尖峰冷却技术在直接空冷机组中的应用

胡晓花

(神华国华(北京)电力研究院有限公司，北京 100025)

尖峰冷却技术在直接空冷机组中的应用

胡晓花*

(神华国华(北京)电力研究院有限公司，北京 100025)

为解决夏季高温时段热负荷大，火电空冷机组出力不足，发电煤耗高、运行经济性低等问题，提出空冷尖峰冷却技术。并结合尖峰冷却装置的型式，从其机理、技术特点、工程应用方案、应用安全性等方面展开讨论。结果表明：空冷尖峰冷却技术能够降低机组背压，减少煤耗，提高汽轮机机组运行可靠性。

直接空冷；尖峰冷却；背压

随着火电空冷机组在我国北方相继投运，空冷机组设计、制造、安装、运行和维护水平不断完善和提升，但也存在夏季高温时段热负荷大，机组出力不足，发电煤耗高、运行经济性低等问题。从实际运行情况看，机组出力不足，夏季会因为空气温度过高造成高背压而导致背压保护动作跳机，或因为凝结水温过高而自动解列乃至机组真空过低引起保护动作，严重影响机组安全经济运行。因此，为降低机组排汽背压，近年来国内已有多个电厂对已投运的空冷机组进行改造，通过采用空冷尖峰冷却装置，解决了空冷机组夏季出力不足问题。本文结合尖峰冷却装置的型式，从其机理、技术特点、工程应用方案、应用安全性、经济性等方面展开讨论并提出建议。

1 降低汽轮机背压的机理

汽轮机背压(排汽压力)的高低取决于排汽的凝结温度的高低，排汽的凝结温度越低，则对应的背压越低。汽轮机的排汽凝结温度为：

tc=t1+Δt+δt

(1)

其中：tc为汽轮机排汽凝结温度/℃；t1为冷空气温度/℃；Δt为空气吸热后的温升/℃；δt=Δt/(expAk/DCp-1)，为凝汽器传热端差/℃;A为凝汽器散热面积/m2；k为换热面总换热系数/(W·m-2·℃-1);D为冷却空气量/(kg·s-1);Cp为冷却空气比热/(J·kg-1·℃-1)。

因此，通过给空冷凝汽器加装(并联)蒸发式凝汽器(或水冷表面式凝汽器)，可以分流一部分排汽，从而使空气温升和传热端差减小，也可以降低汽轮机的排汽压力。

2 尖峰冷却技术型式及特点

针对直接空冷机组夏季工况，用于降低背压的尖峰冷却技术主要有3种：湿式尖峰冷却技术[1](包括蒸发式湿冷凝汽器、表面式湿冷凝汽器)、干湿混合式冷却技术[2]、干式冷却技术[3](包括直接冷却和间接冷却方式)。如何针对具体情况，合理选择直接空冷机组在夏季工况的尖峰冷却装置是本文的主要内容。

2.1 蒸发式湿冷凝汽器

蒸发式湿冷凝汽器系统是从汽轮机低压缸主排汽管道上接出排汽管，分流部分乏汽接入蒸发式凝汽器，冷却水喷淋在蒸发式换热管束表面，将乏汽凝结成水，凝结水自流至空冷岛排汽装置的凝结水箱，不凝结气体由抽真空系统排出，温度升高的冷却水在下降过程中与冷空气进行热交换，降温后的冷却水汇至蒸发式凝汽器下部水池，通过循环水泵进行二次循环。其工艺流程如图1所示。

2.2 表面式湿冷凝汽器

表面式湿冷凝汽器系统是在汽轮机低压缸主排汽管道增加一台表面式湿冷凝汽器，增加相应的循环水泵和机力塔。部分乏汽通过湿冷凝汽器冷却凝结，凝结水自流至空冷岛排汽装置的凝结水箱，循环水由机械通风冷却塔进行冷却。增加循环水、胶球清洗等系统，凝汽器、机力塔、循环泵等设备。 其工艺流程如图2所示。

图2 表面式湿冷凝汽器系统工艺流程

2.3 干式直接冷却系统

干式凝汽器目前主要有立式三角、六角形、八角形冷却塔和立式三角空冷等型式，其工作原理是外界环境风利用风机强制通过管束表面换热，将管束中的排汽冷凝成水。主要以立式三角式来概述本技术特点。立式三角形空冷凝汽器是一种新型布置方式的小型直冷凝汽器，主要用于大型空冷岛的尖峰冷却装置。整个系统由管束、风机、管道、单元内部的支撑结构等构成。

立式三角形是将管束沿着长度的方向布置成固定的夹角，竖直放置在平台上，形成三角形的两个侧边，三角形的背面及上面除去风机部分均用压型钢板密封，防止风从三角形的背面和顶面漏出去，可以说整个系统是一个五边形的结构。

立式三角形结构，因为单元占地比较小，在场地布置上比较灵活，尤其适合场地条件比较不规则的情况，可根据不同的布置方式，确定整个平台的占地尺寸及管道尺寸，包括背对背布置方式及肩并肩的布置方式。模块化设计简化了热力计算的过程，同时模块化形式也节省了一部分设计成本。

2.4 干式间接冷却系统

干式间接冷却系统是凝汽器利用循环水冷却排汽，升温后的循环冷却水被送入布置在自然通风冷却塔进风口四周或塔内的翅片管组成的表面式换热器中，被空气冷却后再流回凝汽器重复使用的冷却系统。其系统装置如图3所示。

图3 干式间接冷却装置

2.5 干湿混合冷却技术

干湿混合冷却技术是以一定比例冷却能力配置的干式冷却系统和湿式冷却系统的组合的，是一门新技术，此技术目前在国外有较多应用业绩，国内宁夏大坝电厂2×600 MW机组已有应用。干和湿的比例设计时可灵活调节，因此其应用是火电厂冷却系统的主要发展方向。

3 尖峰冷却技术应用分析

目前业内尖峰冷却装置以湿式冷却方式为主，其中相关生产厂家以推出蒸发式湿式凝汽器为主，电力设计单位以推出表面式湿式凝汽器为主。较早采用蒸发式尖峰冷却器的有鸳鸯湖(1×660 MW)、漳山二期(1×600 MW)、宁煤(2×600 MW)等电厂，较早采用表面式凝汽器的有榆社(2×300 MW)、武乡(2×600 MW)、漳山一期(2×300 MW)、上安(2×600 MW)、瑞光(2×300 MW)等电厂。近年来，部分厂商推出了干式及干湿混合式冷却技术，采用该技术的相关厂家主要有上海电气SEC-SPX公司和GEA公司，采用该技术的电厂主要有：太原石头水泥自备电厂(2×50 MW)、华光(柳林)、上都#2机组600 MW、金牛(2×300 MW)、崇光介休(2×300 MW)、赵庄金光(2×600 MW)、赵石畔(1×1 000 MW)等。

3.1 湿式尖峰系统安全性分析

3.1.1 泄漏风险

尖峰冷却系统发生泄漏的影响主要是破坏汽轮机真空严密性和影响凝结水水质。表面式凝汽器工艺成熟，泄漏隐患较低，蒸发式凝汽器管束庞大，目前已实现模块化，出现故障可部分隔离而无需停机，对机组影响不大。

3.1.2 对周边设备运行影响

蒸发式凝汽器一般布置在空冷岛附近，湿蒸汽对附近电气设备运行构成一定影响。某600 MW机组尖峰冷却装置在2013年夏季环境湿度大时电气设备发生闪络被迫多次退出运行。同时由于使用中水或废水，蒸发式凝汽器飘洒的湿蒸汽对空冷散热器表面腐蚀和清洁度有一定影响。表面式凝汽器配套的机力通风塔一般远离空冷岛布置，以减少对关键设备运行的影响。

3.2 湿式尖峰系统运行及经济性分析比较

3.2.1 耗水量比较

综合考虑运行维护、设备结垢、水质控制等因素，600 MW机组尖峰冷却蒸汽流量设计一般按20～30%低压缸排汽流量，2种尖峰冷却系统耗水量在同等容量下蒸发式约为表面式的80%左右。600 MW机组表面式尖峰冷却系统日最大耗水量大约10 000～12 000 t左右。

3.2.2 应用效果对比

通过调研发现，只要冷却分流蒸汽流量与计算一致，换热器散热面积合理，冷却水流量充足，冷却塔满足冷却效果要求2种尖峰冷却系统均能满足节能效果要求。

国神鸳鸯湖电厂对1号机组进行了改造，采用蒸发式凝汽器分流部分蒸汽，具体方案为：从原直接空冷凝汽系统主排汽管道分流320 t/h的蒸汽，采用16台蒸发式凝汽器进行换热冷却。

1)外部条件相同时，1号机组投运尖冷系统与2号机组(未投运时)比较，如表1所示。

1号机组和2号机组负荷相同且空冷风机运行台数及频率相同，且空冷均进行了高压水冲洗，换热翅片管外表面脏污程度相近，具有可比性。环境温度20 ℃时负荷在600 MW时，投入尖峰系统，背压降低6.8 kPa。

表1 空冷尖峰冷却改造前、后节能效果

2)1号机组投运尖峰冷却系统前、后对比，如表2所示。

表2 不同环境温度下投运尖峰冷却系统节能效果

夏季环境温度18～24℃，660 MW负荷，投运尖峰冷却装置，机组背压可下降5～11 kPa。环境温度越高时，背压降低越多，节能效果尤为突出。

3.3 尖峰冷却系统技术比较

在背压下降目标一致的情况下，几种不同形式的尖峰冷却装置在耗水、占地之间有较大的差别，蒸发式和表面式耗水量均较大，干式无耗水，但占地面积较大，布置灵活。技术方案对比如表3所示。

表3 技术方案对比表

3.4 实际工程选型方案

某300 MW机组的尖峰冷却选型方案比较如表4所示。

表4 某300 MW机组尖峰冷却选型方案比较

表4是某300 MW机组尖峰冷却方案的对比，在背压下降目标值一致的情况下，从耗水、系统、传热、土建量、维护、工期等方面进行对比的方案说明，各工程要根据自身的实际情况，选取适合自身机组的方案。

4 尖峰冷却技术工程应用情况

4.1 工程设计数据

国内已有多台机组应用了尖峰冷却技术，各工程基本数据见表5所示。

4.2 蒸发式凝汽器应用存在问题及应对措施

蒸发式凝汽器近年来在电厂的应用逐渐增多，已成为解决空冷机组夏季满发问题及降低夏季运行背压的重要手段之一。目前蒸发式凝汽器在工程应用中存在一些问题，在设备制造及设计以及水质管理中，已有了一些解决方案及应对措施。

1)设备管束腐蚀严重，维护保养难度大

设备管束腐蚀结垢快、传热效率下降，腐蚀后容易出现漏点，渗漏点的存在直接影响主机水质，设备出现积盐现象，需每年对整个冷却器进行清洗。

2)对主空冷岛及电气设备存在影响

蒸发器排出的湿热气排入大空冷岛，湿热空气中含有一定盐分，长期运行会造成主空冷岛管束的结垢和腐蚀，会影响大空冷岛的性能。

针对上述问题可以采取下列应对措施：

1)换热部件模块化设计，设备整体热浸锌防腐或采用不锈钢材料；

2)定期加入缓蚀阻垢剂，由于阻垢剂的螯合等作用，提高了CaCO3等盐类物质的溶解度，降低了结垢倾向，从而达到阻垢的目的。

3)设置水质自动(手动)检测装置，控制循环水浓缩倍率，合理的进行排污。

4)合理选取蒸发器布置位置。

表5 部分应用电厂尖峰冷却系统应用情况

5 结论与建议

1)空冷凝汽器设计时充分考虑极端气象环境因素、散热器脏污、汽轮机排汽热负荷增加等不利条件的影响，留有一定裕量。对早期面积偏小，出力不足，背压偏高的机组，可采用尖峰冷却系统缓解夏季出力受阻等问题。

2)干式尖峰冷却技术在节水效果上有明显优势，符合国家节水环保政策的要求，宜优先采用。电厂具备中水和疏矸水等低品质水源时，可采用表面式或蒸发式尖峰冷却系统。

3)在水资源允许的情况下可采用干湿混合冷却技术，该技术耗水量小、投资小、运行灵活，是一种新技术，应密切跟踪。

[1] 朱冬生,孙荷静,蒋翔,等.蒸发式冷凝器的研究现状及其应用[J].流体机械,2008,36(10):28-34.

[2] 黎颖慧,韦红旗,王丽丽,等.干湿联合冷却系统模型及其变工况特性分析[J].热力发电,2014,43(4):82-86.

[3] 马庆中,张龙英.直接空冷凝结器尖峰冷却系统的研究与应用[J].山西电力,2007(s1):55-57.

Application of Peak Cooling Technology in Direct Air-cooling Unit

HUXiaohua*

(Shenhua Guohua Electric Power Research Institute (Beijing) co., LTD, Beijing 100025, China)

As thermal power air cooling unit in north China is in operation, air cooling units design, manufacture, installation, operation and maintenance level are constantly improved, but there are also some issues because air temperature is too high, the high back pressure caused by the limit load, even the high back pressure unit wil couse accidents. It is found that air cooling peak cooling can be used to solve this problem, such as reducing the unit back pressure and coal consumption, enhancing reliability steam turbine unit. Combining with the peak cooling device model, from the mechanism, technical characteristics and engineering application solutions and application security technology research, suggestions are put forward。

direct air-cooling unit；peak load cooling；back pressure

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2016.04.011

2016-10-11

胡晓花(1972— ),女(汉族),甘肃天水人，高级工程师，学士，研究方向：电厂设计、研究与工程咨询，通信作者邮箱：guohuahxh@126.com。

TK264.11

A

2095-5383(2016)04-0040-05