直接空冷式发电机组在自备电站中的应用

马 达 中石化洛阳工程有限公司 洛阳 471003

空冷器作为大型汽轮发电机组凝汽设备，在缺水国家及地区已经得到了广泛的应用，积累了较多的设计、制造与运行经验。

我国许多工厂自备电站，目前仍普遍以水冷器作为凝汽设备。随着缺水地区水资源供需矛盾愈显突出，选择空冷机组来代替水冷机组，越来越被企业重视。

1 直接空冷机组技术特点与应用条件

1.1 概述

采用空气带走凝汽器废热的汽轮机称为空冷汽轮机，与常规湿冷凝汽器的汽轮机不同之处在于:配用空冷形成的背压高、变化幅度大且频繁。因此，对汽轮机设计与运行提出了一系列要求。

空冷系统可分为直接空冷系统与间接空冷系统两大类。后者根据凝汽器形式的不同又可分为海勒系统与哈蒙系统两类。

直接空冷机组的空冷凝汽器采用机械通风直接空冷凝汽器(ACC)系统，它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，以达到冷却目的。直接空冷机组汽轮机排汽由大口径管道引至布置在汽轮机房外的体积庞大的空气凝汽器，被直接冷却凝结成水。为了加强冷却效果，一般在空气凝汽器下面装有大直径风扇，对空气凝汽器进行强制冷却。与间接空冷机组比较，直冷机组的冷却效率较高，形成的背压较低，系统比较简单。投资较低，防冻性能容易从系统设计上得到保证。其缺点是真空容积庞大，启动时抽真空时间长，漏入空气的几率大，风扇耗功大。

直接空冷机组简图见图1。

1.2 直接空冷技术特点

图1 直接空冷机组简图

其特点:①直接空冷的空冷散热器表面积大，体积庞大，重量大，故该部分投资较高;②减少循环水耗量，节约用水，降低冷却水源工程的投资费用;③废水可以达到对外零排放的要求，对保护当地的水体环境有很大益处;④与间接空冷相比，占地面积小，设备少，系统简单，冷却效率高，防冻性能好，更适应劣气候条件。

1.3 直接空冷机组在工厂自备电站中的适宜条件

目前，化工等高耗能、耗水行业的节能减排要求更加严格，水耗也作为其中一项重点指标倍受关注，直接空冷技术由于其系统简单、大量节水的特点，因而具有显著的社会效益和环境效益。直接空冷机组虽然发电效率偏低，但是综合比较优势更明显，粗略估算，在水价超过3 ～4 元的地区，综合运行费用低于水冷机组，是一种合理的技术方案。

2 直冷机组在项目中的应用

2.1 项目概况

某炼油厂所在的地区属西北大陆干旱性气候，冬季寒冷，夏季干燥，冬夏、昼夜温差悬殊，水资源严重匮乏且水质较恶劣。另外，现有循环水场也不能满足新建自备电站的冷却水用量要求，因而该自备电站采用直接空冷技术作为机组冷却方案。

2.2 技术方案简介

该机组直接空冷凝汽器采用三角形结构斜顶式布置，冷却单元配置有顺流管束和逆流管束。直接空冷系统中大部分的蒸汽在顺流管束中被冷凝，剩余的小部分蒸汽再通过逆流管束被冷凝。在逆流管束的顶部设有抽真空系统。变频调速风机实现变风量调节。空冷机组结构示意见图2。

图2 空冷单元结构

2.3 性能参数

该机组所处自然条件及汽轮机排汽参数、直冷凝汽器选型参数见表1。

表1 18MW 中压抽汽式汽轮机空冷凝汽器主要参数表

2.4 直冷机组平面布置

空冷器单列布置在汽轮机厂房除氧间顶部，既可满足空冷机组安装高度的要求，又可达到节约用地、减少土建工程量、缩短管道行程的目的，风机及驱动装置安装在凝汽器平台风机桥上，空冷器平台标高为33m。

2.5 汽轮机排汽管道

排汽管道作为空冷机组重要的系统和部件，其管线布置是否合理，强度是否满足设计和使用要求，直接关系到动力站运行的可靠性和安全性。汽轮机排气管道为DN2200，其直径大、壁薄、外压真空管道的特点与常规汽水管道不同，采用CAESARII 对排气管道整体进行应力分析，验证管道布局，确定管道材料、管径、壁厚及加固肋的形式。

3 设计工作中需考虑的问题

3.1 关于直接空冷机组中的抽真空系统

射水抽气器、射汽抽气器和水环真空泵都是汽轮机凝汽器抽空气系统中常用的设备。

该直冷机组真空系统庞大，可能造成泄漏的地方较常规机组多，背压变化范围较宽，与之配套的抽气设备应具有抽气量大、适应范围广的特点。水环真空泵综合性能较好，是抽真空系统的首选。

3.2 空冷器的热回流问题

空冷器的热回流是指空冷器排出的热气流，在某些特定的条件下被风机吸入，提高了进入空冷器冷空气的温度，导致空冷器冷却能力的下降。热回流是直接空冷系统正常运行的一大危害，在设计中应予以足够的重视。比如空冷器的总布置方位与主导风向的角度问题、适当设置挡风墙等等。

3.3 背压高且冬夏变化范围大

该项目气候特点决定汽轮机背压变化范围为一般在5 ～50kPa，这就要求汽轮机必须能适应较宽背压范围，尤其是高背压工况下能可靠工作，因此汽轮机末级叶片需特殊设计制造。另外，在夏季可向汽轮机后汽缸喷水，以达到减温的效果。

3.4 沙尘的影响

西北地区沙尘较大，易在翅片管上聚集，增加传热热阻，严重时还会堵塞冷却空气通道，导致凝汽器传热性能急剧恶化，机组运行经济性变差。

为了防止沙尘影响散热效果、磨蚀凝汽器，该机组设置了清洗系统，采用除盐水作为清洗水，定期对空冷凝汽器进行外部清洗。清洗会用掉少量水，但从保证机组运行可靠性的角度考虑，仍是合理的。

另外，需研究积灰对汽轮机背压的影响规律，从而合理确定空冷凝汽器的清洗周期，保证机组的安全经济运行。

3.5 防冻保护

西北地区冬夏两季气温相差很大，空冷机组受气温的影响较大。直接空冷机组采用鼓风式机械通风，而且以高架式布置呈“A 字型”暴露在大气环境中，在冬季低温时，凝汽器诸翅片管内的饱和蒸汽等温冷凝段缩短，凝结水冷凝段增加，过冷度增大。若气温继续下降到一定限度，翅片管内易出现冻结现象。轻者会使传热性能大幅降低，重者管束被冰块堵塞、真空下降，被迫停机。所以对在西北等寒冷地区的直接空冷机组的防冻问题应引起足够的重视。

通常情况下，直冷机组顺流单元通过检测环境温度及凝结水温度，逆流单元通过检测环境温度及抽真空温度实现防冻控制。另外运行过程中不凝气体的及时抽出也是防冻的有效措施。

3.6 其它因素

以上直冷机组的问题既有其单一的特点，又有其综合性。比如，通常认为热风再循环对机组运行具有危害，在设计过程中要求避免，但我们也可利用热风再循环来防止凝结水过冷，考虑在空冷器设置百叶窗，空冷器周围设置活动幕墙等措施，以适应不同地区不同项目的差异要求。

4 结语

化工等高耗能、耗水行业已广泛采用空冷技术降低水耗，但目前自备电站较少采用空冷，选择直冷机组来降低自备电站水耗也是未来发展的一个趋势。根据以上分析，可以总结出直接空冷发电机组特点:①在缺水及水价较高地区，包括缺少淡水且不适于直接利用海水的沿海地区可采用中小型直接空冷发电机组，技术经济上是合理的;②在采用防冻、优化热回流、合理清洗等措施后，直接空冷发电机组的运行可靠性、经济性可以得到保证。

总之，直接空冷发电机组对高耗能、耗水行业项目降低水耗有明显作用，不仅可增加项目可行性，同时也有较大的社会经济效益，是未来发展趋势之一。

1 中国动力工程学会. 火力发电设备技术手册［M］. 北京，机械工业出版社，1998.4.

2 那小陶，郝 卫，王宏格. 电站直接空冷系统设计探讨［N］. 电力学报，1999.