蒸发式冷凝器在12 MW凝汽发电机组中的应用

景玉国

(河北凯跃化工集团有限公司 河北文安065801)

1 凝汽器的种类及其优缺点

1.1 水冷凝汽器

1.1.1 水流程

由循环水泵从凉水塔送来的具有一定压力的冷却水流经换热器冷却水管，把蒸汽在换热器内凝结为水时放出的热量带走，凝结水从凝汽器底部通过凝结水泵抽出，回收到锅炉或蒸汽发生器使用；吸收热量的冷却水返回到凉水塔降温,循环使用。

1.1.2 结构形式

大型水冷凝汽发电机组一般配置自然通风凉水塔，凉水塔不设冷却风机。因自然通风凉水塔占地面积及投资都很大，小型水冷凝汽发电机组一般配置强制通风凉水塔，凉水塔设置冷却风机。凝汽换热器的结构形式一般采用列管式，冷却水用量一般占发电机组总循环冷却水量的80%左右。

1.1.3 优缺点

优点：技术成熟、发电负荷稳定、故障率较低。

缺点：冷却水循环量大、冷却水消耗量高。大型自然通风凉水塔冷却水消耗量在0.005～0.007 t/(kW·h)；小型机组设置强制风冷凉水塔，因飘水率高，导致冷却水消耗量较高(一般在0.007～0.012 t/(kW·h)；循环水泵扬程高、能耗高；列管式凝汽换热器容易出现结垢、堵塞、腐蚀、泄漏等问题，使用寿命短；对循环水质的管理要求严格。

1.1.4 12 MW水冷凝汽发电机组主要配置及运行指标

12 MW水冷凝汽发电机组循环冷却水量3 200～3 600 m3/h，循环水泵扬程40～60 m，循环水泵功率400～500 kW，凝汽换热器换热面积1 000～1 200 m2。若采用强制通风凉水塔，还需增加冷却风机的功率100～150 kW；设计乏汽压力5～6 kPa，实际运行压力10～15 kPa，实际发电汽耗4.7～4.9 kg/(kW·h)。按年运行300 d、发电负荷10 MW，机组耗电量(包括循环水泵、冷却风机、凝结水泵及抽气器)为自发电量的4.5%～5.5%，年耗水量500～850 kt。

1.2 空冷凝汽器

1.2.1 结构形式

空冷凝汽器的结构形式主要分为直接空冷、间接空冷、干湿联合空冷等，其中以直接空冷技术发展最为迅速。

1.2.2 优缺点

直接空冷结构的空冷凝汽器具有投资小、占地面积小，且不受水资源限制的优点。我国北方地区四季分明，部分地区富煤缺水，冬季气温通常在-10～-40 ℃，有利于空冷发电机组的经济运行，但夏季气温也在30 ℃以上，空冷发电机组很难实现满负荷运行。

缺点：①换热效率低；②运行的稳定性及安全性较差；③操作及管理难度大，空冷发电机组真空系统庞大，操作及管理复杂，冬季防冻性能差，易发生冻结事故；④投资大，运行费用高；⑤发电能耗较高。

1.2.3 12 MW空冷凝汽发电机组主要配置及运行指标

12 MW空冷凝汽发电机组配置的空冷换热器的换热面积60 000～70 000 m2，空冷冷却风机功率300～500 kW，循环冷却水量400～600 m3/h，循环冷却水系统功率100～150 kW；设计乏汽压力15～17 kPa，冬季运行时可达到设计值，夏季气温高时，实际乏汽压力40～50 kPa；实际发电汽耗5.0～5.5 kg/(kW·h)。按年运行300 d、发电负荷10 MW、机组耗电量(包括空冷风机、循环水系统、凝结水泵及抽气器等)为自发电量5.0%～6.0%计，年耗水量100～200 kt。

2 蒸发式冷凝器的引入及应用

河北凯跃化工集团有限公司(以下简称凯跃公司)是以生产合成氨、甲醇、甲醛、二甲醚等产品为主的综合性化工企业，将废热综合利用、热电联产作为主要改造措施。2009年之前，凯跃公司先后增加了2台6 MW背压发电机组。背压发电机组只能根据用汽装置的蒸汽用量来调节，在产汽量大于用汽量时，背压发电机组无法调节，只能将背压后多余的蒸汽排空处理，造成了极大的浪费。为了解决多余蒸汽排空和电力不足的问题，凯跃公司于2010年至2012年间新增了6 MW和12 MW 凝汽及抽凝发电机组各1台。

2.1 蒸发式冷凝器应用于凝汽发电的背景

凯跃公司地处河北中北部，年平均气温12～15 ℃、四季分明，极端最高气温40～42 ℃、最低气温-15～-20 ℃，属于水资源较为缺乏的地区。根据需要，新增机组需采用凝汽或抽凝发电机组，解决生产上多余蒸汽排空的问题，同时增加电力供应；凝汽必然要涉及乏汽冷凝的问题。

经对现有的水冷和空冷发电机组进行分析、比较，得出的结论：这2种类型机组都存在一定的问题和缺陷，均不适合凯跃公司的实际状况。水冷发电机组冷却水消耗太多、需新建凉水塔等设施，占地面积太大，而凯跃公司水资源较为紧张，同时还受到场地限制，没有建设凉水塔的空间；空冷发电机组虽然冷却水消耗低、占地面积小，但夏季气温高时发电效率太低、经济性太差，同时投资又太高。故以选择耗水量较低、发电效率较高、占地面积不大、投资较低的凝汽设备较为理想。

2.2 蒸发式冷凝器的选用

凯跃公司自2007年起先后在合成氨、甲醇、甲醛、二甲醚等装置上使用蒸发式冷凝器设备50余台(套)代替原有的凉水塔。蒸发式冷凝器具有换热效率高、耗水量低、结构紧凑、占地面积小的特点，适用于清洁介质的冷却和冷凝，汽轮机出口的乏汽非常清洁、不会堵塞蒸发式冷凝器的换热管道。

2009年底开始筹备新增发电机组事宜。经分析认为：蒸发式冷凝器与现有的水冷和空冷凝汽器相比具有一定的优势，决定购买1台6 MW二手凝汽发电机组，利用闲置的1台6 MW背压发电机组，用蒸发式冷凝器代替凝汽器，进行一次试验性尝试。洛阳隆华传热科技股份有限公司承担了蒸发式冷凝器的设计制造，项目总投资约700万元。2010年初开工。2011年初投入试运行，因旧发电机组故障率较高，运行不太稳定，但获得了一些有益的数据。在此基础上，2011年初，又新增1台12 MW抽凝发电机组，同样采用蒸发式冷凝器代替凝汽器。项目于2011年1月29日开工；2012年3月23日调试合格投入试运行。项目总投资约1 900万元，包括发电机组、土建厂房、配套蒸发式冷凝器及设计、安装、电器仪表等费用。

2.3 配置情况

蒸发式冷凝器分2组配置(4台1组)，每组设12台冷却风机，单台风机功率18.5 kW；设置3台循环冷却水泵(开2备1)，单台水泵功率55 kW、流量984 m3/h、扬程14 m。

蒸发式冷凝器位置紧靠汽轮机厂房布置，2组蒸发式冷凝器之间留6 m左右的空间，布置3台循环水泵，蒸发式冷凝器及循环水泵总占地面积720 m2。

2.4 装置运行情况

2012年3月投入试运行，自2012年4月至今已累计运行1年多，运行稳定；2013年1月至2月，因后续用电装置停产而停运；2012年4月至2013年6月共运行13个月，全部按全凝模式运行。

2.4.1 主要运行指标

(1)主要运行工艺指标：汽轮机的进汽压力3.4～3.5 MPa，乏汽温度52～60 ℃，乏汽压力 8～12 kPa(绝压)，凝水温度45～48 ℃。

(2)冷却风机运行数量：根据环境温度变化以满足排气(乏汽)压力、凝水温度指标为前提，增减冷却风机的运行台数。机组发电负荷80%左右、冬季环境温度0 ℃以下，开8～12台冷却风机；春、秋季环境温度20 ℃以下，开12～17台冷却风机；夏季环境温度30 ℃以上，需开19～22台冷却风机。

(3)循环水泵的运行：常开2台循环水泵，运行负荷80%左右，循环水泵的运行负荷一般固定不变，主要调节冷却风机的运行台数。

2.4.2 发电量及主要消耗指标(2012年4月至2013年6月)

(1)发电量：累计发电量7 770 000 kW·h，月有效运行28 d，平均小时发电负荷8 900 kW，发电负荷以满足后续用电设备的需要为主，发电量受环境气温的影响很小。

(2)发电汽耗：累计耗蒸汽量357 467 t，平均发电汽耗4.599 kg/(kW·h)；冬季和夏季发电汽耗没有明显差异。

(3)冷却水消耗量：累计耗冷却水量约300 kt，单耗约0.003 9 t/(kW·h)，冬季和夏季冷却水消耗量相差很大(夏季约为冬季的1.5～2.0倍)。

(4)机组自耗电量：机组自耗累计耗电量没有单独计量，估计为自发电量的4%～5%；2013年 5月开始单独计量，计量结果约为自发电量的5%。冬季和夏季自耗电量相差也很大，冬季自耗电量为夏季的60%～70%，主要原因为冬季冷却风机开的台数较少。

(5)夏季运行情况：进入2013年6月中、下旬，气温明显升高；2013年6月14日至30日，环境温度24～37 ℃，累计17 d发电量3 781 500 kW·h，平均小时发电负荷9 268 kW；累计耗蒸汽量17 178 t、平均发电汽耗4.543 kg/(kW·h)；累计耗水量17 174 t，平均单耗0.004 54 t/(kW·h)；累计自耗电量199 100 kW·h，占自发电量的5.27%。

3 蒸发式冷凝器使用注意事项

蒸发式冷凝器对水质的管理要求相对于水冷机组来说不是很严格，但根据蒸发式冷凝器的结构特点，换热管一般横向布置，且排布得较为密集，换热管间的缝隙较小，在使用过程中，以下几个方面的问题需要引起重视。

(1)蒸发式冷凝器的制造应选择可靠的厂家承揽，材料的选取、结构的设计及制造质量的控制对蒸发式冷凝器的使用寿命和使用效果起着决定性作用。

(2)循环冷却水的管理仍需加强，主要在防止腐蚀、结垢和堵塞等方面。循环冷却水中的Cl-质量浓度应严格控制在<700 mg/L，以减轻对设备的腐蚀；冷却水及冷却空气的分布应均匀，杜绝局部死区，以减轻换热管的氧腐蚀。

(3)系统应尽可能相对封闭运行，避免杂物进入循环水中或通过风机带入一些杂物堵塞喷头或换热管缝隙，造成冷却空气或冷却水偏流；同时应加强检查，出现堵塞、偏流等问题应及时发现并处理。

(4)应注意飘水问题，飘水会导致冷却水消耗大幅度上升、收水器错位及变形等都会导致飘水率提高。

4 结语

蒸发式冷凝器用于凝汽发电机组，与水冷、空冷技术相比，都具有明显的优势。与水冷机组相比，具有显著的节水效果；与空冷机组相比，具有明显的节能优势，适宜在我国中北部及以南地区的大、中、小型凝汽发电机组推广应用；因蒸发式冷凝器投资较低、占地面积小，特别适用于老企业中、小型凝汽机组节能改造；但在高寒及严重缺水地区不宜选用。