发电厂空冷技术的应用

1、目 录 前 言第一章 概论1.1 空冷技术的概述及分类1.2 空冷技术的发展及在我国的应用1.3 空冷技术的采用对整个发电厂生产工艺流程的影响第二章 发电厂空冷系统设备2.1 直接空冷系统2.2 海勒式间接空冷系统2.3 哈蒙氏间接空冷系统2.4 三种空冷系统的主要设备特征和技术参数比较第三章 直接空冷系统的运行和维护3.1 冷却风机3.2 直接空冷散热器的防冻3.3 直接空冷散热器的热风再循环第四章 空冷系统与湿冷系统的比较4.1 空冷和湿冷系统的经济性比较4.2 空冷系统的应用的评价结束语参考文献 前 言随着世界各国经济的迅速发展和人类物质文化生活水平的不断提高，大型火力发电厂及大容量单元

2、机组的投运面临着更为迫切、严格的要求，即在要求电力工业高速发展的同时，对发电厂的耗水量、烟尘排放量、冷却水废热造成的大气和自然水资源污染、生态平衡破坏规定了严格的限制标准。因此，人类在大规模开发能源、发展电力工业的同时，必须采取有效措施，缓解用水矛盾，控制消除污染后果，走可持续发展的道路。发电厂汽轮机排汽空气冷却技术的应用和发展，为在严重缺水的煤矿和电力负荷中心区域建设大型火力发电厂开辟了一条节水、经济、安全、可靠的途径，也为水资源丰富区域保持生态平衡、避免江河水资源污染创造了有利条件。因此，发电厂空冷技术在世界范围内得到了广泛的应用。特别是我国，走和谐、可持续发展道路，节约用水，避免污染，提

3、高水资源利用率，已成为新世纪电力工业发展的重大课题。华北、西北富煤而缺水地区，发电厂采用空冷技术已成为必然，其他水资源相对充沛地区，发电厂采用空冷技术的问题也将会收到高度的重视。为了推广空冷技术在电厂的应用，特做此设计以供大家参考。第一章 概 论 第一节 空冷技术概述及分类发电厂空冷技术从提出到现在约有50年的历史，并在国际上有了迅速发展，目前已出现单机容量686MW的空冷机组。在干旱地区，空冷技术发展尤为迅速，并出现了多种类型，如直接空冷、干湿联合冷却机组等。发电厂空冷技术已成为当前发电厂建设中的一个热门课题。当前用于发电厂的空冷系统主要有三种，即直接空冷、表面式凝汽器间接空冷系统和混合式凝

4、汽器间接空冷系统。直接空冷多采用机械通风方式，20世纪90年代以来，比利时哈蒙鲁姆斯公司提出采用自然通风，两种间接空冷多采用自然通风。一、 海勒式间接空冷系统海勒式间接空冷系统（如图1-1所示）主要由喷射式凝汽器和装有福哥型散热器的空冷塔构成。由外表面经过防腐处理的圆形铝管、套以铝制翘片的管束所组成的“”形排列的散热器，称为缺口冷却三角，在缺口处装上百叶窗就成为一个冷却三角。系统中的冷却水都是高纯度的中性水（PH=6.87.2）。中性冷却水进入凝汽器直接与汽轮机排气混合，并将其冷凝。受热后的冷却水绝大部分由冷却水循环被送至空冷塔散热器，经与空气对流换热冷却后通过调压水轮机将冷却水再送至喷射式凝

5、汽器进入下一个循环。受热的循环冷却水中的极少部分经凝结水精处理后送至汽轮机回热系统。该系统中的调压水轮机有两个功能：通过调压水轮机导叶开度来调节喷射式凝汽器前的水压，保证形成微薄且均匀的垂直水膜，减少排气通道阻力，使冷却水与排气充分接触换热；回收能量，减少冷却水循环的功率消耗。调压水轮机在此空冷系统中的连接方式有两种：一种是在许多空冷电厂已采用过的立式水轮机与立式异步交流发电机连接，另一种连接是卧式水轮机与卧式冷却水循环泵、卧式电动机的同轴连接。后一种连接方式可以在工程中使用，但目前尚未见投运的实例。海勒式间接空冷系统的优点是：以微正压的低压水系统运行，较易掌握，可与中背压汽轮机配套；冷却系统

6、消耗动力稍低，厂用电稍少，约为90%；基建投资中等，为120%；占地面积中等，为156%。其缺点是：铝制空冷散热器耐冲洗、耐抗冻性能差；空冷散热器在塔外布置，易受大风影响其带负荷的能力；设备系统复杂，且有薄弱环节。海勒式间接空冷系统适合与气候温和、无大风地区，带基本负荷。二 哈蒙氏间接空冷系统 哈蒙氏间接空冷系统如图1-2所示。这种空冷系统是在海勒式间接空冷系统运行实践基础上发展起来的。鉴于海勒式间接空冷系统采用的喷射式凝汽器，其运行端差实际值和表面是凝汽器端差相比较没有明显减少。在喷射式凝汽器中，循环冷却水与锅炉给水是连通的，由于锅炉给水品质控制严格，系统中要求设凝结水精处理装置；对高参数、

7、大容量的火电机组，给水水质控制和处理尤为困难，于是在单机容量300和600MW级火电机组发展了哈蒙氏间接空冷系统与直接空冷系统。哈蒙氏间接空冷系统由表面是凝汽器与空冷塔构成。该系统与常规的湿冷系统基本相仿，不同之处是用空冷塔代替湿冷塔，用不锈钢管凝汽器代替铜管凝汽器，用除盐水代替循环水，用密闭式循环冷却水系统代替开敞式循环冷却水系统。在哈蒙氏间接空冷系统回路中，由于冷却水在温度变化时体积发生变化，故需设置膨胀水箱。膨胀水箱顶部和充氮系统连接，使膨胀水箱水面上充满一定压力的氮气，这样即可对冷却水容积膨胀起到补充作用，又可避免冷却水和空气接触，保持冷却水质不变。 在空冷塔底部设有储水箱，并设置两台

8、输水泵可向冷却塔中的空冷散热器充水。空冷散热器及管道满水后，系统即可启动投运。 哈蒙氏空冷系统的散热器有椭圆形钢管外缠绕椭圆形翘片或套嵌矩形钢翅片的管束组成，椭圆形钢管及翅片外表面进行整体热镀锌处理。 该系统采用自然通风方式冷却，将散热器装在自然通风冷却塔中。 哈蒙氏间接空冷系统类似于湿冷系统，其优点是：节约厂用电，设备少，冷却水系统与汽水系统分开，两者水质可按各自要求控制；冷却水量可根据季节调整，在高寒地区，冷却水系统中可充以防冻液防冻；空冷散热器在塔内布置，其带负荷能力基本上不受大风影响。其缺点是：空冷塔占地大，基建投资多，约为126%；发电煤耗多，约为105%；系统中需要两次换热，且都属

9、于表面式换热，使全厂热效率有所降低。 哈蒙氏间接空冷系统适用于核电站、热电站和调峰大电厂。三、 直接空冷系统 直接空冷系统又称空气冷凝系统。直接空冷是指汽轮机的排气直接由空气来冷凝，空气与蒸汽间进行热交换，所需的冷却空气通常由机械通风方式供应。直接空冷的凝气设备称为空冷凝汽器，它是由外表面镀锌的椭圆形钢管外套矩形钢翅片的若干个管束组成的，这些管束亦称为散热器。直接空冷系统的流程如图1-3所示。汽轮机的排汽通过粗大的排汽管道送到室外的空冷凝汽器内，轴流冷却风机是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。直接空冷系统是将汽轮机排出的乏汽由管道引入空冷凝汽器的钢制散热

10、器中，由环境空气直接将其冷却为凝结水，减少了常规二次换热所需要的中间冷却介质，换热温差大。空冷凝汽器分主凝汽器和分凝汽器两部分，主凝汽器多设计成汽水顺流式，它是空冷凝汽器的主体可冷凝75%80%的蒸汽；分凝汽器则设计成汽水逆流式，形成空冷凝汽器的抽空气区域，设置逆流管束主要是为了能够比较顺畅的将系统内的空气和不不凝结气体排出，避免运行中在空冷凝汽器内的某些部位形成死区，冬季形成冻结的情况。空气区的抽真空系统是直接空冷的关键。在汽轮机启动和正常运行时，要使汽轮机低压缸尾部、空冷凝汽器、排气管道及凝结水箱等设备内部形成真空，通常采用的抽空气设备是蒸汽抽气器。本系统的作用是在机组启动时将一些汽水管道

11、系统和设备中积集的空气抽掉，一边加快机组启动速度，以及在正常运行时及时抽掉蒸汽和疏水中以及泄漏入真空系统的空气和其它不凝结气体，以维持凝汽器真空和减少设备等腐蚀。抽真空系统中设有破坏阀门，当需要破坏系统真空时，可开启真空破坏阀。在直接空冷系统中，空冷凝汽器的布置与风向、风速及电厂主厂房朝向都有密切关系。中、小型机组可直接在汽轮机房屋顶布置空冷凝汽器，大型机组的空冷凝汽器通常在紧靠机房A列柱外侧与主厂房平行的纵向平台上布置若干单元组，其总长度与主厂房长度基本一致。每个单元组由多个主凝汽器与一个分凝汽器组成“人”字形排列结构，并在每个单元机组下部设置一台大直径轴流风机。 直接空冷系统的其他的主要特

12、点还有： 汽轮机背压变幅大。汽轮机排汽直接由空气冷凝，其背压随空气温度变化而变化。我国北方地区一年四季乃至昼夜温差都较大，故要求汽轮机要有较宽的背压运行范围。 真空系统庞大。汽轮机排汽要由大直径的管道引出，用空气作为直接冷却介质，通过钢制散热器进行表面热交换，冷凝排汽需要较大的冷却面积，故而真空系统庞大。 耗能大。直接空冷系统所需的空气由大直径风机提供，风机需要耗能，根据国外资料，直接空冷系统自耗电占机组发电容量的1.5%左右。 电厂整体占地面积小。由于空冷凝汽器一般都布置在汽机房顶或汽机房前的高架平台上，平台下仍可布置电气设备等，空冷凝汽器占地得到综合利用，使电厂整体占地面积减少。 冬季防冻

13、措施比较灵活可靠。间接空冷系统的主要防冻手段是设置百叶窗来调节和隔绝进入散热器的空气量，若百叶窗关闭不严或驱动机构出现机械或电气故障，将导致散热器冻结。而直接空冷系统可通过改变风机转速、停运风机或使风机反转来调节空冷凝汽器的进气量，利用吸热风来防止空冷凝汽器的冻结，调节相对灵活，效果好且可靠。已有运行经验证明。 凝结水溶氧量高。由于直接空冷机组的真空系统庞大，易出现负压系统氧气吸入，又由于机组背压偏高，易出现凝结水过冷度偏大，进一步加大了凝结水中溶解氧的含量。 直接空冷的缺点是：风机群噪声污染环境。风机群消耗动力大约为100%，维修工作量大。热风抽吸到进风口，影响冷却效果。系统的负压区域大，制

14、造、施工必须精心，以维持高度的严密性。发电煤耗多，约为103%。 直接空冷适用于各个环境条件和各类燃煤电厂，要求煤价低廉，最好带基本负荷。 第二节 空冷技术的发展及在我国的应用一、 直接空冷凝汽器系统的发展循环冷却系统是电力生产过程中的一个重要环节，做过功的汽轮机乏汽需要在凝汽器中冷却凝结，然后重新循环。常规湿冷机组是采用自然通风冷却塔形式，以水为冷却介质，其中循环水损失（蒸发损失、风吹损失和排污损失）约占电厂耗水量的80%；而空冷机组是以空气为冷却介质，其中间接空冷系统主要有带喷射式凝汽器的海勒式系统，带表面式凝汽器的哈蒙氏系统和直接空冷系统。无论是采用密闭循环冷却水的间接空冷方式，还是无循

15、环冷却水的直接空冷方式，都不产生循环水损失，只需锅炉补水和其他用水即可，所以电站耗水量明显减少，在相同的水资源下可多装机至原来的三倍以上，具有长远的经济效益。电站空冷凝汽器技术的开发应用自世界上第一台15MW直接空冷机组于1938年在德国一个坑口电站投运至今已有近70年的历史。直接空冷技术的发展主要是围绕空冷凝汽器管束进行的，空冷凝汽器所用的翅片管基本上是表面镀锌的椭圆形钢管加钢质翅片，或圆形钢管加铝翅片。在直接空冷凝汽器发展初期的20世纪60年代，由于受加工工艺的限制，翅片管的内径较小。为了将蒸汽侧的压力损失控制在合理范围内，单管长度一般为7m左右。为了获得足够的换热面积，蒸汽管束不得不采用

16、2排、3排甚至4排管片。由于多排管组成的管束，空气（蒸汽）流会产生死区，换热面积不能像单排那样被100%利用，而且多排管空气流阻力大，其空冷风机必然要多耗电能，另外，管束外可能会出现死区，在冬季流动不畅的不可凝结气体和凝结水容易结冰。因此直接空冷技术的优越性显得不够突出，其发展和推广也受到了一定制约，基本上都在单机容量比较小的发电机组上使用。20世纪80年代初，翅片管直径由25.4mm扩大到38mm，单管长度也相应加长到10m，组成管束的翅片管排数也相应减少，使用空冷技术发电机组的单机容量也相应增大。20世纪80年代中期以后，翅片管直径已经扩大到50mm以上，组成管的翅片管减少到只有一排，这也

17、就是目前使用的具有特殊形状的单排椭圆形翅片管的空冷凝汽器。空冷风机的发展，特别是变频技术的应用，对直接空冷技术的发展和推广起到很大的推动作用，它为防止空冷技术在严寒的冬季发生冰冻提供了更为灵活的控制手段。由于空冷凝汽器制造技术不断发展，解决了空冷技术在应用上的诸多难题，使其优点更为突出，为其在大容量机组上的应用铺平了道路。空冷技术已经为越来越多的国家认同和使用，使用空冷凝汽器的机组从无到有、容量从小到大，世界上相继出现了一批200、300甚至600MW及以上的大容量直接空冷机组，如伊朗Touss电站（4150MW），1970年7月后相继投产的西班牙Utrillas火电厂（单机容量160MW），

18、1978年投产的美国Wyodak电站（单机容量330MW），1986年后相继投产的南非Maimba电站6685MW等等，至今运行良好。二、 空冷技术在我国的应用 我国是一个以煤炭资源为主的能源国家，其中燃煤发电约占全部电源的70%，而且在近期仍不会改变这种电力能源以煤电为主的比例。我国还是严重缺水的国家，水资源短缺已成为制约经济社会发展的主要因素。按目前的正常需要和不超采地下水，全国缺水总量约为400亿m3，全国现有668座城市，约有400座城市缺水。 我国电力工业发展迅速，大容量、高参数的大型火电机组日益增多，其年耗燃料及水资源相当可观，其中水资源的矛盾已是制约我国大部分地区发展的一个重要因

19、素，尤其是西部地区，富煤缺水，要开发这些地区的能源，除了有关工业、农业均要采取节约水措施外，电力行业建设采用大型空冷机组是非常经济而有效的措施。我国于20世纪60年代开始火电空冷技术的研究，但都属于小型机组。“七五”期间，我国从匈牙利进口两套200MW带喷射式凝汽器的海勒式间接空冷系统设备，同时引进了海勒式系统的空冷技术，与东方汽轮机厂和电机厂生产的200MW汽轮发电机组配套，在山西大同第二发电厂分别于1987年和1988年投产。“八五”期间，太原第二热电厂的2台200MW供热空冷机组经论证，参照大同第二发电厂运行的实践，确定采用带表面式凝汽器哈蒙氏间接空冷系统。哈蒙氏系统是哈蒙公司在购买匈牙

20、利海勒式系统专利后经研究改进的间接空冷系统，它与海勒式系统的主要不同是采用了表面式凝汽器和钢管钢翅片散热器，是循环冷却水与锅炉给水分成两个独立的系统，其水质可以按各自的标准和要求进行化学处理，因而简化了系统，方便运行操作，增加了空冷设备运行的可靠性。从1992年起，哈尔滨发电设备制造基地为内蒙古丰镇电厂制造了4台200MW空冷机组，采用了海勒式间接空冷系统。这几台节水型空冷机组投入运行，缓解了缺水地区的电供需矛盾和用水紧张状况，同时也积累了很多设计、制造、安装和运行经验，为发展我国大型空冷机组奠定了良好的基础。山西交城义旺铁合金制备电厂6MW直接空冷机组是我国首台投产的直接空冷机组；2003年

21、11月，我国首台大容量空冷机组在大同平旺电厂1号机组（200MW）顺利完成96h试运并移交生产，2003年12月，2号机组也顺利建成投产；2004年9月、10月，山西漳山发电有限责任公司的2台300MW直接空冷机组相继完成168h试运行并移交生产；山西华能榆社电厂2300MW直接空冷机组于2004年投产；大同第二发电厂2600MW直接空冷机组于2005年4月投产；同时山西、内蒙古、东北等地还有许多空冷机组在建设中。上述的2200MW、2300MW、2600MW机组添补了我国大型直接空冷机组的空白，标志着我国发电厂空冷技术已经跟上了世界的脚步，为我国大型直接空冷机组的发展取得了宝贵的经验。表1-

22、4给出了我国空冷机组应用情况。三、直接空冷技术的发展趋势 直接空冷机组朝着高参数、大容量方向发展 由于空冷凝汽器制造技术不断发展，直接空冷机组的参数和容量也在不断增大，由原来的超高压、亚临界向超临界、超超临界发展。我国哈尔滨汽轮机制造有限公司已和大同第二电厂签署了制造2台600MW超临界直接空冷汽轮发电机组的协议。不就的将来，超超临界直接空冷汽轮机发电机组也会问世。 空冷散热器向“大而少”方向发展 即空冷凝汽器的管排数减少，长度增加。 通风方式趋向“多样化” 针对机械通风冷却方式的部分缺点，目前已经开发出采用自然通风塔的直接空冷系统，自然通风由于通风塔的存在，消除了热风再循环的影响，另外，由于

23、取消了风机，减少了厂用电，不再有风机噪声危害。 应用范围扩大 随着水资源的日益匮乏，直接空冷汽轮机的应用范围不断扩大，不但用于干燥地区，而且用于水资源相对比较充沛的地区；不但用在火电机组，而且用于核电厂、燃气-蒸汽联合循环电站。第三节 空冷电厂的总体特点 当发电厂采用空冷系统后，对整个发电厂的生产工艺流程有重大影响。现将空冷电厂的总体特点简述如下。 改变厂址选择条件。 空冷电厂全厂耗水量按设计装机容量计算约为0.30.35m3/（GWs），因而厂址的选择基本上不受水源的限制，避免以水定厂址、以水定容量规模等问题，在缺水的煤矿坑口和靠近负荷中心区建造大容量发电厂成为可能。 空冷设备地位重要。 空

24、冷电厂所需的散热器体积庞大，价格昂贵，已成为电厂的主要设备之一。 节约用水。 当今，湿冷电厂的全部耗水量约为1m3/（GWs），空冷电厂可以节约湿冷电厂全厂耗水量的65%以上，是火电厂节水量最多的一项技术。同时缩小了电厂水资源工程建设规模，降低了水资源工程的投资费用。 减轻了对环境的污染。由于空冷电厂没有逸出水雾汽团，不发生淋水噪声，更没有冷却水对天然水体的排放，减轻对环境的污染。 大幅度的减少发电厂的占地面积成为可能。 当采用直接空冷系统时，不仅可以取消湿冷系统的大型湿冷塔、水泵房、深埋地下管线等占地面积，还可以在空冷凝汽器平台下面布置电气变压器，充分利用主厂房A列外侧空间。当采用海勒式间接空冷系统时，有可能将主厂房或湿法烟气脱硫系统、烟囱布置在空冷塔内。 空冷装置需要较大的施工组装场地和较为复杂的调试措施。 空冷电厂的带负荷能力受到环境风向、风速、风温的影响大。 空冷发电厂的全场热效率较低，发电标准煤耗率大。 第二章 发电厂空冷系统设备 第一节