空冷与水冷的混合冷却方式及分析

王　静，张英器

0　概述

汽轮机乏汽的冷凝方式主要分为直接空冷和表面式水冷。直接空冷最大的优势就是节水，当然，也存在很多局限性。空冷设备的体积庞大，结构设计较复杂，受环境因素和季节性变化影响很大，控制系统繁琐，投入成本昂贵。表面式凝汽器是采用了最传统的冷却方式，即为水冷。水冷设备的结构形式，为管壳式换热器，与空冷器相比，结构相对简单，投资成本小，换热效率高，真空度的维持更为容易。但表面式凝汽器最大的缺点，是耗水量比较大，运行和维修的成本昂贵，特别是在缺水地区，运行的成本更高。

1　空气设计温度与运行方案

目前，在我国西北缺水地区，直接空冷技术越来越受到欢迎，已被广泛应用。但结合空冷和水冷的各自特点，单独采用空冷方式，或者单独采用水冷方式，都不是最经济的办法。空冷虽然具有节水的优势，但空冷器的换热效果，直接与空冷器所处的环境温度有关。空气设计温度的选取，对空冷器的设计方案有着很大的影响。如果考虑夏季高温天气，换热面积大，投入成本高，且在冬季运行时，换热面积的冗余大，并需考虑防冻措施。若空气设计温度的取值过低，则在高温季节运行时，空冷器的换热效果差，影响汽轮机的出力。

鉴于此，现推荐以空冷为主、水冷为辅的混合冷却方式。当环境气温超过空冷器的空气设计温度，系统真空度难以维持时，可开启辅助水冷设备，既减少了空冷器的投入成本，也确保在高温天气的稳定运行，对于冬季的防冻也很有利。

确定最为经济的运行方案，主要关键点在于空冷器空气设计温度的选取。空气设计温度过高，空冷器的传热面就大，增加了投入成本。设计温度过低，空冷器的传热面较小，则水冷设备的换热面积需相应增大，将增加水冷设备的运行成本。因此，需要寻找合理的设计温度值，才能确定最优最经济的运行方案。

2　空冷与水冷的混合冷凝系统

2.1　直接空冷凝汽系统

直接空冷凝器是直接利用空气冷却汽轮机的乏汽。通过排汽管道，汽轮机的乏汽被排入空冷凝汽器，由轴流风机群产生的气流与空冷凝汽器进行热交换。凝结水在凝结水箱内汇集，然后由水泵送出。未冷凝的蒸汽和混杂空气被真空设备抽出。直接空冷凝汽系统，主要包括了换热管束、轴流风机组、支撑钢结构、凝结水收集系统、排汽管道系统、疏水收集系统、抽真空系统、管道阀门等。直接空冷系统的布置，如图1所示。

图1　直接空冷系统

2.2　水冷凝气系统

水冷凝汽系统是利用冷却水冷却汽轮机的乏汽。在我国水源充足的地区，大部分机组还是采用了水冷技术。水冷凝汽系统的主要设备，包含表面式冷凝器、循环水泵、凝结水泵、抽真空设备、以及相应的管道和阀门等。水冷凝汽系统的布置，如图2所示。

图2　水冷凝汽系统

2.3　混合冷凝系统

空冷与水冷混合冷凝系统，是以空冷为主、水冷为辅的冷凝系统。平时，运行的均为直接空冷凝汽系统，当环境温度超过空冷凝汽器的空冷温度设计值，再启动水冷凝汽系统。该系统的设计要点，是需确定空冷器的设计温度值，才能使整个混合系统的运行成本降到最低。空冷与水冷的混合冷凝系统的布置，如图3所示。

图3　空冷与水冷的混合冷凝系统

3　设计方案及成本分析

现以新疆某项目为例，在不同空气设计温度值的条件下，分别给出水冷、空冷及空冷与水冷的混合技术方案。通过成本分析，最终得出最为合理、投资成本最少的技术方案，并确定空冷器空气设计温度的最佳值。

3.1　设计参数及设计条件

该项目中的汽轮机排汽参数，如表1所示。

一是专业的角度。强调从财政视角看金融，分析不平衡不充分发展在财政金融领域的具体表现，找准监管的着力点。将资金流向作为关键变量，规范引导金融资源有序流动，努力在防范财政风险与金融风险相互转化的同时，促进金融更好服务实体经济。

表1　汽轮机排汽参数

根据当地气象资料，该地区夏季的最高月平均温度，为33℃。为了确保在夏季高温条件下，空冷设备仍能良好运行，将月平均最高气温33℃作为考核温度，做了纯水冷方案。以空气设计温度为33℃和35℃，分别做了纯空冷方案。同时，以0℃、5℃、8℃、15℃、20℃、25℃、30℃作为空气设计温度值，分别做了混合冷却方案。

在夏季，当环境温度超过空冷器的设计温度时，是水冷凝汽器的运行时段。因此，为了计算水冷凝汽器的水电消耗量，需要统计每年超过空气设计温度值的总小时数。根据气象资料，经初步估算，在混合冷却方案中，每年超过空气设计温度值的小时数，如表2所示。

表2　每年在各空气设计值温度下的小时数

3.2　设计方案及说明

表面式冷凝器采用了管壳式换热器，循环水的进水温度，为32℃，回水温度为40℃，循环水污垢系数为0.000 4(m2·K)/W，换热管的材质为不锈钢，管板及壳体材质均为碳钢。

空冷器换热管采用单排管，基管为扁形管，基管规格为220 mm×20 mm，铝质翅片。

风机的驱动电机均为变频电机，通过齿轮箱传动。设计时，空冷器迎风面的风速，取2.5 m/s。

经计算，设计了纯水冷、纯空冷及不同空气设计温度时的混合冷却方案，如表3所示。

3.3　成本计算及估算条件

表面式冷凝器循环水的日消耗量，按照循环水量的1.5%进行估算。水费按3.5元/吨计算，工业用电的费用为0.5元/度。冷水塔的建造成本=350×表面式水冷凝汽器循环水量。投资成本设定为一次性投资成本，主要是设备费用。N年的运行成本，为运行N年时的耗水与耗电费用的总和。N年运行的总成本，为投资成本+N年运行成本。经计算，不同技术方案的投资成本和运行成本，如表4所示。

表3　不同空气设计温度值的混合冷却方案

表4　成本预算表单位:万元

3.4　成本计算结果与分析

空冷器运行的成本，按照所有风机全速运行进行计算。实际上，当环境温度低于空气设计温度时，风机转速低于额定转速，所以，电机的消耗功率低于额定功率。因此，空冷器的实际运行成本低于计算值，但为了便于分析，在成本计算时，忽略了风机的变频调速。

每种方案的投资成本趋势，如图4所示。从图4可知，纯水冷方案的投资成本，明显小于空冷方案的投资，且随着空冷器的空气设计温度升高，投资成本越大。若采用纯空冷方案，投资成本远远超过了水冷方案的投资成本。1年的运行成本趋势，如图5所示。从图5可知，1年纯水冷的运行总成本，依然较低。同样，空冷器的空气设计温度越高，运行总成本也越高。

图4　投资成本趋势图

图5　1年运行成本趋势图

图6　5年运行成本趋势图

图7　10年运行成本趋势图

图6、图7为运行的总成本趋势。从图6、图7可知，第5年的纯水冷方案的总成本，已明显超过了空冷方案的运行成本，且随着空冷器空气设计温度的升高，运行总成本在逐渐降低。当空冷器空气设计温度为25℃时，运行成本最低。若空气温度继续升高，运行总成本反而将出现升高趋势。

15年运行成本趋势，如图8所示。20年运行成本趋势，如图9所示。从图8、图9可知，随着运行时间的增加，水冷方案和空冷方案之间运行总成本的差距越来越大。若机组建于严重缺水地区，水冷方案的运行成本会更高。

图8　15年运行成本趋势图

图9　20年运行成本趋势图

4　结语

空冷与水冷的混合冷却方案，主要是为了减少投资总成本，冷却方式仍以空冷为主。在空冷器热力计算时，无需考虑最热月份的环境温度设计值，而需选取合理的环境温度值。在夏季气温较高时，利用水冷设备分担部分负荷，以确保机组的正常运行。因此，最关键的是，正确选定空冷器环境温度的设计值。

通过新疆某项目的方案设计，对水冷、空冷、以及不同空气温度下的混合冷却方案，分别进行了技术分析和成本分析。由分析可知，这种以空冷为主，水冷为辅的混合冷却方式，在经济性上，是一种较为理想的冷却方案。据计算可知，当空冷器的设计温度约为25℃时，运行成本最低，且运行时间越久，成本上的优势就越明显。

参考文献:

［1］杨立军，杜小泽，杨勇平.直接空冷机组空冷系统运行问题分析及对策［J］.现代电力，2006，23(2):52-55.

［2］徐士民，白旭，蒋雪辉.发电厂空冷系统的特点和发展［J］.汽轮机技术，2000，42(3):140-144.

［3］那小桃，郝卫，王宏格.电站直接空冷系统设计探讨［J］.电力学报，1999，14(1):8-11.

［4］丁尔谋.发电厂空冷技术［M］.北京:水利电力出版社，1992.

［5］王桂斌.发电机组“水冷”与“空冷”技术方案比较［J］.煤矿现代化，2010(2):93-95.

［6］张莹，李永光.直接空冷系统与水冷系统的经济性评估［J］.上海电力学院学报，2011，27(1):5-8.

［7］梁博，堂胜利.直接空冷系统优化设计和环境温度变化运行经济型分析［J］.热力发电，2008，37(5):6-9.

［8］董见峰.空冷机组的技术经济分析比较［J］.江西电力职业技术学院学报，2007，20(1):40.