空冷喷雾加湿实际应用效果分析.doc

空冷喷雾加湿实际应用效果分析任永杰1 郭晓敏2神华神东电力店塔电厂 神木县店塔镇 719316摘要：近年来电厂空冷技术得到飞速发展，尤其是电站直接空冷技术，已成为我国西北富煤缺水地区燃煤电厂的重要发展方向。为了更好的解决夏季运行中高背压和无法满负荷运行的问题，提高机组运行的经济性和安全性,本文以某电厂2135MW机组为例，介绍了空冷系统加装喷雾加湿前后的运行情况，从而分析这种方法对夏季问题解决的效果，为其他电厂运行提供经验借鉴。关键词：直接空冷，高背压运行，喷雾加湿，喷水量Abstract: in recent years, power-station air-cooling technology have been developing rapidly, especially the direct air-cooling technology , has become an important developing direction in the areas of northwest of China which has a rich coal and shortage of water .In order to better solve the problem which high back pressure run in summer and can not full loading run,and improve the safe and economic of running of units, taking a plant 2 x 135MW unit as an example, in this paper , it introduces air-cooling system with spray humidifying before and after the operation, it analyzes the methods to the effects of solving problems in summer ,and provide experience for other power-stations operation.Keywords: direct air-cooling , high back pressure, water quantity, spray humidifying.1 前言三十年代末，世界上第一台直接空冷机组开始应用于德国的鲁尔矿区；随后，意大利、英国等国家开始研究和应用空冷系统，而近年来国内外发电厂空冷技术得到飞速发展。空冷技术被证明具有非常显著的节水效果，例如与湿冷机组相比，采用直接空冷凝汽器可以节水65%以上1-2，因此，从2002 年开始，我国陕北地区新增火电机组基本采用空冷技术。目前，已经投运和在建的空冷机组已经接近火电总装机容量的10%左右。目前国内外电站空冷技术可分为两大类：一是间接空气冷却，包括混合式空气冷却系统(海勒式间接空冷)和表面式空气冷却系统(哈蒙式间接空冷)；二是直接空气冷却系统，都已得到成功应用。全世界空冷机组的装机容量中，直接空冷机组的装机容量约占60，间接空冷机组约占40。其中，已建成的100MW以上空冷机组中，海勒式间接空冷系统约占25%，哈蒙式间接空冷系统约占32%，直接空冷系统约占43%，直接空冷系统无论在单机容量还是在应用上较间接空冷系统都发展较快3-4。我国近几年的空冷机组正逐步向大机组方向发展，除了较多的600MW机组之外，我国华电宁夏灵武发电有限公司二期21000MW是世界最大的直接空冷机组，内蒙古大唐国际克什克腾发电厂21000MW则是世界最大的间接空冷机组。先进的空冷技术是我国尤其是西北富煤缺水地区燃煤电厂的发展方向，既符合国家相关产业政策，又符合我国“十一五”节能减排目标的要求，对我国燃煤电厂空冷机组进行包括环境影响及经济性在内的各种研究具有现实意义。虽然直接空冷技术在我国取得了飞速的发展，但是直接空冷系统在运行中仍然存在一些亟需解决的问题，例如：在直接空冷机组比较集中的我国西部地区，沙尘天气出现频率高,容易导致空冷岛管束的严重积灰；夏季环境温度高容易使空冷散热器冷却效果变差；而冬季严寒的气候可能使不合理的空冷系统设计出现管束冻裂现象。此外，直接空冷系统体积庞大，易出现真空泄漏问题。本文通过研究某电厂2135MW机组直接空冷系统和其在解决夏季高温运行问题时所采取的措施，研究其主要参数的运行数据，从而对其所采取的措施的效果进行讨论，从而达到为其他相似电厂提供经验借鉴的目的。2 空冷介绍直接空冷系统，又称空气冷却系统，是指汽轮机的排汽直接用空气来冷凝，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。直接空冷的凝汽设备成为空冷凝汽器，组成空冷凝汽器的若干管束称为散热器。图1 直接空冷机组系统简图直接空冷汽水系统如图1所示，汽轮机排汽通过粗大的排汽管送到室外的空冷凝汽器内，轴流冷却风机使空气流过散热器外表面，将做完功的排汽冷凝成水，凝结水再经泵送回汽轮机的回热系统。直接空冷系统由自汽轮机的排汽装置出口至凝结水泵入口范围内的设备和管道组成。主要包括汽轮机排汽管道和膨胀节、蒸汽分配管及空冷器管束、凝结水系统、抽空气系统、疏水系统、空气供应系统、钢架构组成的空冷平台、自控系统及仪表、各种管制件、系统保护设备、清洗系统等，其中排汽管道、空冷凝汽器管束、风机、抽真空设备是非常重要的，这些设备直接关系到直接空冷系统运行的经济性和安全性。在系统中，一台风机、几片管束及A型构架组成一个冷却单元，冷却单元又可分为顺流管束冷却单元和逆流管束冷却单元，自控系统和仪表以及保护设备直接影响空冷系统的自动化程度及安全经济运行性能，该厂135MW机组直接空冷凝汽器规格见表1。表1 某厂135MW机组直接空冷凝汽器规格基管管子类型有缝焊接椭圆管翅片类型矩型翅片基管尺寸100201.5 mm翅片尺寸119490.35mm基管长度顺流10mm翅片间距4.0/2.5 mm逆流8mm管束管束宽度2.625m管子排数2管子数量105(53/52)管程数1单元单元型式A型单元(夹角330)设计迎面风速2.37m/s风机风机直径9.75 m风机风量顺流622m3/s逆流531m3/s电动机功率185 kW风机最大转速113rpm额定转速95.4rpm管束/A型单元/风机 数量顺流9逆流3空冷岛外换热总面积342608 m2（其中顺流面积270480 m2，逆流面积72128 m2）备注该厂共两台机组：#5和#6机组；每台机组各有一套直接空冷系统，其中每套直接空冷系统有三排散热翅片，每排有四个散热单元组成。3 常见主要问题由于空冷凝汽系统直接暴露在大气中，因此该系统的运行受环境气象条件的影响很大，环境气温，风速、风向的改变均可能导致汽轮机背压大幅度升高，迫使机组降负荷以维持安全运行，有时甚至造成真空低保护动作掉闸停机。这种影响在冬季因环境温度偏低而不明显，但在夏季环境温度较高时影响很大。环境气温高是主要原因，如果在夏季仅仅是环境气温高而不刮风或是风力小形不成热风再循环，这种情况是相对好处理的。另外热风再循环(或称热回流)对机组运行的影响也很大，在机组运行时，冷空气通过散热器排出的热气上升，呈现羽流状况。当大风吹向空冷岛散热器，羽流状况被破坏而出现热风再回流。上升的热气流被风压至平台以下，这样热风又被风机吸入，形成热风再循环。热风再循环严重影响空冷凝汽器的工作效率，使其真空下降。这种热风再循环工况，一旦发生就会立刻影响机组带负荷，甚至被迫停机。针对直接空冷凝汽器在夏季高温条件下遇到的问题，电厂一般的会采取的措施是：a)汽轮机厂家和空冷系统厂家在设计时，已经对电厂汽轮机最高允许背压为进行了设定。b)在环境温度高且真空低时，适当的降低机组负荷，从而减少空冷系统进汽量，降低空冷系统的出力。c)提高顺流风机和逆流风机的转速。d)多启动12台真空泵，及时的将系统内的空气和不凝结气体排出。e)增加空冷翅片冲洗次数，提高空冷翅片换热效果。但是，这些措施仍然不能很好的解决夏季高背压运行的问题，并且有时候电厂不得不降低负荷来提高真空度，因此，必须采取必要的措施以降低空冷凝汽器的入口空气温度。强化空冷凝汽器的冷却效果是解决直接空冷机组的夏季出力受阻、提高机组经济性和安全性的有效途径之一。降低空气温度的方法有多种，常用的是喷雾加湿降温法、雾化加湿降温法等。我们可将雾化加湿降温法运用于直接空冷系统，以降低夏季空冷凝汽器空气入口干球温度，增强空冷器的换热效果，从而达到提高机组出力的效果。4 解决措施针对空冷机组装机容量为2135MW的某电厂，其空冷凝汽器等设备为德国GEA公司的产品。因该电厂处在毛乌素沙漠边沿地带，周边风沙大，空冷岛旁边又有较大的存煤厂，空冷换热装置的散热器表面极易脏污，且空冷换热装置的换热面积设计裕量偏小，同时汽轮机的排汽量大于空冷装置的设计进汽量。因此该厂在空冷机组上安装了喷雾强化换热装置，以求达到进入空冷翅片的冷却空气降温的目的，从而提高真空度，使夏季高温时也能达到满负荷运行，增加了发电效率。对直接空冷装置进行冷却是降低空冷机组背压的一种行之有效的方法。冷却原理有两种，一种是蒸发冷却，原理是将雾化的除盐水直接喷在换热器表面，利用水气化吸热降低换热器表面温度，从而降低凝结水温度、降低机组背压；另一种是喷雾冷却，原理是将雾化的除盐水喷在冷却风机的出口或入口，利用水汽化吸热降低换热器周围空气的温度，从而降低凝结水温度、降低机组背压。两种冷却原理最大的区别是除盐水用量，一般来讲喷雾冷却除盐水的用量较蒸发冷却大。二者均对喷嘴的雾化效果、喷嘴的位置选取和运行控制有较高的要求，若采用喷雾冷却方式，每台机组则需要除盐水的量为80 t/h左右（两台机组为160 t/h）。A型单元内喷雾加湿系统安装如图2所示。图2 A型单元内喷雾加湿系统安装示意图为了节约用水，空冷凝汽器喷雾加湿降温系统方案利用的是喷雾冷却及蒸发冷却相结合的原理，利用专用喷嘴将雾化水流喷入管束下方，从而提高空气湿度降低空气温度，再由空冷风机将冷却的空气及水雾送入管束，与管束表面翅片进行蒸发热交换，进而快速降低管束表面温度。这种方法不仅能够降低除盐水的用量，而且不会影响降温效果，首先水经过喷嘴雾化形成一定粒径的雾滴，雾滴在运动过程中与空气充分混合并迅速蒸发。由于水的汽化潜热较大，水蒸发时会大量吸收空气中的热量，从而降低空气的干球温度。喷雾增湿降温过程是一个同时存在流动、传热和相变传质等多个传递过程相互耦合并相互影响的、复杂的不可逆热力过程。将降温后湿空气送到空冷散热器，以提高空冷岛的换热量。在一定的雾化强度和喷射角度下，喷雾还会在空冷器的表面蒸发，从而进一步带走热量，可大大提高空冷器的换热能力，从而提高机组的出力。同时为了避免连续喷雾过程中风机房内湿度过饱和，造成对除盐水的浪费，采用PLC自动程序控制，每列连续运行6分钟，停运3分钟后循环切换运行。5 现场运行试验结果空冷喷雾加湿装置安装上以后，我们进行了现场运行试验，并且记录了运行数据，以对比装置安装前后的效果。在试验过程中，我们分别以不同的运行方式进行试验，这种不同的运行方式包括：全开运行方式和分组运行方式。全开运行方式是指每台机组三列的所有喷嘴均投入运行；分组运行方式是指每台机组同时运行两列，每六分钟自动循环切换一次运行。空冷喷雾加湿装置于2009年6月19日安装完成，然后我们进行了送电试运行，投运前后真空、负荷等参数变化如表2、表3和表4表2 #5机组空冷喷雾加湿投运前后对比表项目#5机组参数6月20日15时08至15时476月23日14时12分至20时10分6月25日18时10分至23时45分运行方式全开运行（三列运行）运行方式分组运行(两列运行)运行方式分组运行（两列运行）投运前投运后偏差投运前投运后偏差投运前投运后偏差负荷MW113.7113.7010411410100121.621.6真空KPa53.762.58.851.553.72.254.156.92.8环境温度3030.10.129.930.20.328.524.3-4.2主汽压力MPa11.0611.220.1610.8911.30.4112.3711.6-0.77除盐水量（表计） 吨306333634583957901163373备注#5机组消耗除盐水50.7 t/h#5、6机组共用除盐水量49.6 t/h#5、6机组共用除盐水量66.8 t/h表3 #6机组空冷喷雾加湿投运前后对比表项目#6机组参数6月23日14时12分至20时10分6月24日13时58分至19时55分6月25日18时9分至23时45分运行方式分组运行（两列运行）运行方式全开运行（三列运行）运行方式分组运行（两列运行）投运前投运后偏差投运前投运后偏差投运前投运后偏差负荷MW12113091081251711713013真空KPa51.654.52.952.653.71.15758.31.3环境温度3030.30.335.434.6-0.832266主汽压力MPa12.4812.780.311.612.20.613.312.31除盐水用量（表计） 吨634583954587903327901163373备注#5、6机组共用除盐水49.6 t/h#6机组共用除盐水55.8 t/h#5、6机组共用除盐水66.8 t/h表4 空冷喷雾加湿投运前后参数变化对比表 项目参数单台机组运行两台机组运行运行方式：全开方式（单机三列运行）运行方式：分组循环运行（两机四列运行）负荷不变负荷增加负荷不变负荷增加投运前投运后投运前投运后投运前投运后投运前投运后负荷MW113.7113.7108122225225225242真空KPa53.762.552.653.7515751.554环境温度3030.534.234.530.3130.531.2主汽压力MPa11.0611.2211.612.211.712.212.2412.05除盐水用量 吨/小时50526263备注#5机组运6月20日15：08至15：47#6机组6月24日13：58至15：55#5机组6月23日14：12至14：39#6机组6月23日14：45至16：10由上表可以看出：单台机组投运空冷喷雾加湿装置，在环境温度30左右，负荷不变的情况下，投运方式为全开的方式，耗水量在45-50吨/小时，机组真空可以提高7-9KPa；当环境温度34左右，投运方式为全开的方式，耗水量在50-55吨/小时，投运后较投运前增加负荷14MW，同时较投运前提高真空1 kPa。如果两台机组同时投运空冷喷雾加湿装置，环境温度在30左右，投运方式为分组运行方式，投运后两台机组可加负荷17-20MW，同时较投运前真空提高2-3 kPa，除盐水耗量60-66吨/小时。由此我们可以看出投入空冷喷雾加湿装置后产生的效果十