李 斌

(晉控電力同達(dá)熱電山西有限公司，大同 037001)

0 引 言

空冷系統(tǒng)是指將環(huán)境空氣作為冷卻介質(zhì)，為特定設(shè)備進(jìn)行降溫的設(shè)備系統(tǒng)。比如在發(fā)電廠中，一些壓力設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，內(nèi)部溫度會升高，如果長時(shí)間處于高溫狀態(tài)，必定會影響設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量。此時(shí)需要對設(shè)備進(jìn)行降溫處理，可行性方法便是空冷。常規(guī)的空冷實(shí)現(xiàn)方式為，通過噴淋裝置，將冷卻水噴灑在設(shè)備的外表面上，通過水遇熱(吸熱)蒸發(fā)這一過程，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的冷卻降溫。此種模式雖然能夠達(dá)到冷卻的目的，但環(huán)保性存疑，由此產(chǎn)生的成本支出也偏高。基于此，需要圍繞電廠空冷增裝噴淋裝置進(jìn)行節(jié)能改造，以提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 某電廠空冷增裝噴淋裝置節(jié)能改造背景簡析

某火力發(fā)電廠位于我國北方某城市，原有的空冷系統(tǒng)構(gòu)成如下：兩臺當(dāng)量達(dá)到330 MW、具有亞臨界警示功能，能夠?qū)崿F(xiàn)一次中間再熱、單軸及雙缸雙排汽、直接空冷凝的汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組[1]。在投入運(yùn)營共計(jì)3年時(shí)間內(nèi)，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)日志記錄內(nèi)容顯示：上述空冷系統(tǒng)的冷卻性能極其容易受到環(huán)境因素的影響，特別是對自然風(fēng)的敏感性極強(qiáng)，風(fēng)向、風(fēng)力強(qiáng)度、自然溫度一旦出現(xiàn)變化，則空冷系統(tǒng)的冷卻效果均會發(fā)生超出預(yù)期的變化，不利于發(fā)電計(jì)劃的制定。此外，如果到了夏天，一點(diǎn)環(huán)境溫度達(dá)到28 ℃以上，則機(jī)組的運(yùn)行工況整體陷入下滑狀態(tài)，機(jī)組的真空度和冷卻效果均不同程度降低；如果環(huán)境溫度進(jìn)一步升高至35 ℃之上，則冷卻系統(tǒng)的性能會進(jìn)一步降低。在汽輪機(jī)無法被充分冷卻的情況下，發(fā)電機(jī)組長時(shí)間處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。該發(fā)電公司黨組成員組織專家、一線工作人員進(jìn)行多次討論后得出一致結(jié)論——若要提升空冷系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率以及發(fā)電機(jī)組的綜合發(fā)電效率，在增加經(jīng)濟(jì)收益的同時(shí)，降低煤炭等化石能源的消耗量，貫徹落實(shí)可持續(xù)發(fā)展理念，決定開展空冷增裝噴淋節(jié)能裝置改造工程。

2 某電廠空冷系統(tǒng)改造前相關(guān)技術(shù)參數(shù)及運(yùn)行效果評估

2.1 改造前空冷系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

該火力發(fā)電廠空冷系統(tǒng)改造前的狀態(tài)為：兩臺330 MW的汽輪機(jī)均采用機(jī)械通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)，相關(guān)技術(shù)參數(shù)如下：其一，管束方面。順流型號為單排管，管束尺寸為9 500 mm×1 858 mm；具體數(shù)量為290個(gè)；基管的橫截面尺寸為219 mm×19 mm；翅片管的外形尺寸在長度方面與基管的橫截面相同，也為219 mm，寬度為57 mm；翅片管的排數(shù)為1排；機(jī)組設(shè)備生產(chǎn)商提供的設(shè)備參數(shù)說明書中顯示，順流翅片管總散熱面積達(dá)到658 027 m2；散熱面積除以迎風(fēng)面積得到的翅化比參數(shù)為129。逆流管型號同樣為單排管，尺寸方面，寬度值與順流管相同，同樣為1 858 mm，長度相較于順流管低1 000 mm，為8 500 mm。數(shù)量方面，逆流管共72個(gè)；基管橫截面尺寸、翅片管外形尺寸、翅片管排數(shù)、翅化比均與順流管完全相同。逆流翅片管的散熱總面積相較于順流管極低，僅為147 190 m2。其二，A型冷卻單元段方面。順流的迎風(fēng)面面積為17.651 m2；散熱系數(shù)為31.7 W/m2·K；每個(gè)冷卻段的尺寸均為11.1 m×11.1 m；A型夾角為60°。逆流迎風(fēng)面面積為15.793 m2；散熱系數(shù)、每個(gè)冷卻段尺寸、A型夾角均與順流相應(yīng)參數(shù)完全相同。其三，風(fēng)機(jī)方面。順流方面：風(fēng)機(jī)臺數(shù)為18臺，風(fēng)機(jī)直徑為9.022 m，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)為90轉(zhuǎn)/min，風(fēng)機(jī)工作全壓為87 Pa，風(fēng)機(jī)軸功率(對應(yīng)的TMNCR工況)為57 kW，電動機(jī)功率為90 kW；逆流方面，風(fēng)機(jī)臺數(shù)為12臺，風(fēng)機(jī)直徑、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)、風(fēng)機(jī)工作全壓、風(fēng)機(jī)軸功率、電動機(jī)功率均與順流完全相同。其四，空冷凝汽器方面，總空冷凝汽器散熱面積共計(jì)達(dá)到805 217 m2[2]。

2.2 改造前空冷系統(tǒng)的運(yùn)行效果評估

空冷系統(tǒng)日常運(yùn)行情況為：整個(gè)系統(tǒng)被設(shè)置在高度達(dá)到50 m的半高空平臺中，兩臺汽輪機(jī)各自配備的30臺(總計(jì)60臺)軸流風(fēng)機(jī)沿著自北向南的方向排布[3]。此外，同走向還布置了共計(jì)12拍到的三角形管束散熱器。上文提到，該空冷系統(tǒng)在出力方面特別容易受環(huán)境溫度變化的影響，特別是夏季自然溫度超過30 ℃的情況下，由于冷卻效果常常達(dá)不到預(yù)期，故會增加發(fā)電原材料——煤炭化石能源的消耗量。測量結(jié)果顯示，凝結(jié)水精處理入口處的最高溫度一度達(dá)到甚至超過75 ℃，嚴(yán)重時(shí)(如遭遇極端炎熱天氣，天氣預(yù)報(bào)溫度為37 ℃以上，但機(jī)械設(shè)備表面在非運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下便可能達(dá)到至少40 ℃以上)甚至完全無法處理，冷卻效果全無。如果出現(xiàn)極端大風(fēng)天氣，則冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行效果會進(jìn)一步降低，運(yùn)行記錄不止一次顯示發(fā)生了高背壓跳閘事故。該單位技術(shù)人員在前往兄弟單位考察時(shí)發(fā)現(xiàn)，兄弟單位針對上述情況采用的方法為：首先，在布置不知方面，應(yīng)提高科學(xué)性，保證管路布置密度處于合理范圍內(nèi)。其次，調(diào)整噴水壓力，需保證噴出的水能夠形成一定規(guī)模的霧化效果，即冷卻水落下率不應(yīng)過高，不能出現(xiàn)“粗壯水柱直接并排噴灑在空冷系統(tǒng)表面”的情況。兄弟單位對空冷系統(tǒng)優(yōu)化后的運(yùn)行結(jié)果顯示，背壓降低程度達(dá)到至少5 kPa，最高記錄為8 kPa，冷卻效果得到了進(jìn)一步提升[4]。該考察結(jié)果顯示，通過對直接空冷裝置進(jìn)行冷卻，實(shí)現(xiàn)對空冷機(jī)組被壓的降低在一定程度上具備可行性，可參考。

3 某電廠空冷增裝噴淋裝置節(jié)能改造方案

結(jié)合該發(fā)電廠空冷系統(tǒng)改造前的實(shí)際情況以及上文提到的可行性改造思路，最終擬定的改造方案如下：第一，基于節(jié)約用水方面的考量，決定將噴霧冷卻和蒸發(fā)冷卻兩種冷卻模式相結(jié)合。第二，將不銹鋼的噴嘴布置成三角形形態(tài)，整體與順逆流管束保持平行狀態(tài)。第三，進(jìn)行管束布置時(shí)，相鄰兩條管束之間的間距應(yīng)該控制在1 m左右。第四，為實(shí)現(xiàn)“噴霧冷卻和蒸發(fā)冷卻兩種冷卻模式相結(jié)合”，需要將噴淋裝置噴出的水霧與散熱器入口處的空氣充分混合。性此種操作轉(zhuǎn)移后，空氣溫度會在一定程度上降低、對應(yīng)的空氣濕度會增加。此外，一部分霧珠在吸收熱量之后會迅速汽化，而一部分尚未完成汽化的霧珠會被噴到管束外表面，在接觸管束壁的高溫之后會蒸發(fā)，最終剩余的霧珠會通過管束翅片，并在這個(gè)過程中充分吸收熱量，同樣會企劃。如此一來，管束入口、管束外壁、管束內(nèi)部的溫度均會降低、濕度會增高，便可實(shí)現(xiàn)利用空冷管束換熱原理，實(shí)現(xiàn)對機(jī)組設(shè)備降溫的目的。

根據(jù)上文所述的空冷增裝噴淋裝置節(jié)能改造方案，理論上能夠產(chǎn)生的其他良好效果為：其一，自然環(huán)境溫度升高帶動的空氣溫度升高原本會在不同程度上(自然環(huán)境的具體溫度差異)對空冷系統(tǒng)管束散熱造成影響，經(jīng)過改進(jìn)之后，此種影響已經(jīng)微乎其微(但在一些極端炎熱天氣下，對管束散熱造成的影響依然存在，不可完全消除)。其二，改進(jìn)之前，隨著風(fēng)力強(qiáng)度、風(fēng)向的不同，散熱裝置入口處會形成一種“熱風(fēng)回流”現(xiàn)象。此種現(xiàn)象改進(jìn)后會得到有效控制，連帶著會使冷卻設(shè)備背壓升高的情況小時(shí)，能夠在很大程度上解決在自然溫度較高的情況下，空冷系統(tǒng)入口處受空氣溫度影響較高的問題。

基于上述方法進(jìn)行空冷增裝噴淋裝置節(jié)能改造時(shí)，核心改造區(qū)域?yàn)殪F化噴淋裝置。該處的改造原理為：如果保證“水流量輸出”這一條件不變，那么對水施加的霧化壓力越大，則產(chǎn)生的霧化水珠顆粒便會越小，整體霧化效果便會越好。基于上述考量，最終決定在A性塔內(nèi)額外均勻增設(shè)大量高壓霧化噴嘴。經(jīng)過此種改造，除鹽水轉(zhuǎn)化成水蒸氣的效率明顯提升；通過調(diào)整霧化壓力，最終可以使噴淋出的霧化顆粒度降低到20 μm以下。如果自然環(huán)境中出現(xiàn)一定的風(fēng)力，則水珠可懸浮在空氣中，令冷卻系統(tǒng)附近區(qū)域的空氣溫度、濕度不間斷地處于理想冷卻范圍。

4 改造后的環(huán)保節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益分析

機(jī)組設(shè)備運(yùn)行日志顯示，在過往連續(xù)運(yùn)行的三年時(shí)間內(nèi)，每逢夏季炎熱時(shí)節(jié)，機(jī)組的背壓最大值超過35 kPa。按照上述方案進(jìn)行空冷增裝噴淋裝置節(jié)能改造后，背壓降低達(dá)到兄弟單位的標(biāo)準(zhǔn)，介于5～8 kPa之間，大幅度降低了發(fā)電機(jī)組、冷卻機(jī)組在整個(gè)夏天的運(yùn)行壓力，并使得煤炭化石能源的消耗量得到了明顯降低。一組數(shù)據(jù)顯示，機(jī)組設(shè)備的背壓每降低1 kPa，則每千瓦時(shí)發(fā)電量對應(yīng)的煤炭化石能源消耗量會降低2 g。僅僅從上述文字表達(dá)結(jié)果無法直觀顯示發(fā)電廠節(jié)省的成本支出，故需進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。具體而言：設(shè)定冷卻系統(tǒng)每小時(shí)消耗的冷卻除鹽水用量達(dá)到70 t，且當(dāng)前環(huán)境溫度控制在33℃，有效降低的背壓僅僅以最低值5 kPa為準(zhǔn)，那么改造完成之后，冷卻系統(tǒng)每小時(shí)產(chǎn)生的運(yùn)行成本為：①除鹽冷卻水每小時(shí)的消耗量為70噸，按照每噸水10元的單價(jià)進(jìn)行計(jì)算，水部分的成本為70×10=700元。②冷卻系統(tǒng)維持穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，每小時(shí)消耗的電能為110 kW。按照我國2021年發(fā)布的工業(yè)用電價(jià)格新標(biāo)準(zhǔn)(峰時(shí)段1.025元/kw·h；平均時(shí)段0.725元/kW·h；谷時(shí)段0.425元/kW·h，取中位數(shù)用電標(biāo)準(zhǔn)0.5元/kW·h)，則電能消耗成本為110×0.5=55元。因此，改造后的冷卻系統(tǒng)每小時(shí)水電成本為700+55=755元。冷卻系統(tǒng)改造之后，對比改造之前節(jié)省的成本支出計(jì)算過程如下：在保證環(huán)境等基本條件不變的情況下，設(shè)備背壓每降低1 kPa，煤炭消耗量降低2 g/kW·h，那么取每年夏天溫度超過33 ℃的天數(shù)為60天，每天噴淋冷卻時(shí)間共計(jì)7小時(shí)，那么總冷卻時(shí)間為60×7=420 h。忽略近兩年的煤炭價(jià)格變動情況，仍然按照300元一噸的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合兩臺汽輪機(jī)330 MW的參數(shù)，每一年節(jié)約的煤炭購入量2×330×420×0.002×5=2 772 t，金額為2 772×300=831 600元。減去上文所述的每小時(shí)產(chǎn)生的費(fèi)用755×420=317 100元，最終剩余514 600元。由此可見，經(jīng)過改造，發(fā)電廠每年在冷卻方面節(jié)約的成本支出超過50余萬元，經(jīng)濟(jì)效益得到了明顯的提升。

5 結(jié)束語

綜上述所，經(jīng)過空冷增裝噴淋裝置節(jié)能改造之后，發(fā)電廠每年在冷卻方面的成本并不是全部下降。成本產(chǎn)生供包含兩個(gè)部分。其一，冷卻系統(tǒng)運(yùn)行期間，消耗的電能和除鹽冷卻用水。事實(shí)上，由于應(yīng)用這些物品，對應(yīng)方面的成本支出處于增加狀態(tài)；其二，通過改造后的冷卻工藝，機(jī)組設(shè)備的發(fā)電效率會大幅度增加，同等發(fā)電量消耗的煤炭化石能源量會降低。一出一進(jìn)之下，每一年能夠節(jié)省50多萬元，故整體經(jīng)濟(jì)效益切實(shí)得到了提升。