空冷技术工程

1、空冷技术工程Air cooled condenser Engineering 大唐环境科技工程有限公司空冷事业部Datang Environment Technologies & Engineering Co., Ltd.Air Cooled Condenser Business Department14一、空冷技术原理及特点l 空冷技术的简介一般来讲，火力发电厂经常使用水来冷却乏汽，其中效率最高的莫过于使用河水或海水的开式循环冷却。当限于自然和环保条件而无法使用开式冷却时，可使用湿式冷却塔进行闭式循环冷却（即常见的双曲面冷却塔），但冷却效率略低，而且在运行中要不停补充大量的冷却水。传

2、统的湿式冷却技术是目前应用最广泛的的冷却技术，但当水源缺乏或存在其它限制时，就不能够使用这种冷却方式。于是，空气冷却凝汽技术应运而生。空冷技术，也称干式冷却技术，按大类可分为直接空冷和间接空冷，细分和组合后又可衍生出并行空冷、混合式空冷等一系列具体的空冷发电技术形式。火电厂直接空冷凝汽系统工作原理为：将在蒸汽轮机内做工后的乏汽从汽轮机尾部引入大口径蒸汽管道，输送至汽轮机房A列外的空冷平台上，进而经由配汽管送至数量众多的翅片管换热管束内；空气流在大直径轴流风机的驱动下，穿过翅片管束的翅片间隙，将翅片管束内的蒸汽冷凝为凝结水，使其在重力作用下回流至凝结水箱，进入下一个做功循环。l 空冷技术的特点1

3、、 节水效果非常明显空冷机组的运行实践证明，空冷机组的节水效果非常明显。以大唐云冈热电的直接空冷系统为例，空冷换热面积为51万平方米， 2004年累计发电水耗为0.47千克/千瓦时，比同类型湿冷机组发电水耗设计值2千克/千瓦时低1.53千克/千瓦时，节水76.5%，年节水量477万吨，超出山西省确定的新型电力节水率达70%以上目标6个百分点，每年因节水少支出费用800多万元。如果与目前一般老电厂8千克/千瓦时的发电水耗相比，年节水可达到2349万吨，少支出水费将近4000万元。2、 系统自动化程度高，运行方式方便可靠。直接空冷系统分成若干个换热单元，每个单元对应一台冷却风机，风机采用变频技术进

4、行无极变速，可以实现对每一个散热单元进行独立调节。运行时候可以通过降低风机转速和停运风机等方法，调节某一冷却单元的负荷，控制其凝结水的过冷度和汽轮机背压。3、 综合换热效率提高，冬季运行经济性较好。蒸汽与空气直接换热，省去了中间介质和二次换热，综合热效率提高，运行更加经济。空冷机组在冬季运行过程中，由于空冷系统运行背压低，而使得汽轮机带负荷能力大大提高。因此，空冷机组可利用冬季多发电，为电厂带来额外的收益。这一点对于地处我国北方区域的电厂尤为明显。4、 取消了庞大的湿式冷却塔，通过优化设计减少了空冷系统的占地面积。在水冷凝汽器系统中，循环冷却水塔和循环水泵房要占用一定的建设用地。采用直接空冷系

5、统，通过优化设计可以省掉上述用地。空冷平台下仍可布置电气设备等，使空冷凝汽器空间得到有效综合利用。大唐国际云冈热电公司2X200MW直接空冷凝汽器所占面积仅为同规格湿冷系统的四分之三。同时，空冷系统消除了湿冷系统冷却水塔塔顶溢出的雾气团对周围环境的影响。5、 增加了火电厂厂址选择的灵活性，不必担心水资源的变迁、减量与水量加价。空冷技术对电厂的合理布局，以有限的水资源扩大建厂容量，缓解与当地工农业、生活争水的矛盾，保持当地经济可持续发展具有重要作用。6、 大型燃煤空冷电厂为实施“节水最大化、排放最小化（零排放）”创造条件，具有较高的社会效益。二、直接空冷系统的组成l 换热管束 l 风机及驱动装置

6、 l 排气管道和配汽管道 l 抽真空系统 l 疏放水和凝结水系统 l 仪表和控制系统 l 空冷平台和支撑结构 平台钢结构风机乏汽凝结水凝结水收集联箱配汽管道换热管束冷却空气三、直接空冷系统功能描述冷凝过程空冷凝汽器采用屋顶型结构（或者称为A型框架结构）。来自汽轮机的乏汽通过主排汽管道和配汽管道输送到翅片管换热器的翅片管道内。冷却空气由位于换热管束下方的轴流风机驱动带走蒸汽携带的热量使蒸汽重新凝结成水。Deaerator直接空冷系统示意图换热器通常采用顺流冷凝逆流冷凝的布置方式，大约70到85的蒸汽在通过顺流冷凝换热器时被冷凝成凝结水，凝结水流到底部的蒸汽/凝结水联箱中。其余的蒸汽在逆流管束中被

7、冷凝，蒸汽是从蒸汽/凝结水联箱向上流动的，而凝结水则从冷凝的位置向下流到蒸汽/凝结水联箱中并被排出。这种顺流冷凝逆流冷凝的布置方式确保了在任何区域内蒸汽都与凝结水有直接的接触，因此将保持凝结水的水温与蒸汽温度相同，从而避免了凝结水的过冷、溶氧和冻害。 从汽轮机到凝结水箱的整个系统都是在真空状态下。由于采用全焊接结构，从而保证整个系统的气密性。由于汽轮机的法兰处不可避免地会有空气漏进冷凝系统中，为了保持系统的真空，在逆流管束的上端未冷凝的蒸汽和空气的混合物将被抽出。通过在逆流管束上端部位的过冷冷却，尽量减少未冷凝蒸汽的含量，从而避免抽出过多的蒸汽。 在不同汽机负荷和环境温度条件下，通过调节流经换

8、热管束的空气流量来控制汽轮机的排汽压力。 换热管束 换热管束是空冷系统的核心部件，换热管束的技术含量，直接影响了空冷系统效率的高低。目前主流的空冷管束主要有如下两种1 单排管单排管的主要的特点是：l 形状扁平，芯管材质为钢，翅片的材质为铝，因为两者的材质不同，需要用钎焊工艺将两者焊接在一起，翅片间无扰流片或定距爪l 蒸汽侧通流面积大，压损低l 适用于冬季高寒地区，可有效避免冰冻问题l 易于对管束进行表面清洗l 是一种成熟的技术，有成功运行15年的经验2 多排管多排管的主要特点是：l 芯管材质为钢，翅片的材质为铝或钢，翅片与芯管之间的连接方式为首先通过绕片或套片工艺将翅片与芯管连接在一起，然后再

9、采用热浸镀锌的工艺将两者焊接在一起l 翅片间距可变，翅片间有扰流片或定距爪l 对不同运行要求的适应性强l 钢翅片低于沙尘天气的能力很强l 使用高压清洗系统，清洗效果好l 是一种成熟的技术，有成功运行40年的经验风机及驱动装置轴流风机安装在换热器下面的风机平台上。 每个风机单元由风机，电机和传动机构（齿轮或三角皮带传动）组成，并配有防逆转机构。可以采用双速电机。但为了避免太大的压力波动和/或减少辅机的能耗，通常采用单速电机并利用变频器控制电机的转速。（详见控制和仪表系统说明） 为了降低进风口的空气阻力和气流的噪音，将风机的风筒直接安装在平台的下面。 风机的型式可以根据全厂的噪声要求选定。从标准型

10、到极低噪音型均可由不同的生产厂家得到。风机叶片的材质可以选用玻璃纤维增强塑料（FRP）或铝质以适应不同的性能要求。 排气管道和配汽管道 在夏季和冬季运行时，蒸汽（对应于排汽压力）的比容的变化会导致蒸汽流速的升高和降低以及相应的压力损失。 蒸汽的流速是其密度的函数，根据各工程项目情况的不同，通常为4080 m/s。 通过对蒸汽排汽管道和换热器面积的优化设计，可以将对应于较小初始温差（ITD）的压力损失降低到最小。 配汽管道直径的设计与翅片管内的流速有关，以便确保相同的蒸汽流量进入到各翅片管中。由于蒸汽管道采用全焊接结构，因此不会有泄露发生。 排汽管道始于汽轮机的排汽口，其截面通常为长方形，通过一

11、段过渡管件与直圆管段相连。直圆管段的管道配备有加强环。管道上的不锈钢膨胀节用于减小由于管道的热膨胀和位移导致的汽轮机排汽口法兰的推力和位移。 排汽管道上配备的人孔用于常规检查。排汽管道还配备有必要的固定和滑动支座。 为了保护冷凝系统，以免管道承受过高压力，防爆隔膜和安全阀被安装在由平台可以接近的管段上。抽真空系统 抽真空系统用于在机组启动时和正常运行时从冷凝系统中除去不可冷凝的气体。启动程序必须根据锅炉和汽轮机的启动程序而定，并且不同的电厂会有不同的解决方案。抽真空系统使用射汽抽气器或水环式真空泵，或组合起来使用。在大多数情况下使用射汽抽气器，因为其不易发生故障（没有旋转部件）。射汽抽气器仅需

12、少量的维护工作，而且价格较低。 射汽抽气系统，在大多数情况下，由一台装备有消声器的启动射汽抽气器，和配备有表面式冷凝器的两级真空保持射汽抽气器组成。冷凝器由来自凝结水箱的凝结水进行冷却，通过加热凝结水，蒸汽的能量被部分地回收。 水环式真空泵比射汽抽气器昂贵，需要一些维护工作，但具有较低的能耗。由于需要冷却水，水环式真空泵需要比汽轮机/冷凝器压力所对应的饱和温度低1315°C的冷却水。疏放水和凝结水系统在排汽管道的最低点，设置了一个疏水箱（热井）用于排出在管道中收集的凝结水。 凝结水靠重力从蒸汽/凝结水联箱的管路经过凝结水管路流到凝结水箱，如果不能实现靠重力将凝结水收集到凝结水箱，则需

13、要在热井下方配备水泵以便将凝结水输送到凝结水箱。 凝结水箱位于蒸汽/凝结水联箱管路下方，同时其位置应比凝结水泵的位置尽可能地高，以便提供充分的吸入压力从而可以使用标准的水平布置的水泵。在泵的吸入侧的阀都是真空密封的。 仪表和控制系统 仪表和控制系统至少由下列部分构成： - 蒸汽背压和蒸汽温度检测 - 蒸汽/凝结水联箱管路中的温度检测 在正常运行条件下，电厂的控制系统会设定一个背压值，它与ACC的实际背压值进行比较，如果实际背压值高于设定值，则风机被调节到较高转速，如果低于设定值，则调节到较低转速。 单速或双速电机可以通过接线线路进行转换，从而给电机一个的启动时间间隔。 利用变频器可以实现风机转

14、速的无级调速，它具有下列优点： - 当只有少量风机时可以连续调节汽轮机的排汽压力从而避免了大的压力波动。 - 可以将风机的转速调节到需要值从而减少风机能耗。 控制单元可以设计成利用PLC控制，或是将ACC的控制系统和整个电厂的DCS控制系统结合在一起空冷平台和支撑结构 根据实际经验，使用屋顶型结构（A型框架）的空冷凝汽器具有可靠的凝结水排水功能并且减少了占地面积。支撑结构由可组装的全钢支撑梁及其加强拉条形成一个整体框架结构。 空冷平台上的钢结构用于支撑： - 由圆形风机座平台构成的凝汽器平台 - 安装换热器管束的屋顶型结构（A型框架）- 带栏杆的通道（通到平台） 空冷系统防止冬季冰冻所谓的冰冻

15、问题即管束中的凝结水结冰而导致管束破裂等一些列的问题。早期的空冷系统由于设计方面的问题空冷系统在夏季工作的很好，但是在冬季，即使是满负荷运行，仍有严重的冰冻问题。经过多年的实践后，人们找到了几种方法来克服这一问题。1 管排束顺流-逆流布置模式汽轮机排汽首先进入一组顺流冷凝管束，在其中被逐渐冷凝并与蒸汽一起向下流动。通过恰当地设置顺流管束的传热面积使得它不会将全部蒸汽冷凝，一定量的蒸汽和凝结水一起由底部的芯管被引出。其中来自后排管束的蒸汽较多而来自前排管束的蒸汽较少。这些过量的蒸汽由中间联箱（通常称为逆流管道）所收集，在其中凝结水被通过重力收集起来，然后蒸汽被输送到第二组如前所述的逆流凝汽翅片管

16、束。在逆流管束中蒸汽全部冷凝，不能被冷凝的气体从其顶部被抽出。根据理论计算和试验分析，对于不同的气候条件和负荷变化情况，可以优化选择顺、逆流管束的比例，即KD比。应当指出，采用顺、逆流组合是空冷凝汽器无冰冻运行的必要条件，但不是充分条件。为了充分利用这一技术的效用，就必须遵循一定的运行和维护要求。2 不同翅片间距的管排束对于多排管空冷系统而言，解决这一问题的另一个办法是改变每排翅片管上翅片的间距，翅片间距决定了每排翅片管的散热面积，改变翅片间距后每排翅片管的换热面积与温差的乘积保持大致相同。通常，第一排管束采用4毫米的较大翅片间距，最后排管束采用2.5毫米的较小翅片间距，这一办法可以有效地减少

17、死区和相关的凝结水过冷问题。但如果环境温度大大低于设计温度时，对于防止冰冻的效果有限。这一办法的另一个优点是便于翅片管束的外部清洗。3 单排管技术的应用与多排管技术相比较而言，单排管空冷技术的抗冰冻性能有了很大的改善。由于单排管的芯管的截面积比多排管芯管的截面积大许多，从而能够在一定程度上避免在管束内出现蒸汽流动的“死区”以及凝结水过冷等问题，从冰冻问题的发生机理上避免了冰冻的出现。再加上风机变频调速和在蒸汽分配管上加装蝶阀来实现分段运行等技术的应用，配合现代自动控制技术。空冷系统的冰冻问题已经得到了良好的解决。空冷系统数值模拟数值模拟技术就是以计算数学为基础，以大型计算机为工具，来模拟仿真物

18、理过程的研究方法，相对实验方法，数值模拟技术在空冷系统的研究中有着独有的优势，这种优势主要体现在以下三个方面： · 不受地形地貌的影响，空间范围几乎不受限制。 · 可以任意设定风向、风速、环境温度和蒸汽温度，较真实的模拟流场，包括所有矢量场（如速度场）和所有标量场（如温度场、密度场和压力场等），且自动满足所有相似性参数和相似律。 · 计算结果可以直接提供蒸汽的背压，结论直截了当、清晰明确。 火电厂直接空冷系统的设计的优劣直接关系到投产后电厂的安全和经济效益。空气冷凝器散热效果是决定空冷电厂安全性和经济性至关重要的因素，通过数值计算可以模拟电厂完工后的空气冷凝器的换

19、热效果，评估各种设计方案的合理性。 同时，通过数值模拟，可以预测电厂在各种环境条件下运行的汽轮机背压值，这是业主与设计单位最关心的问题。数值模拟技术研究的重点就是通过流体力学热力学理论与实际经验结合，为在一定程度上降低汽轮机背压值提供合理的解决方案。大唐环境将充分利用自己的人才优势，并联合高校的技术优势，积极引进和消化流场模拟技术。并在工程实践中积累了大量的建模和分析经验。选择斯必克斯（SPX）技术的原因1、 在空冷领域50年的专有技术经验，全球600多个成功的空冷工程项目；2、 斯必克斯具有很强的技术研发能力术；3、 具有全面的空冷相关的设计、制造技术；4、 拥有单排管和多排管专利生产技术；

20、5、 在国内有空冷管束生产厂，减少了对进口部件的依赖；6、 共享SPX,50年的相关技术经验SPX公司典型业绩介绍1、山西漳山目介绍单机容量：300MW？排汽流量：669.3 t/h设计背压：34 kPa设计温度：32 °C环境温度范围：- 23 to + 36 °C电耗：2420 kW翅片管形式：椭圆形钢翅片管，热浸镀锌漳山电厂空冷岛 2、位于美国Las Vegas的Mirant电站单机容量：500MW排汽流量：657. 3 t/h设计背压：33.8 kPa设计温度：44.4 °C环境温度范围：- 1.3 to + 49 °C电耗： 3630 kW翅片

21、管形式：椭圆形钢翅片管，热浸镀锌Mirant电站空冷岛 3、位于英国Rye House的Powergen电站单机容量：680 MW排汽流量：852 t/h设计背压：9.2 kPa设计温度：8 °C环境温度范围：- 10 to +30 °C电耗： 2300 kW翅片管形式：椭圆形钢翅片管，热浸镀锌Powergen电站空冷岛 4. SPX公司空冷业绩表国外业绩(部分)序号项 目名称国家管束数量换热面积 m2订货时间1 Enfield 英国60 161,040 1997 2 Monterrey 墨西哥75 193,441 1997 3 Neunkirchen 德国8 22,711

22、 1997 4 Midlothian 美国240 618,548 1998 5 Elean 英国60 135,817 1998 6 Blackstone 美国180 465,657 1999 7 Solihull 英国12 29,812 1999 8 Lake Road 美国270 697,140 1999 9 Shotton 英国120 334,459 1999 10 Shotton 英国10 30,050 1999 11 Stapelfeld 英国8 14,036 1999 12 Mabeuge 法国12 26,321 1999 13 Bellinghan 美国120 309,977 19

23、99 14 La Loma 西班牙32 74,051 2000 15 Enemansa 西班牙32 74,051 2000 16 Apex 美国120 267,960 2000 17 Chehalis 美国180 355,403 2001 18 Ravenswood 美国48 107,447 2001 19 Haguenau 法国12 14,260 2001 20 Douchy 法国12 26,280 2001 21 Taragona 西班牙150 295,686 2001 22 Rio Bravo 墨西哥48 117,984 2002 23 Accera 意大利180 375,480 200

24、2 24 Zolling Ladesbergen 德国60 134,160 2002 25 Rio Bravo IV. 墨西哥64 157,316 2002 26 Lauta 奥地利32 60,880 2002 27Niklasdorf & Arnoldstein 奥地利32 53,680 2002 国内业绩(部分)序号项 目名称装机容量管束数量换热面积 m2订货时间1漳山发电有限责任公司2x300MW500985,6202002-122山西华能榆社电厂 2x300MW4801,070,0002003-033山西恩华能源有限责任公司 2x300MW4801,140,0002003-044山西华泽铝电有限公司 2×300MW4801,460,0002003-085山西平朔煤矸石发电有限责任公司 2x50MW114219,6262003-116山西兆光发电有限责任公司 2×300MW4801,420,0002003-127内蒙古