（热能工程专业论文）大容量汽轮机组直接空冷系统的性能分析及研究.pdf

华i e 电力人学硕十。、乎位论文摘要 摘要 本文在大量调研国内外火力发电厂空冷机组的发展和技术现状的基础上，进行 了直接空冷系统和间接空冷系统的技术性和经济性比较。论文着重介绍了直接空冷 系统的原理与设计要点，在分析、研究直接空冷机组凝汽器压力变工况计算模型的 基础上，对某3 0 0 m w 机组的直接空冷凝汽器内压力的确定进行了建模和变工况计 算，依掘计算结果得到了该机组不同工况下凝汽器内压力的的性能拟合曲线。论文 分析了影响直接空冷系统运行经济性的因素，并通过综合优化选定了设计背压，另 外对使用变频调节降低空冷系统能耗进行了有益的探讨。最后指出了直接空冷系统 的应用空间和广阔的发展前景。 关键词：空冷系统，经济性，背压，变频调节，变工况 a b s t r a c t t h ep a p e rd i s c u s s e st h ed i r e c t a i r - c o o l i n gs y s t e m a n dt h ei n d i r e c t a i r c o o l i n g s y s t e m o nt h e t e c h n i q u e a n d e c o n o m y ，b a s e d o nt h e d e v e l o p m e n t a n ds t a t u so f a i r c o o l i n gs y s t e m s i nt h ef o r e i g np o w e r p l a n t t h e p r i n c i p l e sa n dd e s i g no u t l i n e so ft h e d i r e c t a i r - c o o l i n gs y s t e m a r e e m p h a s i z e d w i t ht h es t u d i e s o nt h ed i r e c t a i r c o o l i n g c o n d e n s e r p r e s s u r e a l t e r n a t i v e o p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，t h e m a t h e m a t i cm o d e la n t t h e a l t e r n a t i v e o p e r a t i n g c o n d i t i o n so ft h ed i r e c t a i r c o o l i n g c o n d e n s e r s y s t e m f o rt h e 3 0 0 m wa r e g a i n e d w i t ht h e r e s u l t sas y n t h e s i z e dc u r v eo ft h e p e r f o r m a n c eo ft h e c o n d e n s e r p r e s s u r e a td i f f e r e n t o p e r a t i n gc o n d i t i o n s i s g o t t h ep a p e ra n a l y s e st h e e c o n o m i cf a c t o r so fd i r e c t a i r - c o o l i n gs y s t e m ，a n dg e t s t h e d e s i g n e db a c kp r e s s u r e t h r o u g hs y n t h e s i z i n go p t i m i z a t i o n w h a t sm o r e ，ap r o j c o to fu s i n gt h e f r e q u e n c y c o n v e r s i o no na i r c o o l i n gs y s t e mt h a tc a np r o d u c et h ep o w e r c o n s u m p t i o ni sd i s c u s s e d f i n a l l y ，i tp o i n t e do u tt h ea p p l i c a t i o ns p a c ea n dt h ew i d e l yd e v e l o p i n gp r o s p e c to fd i r e c t a i r c o o l i n gs y s t e m c h e ng u a n g l i ( p o w e r p l a n tt h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f t i a ns o n g f e n g k e yw o r d s ：a i r c o o l i n g s y s t e m ，e c o n o m i c ，b a c kp r e s s u r e ，f r e q u e n c yc o n v e r s i o n a l t e r n a t i v eo p e r a t i n gc o n d i t i o n 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文大容量汽轮机组直接空冷系统的 性能分析及研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行 的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名日期：凹西多， 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日 期：竺堕! 垒： 导师签名：叟型竺乏 日 期：兰竺丛：董：兰 华北电力人学硕十学位论文 骨l j茜 0 1 发电厂空冷系统研究的背景与意义 空冷汽轮机是相对常规湿冷汽轮机而言，二者的主要区别是由于其尾部排汽冷 却所采用的冷却方式不同，引起尾部运行参数的变化，从而导致汽轮机结构等设计 必须改变。空冷汽轮机运行的显著特点是背压较高，变幅较大，变化频繁。为了适 应这种特点，就需要对其采用新的先进的技术和方法进行设计，诸如：优选术级叶 片高度，采用短而粗的新线型术级叶片，优化高、中、低压通流部分，处理好轴系 稳定性、安全自动保护问题等。空冷汽轮机就是为适应空气直接或间接冷却排汽所 带来的高背压、大变幅、多频次等特殊要求而设计的一种新型汽轮机。 空冷系统也称干冷系统，是相对湿冷系统丽言的。它是利用空气直接或间接冷 却空冷汽轮机排汽所必需的设备、装置及其附件等完整组合的统称。由于其热交换 ( 冷却排汽，加热空气) 及其计算是以空气的干球温度为基础，所以又称干冷系统。 按照空气和排汽进行热交换方式的不同，它又可分为直接空冷系统、表凝式问接空 冷系统和混凝式间接空冷系统。 空冷机组是空冷汽轮机与空冷系统有机组合的总称。 随着电力工业的迅速发展，火力发电厂中的大容量高参数汽轮发电机组不断增 加。这些机组在燃用大量煤炭的同时，也耗嗣大量水资源。电力工业的发展受到了 煤炭资源和水资源的制约。在富煤地区，往往由于缺水而不能就地兴建发电r ，因 此丰富的煤炭资源不能尽早丌发与利用，这在宏观经济上无疑是极大的损失。发电 厂汽轮机凝汽设备系统采用的空气冷却系统( 简称发电厂空冷系统) 就是为解决 在“富煤缺水”地区或干旱地区建设火力发电厂而逐步发展起来的。 发电厂空冷技术从提出到现在，约有5 0 0 余年的历史，并在国际上有了迅速发 展。在干旱地区，空冷机组发展尤为迅速，并出现了多种类型，如直接空冷、间接 空冷和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。 据理论计算及实测结果，与同容量湿冷桃组相比，空冷机组冷却系统本身可节 水9 7 以上，全厂性节水约6 5 。而且相同数量的水可建设的空冷机组规模比湿冷 机组的规模大三倍，这充分显示了空冷技术节水的优越性及其推广使用的广阔前 景。 我国水资源相对贫乏，居于贫水国家之列，而且全国水资源的时空分布极不平 衡，水已成为制约国民经济发展的主要因素之一。特别是我国的“三北”地区，尤其 是华北及西北地区，煤炭资源丰富，但水资源十分贫乏，其年平均产水模数尚不足 华北电力人学硕十学位论文 全国平均数的1 3 。水资源的贫乏增加了将丰富的煤炭资源就地转化成为电力的困 难，采用空冷机组正是解决上述矛盾的有效途径之一。 o 2 本论文的工作 由于我国工业发展与能源、资源供给的矛盾只益突出，依据可持续发展战略势 在必行。对于空冷技术，我们的认识与研究尚有一定的差距。研究大容量汽轮机组 空冷系统具有实际意义。 本文对空冷汽轮机组的技术发展进行回顾，重点比较了直接和间接空冷系统的 结构与组成。 对直接空冷机组、表面式凝汽器间接空冷机组和混合式凝汽器削接空冷机组三 种空冷系统进行了技术经济比较，论述了直接空冷( a c c ) 技术由于具备节约大量 水源、满足环境保护要求、设备布置简化、厂址选择自由度大等显著优点而具有较 强的竞争实力和广阔的发展前景。 直接空冷系统的设计计算和性能分析是直接空冷技术应用的前提和基础，这也 丌i 是本文工作的重点，论文工作对某3 0 0 m w 机组的直接空冷凝汽器内压力的确定 进行了建模和变工况计算，依据计算结果得到了该机组不同工况下凝汽器内压力的 的性能拟合曲线。 论文分析了影响直接空冷系统运行经济性的因素，并通过综合优化选定了设计 背压，另外对使用变频调节降低空冷系统能耗进行了有益的探讨。 论文最后针对直接空冷系统的应用空问和广阔的发展前景，指出采用更加有效 的措施降低直接空冷能耗将是我们今后努力的方向。 2 第一章发电厂空冷技术概述 1 ，1 空冷技术发展简介 1 1 1 空冷技术简介 兴建大容量火力发电厂需要充足的冷却水源，而在缺水地区兴建大容量火力发 电厂，就需要采用新的冷却方式来排除废热。 发电厂采用翅片管式的空冷散热器，直接或间接用环境空气柬冷凝汽轮机的排 汽，称为发电厂空冷。研究空冷新装置及其使用的一系列技术，称作发电厂空冷技 术。采用空冷技术的冷却系统称为空冷系统。采用空冷系统的汽轮发电机组简称空 冷机组。采用空冷系统的发电厂称为空冷电厂。 发电厂空冷技术也是一种节水型火力发电技术。 发电厂空冷系统也称干冷系统。它是相对于常规发电厂湿冷系统而言的。常规 发电厂鲦瀑式冷却塔是把塔肉的循环水以“淋雨”方式与空气直接接触进行热交换 的，其整个过程处于“湿”的状态，其冷却系统称为湿冷系统。空冷发电厂的空冷 塔，其循环水与空气是通过散热器间接进行热交换的，整个冷却过程处于“丁”的 状态，所以空冷塔又称为干式冷却塔或干冷塔。 1 1 2 空冷技术发展概况 11 2 1 国外空冷技术发展概况 早在3 0 年代末，德国首先在鲁尔矿区的1 5 m w 汽轮机组应用了直接空冷系统。 5 0 年代，卢森堡的杜德兰格钢厂自备电站1 3 m w 机组和意大利的罗马电厂3 6 m w 机组分别投运了直接空冷系统。进入6 0 年代后，英国拉格莱电厂于1 9 6 2 年在一台 1 2 0 m w 机组上投运了间接空冷系统，采用喷射式凝汽器及自然通风型空冷塔。这 个系统是由匈牙利的海勒教授在1 9 5 0 年世界动力会议上首先提出的，办称为海勒 式空冷系统。1 9 6 8 年，西班牙的乌特里拉斯坑口电厂投运了尖屋顶式布置的机械通 风型直接空冷系统。至此，形成了直接与间接两种空冷系统并存的局面。继而，1 9 7 1 年，在苏联拉兹丹电厂的2 0 0 m w 级机组上，都应用了海勒式间按空冷系统。1 9 7 7 年，美国沃伊达克矿区电厂的3 3 0 m w 机组应用了机械通风型直接空冷系统。同年， 联邦德国施梅豪森核电站的3 0 0 m w 机组应用了表面式凝汽器配自然通风空冷塔的 间接空冷系统。8 0 年代以来，空冷技术进一步发展起来，投运机组容量最大的电厂 有南非马廷巴电厂( 6 6 5 m w 机组，采用机械通风型直接空冷系统) 和南非肯达尔 电厂( 6 8 6 m w 机组，采用表面式凝汽器的自然通风空冷塔间接空冷系统) 。 华北电力人学硕十学位论文 11 2 ，2 我国空冷技术发展概况 我国空冷技术起步并不太晚。1 9 6 6 年在哈尔滨工业大学试验电站的5 0 k w 机组上 酋先进行了直接空冷系统的试验。1 9 6 7 年在山西侯马电厂的1 5 m w 机组上又进行了工 业性直接空冷系统的试验。进入8 0 年代以后，庆阳石化总厂自备电站3 m w 机组投运 了直接空冷系统。1 9 8 7 年和1 9 8 8 年，山西大同第二发电厂的两台2 0 0 m w 机组首次引 进了匈牙利的海勒式间接空冷系统，使我国火电厂空冷技术的发展进入一个新的阶段。 目前，国产2 0 0 m w 机组直接空冷机组已在云岗发电有限公司投入运行，3 0 0 m w 机鲴、 6 0 0 m w 直接空冷机组也将陆续投运，这将有助于空冷技术的推广使用。 1 2 汽轮机排汽冷却过程 1 2 1 蒸汽动力循环 蒸汽动力装置的基本循环是朗肯循环，该循环的工质为水蒸汽。水蒸汽是在锅 炉中形成的，水先被加热成饱和蒸汽，再经过热器继续加热为过热蒸汽。这个过程 为定压吸热过程。过热蒸汽引入汽轮机内膨胀做功，这个做功过程一般视为绝热膨 胀过程。在汽轮机内做完功的乏汽排入凝汽器内，在循环水的冷却下放出排汽的汽 化焓变( 或称汽化潜热) 并凝结成水。这个过程为定压放热过程。排汽冷凝为凝结 水后通过汽轮机回热系统预热，再次进入锅炉，开始蒸汽的下一个动力循环。为保 证工质在凝汽器内定压放热必须要有一个起冷源功能的冷端装霞。这个冷端装置 般是由在真空状态下定压放热的凝汽设备和保证冷源温度的冷却设备共同组成的 冷却系统。这个冷却系统既保存了纯净的凝结水又完成蒸汽动力循环。 1 2 2 冷却过程 冷龆过程是火力发魄厂璺三产全过程的一部分。一方螽，它与全过程有藿密切关 系，因为冷却过程的各项参数是根据全过程来确定的。另一方面，冷却过程通常又 是火电厂生产全过程帮环境之阕的一个环节。冷却奔蔟的取用、消耗及摊放，对环 境都有影响，其不利影响是使环境受到热污染。 1 、冷却介质 火力发电厂冷却系统的主要冷却介质是水戚空气。由于墩界大部分地区水资源 的普遍缺乏，水的刹用受餮各耱霞素限制，于是着鼹于甩空气作为火力发电厂汽轮 机冷却系统的冷却介质。 2 、冷龆过程 冷却过程是系统排放的废热与环境间的能慑转换过程，在此过程中，有热量与 质量酶黄递。拳瓣蒸发冷帮逮稳稼先水冷鼙过程，投与环境空气闽发譬三静传热过程 4 华北电力人学硕l 学位论文 称为空气冷却过程。 汽轮机排汽的冷却凝结过程中，伴随着排汽的压力损失，汽轮机低压缸末级u 1 片出 n 截面处的静压力称为汽轮机的背压尸丁。排汽以高速流过排汽缸蜗壳后，汽轮机此排 汽口处的压力为p 丁。一般认为p 丁z p r 。 1 3 直接空冷系统与间接空冷系统 目前用于发电厂的空冷系统主要有三种，即直接空冷系统、带表面式凝汽器的 问接空冷系统和带喷射式( 混合式) 凝汽器的间接空冷系统。 1 3 1 直接空冷系统 赢接空冷系统，又称空气冷却系统。童接空冷是指汽轮机的排汽真接用空气来 冷凝，空气与蒸汽间进行热交换。所需冷却空气，通常由机械通风方式供应。直接 空冷的凝汽器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管 翅片的若干个管束组成的，这些管束称为散热器。 直接空冷系统的流程图如图1 1 所示，汽轮机排汽通过粗大的排汽管送引室外的 空玲凝汽器内，轴流冷却风机使空气流过散热器外表面，将作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。 空冷凝汽器分主凝汽器和分凝器两部分。主凝汽器多设计成汽水顺流式，它是 空冷凝汽器的主体；分凝汽器则设计成汽水逆流式，可造成空冷凝汽器的抽空气 k 。 彳i 誓 堍鑫 f 錾 。一彭受， o 一、一卜- 一j 厦卜。下 一一：一一j ! 苎蔫：= 真空拙气系统是直接空冷的关键，在汽轮机启动和f 常运行时，要使汽轮机低 压铋。尾部、空冷凝汽器、排汽管道及凝结水箱等设备内部形成真空。通常采用的是 抽空气设备是蒸汽抽气器。在汽轮机启动时，投入出力大的级蒸汽拙气器，以缩 短抽真空时间，加快启动速度。在汽轮机正常运行时，采用出力较小的二级蒸汽抽 气器，以维持排汽系统的真空。空冷凝汽器所有的元件和排汽管道采用两层焊接结 构，焊结质量要求十分严格，以保证整个的直接空冷设备系统的严密性。 在直接空冷系统中，空冷凝汽器的布置与厂址处的风向、风速及发电厂矿主厂 房朝向都有密切关系。大型火电机组的空冷凝汽器通常布置在紧靠汽机厂房的a 列 柱外侧，与主厂房平行的纵向平台上布嚣若干个单元组，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辅凝汽器组成“人”字型排列结构，并在 其下部设置多台大直径的轴流冷却风机。 直接空冷系统的优点是设备少、系统简单，基建投资少，占地面积小，空气量 靠风机调节较为灵活可靠。眩系统一般要求需要与高背压汽轮机配套。 这种系统的缺点是： 1 1 风机群产生一定的噪声危害； 2 ) 由空冷凝汽器的空侧出口排放的热空气回流到空冷器进口的的热风再循环 问题： 3 ) 风机、电动机需要消耗一定的厂用电和维护检修等工作。 1 3 2 海勒式间接空冷系统 海勒式削接空冷系统主要由喷射式凝汽器和装有福哥型散热器的空冷塔构成， 如图】一2 所示，系统中的冷却承是高纯度的中性承( p h = 68 7 2 ) 。中性冷却水进入凝 汽器直接与汽轮机排汽混合并将其冷凝。受热后的冷却水绝大部分由冷却水循环泵 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 式凝汽器进入下一+ 个循环。受热的循环冷却水的极少部分经凝结水精处理装置处理 后送至汽轮机回热系统。 图l - 2 海勒空冷机组原则性汽水系统 锅炉2 - 过热器3 一汽轮机：4 一喷胄f 式凝汽器5 一凝结水泵6 一凝结水轱处理装置，7 一凝结水川 胝泉- 8 一低难肌热器：9 - 除氯器1 0 一给水泵：1 1 一尚雎m l l 热器“2 一冷却水析环泵：1 3 渊廿i 水轮 机：1 4 一全铝剐敬热嚣：1 5 一空玲塔：i 6 一旁路节流闽：7 一发电机 华北电力人学硕十学位沦文 海勒式削接空冷系统优点是以微正压的低压水系统运行。其年平均背瓜低于直 接空冷机组，稍低于哈蒙式问接空冷机组，故机组煤耗较低。 该系统缺点是： 1 1 设备多、系统复杂； 2 1 冷却水循环泵泵坑较深： 3 1 自动控制系统复杂； 4 、全铝制散热器的防冻性能差。 1 3 3 哈蒙式间接空冷系统 哈蒙式间接空冷机组是在海勒式间接空冷系统的运行实践基础上发展起来的 系统。哈蒙式间接空冷机组由表面式凝汽器与空冷塔构成，如图1 3 所示。该系统 与常规的湿冷系统基本相同，不同之处是用空冷塔代替湿冷塔，用不锈钢凝汽器代 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敞丌式循环冷 却水系统。孩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。 哈蒙式删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 系统与汽水系统分丌，两者水质可按各自要求控制；冷却水量可根掘季节调整，在 高寒地区，在冷却水系统中可充以防冻液防冻。 幽l _ 3 哈蒙式空冷机纨原则性汽水系统 一锅炉：2 - 过热器3 - 汽轮帆4 - 表面武凝汽器5 - 凝结水泵：6 一凝主l l j 水桔处理装置7 凝结水升压泵：8 - 低压加搀器：9 - 除氧器：1 0 一给水泵：1 1 一商m 加热器：12 - 循环水 泵1 3 一膨胀水茑菩l ：1 4 一全铝制散热器：1 5 一窀挎塔1 6 一赊铁器：1 7 一发i 乜机 该系统的缺点是空冷塔占地大。基建投资多；系统中需进行两次换热，且都属 表面式换热，使全厂热效率有所降低。 1 3 4 千湿联合冷却系统 蠢2 有空冷系统戆空冷桩缝，一次瞧投资鞍毫，发电瓠准媒耗较大，爱季蘧饕时凝还 要限制机缎出力，故不利于大量采用，配有湿冷系统的游冷机组，虽然上述问题较小， 7 智基b 当蜊蠢；j h 晒 筝 华北电力人学硕1 ：学位沦文 但却需要消耗大量的循环水。因此电，r 一采用空冷( 干冷) 、水冷( 湿冷) 的干湿联合冷却系 统是一种解决上述两方面的方案，是机组冷却系统的一种发展趋势。干湿联合冷却系统 机组既能发挥空冷机组的优越性，又保持湿冷机组节约投资的优点，经济性高，夏季出 力不限制。非常适应机组变工况运行节水、夜间低负荷节水及冬季节水。 第二章空冷技术在电厂中的应用 2 1 空冷电厂的特点 21 1 空冷技术的应用 根掘电厂性质不同，空冷系统可广泛应用于带基本负荷的电厂、调峰电厂、扩 建老电厂、核电站。海勒式间接空冷系统目前采用的单机最大容量为2 0 0 m w 级。 容量为3 0 0 m w 或6 0 0 m w 的机组，目前国外仅发展直接空冷系统或哈蒙式间接空 冷系统。这两种空冷系统，当前对3 0 0 m w 级、6 0 0 m w 级的大型火电组都较实用， 具体选用哪一种系统，取决于汽轮机、散热器与大宣径轴流冷却风机的制造顺量， 管道焊接严密性，以及厂址的具体情况，应通过技术经济比较后确定。 212 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蛹。空冷电 厂的总体特点是指空冷系统对全厂的影响，可简述如下： l 、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 3 【) 3 3 m 3 ( g w s ) ，因而厂址的选择基本上不受水源地的限制。空冷电一可建在缺水 的煤炭坑口或靠近电力负荷中心处，避免以水定厂址、以水定容量规模等问题。 2 、空冷设各地位重要。空冷电厂所需的散热器体积庞大，价格昂贵，已成为 电一的主要设备之一。 3 、节约用水。可以节约全厂6 5 以上的耗水量，是火电厂节水量最多的项 技术。与此同时，缩小了电厂水源地建设规模，降低了水源地工程投资费用。 4 、减轻对环境的污染。由于空冷塔没有逸出水雾气团，不发生淋水噪声，减 轻对环境的污染，改善了环境的能见度。 5 、当采用直接空冷系统时，可大幅度的减少发电厂的占地面积。直接空冷系 统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 在空冷凝汽器装置平台下面布置电气变压器。 6 、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，在寒冷的冬季， 必须有完备的防冻措施。 7 、空冷电厂的全厂热效率稍低，发电标准煤耗率也大。 2 1 3 空冷系统的特点 目前应用于火力发电厂的直接空冷系统、带表面式凝汽器的间按空冷系统和带 喷射式( 混合式) 凝汽器的间接空冷系统( 以下简称三种空冷系统) 共同特点如下： 9 华北电力人学硕十学俯论文 】、空冷系统的传热学特点是低温位、 2 、空冷系统属密闭式循环冷却系统 小温差、特大散热量的空气冷却热交换。 它对水质的要求很严格。如间接空冷系 统要求的水质为高纯度的除盐水a 3 、空冷系统需配置高、中背压的空冷汽轮机。在条件不具备时，可对现有低 背压汽轮机加以技术改造，以满足使用要求。 4 、空冷系统的冷却性能受环境影响很大，导致汽轮机背压变幅增大汽轮机 设计背压比湿冷机组提高许多，运行背压范围也比后者大些。 5 、空冷系统的自动化程度比湿冷系统有大幅度提高。 6 、空冷系统的基建投资和年运行费用都高于湿冷系统。因此空冷系统的采用受到 一定条件限制。 2 2 三种空冷系统的技术、经济性分析 火力发电厂空冷技术是发电厂新型的排汽冷却方式，它是节水发电的有效途 径，其可行性和可靠性在国内外均己得到证实。本节以扩建2 2 0 0 m w 燃煤机组为 模型，从节约用水的角度考虑采用空冷技术装备，对设备的如何选型、适用条件等 问题以综合比较出给出经济评价。 2 21 技术条件比较 火电节水型三种空冷系统技术条件比较( 以直接空冷为基础的比较) ，见表2 - l 。 表2 一l 火电厂三种空冷系统的技术条件比较 一 系统 名称 直接空冷表面式凝汽器间接空玲混台式凝汽器间接空冷 全球装机总容簧 9 1 6 5 ( i j 4 2 1 5 3 3 5 ( i l i2 5 )7 1 5 0 ( 3 3 、 m w 全球单机最人容 6 6 56 8 63 0 0 量m w 两次表面式，一次凝汽两次，一次混合式凝汽 冷端换热方式一次，表面式 器一次空冷塔器，一次空冷塔表面式 凝汽设备空冷凝汽器水冷表面式凝汽器水冷税台式凝汽器 即凝汽设备， 冷却设备自然通风空冷塔自然通风空冷塔 多为机械通风 循环水泵，功率小、泵冷却水循环泵，泵坑深、 输送设备抽汽器 坑浅、需消耗厂用电。水轮机、需消耗厂州电。 鼓风式辅流冷高大自然通风塔，属戏高人臼然通风塔属肥 通风设备 却风机曲线型，受载较利 胖刑，受载较不利 i o 华北电力人学硕十学位论文 续表2 - 1 设阴床、| j i _ i 床2 0 0 m w 以。i - 只设除铁 凝结水处理殴备串联的精处殴备，3 0 0 m w 设精处理 致讹床精处理垃备 理，除铁设备设备 特大真释地上 大直径 人直径 管道系统焊接钢管配备 地f 焊接钢管地r 焊接钢管 热力补偿器 主管内1 作介质饱和蒸汽碱性高纯度除盐水 中性高纯度除赫水 1 艺系统的真空大，约为间接 较小小 容积系统的8 0 倍 系统内空气、 不凝气体均由系统内空气由水压以微系统内空气由水压以徽 系统内的排气放 抽气器抽出，正压排至大气系统，内正压排至大气系统，内 水方式 排至火气系统放水入地下贮水箱放水入地卜f 贮水箱 山无放水 政变风机投运 出口介质温度控台数、转速、白r r l 窗、旁路、分区段百n | - 窗、旁路、分i 并段 制与防冻分区段设置放水排空放水排空 k d 犁结构 调l r 风机台数调可调角循环水泵的阔i 况竹定，特殊州单泵 变i 况远行 与转速角运行 全厂热效率( 比常 约降低8 约降低77 约降低6 规湿冷电厂) 发电标准煤耗( 比 增加8 9 增加6 7 增加4 5 常规湿冷电厂) 空冷系统基建投 1 0 0 ( t i 有 1 2 6 ( i i ：i 13 0 7 ) 1 2 0 ( f l i1 2 2 2 ) 资( 1 旨总投资) 1 0 5 1 空冷系统消耗厂 川电f 比常规湿冷相仿减少约3 0 减少约1 0 电厂) 全厂= 水量减少6 5 以上减少6 5 以上 减少6 5 以上 由比较数据分析得到如下结论： 三种空冷系统各自的主要优点是 直接空冷系统的主要优点有： 华北i u 力人学硕t 学何论文 1 、基建投资少，约1 0 0 。 2 、占地面积少，约1 0 0 。 3 、防冻手段多，灵活可靠。 表面式凝汽器问接空冷系统的主要优点有： 1 、冷却系统消耗动力低，厂用电少，约为7 0 。 2 、循环冷却水量可调节。 3 、空冷散热。 混合式凝汽器间接空冷系统的主要优点有： 1 、发电煤耗低，约1 0 0 。 2 、冷却系统消耗动力稍低，厂用电稍少。约为9 0 。 3 、基建投资中等，约1 2 0 ，占地中等，约1 5 6 。 三种空冷机组各自的主要缺点 直接空冷系统的主要缺点有： 1 、风机群噪声污染环境。 2 、风机群消耗动力稍大，约为1 0 0 ，维修工作量大。 3 、热风抽吸至迸风口，影响冷却效果。 4 、系统的负压区域大，制造、施工必须精心，以维持高度严密性 5 、发电煤耗多，约1 0 3 。 表面式凝汽器间接空冷系统的主要缺点有： 1 、基建投资多，约为1 2 6 。 2 、占地大，约1 8 0 。 3 、发电煤耗多，约1 0 5 。 混合式凝汽器间接空冷系统的主要缺点有： 1 、铝制空冷散热器耐冲洗、耐抗冻性能差。 2 、空冷散热器在塔外布置，易受大风影响带负荷能力。器间接空冷： 3 、设备多，系统复杂，且有薄弱环节。 三种空冷系统各自的主要适用条件： 直接空冷系统：适用于各种环境条件和各类燃煤电厂，要求煤价低廉，最好带 基本电负荷。 表面式凝汽器间接空冷系统：适用于核电站、热电站和调峰大电厂。 混合式凝汽器间接空冷系统：适合气候温和无大风地区，带基本电负荷。 2 2 2 火电空冷机组的经济评价 2 2 0 0 m w 燃煤机组三种空冷系统的缀济比较 ( 1 ) 经济比较前提 2 以三种空冷系统为例，设直接空冷机组、表面式凝汽器问接空冷机组和混合式 凝汽器间接空冷机组分别为a 、b 、c 电厂。 f 2 1 空冷主设备 空冷汽轮机一机械通风直接空冷的汽轮机采用适合我国国情的合理设计，设计 背压为1 5 k p a 满发背压为2 6 k p a ( 北京重型电机厂产品) ；表凝式间接空冷汽轮机设 计背压按1 1 4 k p a 考虑；混凝式间接空冷汽轮机设计背压按1 0 7 k p a 考虑。凝汽器一 表凝式间接空冷机组的凝汽器为表面式，采用t p 3 0 4 型不锈钢冷却管混凝式间冷 机组的凝汽器为混合式。 大直径轴流冷却风扇一采用单速、双速或三速电机驱动的大直径轴流冷却风扇。 空冷散热器一直冷系统采用钢制大尺寸两排管或大直径扁管蛇型翅片的冷却三 角组件的散热器( u p 空冷凝汽器) ；表凝式间b 冷系统采用钢制小尺寸两排管的冷却三 角组件的散热器，混凝式间冷系统采用铝制由三节接长管束的六排管冷却三角组件 散热器。 ( 3 ) 当地条件 燃煤价格按1 0 0 元f t 标煤计算， l o 、折现年限按2 1 a 计算。 厂址气象条件：最高气温4 0 。c ， ( 4 ) 经济比较 电价按o 2 5 元k w h 计算。经济比较折现率按 最低气温为一2 0 。c 。设计气温为18 5 。 2 x 2 0 0 m w 机组三种空冷方案的基建投资( 按1 9 9 7 年价格水平1 以动态投资计算 币位容量造价( 元k w ) 。机械通风基建投资：直接空冷为5 5 7 元球w ；自然通风表凝 式叫接空冷为7 0 0 元k w ；自然通风混凝式间接空冷为6 6 8 元k w ；其百分比分别为 1 0 0 ，1 2 6 和1 2 0 。 考虑年运行费用后，则各方案的总费用百分比仍为1 0 0 、1 0 8 年u1 0 4 。 2 2 3 运行状况和技术经济评价 从防冻的技术条件来看，目前机械通风直接空冷比两种自然通风间接空冷有较 完善的防冻措施。 从国内已投运多年的自然通风的表凝式间接空冷机组与混凝式间接空冷机组 的实践来看，两种自然通风的间接空冷机组都发生过不同程度的冬季空冷散热器管 束冻坏的事件。国内已投运的两种间接空冷机组的设计背压选择稍低，满发背压偏 低，致使满发气温提前出现，因而少发电量增多。根据a 、b 、c 三座空冷电厂环 境条件，建议满发背压在2 6 k p a 为合适( 北京重型电机厂研制的空冷汽轮机1 。 国内己投运的混凝式间接空冷机组，因其空冷散热器在塔外，周边受大风 ( v _ 4 m s ) 影响使机组带负荷很不稳定。 国内已投运的表凝式间接空冷机组的整体经济性差，主要体现在以下方面： 华北电力大学硕十学位论文 f 1 1 夏季限制火电机组出力，可达3 0 。 f 2 1 空冷系统的“三高”、“一低”问题，更为突出，即造价高( 在三种空冷系统 中造价最高) 、煤耗高、发电成本高( 高出常规电厂约1 5 ) 和夏季满发可用率低而且 历时较长。 ( 3 、冬季运行时，冷却水温控制偏高，多在3 0 。c 3 5 ，( a 厂为2 5 - - 2 9 。c ) ， 真空低。铜管凝汽器传热端差过大，制造设计为3 ，1 9 9 5 年年平均为8 1 ，煤耗 锐增。 f 4 1 汽轮机满发背压偏低，仅为2 2k p a 导致夏季出力减少。 机械通风直接空冷的设计背压选择更须结合当地环境特征，如：标准煤价格： 全年气温最高低变化幅度；风力情况等等。如标煤价偏高( 1 5 0 元t 以上) 则设计背压 可选低些；若标煤价便宜( 如在7 0 元t 左右) 则设计背压可选高些；若标煤价居中 ( 7 0 1 0 0 元t ) 则设计背压也居中，但靠近低者。 过去认为直接空冷背压明显高于自然通风两种间接空冷是不全面的。9 0 年末部 分国外设计使直接空冷与两种间接空冷的总散热表面积相等，从而得出直接空冷设 计背压低于两种间接空冷。 例如：1 9 9 7 年国外两个公司为a 电厂扩建2 6 0 0 m w 空冷机组时提出的方案， 见表2 2 。 表2 - 2a 电厂扩建2 x 6 0 0 m w 空冷机组最新设计背压( k p a ) 空冷方案 序号设计单位 机通械风自然通风 直接空冷表面式间接空冷凝汽式间接空冷 1法国某公司1 3 31 6 31 4 5 2德国某公司1 5 51 9 61 7 o 三种空冷方案的经济评价，受许多因素限制，一般说来，机械通风直接空冷方案的 基建投资少于两种间接空冷方案，但方案的总费用与燃煤价格，电费价格都有关系，若 煤价、电价合理的话，机械通风直接空冷方案优先推荐采用。 1 4 华北电力人学硕 ：学位论文 第三章直接空冷的原理与设计计算 3 1 直接空冷系统的原理与空冷凝汽器结构型式 直接空冷是指汽轮机排汽在空冷凝汽器中被空气冷却而凝结成水。排汽与空气之间 的热交换是在表面式空冷凝器内完成的。 直接空冷的冷源是空气，热介质是饱和蒸汽。处于真空状况下的汽轮机排汽经汽管 道送至空冷凝汽器中，冷空气在散热器支翅片管外侧流过，将管内饱和蒸汽冷凝。冷凝 后的凝结水出凝结水泵送至汽轮机回热系统，最后回到锅炉。 空冷凝汽器的结构有顺流、逆流、顺逆联合式三种。 3 1 1 空冷凝汽器结构的基本型式 ( 1 1 顺流式 汽轮机排汽沿配汽管由上而下进入空冷凝汽器被冷凝，冷凝后的凝结水的流动 ：疗向与蒸汽流动方向相同，称之为顺流式空冷凝汽器。顺流的空冷凝汽器具有凝结 水膜较薄、传热效果好，汽阻也小等优点。但在低负荷或低气温条件下，凝结水箱 内可能出现凝结水过冷却现象。过冷却将使凝结水含量增多，引起翅片管的腐蚀。 过冷却还有导致冰冻的危险。 ( 2 1 逆流式 汽轮机排汽管由下向上进入空冷凝器被冷凝，冷凝后的凝结水的流动方向与蒸 汽流动方向相反，称之为逆流式空冷凝汽嚣。逆流式空冷凝汽器虽没有凝结水过冷 却和冰冻现象，但由于散热管管内凝结水液膜较厚，汽阻大，故传热效果差。 ( 3 ) 顺逆流联合式 在直接空冷系统中，既要提高传热性能，又需防止凝结水冻结，空冷凝汽器的 结构，即以顺流为主、逆流为辅，且两者散热面积维持一定比例。 3 1 2 直接空冷的典型连接系统 直接空冷的连接系统主要指空冷凝汽器的连接方式。目前，较为常见的空冷凝 汽器有以下三种：g e a 型空冷凝汽器、赫德逊( h u d s o n ) 型空冷凝汽器、拉默斯 ( l u m m u s ) 型空冷凝汽器。 比较见表2 - 3 ： 华北电力人学硕+ 学位论文 表2 3 上述三种空冷凝汽器的连接系统比较 序号名称g e a 烈 h u d s o n 型l u m m u s 删 l管呔排列纵向纵向水平u 型管 单独的主凝区与主凝区与辅凝区单独的主凝医与 2冷凝区 辅凝区在一起辅凝r 主凝区与辅凝区 3 7 ：1不详19 ：】 比例 4赢暾箱( 收集箱)备管排共删一个每个管排有一个 备管排共f l i _ ! 一个 空气从辅凝区的空气从管柬顶部空气从辅凝医的 5抽空气部位 出口管顶部抽出 抽出山口管顶部抽山 美国3 3 0 m w 及南 6电厂采用情况非6 6 5 m w 的汽轮不详不详 机均已投运 3 2 直接空冷凝汽器的r - - n t u 热力计算法 工业换热器的热力计算方法有平均温差法与口- - n t u 法两种。本节只介绍_ 一 n t u 法。 3 2 1 传热单元数n t u 与散热器效率理 1 n t u 的基本概念 传热单元数n t u 是表示散热器换热能力大小的一个无量纲的量，也是反映散热 器综合技术经济性能的指标。其定义为流体中热容量较小流体( 如空气) 的温度变 化屯与传热平均温差k 之比，常以n t u 表示，即 n t u = z 3 t 。，f 。= 翻( 工c 。) 。i n( 3 1 ) 式中肛一总传热系数，w ( m 2 k ) ； a 一传热总面积，m 2 ： l - - - 空气量，k g s ； 巴一空气比热j ( k g k ) 。 2 散热器的效率玎 散热器的效率蹿也称为空气温升率e 。散热器效率砷就是空冷凝汽器的实际散热 量g 与最大散热量q m 戤之比，即： 节= 羔鲍2 警瑙功 p 2 ， q 。 。 “ 一7 华北电力人学硕十学伉论文 式中i t d 一直接空冷凝汽器的初始温差，； t 环境温度，即直接空冷凝汽器的进口空气温度，；o- t ，一直接空冷凝汽器的出口温度，： t 一直接空冷凝汽器装置进口蒸汽温度，。 3 传热单元数n t u 的假定条件： ( 1 ) 传热系数不变： ( 2 ) 各流体的流量不变： ( 3 ) 各流体的比热不变； ( 4 ) 各流体不发生相变； ( 5 ) 散热损失不计。 3 2 2 用，7 一n t u 法进行直接空冷凝汽器的热力计算及结果 以一台3 0 0 m w 机组的机械通风直接空冷系统为例，介绍，7 - - n t u 法。汽轮机 设计工况( t h a ) 下：排汽压力只= o 0 1 5m p 。，对应饱和水温度，。= 5 3 9 7 。c ， 进口蒸汽温度 f ，= 5 4 。g 。d o = 6 1 4 ，2 3 t t h ，查表得r = 2 3 7 23 k 3 k g 掘此知 f o = d xr = 6 1 4 2 3 x 1 0 3 x 2 3 7 2 3 1 0 。3 ：- 3 6 0 0 = 4 0 5 m w 可换算为3 4 8 1 0 6 k c a l h ) 。设计 空气温度，= 1 7 c 。空冷凝汽器采用椭圆形钢管外套以矩形钢片的翅片管束，其外表 面全部镀锌。 32 2 1 空冷凝汽器的有关赍料 ( 】) 椭圆钢管长外径l = 1 0 0r n m 短外径w l = 2 0 0 m m ，壁厚西= l5 m m 。 ( 2 ) 矩形钢翅片长2 = 1 1 9 m m ，宽= 4 9 r a m ， 翅片厚度以= o 6 0 m m ，冷空气侧 翅片距离d = 4 r n m ，热空气侧翅片距离西= 2 5 m m 。 ( 3 ) 每片散热器外形尺寸长l = 9 6 6i n ，宽w = 2 9 5 m ，厚d = 0 5 2 m 。每片散热器 内有2 排管错列布置，纵向节距d v = 1 2 5 m m ，横向节距以= 5 0 m m ，每片散热器共有 7 _ 1 15 根管。考虑迎风面积的折减系数为多= o 9 1 ，则迎风侧面积a = l = 2 5 9 3 m 2 。 ( 4 ) 掂此可计算a 光、ag 由a u t o c a d 查得椭圆周长：pm = 2 1 0 1 0 0 4 m m ：椭圆面积：a = 15 7 0 7 9 6 3 m m 2 a = p * x l _ 2 1 0 1 0 0 4 1 0 x 9 6 6 1 15 = 2 3 3 4 m 。( 3 - 3 ) a * 计算时需先分别确定热、冷空气侧的翅片数。 玲空气侧翅片数：nb = l d t = 9 6 6 x1 0 3 4 = 2 4 15 ( 片) 热空气侧翅片数：hn = l 4 = 9 6 6 x 1 0 3 2 5 = 3 8 6 4 ( 片) 每片散热器面积： 4 触= 口妞一a 椭) 2 。九抟x 5 7 1o - 6 + ( 1 1 9 x 4 9 15 7 0 7 9 6 3 ) 2 “ 热 。5 8 x 1 0 2 1 1 7 2 8 8 + 1 9 0 9 。5 3 = 3 0 8 2 4 m 2 ( 3 - 4 ) l7 华北电力大学硕十学何论文 以散热器外表面计，每片散热器面积a * z 3 0 8 2 4 m 2 。 ( 5 ) 以a 为基准的总传热系数kn 的参考值，据有关资料介绍，v 。= 2 8 2 m s 时，k n = 3 5 6 w ( m a k 、 ( 6 ) 椭圆钢管钢翅片的翅片比 m = a 目朋m = 3 0 8 2 4 2 3 3 4 。1 3 2 ( 3 5 ) ( 7 ) 以am 为基准计算的总传热系数k 。为 k * 2 川x 世目2 4 7 0w ( m 2 , k ) = 4 0 4k c a l ( m 2 h t ) ( 3 - 6 1 ( 8 ) 系数z = 一a = 2 3 3 ，4 2 5 9 3 = 9 0 。 3 2 2 2 设计计算 t h a 工况。o 0 15 m p a ， ，。= 5 3 9 7 。c ，r l = 5 4 。c ，d 。：6 1 4 2 3 t h 由此可得r = 2 3 7 2 3 k j k g ，因而 ： o 。d o “r = 6 1 4 2 3 。1 0 2 3 7 2 3 1 0 s 3 6 0 0 = 4 0 5 m