空冷凝汽系统尖峰冷却装置应用现状

赵维忠

（神华国能神东电力技术研究院，陕西西安 710004）

随着我国经济的飞速增长，我国的火电事业也在迅速地发展。由于火电电厂对自然资源的依赖，在我国的东北、华北、西北等北方地区，采用“输煤为电”是最佳的发电选择。然而采用传统的湿冷冷凝系统，在北方地区水资源比较匮乏的地区应用前景受限，因此，空冷凝汽系统在北方火力电厂中的应用是一个重要的应用方式。以300 MW发电机组为例，若采用水冷方式1 a的耗水量约为1400万t，空冷凝汽系统则只需要200万t。对于大型电站，若采用空冷技术要比采用水冷技术节水3/4以上[1-3]。

目前在投入使用的空冷凝汽系统中，部分地区对当地煤碳资源以及气候条件考虑不足，往往设计空冷凝汽器散热面积较小，而夏季运行工况正处于电网迎峰度夏高负荷运行时期，也正是环境温度最高的时段。因此，机组在夏季高温环境时运行出现高背压、限负荷等运行状态。在这种运行情况下，一旦出现大风及热风天气时，可能会导致机组停机或者其他不可估量的后果。因此，在我国大多电厂采用尖峰冷却装置来缓解度夏困难的问题[4]。

本文就目前国内部分采用尖峰冷却系统工程的运行情况进行介绍，提出新型空冷尖峰冷却装置原理，为相关技术人员提供技术改造参考思路。

1 国内外火力发电厂空冷凝汽系统发展历程、发展趋势及运行出现的问题

1.1 发展历程

1920年，直接空冷凝汽系统由德国GEA公司的哈帕博士（Dr.Happel）发明，并成功地应用于工业；1938年，第一台2.3 MW凝汽器式汽轮机的直接空冷机组在德国鲁尔工业区自备电站投运；1958年，第一座装有直接空冷凝汽器的公用电站——意大利Pwrugia附近的2×36 MW的“City di Roma”电厂投入运行；1987—1988年，在大同第二发电厂2×200 MW混合式间接空冷国产机组投入运行，为我国空冷事业的发展奠定了基础；1988—1993年，南非肯达尔6×686 MW表面式凝汽器间接空冷相继投产；1995年，内蒙古丰镇发电厂4×200 MW海勒式间接空冷机组投入运行，这是我国首次自行设计和采用国产设备的空冷电厂；2001年，由我国自行设计、制造、安装的首台600 MW的空冷机组，在山西交城义望铁合金厂自备电厂建成投产。

近年来，我国空冷机组得到了突飞猛进的发展，大批大容量机组相继投产运行，相关设备和技术也在逐渐成熟。通过国家“十五”863计划的支持，国内三大汽轮机制造商已经形成了具有自己特色的超超临界百万千瓦湿冷汽轮机技术。截止2009年底，发改委核准空冷装机容量近85000 MW，装机容量近78000 MW，订货超过100000 MW，在建或准备建设的1000 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，同时也拥有一支技术力量强，人员众多的技术专家队伍。相关学者根据《2010年中国电力空冷行业发展报告》提供的数据，提出了2010—2015年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[4]。

图1 2010—2015年空冷新装机容量、所占比重和单价Fig.1 Proportion and unit price of the new installed air cooling capacity in 2010—2015

1.2 发展趋势

随着空冷技术的不断发展，在应用领域上，除了燃煤火力发电厂外，电站空冷技术已扩大到燃气-蒸汽循环电站、垃圾电站、工业企业自备电站、太阳能热发电、核电等领域。

从气候条件上来讲，不仅适用于水资源匮乏的三北地区，也适用于我国南方的一些水资源充沛的地区；不仅适用于炎热地区，也适用于寒冷地区。

从电站投资运行费用方面，随着空冷技术的不断改进，建设电站的投资费用也将越来越低，为一些新技术的研发提供了很好的投资条件，也为空冷凝汽系统的优化提供技术支持。

多种空冷形式并存，大容量高参数发展，将是今后电站建设的重要方向。为节约自然资源，综合采用干冷、蒸发冷、湿冷的技术特点，将空冷新技术应用于发电系统中，将是今后的一种发展趋势[5-8]。

1.3 空冷凝汽系统运行出现的问题

目前设计的空冷凝汽系统中，根据相关实际运行考察发现存在以下几项主要问题：

1）空冷机组标准。

2）空冷机组的真空系统严密性。

3）空冷凝汽系统的冬季防冻。

4）空冷机组夏季背压高。

5）空冷岛设计、安装中存在问题。

在今后空冷凝汽系统的设计、运行和安装过程中应重点考虑以上几点问题，保证空冷凝汽系统安全经济运行。

2 尖峰冷却装置工程应用现状

针对空冷凝汽系统运行出现的问题，目前采用较多的形式为蒸发冷却技术方案，即喷雾降温尖峰冷却系统与蒸发式冷凝器尖峰冷却系统。两者均采用蒸发冷却技术原理，利用水蒸发潜热带走热量，达到在高温环境下空气温度的降低。结合相关研究人员所总结的部分实际工程应用情况介绍如下。

2.1 喷雾降温尖峰冷却工程应用

2.1.1 云冈热电2×200 MW直接空冷凝汽系统应用尖峰冷却装置

该电厂2台机组的空冷凝汽器由12根直径为3.6 m的钢筋混凝土柱和钢平台支撑在主厂房A列。钢平台顶面标高约为34 m。

采用在2台机组凝结水泵房内的除盐水补水管道上，开孔安装管道升压泵，将除盐水升压后排向空冷岛，经布置在风机室内的管道和雾化喷头将水排出，冷却风机出口风温。

如图2所示，在空冷散热单元下部设置喷雾管道，除盐水经过高压泵加压后输送到布置在空冷平台的风机出口和散热器入口之间的雾化喷嘴，冷却空冷散热单元内部空气温度，然后将降温后的湿空气送到空冷散热器，以提高空冷岛的换热效率。

图2 系统原理图Fig.2 System diagram

相关研究人员通过对该喷雾降温系统的模拟研究，得出采用该尖峰冷却装置前后的效果，定量地分析雾化前后整个计算区域的温度变化情况，将主要温度分布范围划分为以下几个区间：307 K以下，307~315 K，315~320 K，320~325 K，325~330 K，330~335 K，335~340 K，340 K以上。雾化前后各温度区间所占百分比如图3所示。

图3 各温度区间所占百分比图Fig.3 The percentage of each temperature range

如图3所示，由空冷散热单元内部温度分布情况和统计结果可以看出，在雾化核心区域，水雾滴与空气进行较强烈的热湿交换后，能明显降低空气的温度，幅度大约为5℃。

2.1.2 大唐彬长电厂600 MW直接空冷凝汽系统应用尖峰冷却装置

对大唐彬长电厂直接空冷机组采用喷雾降温尖峰冷却系统进行了试验，该尖峰冷却装置采用不锈钢喷淋喷嘴设于空冷风机和散热管束之间，利用喷嘴喷出的水雾对散热器入口处空气进行冷却，从而提高空气湿度，降低空气温度，达到提高空冷凝汽器换热效果、提高机组运行真空的目的[9]。改造布置如图4所示。

图4 喷雾尖峰冷却改造布置情况Fig.4 The arrangement of the technical innovation for the spray peak cooling system

该系统针对机组在600 MW、550 MW、500 MW的运行状态先下进行喷淋试验。试验数据统计情况如图5-7所示。

图5 600 MW下不同环境温度对背压的影响Fig.5 Impacts of different environmental temperatures on the back pressure under 600 MW

图6 550 MW下不同环境温度对背压的影响Fig.6 Impacts of different environmental temperatures on the back pressure under 550 MW

根据喷淋降温尖峰冷却装置运行统计性能，运行效果如下:

1）在环境温度28℃左右，600 MW负荷下，投运喷淋降温可使机组真空提高4.9 kPa。

图7 500 MW下不同环境温度对背压的影响Fig.7 Impacts of different environmental temperatures on the back pressure under 500 MW

2）在环境温度30℃，550 MW负荷下，投运喷淋降温后，如果长时间运行使机组真空提高5.1 kPa。

3）在环境温度30℃，500 MW负荷下，投运喷淋降温后，机组真空提高3.3 kPa。

4）不同环境温度和负荷下，喷淋降温尖峰冷却装置运行效果可为机组真空平均提高4.33 kPa[11-12]。

2.2 蒸发式冷凝器尖峰冷却工程应用

宁夏鸳鸯湖电厂2×600 MW直接空冷机组工程。该工程采用直接空冷凝汽系统，采用56台轴流风机，空冷凝汽器换热面积为1678321 m2，散热器采用单排蛇形铝翅片大直径椭圆管，设计排气量为1338.3 m3/h。由于设计面积不足及运行管理不善等原因，造成实际运行中室外环境温度在27℃左右时，直接空冷效果不佳，系统背压较高，凝气温度较高，机组不能满发运行。

采用蒸发式冷凝器在分流部分汽轮机乏汽进行冷凝，提高在高温时段蒸汽冷凝效果，保证在夏季高温时段汽轮机发电机组满负荷运行。

参考经过改造后实际运行测试效果来看，在夏季高温时段投运蒸发式冷您器，保证了直接空冷机组基本可以满出力运行，投运后凝水温度全年统计超过65℃时间不超过20 h，环境温度在23~36℃时运行，背压降的加权平均为8.83 kPa。按照电厂实际蒸发式冷凝器运行时间及标煤价格煤耗差等数据计算，详细节能效益见表1。

表1 蒸发式冷凝器运行节能效益Tab.1 The energy-saving effect of the evaporative condenser

从表1中的节能效果来看，在该电厂直接空冷凝汽系统中采用蒸发式冷凝器分流部分乏汽进行冷凝的蒸发冷却技术应用形式，保证了电厂空冷机组安全经济性运行，节能效果较为明显[13]。

3 新型蒸发冷却器尖峰冷却装置原理

通过实际工程的检验，蒸发冷却技术形式在空冷凝汽系统尖峰冷却装置中应用节能降耗、环保节水效果较为明显，但目前采用的多尖峰冷却装置均应用于直接空冷机组中，对于间接空冷的尖峰冷却并没有太多的解决方案。

针对蒸发冷却技术的特点，蒸发冷却技术利用水蒸发吸热制取冷风或冷水的技术，具有环保、节能等优势。可分为直接蒸发冷却（DEC）和间接蒸发冷却（IEC）。相关研究人员采用的间接-直接复合的蒸发冷却技术制取较低温度的冷水，其出水温度理论上可以达到冷却空气的亚湿球温度（湿球温度以下，露点温度以上），逼近其露点温度。

在我国西北的干燥地区夏季气温高，干湿球温差大，“干空气能”丰富，作为蒸发冷却技术，最大特点是高效、节水、低碳，在该地区可充分利用干空气能。采用直接和间接蒸发冷却方式获得亚湿球温度的冷水，如图8所示。为蒸发冷却冷水机组制取冷风/冷水焓湿图，如图9为该机组的原理图，通过间接-直接蒸发冷却技术处理的循环水出水温度介于室外空气的湿球温度与露点温度之间，其温度低于室外空气的湿球温度，把这种状态的温度定义为亚湿球温度。

图8 间接-直接复合蒸发冷却技术制取冷风/冷水焓湿图Fig.8 The air cooling/water h-d figure obtained by using the direct/indirect composite evaporative cooling technology

该机组的工作原理：室外空气一部分经过立管式间接蒸发冷却段管外，称为一次空气；另一部分由立管下部进入立管管内，称为二次空气。管内的二次空气与上部布水器淋入管内壁的淋水进行热湿交换，管内壁水分汽化蒸发，带走附着在管内壁的水膜温度，进而冷却管外一次空气，管外空气不与淋水进行接触换热。因此此一次空气冷却过程为等湿降温过程，经过等湿降温后的一次空气在机组填料中与上部淋水进行热湿交换，一次空气等焓加湿降温，淋水温度逼近预冷后一次空气湿球温度，称此时的水温为“亚湿球温度”。降温后的循环冷却水落入到水箱中，通过水泵送到机组上部布水器处，在闭式换热盘管外进行喷淋，通过与填料等焓加湿降温处理后的空气和亚湿球温度的循环冷却水在闭式换热盘管外进行热湿交换，冷却闭式盘管内的循环除盐水。理论上可以将管内的循环除盐水冷却至接近亚湿球温度的冷水。

图9 闭式蒸发冷却冷水机组原理图Fig.9 The principle diagram of the closed evaporative cooling water chiller

针对目前间接空冷凝汽系统的循环水，由于循环水水温较高，为防止结垢能对换热器换热性能的影响，故目前采用除盐水进行循环。因此，若采用蒸发冷却冷水机组对循环水进行处理，必须采用闭式循环冷却，进而达到对间冷系统循环水降温的目的[14-15]。

4 结论

1）尖峰冷却装置的应用，给目前正在进行的空冷凝汽系统项目设计人员提出了要求，在设计同时应考虑当地夏季高温环境对空冷凝汽系统的影响。

2）对于一些已经投运的空冷项目，为保证发电机组在夏季高温环境中安全、高效运行，采用尖峰冷却装置很有必要。

3）采用哪一类尖峰冷却形式，应先根据当地气候条件，优先使用蒸发冷却的尖峰冷却装置，再进行详细的经济效益对比，采用合适的系统形式，以充分发挥当地自然资源。

4）蒸发冷却冷水机组的结构原理，能够更大效率地发挥蒸发冷却技术的优势，在电力、石化、等行业具有广泛的应用前景。

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