直接空冷自然通风专利的试验和应用

中国能源建设投资有限公司 张建辉 中国电力顾问集团新能源有限公司智能配网分公司 杨若松

火电厂采用自然通风直接空冷(NDC)的愿景由来已久，历久弥新。以节能、降噪、投资低和安全防冻为目标引领，围绕NDC这个“城墙垛口”，世界各国特别是我国的设计和制造人员前赴后继。为愿景提供要约的有比例时HAMON-LUMMUS公司和德国GEA公司，为愿景加力的论文也很多，为愿景加力的专利则层出不穷[1-9]，仅发明专利就多达12个，杨伙盘2×600MW电厂采用了TZL专利[10]贡献的方案。

1 塔式直冷TZL专利

TZL是“塔式直接空冷凝汽器及其塔式直接干冷系统”发明专利的缩略简称，是几种不同NDC的其中之一。TZL既代表系统，又代表凝汽器，TZL系统配带TZL凝汽器。具有凝汽功能的部件连同其附件，被定义为TZL凝汽器，其余的部件和TZL凝汽器被定义为TZL冷却系统。凝汽器和系统既有区别又有联系，系统的范围大。TZL系统是一种NDC系统，它布置排列的特点是TZL凝汽器的环塔布置和塔外布置。TZL系统的蜗壳蒸汽分配管呈环状布置在塔外。蜗壳管布置在塔外费用低，凝汽器的外立面美观，排放展宽平台的雨水比较顺畅。在蜗壳管上开洞直连配汽立管可减少阻力并节省管材。蜗壳管可以用齐平的上顶面（下部以不等高环墙支撑）。

如图1所示，TZL凝汽器在∧型立柱的两个面上有顺流、逆流构造，即有KD设计。TZL凝汽器直接安装在塔外的蜗壳管上（图2），蜗壳管是一种渐缩配汽环。TZL凝汽器含有三角斜盖板，它与挡风板、塔壳体和展宽平台的关系见图3。TZL凝汽器的构造特色是顺逆流设计和比值可调节整定，布排的特点是塔外环塔布置。TZL凝汽器可以采用扁平基管配折叠翅片，也可以采用椭圆管配矩形翅片。TZL凝汽器以立柱的方式布置在自然抽风冷却塔外的周圈，俯视翅片管束板，呈现八字状倾斜布置。自然抽风，无百叶窗，防冻的主要手段是加挂挡风板（逆流区抗冻，不需要挡风板）。TZL凝汽器是一种开口三角立柱式凝汽器，它的构造特色是有顺流逆流设计和KD比可以任意整定,防冻不用百叶窗，依赖KD比和挡风板。

图1 TZL原理图或系统图

图2 TZL的输汽干管和蜗壳管图

图3 凝汽器及挡风板与塔壳体和展宽平台

TZL采用开口三角立柱式凝汽器，纯塔外布置，防冻用挡风板和KD设计，不用百叶窗。TZL有“荷载落地”的特征和塔外环塔布置的蜗壳管“辅助散热”的特征。蜗壳管在塔内侧设有醒目的防烫伤栏杆和警示。百叶窗作为传统的防冻手段，让人既爱又恨，欲舍不能，TZL的目标十分明确：就是要剔除百叶窗，以增加夏季的冷却能力并减少总投资。TZL的专利说明书中写有：“尽管结合附图对本发明的具体实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案，上述的具体实施例仅仅是示意性的、指导性的方案，而不是限制性的方案。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本发明的权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出几种变异的型式，这些均属于本发明的保护内容。”

TZL由ACC孕育和发展成为可实施的NDC，经历了漫长的创意熔炼，并不是一蹴而成的。可以用五个非凡来总结（图4）：非凡的旋转：把∧型三角旋转为竖立三角；非凡的抬升：抬升配汽立管，拉斜翅片管造坡度；非凡的KD改变：把KD单元复原为早先的KD片区；非凡的百叶改变：变化水平百叶为竖直百叶；非凡的荷载落地：无高空荷载，全是地面荷载。

图4 TZL创意熔炼的五个非凡

2 TZL的工业性试验

TZL在陕西神木大柳塔热电厂0.3MW机组的工业性试验为了节约费用，并没有采用完全标准的TZL做试验。大柳塔热电厂0.3MW机组和其它5台机组公用一座湿冷塔，为了做试验，把0.3MW机组分离出来，湿冷改为TZL直冷[11]，其它机组维持湿冷运行的现状，不做任何改动：去掉0.3MW机组在主厂房内的湿冷凝汽器，把乏汽用DN3000引向其机房固定端50米处的冷却塔，再用蜗壳管分配给12根DN2000的配汽立管中。凝汽器∧型立柱高6米、宽6米，采用石化系统常用的3排钢轧铝结构的翅片管，钢管规格为D25×1.5mm，翅片规格为D57/D25mm，片厚0.30mm，翅片间距2.3mm。KD比为4:1，即逆流面积占总面积的20%。

为减小试验费用，大柳塔没采用TZL的挡风板，改用手动“竖立旋转”百业窗替代，并且在冷却塔的出口增加了一台5.7m直径的引风扇，把TZL硬生生地改造成了混合通风，只能称作TZL-。这种TZL-翅片总面积为36000m2，冷却风量也比湿冷时增加了50%，如此大的冷风量和换热面积，达到了较好的冷却效果：在气温20℃时可保证汽轮机背压达到10.8kPa，使汽轮机以接近湿冷的工况运行，在进汽量不变的条件下，进减小发电量18kW。

这种TZL-(即TZL minus)仅有凝结水泵耗电20kW，抽真空泵耗电11kW，与引风扇耗电三者加起来的耗电比湿冷耗电（凝结水泵和循环水泵耗电之和）节电72kW。对比ACC，TZL-的换热面积大幅增加，相当于600MW机组翅片管的总换热面积为72000000m2。大柳塔TZL-试验投资约600万元，10年内可实现还本付息（估算时计入了其它5台湿冷机组冷却能力变大后的获益）。

3 杨伙盘直冷塔

杨伙盘电厂是陕北—湖北±800千伏特高压直流输电工程的配套电源，是陕西“十四五”计划的重点建设项目。经过筛选、二次组合、优化和风险分析以及在大柳塔电厂的混合通风直接空冷的工业性试验，审定采纳TZL专利和其补强专利，在杨伙盘电厂实施NDC。杨伙盘直冷塔的尺寸与9000m2湿冷塔的尺寸接近。

杨伙盘NDC具有“拼盘”性质，以TZL为主（去掉挡风板），混搭间接空冷用的百叶窗防冻。作为塔外布置烟道及排汽干管的一种形式，“烟塔合一”布置排列方式专利[9]的出现有力地支撑了TZL专利的实施，这是杨伙盘NDC方案能够通过审查的主要原因之一。应用自然通风直接空冷（NDC）技术建造的直接空冷塔已在杨伙盘2×600MW电厂开工建设，这座全球首台的直接空冷塔计划于2022年4季度内投运。

综上，TZL专利携带有“荷载落地”和“塔外布置”的威力，导致其它NDC专利的市场竞争能力减弱。组合的创新点越多、业主接受的难度就越大，畏惧第一个吃螃蟹的心理是可以被理解的。