直接空冷机组空冷凝汽器降背压改造方案研究

张 轩，奚家硕，王稳旗

（1 神木职业技术学院，719300，陕西榆林；2 陕西有色榆林新材料集团有限责任公司，719099，陕西榆林）

我国“三北”气候干旱，水资源匮乏，因此在火力发电厂中，利用自然环境中空气来冷却汽轮机排汽的直接空冷机组被广泛应用。与湿冷机组相比，应用这种机组可节约大量的水资源，是节约水资源的重要途径。但是，由于“三北”地区气候特点，冬季环境温度较低，夏季环境温度高，在实际运行过程中，直接空冷机组往往会出现空冷凝汽器夏季和大风天气背压升高即真空下降的问题。如果不妥善处理夏季和大风天气真空下降的问题，就会严重影响直接空冷机组的安全经济运行；因此必须对直接空冷机组运行过程中存在的典型问题采取可靠的措施，以保证直接空冷机组运行的安全性、可靠性和经济性。

1 概述

在碳达峰、碳中和背景下，目前我国火力发电主力机组在电力供应中承担兜底保供作用，2022 年我国火电发电量约占全国发电量的69%，可见，目前我国发电仍然以燃煤发电机组为主，与其相配套的冷却系统多为湿冷自然通风冷却塔，将循环水作为冷却介质来冷却汽轮机的排汽，在工作中，循环水损耗约占电厂总耗水量的70%以上。纵观我国的水资源情况，我国是一个严重缺水的国家，人均占有水量远远低于世界平均水平。伴随着水资源的综合利用和可持续发展理念的深入，火电行业逐步以空冷机组替代当前湿冷机组。

直接空冷系统，又称为空气冷却系统，它是一种以节水为目的、以空气取代水为冷却介质的火电厂冷却技术。直接空冷机组是指汽轮机的排汽直接由空气来冷凝，即汽轮机排汽通过粗大的排汽管道送到室外空冷凝汽器内，所需的冷却空气由轴流风机提供，轴流风机使空气流过散热器外表面将排汽冷凝成水，凝结水再经泵送回到汽轮机的回热系统。由于直接空冷凝汽器采用空气直接冷却，避免了常规水冷凝汽方式下大量的水蒸气损失。经分析发现，与同容量湿冷机组相比，直接空冷机组可节水90%以上，全厂性节水65%左右。

2 火电厂直接空冷机组运行中的问题

（1）大风导致机组背压升高。由于直接空冷机组在“三北”地区应用较多，而这些地区风力资源丰富，大风天气时有发生，因此在直接空冷机组实际运行过程中，往往会遇到超过6 m/s 的大风。此时处于空冷平台边缘的换热单元就会有大风倒灌、热风回流情况发生，不同的风向和风速对大风倒灌与热风回流的程度都存在一定的影响，进而会影响到空冷凝汽器的换热效率，主要表现在以下几个方面。首先，空冷凝汽器散热器出口位置因为自然风的倒灌，换完热的热空气难以排出，进而导致热量无法释放，使得空冷凝汽器长时间处于高温运行环境中，换热效率大大地降低，空冷凝汽器背压升高；其次，由于热风回流，轴流风机内会吸入大量热空气，在这种情况下轴流风机入口冷风温度会升高，此时冷却效率就会受到影响，进而使得空冷凝汽器背压升高，影响机组的效率。

（2）夏季高温导致背压升高。伴随着全球气候变暖，“三北”地区日夜温差大，夏季天气炎热，中午温度高，空气与空冷凝汽器翅片管内蒸汽温差小，因此，利用空气来冷却汽轮机排汽的效果不佳，直接导致空冷凝汽器内背压升高，真空降低。一方面会出现不同程度的限负荷及机组煤耗高等问题，另一方面，汽轮机排汽缸尺寸庞大，刚性较差，对温度和压力比较敏感，机组背压升高，会导致排汽缸及轴承座受热膨胀，可能引起汽缸中心发生变化，产生振动，严重威胁机组的安全运行。

可见，直接空冷机组在大风天气、夏季高温天气存在背压升高的问题，直接影响机组的安全、经济运行，因此，研究直接空冷机组空冷凝汽器降背压方案具有重要的现实意义。

3 研究现状

目前，针对直接空冷机组运行中存在的问题，国内多个电厂进行了一系列的探索，通常采用的方法有两种。第一种方法是通过加装喷雾加湿装置来降低机组背压，通过数值分析发现，喷雾加湿装置投入后对降低机组背压效果显著，可下降6 kPa 左右。第二种典型做法是应用尖峰冷却技术，即在夏季机组高负荷运行时，将汽轮机的排汽一部分送入空冷凝汽器冷却，另一部分送至机械通风冷却塔，由循环水分担冷却，这样送入空冷凝汽器的蒸汽量减少，从而有力地保障了空冷凝汽器内的换热效果。实践证明，应用此方法，在额定工况下，机组背压可降低10 kPa 左右，改造后夏季高温时段几乎可以实现满发。

针对空冷机组空冷凝汽器背压高的问题，大部分电厂采用的措施是在空冷凝汽器加装喷淋装置或加装湿式冷却装置这两种方案，但这些方法都存在一个弊端，即在降低背压的过程中需要消耗额外的水资源。

4 研究背景与内容

4.1 研究背景

本文将陕西有色榆林新材料有限责任公司发电分公司#1～#5 直接空冷机组作为研究对象，该5 台机组通过空冷凝汽器实现对汽轮机低压缸排汽的冷却，通风方式为轴流式风机机械通风，5 台机组共用一个空冷凝汽器平台，每台机组布置30 组换热单元（6 排5列），每6 个换热单元组成1 列散热段，共由150 个换热单元组成，其中每列中布置逆流换热单元和顺流换热单元，每列散热段的布置如下：上端有1 根配汽管、1根抽真空管，下端有2 根汇集凝结水的管道。

风机平台高40 m，翅片管顶部高49.48 m，每台机空冷凝汽器有6 列散热器，每个换热单元下方布置1个冷却风机单元，冷却空气在风机驱动作用下向上流过翅片管的表面。四周装有风墙，各台风机/换热器单元装有分隔墙。每排第2 列、第4 列为逆流换热单元，其余为顺流换热单元。70%～80%的蒸汽在顺流换热单元中与逆流而上的空气换热被凝结成水，其余的蒸汽在逆流换热单元冷凝，逆流单元的顶部装设抽真空管道。

目前，该机组已运行10 年有余，经分析发现，机组在运行中存在以下两方面的问题：一是在夏季高温气候条件下，该直接空冷机组在额定背压下限制10%～25%负荷运行，极大影响机组效率；二是大风影响造成的热风回流引起的背压突增，严重影响该机组安全运行。

4.2 研究内容

针对夏季高温环境和大风天气机组运行背压高、限制满负荷运行、影响安全运行的实际情况，经过分析确定了空冷凝汽器的散热问题是导致运行背压高的根本原因，进而制约机组满负荷运行。针对以上问题，提出了空冷凝汽器降背压的改造方案，本文以#4 机组为例。

4.2.1 关键技术

（1）针对夏季高温机组运行背压高、限制满负荷运行的情况，确定#4 机组直接空冷凝汽器节能降耗改造的关键技术是在空冷凝汽器加装喷淋降温装置。在空冷凝汽器散热单元内，空冷风机出口上部加装喷淋降温装置，每个换热单元两侧布置喷淋管道5 组，每组有4 个喷淋口，共40 个喷淋口，如图1 所示，利用雾化的喷淋水降低空冷散热管束表面温度，强化了汽轮机排汽与空气的换热，降低该直接空冷机组背压5～8 kPa，从而降低煤耗，满足机组在夏季高温情况下带满负荷的要求。

图1 加装喷淋装置系统示意图

（2）由于陕北榆林地区水资源匮乏，为了节约水资源，空冷凝汽器加装的喷淋装置所用的喷淋水不是取自水库或江河，而是就地取用本企业矿井下疏干水，将疏干水净化处理后作为空冷凝汽器的喷淋用水。一方面可实现煤矿疏干水的变废为宝，节约大量的水资源；另一方面，疏干水作为空冷凝汽器喷淋降温水，可有效提高机组背压。

（3）喷淋降温系统运行时，喷淋面积在85%以上，喷嘴雾化效果良好，雾滴粒径小于80 μm，空冷凝汽器下方不会出现淋雨现象。加装喷淋装置后能够使机组在高温及满负荷条件下，背压降低5～8 kPa，能够满足机组在夏季高温情况下带满负荷的要求，不出现空冷凝汽器的散热问题影响机组的经济运行的情况。同时，喷淋降温系统对空冷凝汽器在春秋季节大风影响造成的热风回流引起真空突然下降有实质性保护作用。

4.2.2 结果分析

以#4 机组作为试验对象，试验工况负荷为290 MW，外界环境温度为31.6 ℃，在稳定负荷和环境温度一定的条件下，对比分析未投入喷淋装置和投入喷淋装置空冷凝汽器背压的变化情况，如图2 所示。

图2 加装喷淋装置前后空冷凝汽器排汽压力对比图

从图2 可以看出，在相同运行负荷和环境温度条件下，投入喷淋装置运行后，空冷凝汽器背压平均下降6.4 kPa。经过进一步试验可知，在更高负荷和温度下，效果会更好，可见投入喷淋装置对空冷凝汽器降背压效果显著，使得蒸汽在汽轮机内做功增加。因此，直接空冷机组可有效地避免夏季出力不足的问题，实现在夏季高温环境下满负荷运行，降低了机组煤耗，提高了直接空冷机组运行的经济性和安全性。

5 结论

（1）直接空冷系统技术改造的关键技术是在空冷凝汽器加装喷淋降温装置，即在空冷凝汽器散热单元内，空冷风机出口上部加装喷淋降温装置。利用雾化的喷淋水降低空冷散热管束表面温度，降低空冷凝汽器背压5～8 kPa，从而降低煤耗，满足机组在夏季高温情况下带满负荷的要求。

（2）喷淋装置所用的水为煤矿废水疏干水，将通过净化处理的疏干水直接喷淋在空冷散热器的表面，温度较低的喷淋水吸收高温的空冷凝汽器表面的热量，空冷凝汽器背压随之降低。采用这样方式对煤矿废水疏干水进行利用，实现煤矿井下疏干水“变废为宝”，提高了机组经济效益。