直接空冷凝汽器改造优化分析

翟英俊，王　威，石志奎，李翔宇

(中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，长春　130021)

国内直接空冷凝汽器(ACC)机组中空冷凝汽器的形式按照管束排数划分，有单排管、双排管和三排管，应用最多的为单排管[1-5]，其次是双排管，最少的为三排管。管束形式的选择很重要，因为空气在翅片管间流动的空气阻力及翅片管的换热系数是空冷凝汽器的关键性能，也是空冷凝汽器优化设计的主要参数。空气阻力大小影响空冷凝汽器冷却风量，直接影响空冷风机电耗。在空气阻力性能方面，单排管具有明显优势；且采用单排管空冷凝汽器，在相同迎面风速下(相同冷却风量)，空冷风机的静压小，轴功率减小，风机能耗下降，所以，从空气阻力性能分析，可考虑将已有双排管改造成单排管。

1　某电厂双排管直接空冷系统现状

某600 MW直接空冷机组空冷凝汽器采用双排管钢翅片凝汽器。基管横截面尺寸为100 mm×20 mm，翅片规格为119 mm×49 mm，翅片间距4.0 mm/2.5 mm。设置64个空冷单元，翅片管总面积1 653 379 m2。

通过对该电厂直接空冷系统空气侧风量设计计算与实测对比[6-7]，风机风量的计算值较实测值小很多，实际发挥作用的风量仅有25%～37%。由于当地柳絮等灰尘杂物较多，随着运行年限增加，翅片管之间积灰逐渐增多，且无法进行有效清理，导致实际发挥作用的风量较小、阻力过大，严重影响了系统的通风和散热性能。为提高机组运行经济性，对机组双排管散热器进行单排管改造更换。

2　改造方案分析

按1台ACC机组改造进行分析，空冷岛双排管顺流管束尺寸为9 900 mm×3 020 mm，共计384片；逆流管束尺寸9 300 mm×3 020 mm，共计128片。根据双排管与单排管的结构特点，更换为单排管后顺流管束尺寸为10 000 mm×3 016 mm，共计384片；逆流管束尺寸9 500 mm×3 016 mm，共计128片，更换后总散热面积为185.73×104m2。更换后的单排管尺寸与原双排管尺寸相近，双排管单个管束质量约为10.0 t，更换后单排管管束质量仅为5.2 t，从荷载角度看，双排管更换为单排管不会对空冷岛结构造成不利影响。

针对电厂实际情况，空冷岛散热器的更换可以按照3种方案考虑。方案1：1次全部更换；方案2：分2次更换(第1年更换1、2、7、8列，第2年更换3、4、5、6列)；方案3：分4次更换(第1年更换1、8列，第2年更换2、7列，第3年更换3、6列，第4年更换4、5列)。

对于方案1，可以分3种情况考虑。空冷岛现有64个空冷单元，双排管一次全部更换为单排管后散热器面积为185.73×104m2(方案1A)；锅炉最大蒸发量(TMCR)工况背压10.8 kPa，散热余量约27%，为达到节省初投资的目的，对空冷岛散热器的更换可为将64个空冷单元全部更换，但顺流管束长度9 m，更换后散热器面积约为167.16×104m2(方案1B)；此外还可只更换56个空冷单元，每列预留一个单元不更换，更换后散热器面积约为162.51×104m2(方案1C)。

3　投资与效益比较分析

对上述方案进行静态回收年限分析，确定方案的经济性，计算主要输入原则如下。

a.静态分析回收年限计算按照成本电价考虑。

b.机组利用时间采用机组实际运行统计数据。

c. 改造前为进一步降低机组背压，夏季喷水降温费用计入到改造前后微增收益差值中。

d.双排管改造成单排管后，风机阻力减小，风量增大，通过对原配置风机进行调节，调节后的风机消耗功率能耗差值计入改造前后微增收益差值中。

e.更换下来的双排管按照将该部分废品钢材节省费用计入初投资方案计算静态回收年限。

3种改造方案工期均较长，会影响到机组正常运行，因3种方案影响机组发电量基本相当，故均不计入静态回收年限分析中。方案1A、方案1B、方案1C静态分析回收年限分析见表1。

表1　方案1静态回收年限分析

由表1可见，由于方案1A散热器面积较大，改造后背压更低，因此改造前后的盈利差最大，较方案1B和方案1C盈利都高，因此其静态回收年限最短，最经济。

由方案1的3种方案比较可知64个单元双排管全部更换为单排管较经济，因此方案2、方案3按照散热器全部一次性更换为185.73×104m2单排管参与比较。方案2、方案3改造前后收益分析见表2，其中初投资方案2为8 045.0×104元，方案3为8 979.0×104元；静态分析回收年限方案2为9.5年，方案3为10.7年，风机能耗差值以年计。

表2　方案2和方案3改造前后收益分析　104元

由表1、表2可知，方案1A静态分析回收年限8.9年；方案2静态分析回收年限9.5年；方案3静态分析回收年限10.7年。方案1A 64个单元双排管一次全部更换为单排管，散热器面积为185.73×104m2，回收年限最短、最为经济，因此，推荐按照方案1A进行改造。

4　发电节约燃煤量及节能减排分析

通过本次空冷凝汽器由双排管束改为单排管束，使机组运行背压大大降低，从而减少了机组的冷源损失。由于冷源损失的减少，机组的热效率得到提高，汽轮机的热耗率减少，机组的煤耗率下降。这样可使电厂的热经济性得到提高。根据机组运行的实际背压计算出改造前机组的纯凝额定出力工况，冷季和热季的发电标准煤耗率，以及进行空冷凝汽器改造后的冷季和热季的发电标准煤耗率。由此可算出，由于空冷凝汽器改造后机组的热效率得到提高，发电煤耗率下降，一年可节约标准煤量分析见表3。

表3600MW机组发电节约标准煤量分析

项 目数值热季改造前平均发电标准煤耗率/[g·(kW·h)]317.14热季改造后平均发电标准煤耗率/[g·(kW·h)]305.44热季年设备利用时间/h1475冷季改造前平均发电标准煤耗率/[g·(kW·h)]311.85冷季改造后平均发电标准煤耗率/[g·(kW·h)]304.39冷季年设备利用时间/h2801年发电量/(kW·h)2.565×109年发电节约标准煤量/t22892

本次分析对空冷凝汽器由双排管束改为单排管束，可有效控制烟尘、SO2和NOx的排放。改造后实现节约标准煤量22 892 t/a，每年可减少烟尘、SO2、NOx和CO2排放总量分别约为95 t、344 t、794 t和5×104t，具有较好的环境效益。

5　结论及建议

a.从管束型式角度分析：单排管空冷元件具有明显优势，而且国产化也较成熟，升级改造推荐采用单排管替换原有双排管。

b.从工艺角度分析：通过对多种更换方案进行静态回收年限分析可知，一次性全部更换单排管散热器回收年限最短、经济性最好，推荐按照方案1A进行改造。

c.从结构角度分析：更换后的单排管尺寸与原双排管尺寸相近，质量较小，从荷载角度看，双排管更换为单排管不会对空冷岛结构造成不利影响。

d.从煤耗角度分析：由于散热器双排管改造为单排管后汽轮机排汽背压明显下降，煤耗会有比较大的下降。经计算机组的发电标准煤耗率改造后要比改造前低，热季下降11.7 g/(kW·h)，冷季下降7.46 g/(kW·h)，一年可节约标准煤22 892 t。

e.从节水角度分析：散热器双排管改造为单排管后可节省喷淋水量约为11×104t/a，对于地处水资源较匮乏地区，节水宝贵的水资源具有较大的社会效益。

f.从节电角度分析：通过对原配置风机进行调节，调节后的风机消耗功率理论上在TMCR工况可由改造前的7 720 kW降低为7 070 kW，若仅考虑热季发电，每年节省厂用电量约96×104kW·h。

g.从环保角度分析：由于年节约标煤总量约22 892 t。折合污染物排放，每年减少烟尘、SO2、NOx和CO2排放总量分别约为95 t、344 t、795 t和5×104t。具有很好的环境效益。

h.从冬季防冻角度分析：散热器双排管改造为单排管后，冬季机组运行需注意最小防冻流量的控制，以免冻胀散热器。

参考文献：

[1]曾时明，电站直接空冷式翅片管换热和流动规律及空冷单元流场特性数值研究[D].北京：北京交通大学，2007.

[2]石磊，张薇,刘海峰，等．国产空冷单排管流动和传热性能研究[J].电站系统工程，2009，25(2)：19-21.

[3]徐艳，火电厂直接空冷凝汽器传热性能实验研究[D].北京：华北电力大学，2011.

[4]杨建国，张海珍．直接空冷凝汽器单排翅片管换热性能试验研究[J].中国电机工程学报，2012，32(35)：74-79.

[5]Detlev G. Kroger. Air-cooled Heat Exchangers And Cooling Towers: Thermal-flow performance evaluation and design[M]. Tulsa, Oklahoma： PennWell Corporation, 2004.

[6]李秀云，严俊杰，林万超.火电厂冷端系统评价指标及诊断方法的研究[J].中国电机工程学报，2001，21(9) ：94-98.

[7]杨立军，杜小泽，杨勇平，等．火电站直接空冷凝汽器性能考核评价办法[J].中国电机工程学报，2007，27(2)：59-63.