根本性改变。我国煤炭资源主要分布在东北、华北、西北等北方地区，其中晋、陕、蒙3省(区)的预测煤炭资源量占全国煤炭资源总量的83.9%。而我国中西部富煤地区同时也是严重缺水地区，煤炭资源和水资源分布的不均衡是我国发展电站空冷技术的外部因素。

3.2 政策支持提供了发展动力

(1)坚持走引进、消化、创新的思路。从最初的自主发展到混间冷、表间冷的引进完成自主设计生产间接空冷系统，由合作设计建设直接空冷完成自主知识产权的直接空冷技术;

(2)加大政策支持力度。从“八五”到“十二五”的连续五个五年计划中，都将电站空冷技术作为攻关项目列入，使得空冷系统的设计、生产制造能力大大增强;

(3)严格限制用水推进空冷发展。国家对电站建设用水作出了严格的限制，要求在干旱地区新建和扩建机组，原则上应建设大型空冷机组，空冷几乎成了北方火力电站的唯一选择。

3.3 基础建设提供了发展条件

西电东送是西部大开发的标志性工程之一，国家批准13个大型煤炭基地，然而这13个煤炭基地，位于我国广大的中部和西部普遍缺水，必将集中建设大型燃煤空冷电站群，实施西电东送。据有关规划，到2020年华北—华中—华东形成特高压联网，也为电站空冷空冷技术的发展提供了有力条件。

此外国内企业在此领域已经形成了自主知识产权和技术体系，使我国成为世界上继美、德之后第三个全面掌握此项技术的国家。自此，大大降低了电厂建设的投资成本，为空冷技术的大范围推广创造了条件。学术交流活跃，成立了空冷专委会，定期召开空冷技术研讨会，促进空冷技术的发展创新。

4 存在问题及发展趋势

4.1 存在问题

我国空冷技术的研究还滞后于空冷技术的应用，在空冷技术的发展中还有许多问题需要解决。主要是技术标准问题、空冷机组真空系统的严密性问题、冬季防冻问题、夏季高背压运行问题和设计规范等问题［6］。在空冷装机容量迅速发展的同时，我国尚未制定出空冷技术、空冷系统、空冷机组等设计、实验、维护等系列标准，缺乏电站空冷系统设计、安装、检修维护等行业或国家标准。相比国外技术标准比较全面，我国还是一片空白。亟待建立标准，更好地指导今后的发展。

4.2 发展趋势

(1)多种空冷型式继续完善，向大容量高参数发展。空冷机组在节水的同时增加了煤耗，为更好地实现节能减排，应采用超临界或超超临界参数机组;直接空冷机组不能改变其夏季运行背压高、变化幅度大、一般不能满发、环境适应能力差等固有缺陷，超(超)临界间接空冷机组也是未来空冷机组发展的方向之一;干/湿并列联合冷却系统，综合空冷和湿冷的优点，有一定的发展趋势;复合循环间接空冷技术作为一种全新的技术还有待于进一步的试验和理论研究;

(2)应用地域和领域不断扩展。随着用水费用的不断提高，空冷的经济性逊于水冷的局面也会重大改变，空冷在南方地区的推广也是可以期待的。空冷系统的应用范围在日益扩大，可用于包括垃圾发电、太阳能热发电、核电、联合循环发电等等的应用。

(3)空冷电站的初始投资成本和运行费用不断降低。越来越多的电站设备厂商对空冷设备的研发和创新，改进设备制造工艺，进一步降低设备成本，同时增加空冷机组的效率，降低成本和运行费用，形成空冷电站发展的良性循环。

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