史文玎，寇德林，李啟明

（京能山西漳山發(fā)電有限責(zé)任公司，山西長(zhǎng)治046021）

蒸發(fā)式冷卻器在600 MW機(jī)組中的應(yīng)用

史文玎，寇德林，李啟明

（京能山西漳山發(fā)電有限責(zé)任公司，山西長(zhǎng)治046021）

京能山西漳山發(fā)電有限責(zé)任公司600MW機(jī)組由于基建期空冷設(shè)備選型及設(shè)備老化問題，近年來冷端冷卻能力不足越來越突出，在夏季炎熱天氣經(jīng)常出現(xiàn)限負(fù)荷運(yùn)行。2013年采用蒸發(fā)式冷卻器對(duì)空冷進(jìn)行增容改造，改造后進(jìn)行收益分析，反映出該技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益可觀、節(jié)能效果顯著，對(duì)同類型機(jī)組節(jié)能改造有一定的借鑒指導(dǎo)意義。

蒸發(fā)式凝汽器；直接空冷；節(jié)能節(jié)水

0 引言

漳山發(fā)電二期2臺(tái)600 MW直接空冷機(jī)組2008年相繼投產(chǎn)發(fā)電，至今已經(jīng)運(yùn)行近7 a，直接空冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)面積為128萬m2，空冷散熱器采用三排管束，在夏季空氣干球溫度為33℃，汽輪機(jī)在汽機(jī)額定負(fù)載TRL（turbine rated load）工況（汽輪機(jī)排汽量為1 332.277 t/h，排汽焓為2 537.8 kJ/kg）汽輪機(jī)排汽口處背壓不大于34 kPa。由于空冷系統(tǒng)散熱面積設(shè)計(jì)偏小，機(jī)組運(yùn)行中背壓偏高，夏季工況機(jī)組運(yùn)行背壓高達(dá)40～45 kPa，機(jī)組被迫降負(fù)荷運(yùn)行，機(jī)組運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性較低，因此非常有必要對(duì)汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)進(jìn)行改造，增加冷卻能力，降低機(jī)組運(yùn)行背壓，提高運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。2013年漳山電廠率先引用蒸發(fā)式冷卻器在600 MW機(jī)組上進(jìn)行增容改造，改造后取得良好的效果。

1 蒸發(fā)式冷卻器系統(tǒng)概述

火力發(fā)電廠由鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、凝結(jié)水泵和給水泵等組成。水在鍋爐中被加熱成蒸汽，通過主蒸汽管道進(jìn)入汽輪機(jī)。蒸汽在汽輪機(jī)中膨脹做功推動(dòng)汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)出電。做完功的乏汽排入凝汽器或空冷島進(jìn)行冷卻后進(jìn)行下一個(gè)熱力循環(huán)1-2-3-4-1。工質(zhì)水的這種熱力循環(huán)過程稱為朗肯循環(huán)，如圖1所示。根據(jù)熱力學(xué)知識(shí)降低排汽壓力可以有效提高熱力系統(tǒng)的循環(huán)效率，降低排汽壓力后的熱力循環(huán)過程為1-2′-3′-4′-1，其中22′33′在圖中圍出的面積及為排汽壓力降低多做的功。本文所述蒸發(fā)冷卻器改造工程即是通過增大冷端換熱面積降低排汽壓力從而達(dá)到提高熱效率的過程。

圖1 朗肯循環(huán)

2 蒸發(fā)式冷卻器的工作原理

與傳統(tǒng)的濕式冷卻塔及空冷系統(tǒng)相比，蒸發(fā)式冷卻器是一種截然不同的換熱設(shè)備。濕冷塔與空冷換熱器都是通過冷介質(zhì)在管外流動(dòng)吸熱升溫冷卻管內(nèi)蒸汽，蒸發(fā)式冷卻器卻是通過管外冷卻水蒸發(fā)吸熱和對(duì)流換熱相結(jié)合冷卻管內(nèi)蒸汽。不同的換熱原理導(dǎo)致它們的結(jié)構(gòu)也不相同，圖2為一個(gè)蒸發(fā)式冷凝器單元的典型結(jié)構(gòu)圖。它從上到下主要由軸流風(fēng)機(jī)、收水器、換熱器、及冷卻水系統(tǒng)組成。經(jīng)過汽輪機(jī)做工后的乏汽，經(jīng)過低壓缸排汽管母管進(jìn)入蒸發(fā)式凝汽器，換熱器內(nèi)與外部噴淋的冷卻水進(jìn)行熱交換，蒸汽冷凝后回到汽輪機(jī)排汽裝置熱井，重新開始下一個(gè)熱力循環(huán)。換熱器管外噴淋水吸收乏汽熱量后一部分蒸發(fā)成水蒸氣，在軸流風(fēng)機(jī)的作用下隨著冷空氣向上流動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的同時(shí)被冷空氣冷卻為液態(tài)水滴，在經(jīng)過收水器時(shí)小水滴被截留流入下部水池；換熱器管外還有一部分噴淋水沒有被汽化的水直接流到下方水池。換熱器上部的軸流風(fēng)機(jī)一方面從周圍吸進(jìn)冷空氣冷卻汽化的水蒸氣，同時(shí)也可使換熱器內(nèi)部保持一定的負(fù)壓，降低水蒸氣的飽和溫度，提高冷卻水利用率。

圖2 蒸發(fā)式冷凝器原理圖

3 蒸發(fā)式冷卻器的特點(diǎn)

從蒸發(fā)式冷凝器工作原理可以看出，該冷卻器與傳統(tǒng)凝汽器及空冷散熱器最大的區(qū)別是管外換熱過程是一種結(jié)合相變的強(qiáng)制對(duì)流換熱過程，換熱系數(shù)遠(yuǎn)高于同等參數(shù)的濕冷凝汽器和空冷散熱器，循環(huán)水單位吸熱量大于傳統(tǒng)凝汽器。其節(jié)能、節(jié)水效果不僅在理論上明顯，而且在實(shí)際應(yīng)用中得到很好的證明。

3.1 比空冷和傳統(tǒng)濕冷機(jī)組循環(huán)熱效率更高

蒸發(fā)式冷凝器的設(shè)計(jì)理念主要是通過水蒸發(fā)吸收汽化潛熱實(shí)現(xiàn)換熱，換熱器管內(nèi)凝結(jié)水溫度極限趨近大氣濕球溫度，一般設(shè)計(jì)可以達(dá)到比空氣的濕球溫度高5～10℃[1]；而濕冷機(jī)組和直接空冷系統(tǒng)的換熱過程均是通過顯熱傳遞實(shí)現(xiàn)的，其冷凝溫度極限趨近于環(huán)境大氣干球溫度，但濕冷機(jī)組考慮到循環(huán)水溫升與凝汽器端差，凝結(jié)水溫度比空氣的濕球溫度高13～23℃[2]；而空冷機(jī)組考慮到設(shè)備投資及冬季運(yùn)行防凍等因素，冷凝溫度平均高于空氣干球溫度30℃。所以采用蒸發(fā)式冷凝器，熱力循環(huán)平均放熱溫度更低,循環(huán)熱效率更高。

3.2 與傳統(tǒng)濕冷機(jī)組相比更節(jié)水

結(jié)合相變的對(duì)流換熱系數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于沒有相變的換熱系數(shù)，所以循環(huán)水單位吸熱量大于傳統(tǒng)凝汽器，同時(shí)蒸發(fā)式凝汽器在風(fēng)機(jī)局部負(fù)壓的作用下以相對(duì)較低的溫度發(fā)生蒸發(fā)換熱，水蒸汽分壓力降低，飽和溫度也降低，根據(jù)圖1可以看出水的汽化潛熱相應(yīng)增大，進(jìn)一步提高了循環(huán)水的利用率。布置于軸流風(fēng)機(jī)上方的高效收水器又能有效避免水汽飄失，從另一方面防止水汽損失。文獻(xiàn)指出與帶濕冷塔的濕式循環(huán)冷卻系統(tǒng)相比，蒸發(fā)式冷凝器的全年耗水量可降到前者的50%。

3.3 比傳統(tǒng)濕冷機(jī)組節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用

蒸發(fā)式凝汽器主要依靠換熱器管外水膜蒸發(fā)帶走汽輪機(jī)乏汽放出的熱量，其換熱系數(shù)高、循環(huán)水利用率高；與帶濕冷塔的循環(huán)冷卻系統(tǒng)相比，循環(huán)水量小于后者的1/3，因此水泵功耗顯著降低，廠用電量進(jìn)一步降低。

4 蒸發(fā)式冷卻器改造技術(shù)實(shí)施

改造原理如圖3所示，本次改造的本質(zhì)就是擴(kuò)大汽輪發(fā)電機(jī)組的冷端換熱面積，在原空冷凝汽器的基礎(chǔ)上并列安裝若干單元蒸發(fā)式冷卻器，本次工程采用洛陽隆化換熱科技生產(chǎn)的FQN(Z)-11000型換熱單元，每個(gè)換熱單元的換熱面積為11 000 m2，根據(jù)設(shè)計(jì)需要安裝不同數(shù)量的換熱單元。本工程是在原直接空冷系統(tǒng)中2根DN5500的大排汽管道上各接出一根DN3000管道，將汽輪機(jī)乏汽送至蒸發(fā)式凝汽器系統(tǒng)，圖3中虛線包絡(luò)部分為增加的蒸發(fā)冷卻器系統(tǒng)。管道上設(shè)有膨脹節(jié)和電動(dòng)蝶閥，膨脹節(jié)用以吸收管道的橫向和軸向位移。電動(dòng)蝶閥用于控制蒸汽的流向，當(dāng)需要蒸發(fā)式冷卻器投入運(yùn)行時(shí)，打開管道上電動(dòng)蝶閥使一部分蒸汽流至蒸發(fā)式凝汽器進(jìn)行冷卻，擴(kuò)大汽輪機(jī)冷端換熱面積，達(dá)到降低背壓的目的，當(dāng)環(huán)境溫度較低不需要蒸發(fā)冷卻器投入運(yùn)行時(shí)，關(guān)閉閥門使低壓缸排汽全部通過直接空冷散熱器冷卻。

圖3 蒸發(fā)式冷卻器改造示意圖

根據(jù)斯必克冷卻技術(shù)公司提供的計(jì)算數(shù)據(jù)，按機(jī)組目前空冷面積測(cè)算，在TRL工況：環(huán)境溫度33℃時(shí)，機(jī)組負(fù)荷600 MW，如果機(jī)組運(yùn)行背壓保持20.0 kPa需要抽出蒸汽量452 t/h；如果機(jī)組運(yùn)行背壓保持18.0 kPa需要抽出蒸汽量540 t/h；如果機(jī)組運(yùn)行背壓保持15.0 kPa需要抽出蒸汽量673 t/h。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髼l件，為保證機(jī)組在任何工況下運(yùn)行背壓保持20 kPa以內(nèi)，選型計(jì)算時(shí)按照環(huán)境溫度34℃，75%相對(duì)濕度，需配置28個(gè)FQN(Z)-11000型蒸發(fā)式冷卻器單元。

5 改造驗(yàn)收

改造完成后機(jī)組TRL工況運(yùn)行背壓較改造前平均降低15.0 kPa，根據(jù)本地區(qū)氣候條件（3月底—11月底）額定工況下運(yùn)行背壓可保持在20.0 kPa以內(nèi)，能夠保證機(jī)組在較經(jīng)濟(jì)背壓下滿負(fù)荷運(yùn)行。改造前后典型工況下機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 典型工況運(yùn)行數(shù)據(jù)表

在試驗(yàn)工況（機(jī)組負(fù)荷599.75 MW，環(huán)境溫度29.1℃）下，直接空冷系統(tǒng)和蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行，機(jī)組背壓為20.03 kPa，經(jīng)過環(huán)境溫度修正到設(shè)計(jì)環(huán)境溫度33℃和原空冷機(jī)組運(yùn)行背壓修正后，新增蒸發(fā)式冷卻器與空冷系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行機(jī)組運(yùn)行背壓為17.9 kPa，達(dá)到了設(shè)計(jì)值，滿足運(yùn)行需要。

收益計(jì)算:

改造前夏季滿發(fā)背壓：35 kPa；

改造后夏季滿發(fā)背壓：20 kPa；

夏季運(yùn)行時(shí)間段：3月底—11月底（共8月）；

煤耗差：背壓每降低1 kPa，煤耗減少1.25g/kW·h；

標(biāo)煤價(jià)按：350元/t；

煤耗降低：（35-20）×1.25×24×30×8×60× 104=64 800 t/a；

煤耗費(fèi)用降低：64 800×350=2 268萬元/a；

電費(fèi)消耗：2 540×2 160×0.4×2=438.912萬元；

水費(fèi)消耗：405×2 160×3×2=524.88萬元；

大修費(fèi)用：2 800×2%×2=112萬元；

每年收益：2 268-438.912-524.88-112= 1 192.208萬元。

建設(shè)項(xiàng)目建設(shè)投資4 512萬元，通過計(jì)算可以看出，若不考慮折舊每年可以節(jié)省1 192.208萬元，約4 a能夠回收建設(shè)期投資。

6 存在問題

a)為保證蒸發(fā)式凝汽器內(nèi)水汽流動(dòng)暢通，蒸汽聯(lián)箱與凝結(jié)水聯(lián)箱之間設(shè)計(jì)有一連通管，但由于該連通管設(shè)計(jì)缺陷焊口容易出現(xiàn)斷裂情況。在設(shè)備投產(chǎn)運(yùn)行后發(fā)生多次該連通管斷裂導(dǎo)致的汽輪機(jī)真空嚴(yán)密性差、水環(huán)真空泵電流高的問題，后經(jīng)廠家調(diào)整處理后正常。

b)由于冷卻水系統(tǒng)為開式循環(huán)水，水質(zhì)相對(duì)較差，同時(shí)在蒸發(fā)式冷凝器中,隨著水分蒸發(fā),水中溶解的固體濃度就會(huì)不斷提高,如果這些雜質(zhì)和污物不能有效控制,就會(huì)引起結(jié)垢、腐蝕和泥漿積聚，從而降低傳熱效率。為了達(dá)到蒸發(fā)式冷凝凝汽器應(yīng)有的水質(zhì)要求，必須采取相應(yīng)的水處理措施。目前本改造項(xiàng)目也只是采取一些常規(guī)的加藥技術(shù),同時(shí)通過排污控制循環(huán)水的循環(huán)倍率。從目前看效果不是太理想。

7 結(jié)束語

隨著國(guó)家節(jié)能降耗力度不斷加大，火電企業(yè)的節(jié)能降耗工作刻不容緩。根據(jù)上文的論述可以看出蒸發(fā)式冷卻技術(shù)雖然存在一些問題，但不致命，其經(jīng)濟(jì)效益可觀，節(jié)能減排效果顯著。相比傳統(tǒng)的濕冷效率高、補(bǔ)水率??；比空冷技術(shù)補(bǔ)水率高，但換熱效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空冷散熱器。彌補(bǔ)了傳統(tǒng)濕冷技術(shù)的高耗水和空冷技術(shù)高背壓的問題，有較大推廣價(jià)值。該項(xiàng)目是國(guó)內(nèi)蒸發(fā)式凝汽器在600 MW機(jī)組中的首次應(yīng)用，可供同類機(jī)組參考借鑒。

[1]袁建新．蒸發(fā)式冷凝器的應(yīng)用分析[J]．制冷，2000，19（2）：85-86．

[2]郭常青，朱冬生，閆常峰．蒸發(fā)式冷凝器在發(fā)電冷卻系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用[J]．電站系統(tǒng)工程，2010，26（6）：27-30．

Application of Evaporative Cooler in 600MW Unit

SHI Wending,KOU Delin,LI Qiming
（BEIH Shanxi Zhangshan Power Co.,Ltd.,Changzhi,Shanxi 046021,China）

In recent years,due to the aging of equipment and equipment selection,the problem of poor cooling capacity of a 600MW unit in Shanxi Zhangshan Power Co.,Ltd.gets more serious.In the summer,limited operation often occurs.In order to solve the problem, evaporative cooler was used to increase the capacity of air cooling in 2013.After the reform,benefit analysis is carried out,the result of which shows that it brings considerable economic benefits and remarkable energy saving effect so that it has references for the same type of units.

evaporative condenser;direct air cooling;energy saving and water saving

TK172

B

1671-0320（2017）01-0034-04

2016-07-18，

2016-09-29

史文玎（1988），男，山西呂梁人，2011年畢業(yè)于山西大學(xué)熱能與動(dòng)力工程專業(yè)，助理工程師，從事汽輪機(jī)設(shè)備檢修與節(jié)能管理工作；寇德林（1975），男，山西陽高人，2010年畢業(yè)于武漢大學(xué)熱能與動(dòng)力工程專業(yè)，工程師，從事汽機(jī)設(shè)備檢修維護(hù)工作；李啟明（1977），男，山西朔州人，2016年畢業(yè)于長(zhǎng)沙理工大學(xué)熱能與動(dòng)力工程專業(yè)，助理工程師，從事汽機(jī)設(shè)備檢修維護(hù)工作。