大型机组高效复合冷却技术研究及应用

张云亮++闫霞

【摘 要】本文針对某空冷机组受大风、沙尘等外界客观因素易导致的设备换热性能减弱、背压变幅大，导致机组出力受限、煤耗提高甚导致机组跳闸等问题，提出了一种高效复合冷却技术。高效空蒸复合冷却系统结合显热+潜热换热机理，利用“风”冷冷却和“蒸发”冷却相结合方式，与空冷系统并联配置，通过优化直接空冷与蒸发式冷却单元，充分发挥直接空冷不耗水、蒸发式冷却节水、凝结背压低等各自优点，有效地解决直接空冷和水冷在乏汽凝结中的各自不足，消除机组夏季运行安全可靠性差、背压高、机组出力受限等问题.通过试验表明，可以保证高温大风天气下机组安全稳定运行，提高机组出力，降低煤耗。

【关键词】大型空冷机组 高效复合冷却系统 经济 安全

【Abstract】This paper for an air cooling unit by wind， dust and other external factors to lead to the equipment for thermal performance of weakening， large variation of back pressure， causes the unit to contribute to the limited， the coal consumption improve even lead to unit tripping problem， put forward a kind of high efficient composite cooling technology， through experiments show that can ensure the safe and stable operation of the high temperature environment wind weather units， increase the power output and reduce Coal energy consumption.

【Keywords】Large Scale air cooling unit；High efficiency compound cooling System；Economics；Safety

1 高效复合冷却技术原理

高效空蒸复合冷却系统结合显热+潜热换热机理，利用“风”冷冷却和“蒸发”冷却相结合方式，与空冷系统并联配置，通过优化直接空冷与蒸发式冷却单元，充分发挥直接空冷不耗水、蒸发式冷却节水、凝结背压低等各自优点，有效地解决直接空冷和水冷在乏汽凝结中的各自不足，消除机组夏季运行安全可靠性差、背压高、机组出力受限等问题[1]，见图1。

为保证项目的可行性，多次组织系统内外论证和行业专家专题论证，根据行业专家的评审意见及现场考察意见，委托工程咨询院对该项目进行了可研设计及可行性研究报告的编制。

最终可研方案为：从原直接空冷凝汽系统两根主排汽管道分流360t/h蒸汽，采用18台FQN（Z）-15500型号的蒸发式凝汽器进行冷凝，设计：夏季（6月～9月）实际运行排汽背压在原基础上降低8 kPa ～14 kPa。

2 本项目收益率：

2.1 改造机组节能效果

（1）机组在环境温度大于25℃时段高负荷运行，凝汽器背压都较高。在机组负荷为653MW，背压为23.65kPa时，投用尖峰冷却装置，低压缸排汽压力降低7.557kPa，机组功率增加13.84MW；机组在夏季高温、609.05MW负荷下运行，背压为43.858 kPa时，投用尖峰冷却装置，低压缸排汽压力降低13.883kPa，机组功率增加26.044 MW。

（2）机组在THA工况下，参数修正后的热耗率为8124kJ/kWh，凝汽器背压变化1kPa，影响热耗率0.38%，影响供电煤耗率约1.2g/kwh。当机组运行背压为43.858kPa时，投用尖峰冷却装置，低压缸排汽压力降低13.883kPa，机组供电煤耗降低约16.6g/kwh；当机组运行背压为23.65kPa时，投用尖峰冷却装置，低压缸排汽压力降低7.557kPa，机组供电煤耗率降低约9g/kWh。

2.2 计算参数

尖峰冷却装置运行时间按夏季5、6、7、8五个月计算4×30×24×5500/8760=1808h；上网电价按0.309元/kW·h；维护费：按2%比例计算，其中包含减速器、电机、水泵的维护及换热管除垢等；折旧费：按5%计提折旧。

2.3 收益计算

机组排汽背压平均降低8.09kPa，根据汽轮机排汽背压对功率的修正，增加功率约4.4%，按机组80%的负荷率计算，多增加发电收益为：660MW×80%×4.4%×1808h×0.309元/kWh =1297.91万元。

2.4 收益与成本计算表（表1）

3 高效复合冷却装置运行效果对比

3.1 高效复合冷却系统投运前直接空冷运行情况

突发大风天气导致机组背压骤升的情况，每年至少3次及以上，最严重的为机组背压从39KPa最高升至56.8KPa（65KPa汽轮机自动跳闸），机组负荷从618MW最低降至410MW，若运行人员处理不当极有可能引发跳机事件。

环境温度在25℃以上机组带额定负荷（660MW）时凝水温度达到65℃，凝水精处理高速混床自动解列，汽水品质难以保证，尖峰冷却装置未投运前，#1机高混停运时间累计达574小时，汽水品质难以保证[3]。

3.2 高效复合冷却系统投运前后变化

当外部条件相同时，一台机组增加高效复合冷却系统，另一台未增加，即两台机组负荷相同且空冷风机运行台数及频率相同，空冷岛上半年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，见表2。

结果是：环境温度20℃、负荷在600MW时一号机较二号机背压低6.8KPa。

3.3 #1机投运前后背压变化对比

3.3.1 20℃以下投运尖冷系统

环境温度18℃，负荷600MW左右投运尖冷系统可降背压5KPa，节标煤5g，见表3。

3.3.2 20℃以上投运尖冷系统

环境温度21℃，负荷600MW左右投运尖冷系统可降背压8KPa，节标煤8g，见表4。

3.3.3 9月21日试验

环境温度23-24℃，660MW负荷，机组运行背压为32kPa时，投运尖峰冷却装置，机组背压可下降11kPa，见表5。

3.4 尖峰冷却装置投运小时数

根据多年气温情况：大于20℃小时数为1943小时，大于27℃小时数为688小时，大于31℃小时数为162小时，尖峰冷却装置投运时间可达1943小时。

3.5 相比直接空冷运行多发电量

目前空冷运行情况，环境温度大于27℃，机组出力受限，温度越高受限越大，大于27℃小时数为688小时，可多发电量约688×660×10%=45408MWh=4540.8万kWh。

3.6 对全年平均煤耗及环保的影响

根据专家测算，背压每降1kPa煤耗降1g/kWh，尖峰冷却装置投运时间按1943小时计，单机负荷率80%计，加权降低背压11kPa，节约标准煤11×1943×660×80%×1/1000000=11284.94吨，年利用小时数按5500小时，未投尖冷系统煤耗按329g/kWh计，年平均降煤耗3.11g/kWh。

由此可推算，年灰渣减少排放量2076.94 吨，年脱硫石膏减少量494.18 吨，年SO2排放减少量11.96 吨，年粉尘排放减少量3.44 吨，年NOX排放减少量34.38 吨。

3.7 对汽水品质的影响

为防止凝水温度高时树脂失效，凝水温度大于65℃时高混将自动解列，汽水品质得不到有效保证，今年大于65℃小时数为574小时。

投运尖冷系统后，夏季满负荷时最高的凝水温度为67℃，超过65℃小时数将不大于20小时。

这样基本上高混可全天候投运，汽水品质较以往将得到大幅度改善，汽轮机叶片等通流部分结垢程度将大大减轻， 大大有利于汽轮机的安全运行与经济运行[4]。

3.8 对机组运行安全性

夏季高温时段投运尖冷系统后，机组在一个相对较低的背压下运行，作为直接空冷机组抵御突发大风天气的能力增强，减少了机组跳闸的机率，提高了机组的可靠性。

3.9 电耗及水耗情况

（1）电耗：试验中经过统计，16台风机与两台喷淋水泵运行，耗电量为820度/小时左右，厂用电率增加0.14%左右。

（2）水耗：试验中统计冷凝1 t/h汽轮机排汽，约需喷淋冷却水0.85-0.95t/h。尖峰冷却装置凝水流量在300-340t/h，水池水位一小时内降0.22米（水池长69米，宽15米，深1.5米）耗水量约220吨。

试验及系统完善阶段，尖峰冷却装置用水为本厂化学中水掺配辅机冷却水工业排污水，由于该换热器管束外为冷却水，管内通蒸汽，所以对水质要求较为宽松，要求PH值范围为6.5-9，氯离子小于500mg/L，硬度小于300mg/L，CaCO3碱度小于300mg/L，浊度小于20NTU。正研究制定切实可行的水处理方案（如先行添加加阻垢剂与杀菌剂防结垢，一旦结垢则及时加入中性除垢剂除垢），积极计划使用附近煤矿矿井疏矸水，充分利用、消化宁东地区低品质水源，喷淋水池排污水再输送至灰场或煤场喷洒再利用。

3.10 最终试验结果

由委托电科院对该系统进行了全面的测试，测试结果说明达到了原设计要求。结论如下：

（1）在夏季高背压工况下，投运尖峰冷却装置，冷却器冷凝水量达到304t/h，低压缸排汽压力降低11.634kPa，机组功率增加16.9MW。在模拟夏季高背压工况下，直接空冷凝汽器背压降低值达到设计值要求。

（2）在试验环境温度条件下，尖峰冷却装置的冷凝水量最大为304t/h，接近于设计值。冷却装置的工作状态、换热性能和最大冷凝水量受环境湿球温度影响较大。

（3）在汽机主机和直接空冷系统运行工况相同的条件下，尖峰冷却装置运行两台喷淋水泵的冷却水量稍大于四台喷淋水泵的冷却水量，但主机功率变化不大。机组在日常运行中，不需采用四台喷淋水泵运行的方式[5]。

（4）环境境温度20-25℃条件下，当机组负荷小于500MW时，投用尖峰冷却装置，蒸发冷却器冷凝水量较小，低压缸排汽压力降低1.554kPa，机组功率增加3.94MW，变化较小，说明在500MW及以下負荷，不需投运尖峰冷却装置。

（5）当机组功率大于600MW，环境温度小于16℃时，投用尖峰冷却装置，蒸发冷却器冷凝水量达到182.438t/h，低压缸排汽压力降低4.07kPa，机组功率增加6.36MW，投用尖峰冷却装置的效果不明显，也没有必要投用尖峰冷却装置。

（6）机组背压小于15kPa时，不需投运尖峰冷却装置。通过测试数据表明：在模拟夏季高背压工况下，投运尖峰冷却装置后，凝汽器背压实际降低值达到设计值要求。

4 本装置投运后效益分析

4.1 基本数据如下

改造前后加权降低背压11kPa。

煤耗差：背压每降低1kPa，供电标煤煤耗减少1g/kWh。

标煤价：580元/吨（含税）。

厂用电价按：0.31元/kwh计，

上网电价按：0.31元/kwh计，

成本电价按：0.24元/kwh计，

厂用水价：2.5元/吨。

4.2 年收益计算

（1）提高满发温度收益。目前空冷运行情况，环境温度大于27℃，机组出力受限，温度越高受限越大，大于27℃小时数为688小时，可多发电量约688×660×10%=45408MWh=4540.8万kWh。增加收益为；

4540.8×（0.31-0.24）/kwh =317.86万元/年

（2）单台机组年煤耗降低。根据专家测算，背压每降1kPa煤耗降1g/kWh，尖峰冷却装置投运时间按1943小时计，单机负荷率80%计，加权降低背压11kPa，

节约标准煤11×1943×660×80%×1/1000000=11284.94吨

（3）年污染物减排收益估算。根据设计资料，两台机组年排灰量37.49×104t，年排渣量6.64×104t，年排灰渣总量44.13×104t，年产脱硫石膏总量10.5×104t

由节煤量可推算，年灰渣减少排放量2076.94 吨，年脱硫石膏减少量494.18 吨，年SO2排放减少量11.96 吨，年粉尘排放减少量3.44 吨，年NOX排放减少量34.38 吨。

（4）单台机组年煤耗费用降低：

11284.94t/年×580元/t=654.53万元/年

（5）年运营费用计算（设备使用期按20年计，不考虑建设期与投运期的财务成本）如表6。

通过以上数据表明：在夏季高背压工况下，投运尖峰冷却装置后，背压实际降低值达到设计值要求，年净收益613.63万元，5.39年收回投资成本。

参考文献：

[1]赵昌富.蒸发式冷却器的应用技术总结[J].化工设计通讯，2008（04）.

[2]王红娜，祁怀胜，王庆光，李换利.蒸发式凝汽器在设计中应注意的问题[J].华电技术，2014（06）.

[3]汪家铭.高效复合型蒸發式冷却器技术及其应用[J].氮肥技术，2013（05）.

[4]杨华明，韩根深，李彩东.蒸发式冷却器原理及在余热利用工程中的功用[J].中国新技术新产品，2013（13）.

[5]李换利，吉佳佳，张文明，祁怀胜，王红娜.高效复合型蒸发式冷却器在石化领域中的研究与应用[J].河南科技，2014（15）.