（工程热物理专业论文）生物质电站直接空冷技术的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 近些年，随着经济的高速发展，能源供应日趋紧张。开发新的能源，利用可再生能 源代替不可再生能源成为发展趋势。近两年生物质电站在国家政策的鼓励与扶持下得到 了快速发展。秸秆电站需建立在秸秆丰富的地方。但是，和国外情况不同，在我国农村， 秸秆丰富的地区恰是水资源极度匮乏的地区。秸秆电站要想在我国得到极大发展，就不 能和当地农业争水源，必须采用节水的工艺、设备。本文介绍了秸秆电厂的发展情况， 得出直接空冷技术是秸秆健康发展的必由之路；并试图研究将直接空冷技术应用到秸秆 电站的可能性；针对某一秸秆电站进行了直接空冷器的设计及变工况运行分析，以引起 国内同行的注意，将直接空冷技术应用到生物质电站中去，推进生物质电站的健康发展。 关键词；生物质电站，直接空冷凝汽器，变工况设计 a b s t i 渔c r m r e c e n t 舳a l o n g w i t ht h eh i g h 印c c dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y , t h ee n e r g ys u p p l y m ei n t e n s ed a yb yd a y , t h e r e f o r e ，d e v e l o pt h en e we n e r g ya n du s et h er e n e w a b l ee n e r g yt o r e p l a c et h en o n - r e n e w a b l ee n e r g yt ob e a m et h et r e n do fd e v e l o p m e n t i nr e c e n ty e a r s ，t h e b i o m a s sg e n e r a t e dp o w e rs t a t i o n s d e v e l o pv e r yq u i c k l yu n d e rt h en a t i o n a lp o l i c y e n c o u r a g e m e n ta n dt h es u p p o r t t h cb i o m a s sg e n e r a t e dp o w e rs t a t i o n sm u s tb ee s t a b l i s h e di n t h ep l a c ew h e r es t r a ws t a l ki sv e r yr i c h b u tt h es t r a ws t a l kr i c ha r e ai se x a c t l yt h ew a t e r r e s o u r c e se x t r e m ed e f i c i e n ta r e ai no u rc o u n t r yc o u n t r y s i d e i ft h e yw a n tt oo b t a i nt h e e n o r m o u sd e v e l o p m e n ti no u rc o u n t r y , t h e yc a n n o ts t m g # ew a t e rs o u r c ew j t ht h el o c a l a g r i c u l t u r ea n dh a v et ou s et h ec r a f ta n de q u i p m e n tw h i c hs a v ew a t e r t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e d t h ed e v e l o p m e n to fb i o m a s sg e n e r a t e dp o w e rs t a t i o n sa n do b t a i n e dt h ec o n c l u s i o nt h a tt h e d i r e c ta i rc o o l e dt e c h n o l o g yi st h ew a yt h a tm u s tb et a k e n 佻a r t i c l ea t t e m p t st os t u d yo i l t h ep o s s i b i l i t yt h a tt h ed i r e c ta i rc o o l e dt e c h n o l o g ya p p l y0 1 1t h eb i o m a s sg e n e r a t e dp o w e r s t a t i o n s n ed i r e c ta i r - c o o l i n gc o n d e n s e ro fb i o m a s sg e n e r a t e dp o w e rs t a t i o ni sd e s i g n e da n d t h eo f f - d e s i g no p e r a t i o no fa i rc o o l e dc o n d e n s e ri sa n a l y z e dt oc a u s et h ec o l l e a g u esa t t e n t i o n , a n d i nt h ef u t u r e , m a k et h ed i r e c ta i rc o o l e dt e c h n o l o g ya p p l yo nt h eb i o m a s sg e n e r a t e dp o w e r s t a t i o n s ，p r o m p tt h eb i o m a s sg e n e r a t e dp o w e rs t a t i o n s h e a l t h yd e v e l o p m e n t w a n gq i a o z h e n ( e n g i n e e r i n g t h e r m op h y s i c s ) d i r e c t e db yp r o f c h e n gj i n m i n g k e yw o r d s ：b i o m a s sg e n e r a t e dp o w e rs t a t i o n ，d i r e c ta k - c o o l m gc o n d e n s e r , o f f - d e s i g no p e r a t i o n 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文生物质电站直接空冷技术的研究， 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：至堡望日期：塑! ：! ：12 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 e t 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：硎 裟 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究背景及其意义 第一章引言 近些年，随着经济的高速发展，用电量大幅度增长，能源供应日趋紧张，因此， 开发新的能源，利用可再生能源代替煤等不可再生能源成为发展趋势。我国是一个 农业大国，生物质能资源丰富，仅各类农业废弃物( 如秸秆等) 类的可荐生能源折 合成标准煤每年即有3 0 8 亿吨标煤，薪柴资源量为1 3 亿吨标煤，加上粪便、城市 垃圾等，资源总量估计可达6 5 亿吨标煤以上，约相当于1 9 9 5 年全国能源消费总量 的一半【1 i 。生物质能属于低碳能源，对于逐步改变我国以化石燃料为主的能源结构 具有重要作用，但是我国生物质能一直没有得到合理的利用。2 0 0 0 年，为落实国家 对资源综合利用电厂的鼓励和扶持政策，国家经贸委制定了资源综合利用电厂( 机 组) 认定管理办法 资源综合利用电厂( 机组) 是指利用余热、余压、城市垃圾、 煤矸石( 石煤、油母页岩) 、煤泥和农林废弃物等低热值燃料以及煤层气、沼气、 高炉煤气等生产电力、热力的企事业单位，简称资源综合利用电厂【2 l 【3 l 。农作物秸 秆是一种很好的清洁可再生能源，其平均含硫量只有3 8 o ( 煤的平均含硫量约达1 i 1 ) 。因此大力发展秸秆电站，对积极开发可再生能源，促进经济可持续发展有 重要意义根据我国新能源和可再生能源发展纲要提出的目标，至2 0 1 0 年，我国 生物质能发电装机容量要超过3 0 0 万k w 1 5 1 。 电厂是用水大户，不但锅炉要补充水，更重要的是当采用循环冷却系统时，循 环水的日消耗量很大。从设备的用水量来看，对于采用冷却塔循环水冷却的凝汽器， 其用水量占电厂用水量的4 2 7 9 5 6 1 。 空冷机组，节水效果显著，间接空冷机组比冷却塔循环水冷机组节水6 5 7 0 ，而直接空冷机组比冷却塔循环水冷机组节水7 5 以上，甚至能达到9 0 l ，h ”。 在应用领域，除燃煤火力发电厂外，电站直接空冷技术可逐步推广到燃气一蒸汽循 环电站、垃圾电站、工业企业自备电站中。从气候条件来说，电站空冷技术不仅适 宜应用于沙漠干旱地区，也可应用于水源相对充沛地区；不仅适用于炎热地区，还 可应用于寒冷地区。 在我国，广大农村地区，尤其是长江以北地区水资源极度匮乏。为解决人蓄饮 水、农业灌溉、城市用水，我国已经启动了西、中、东线南水北调工程，即将启动 西线南水北调工程。但是，从长远看，南水北调工程由于可供调用的水资源有限， 不可能有效地从根本上解决北方地区的干旱状况。另外，从经济角度考虑，南水北 调工程实施后，由于国家将实行谁受益谁付费的原则，使用南水北调水资源的用户 华北电力大学硕士学位论文 将付出高额的资源使用费。 秸秆电站利用秸秆作为燃料，需建立在秸秆丰富的地方。但是，和国外情况不 同，在我国农村，秸秆丰富的地区恰是水资源极度匮乏的地区。秸秆电站要想在我 国褥到极大发展，就不能和当地农业争水源，就必须采用节水的工艺、设备。从这 一角度考虑，直接空冷技术是解决秸秆电站和农业灌溉争夺水资源的有效途径。然 而直接空冷技术在国内中小型机组中还未得到广泛应用，尤其是秸秆电站还未有应 用的报道 目前，直接空冷技术在我国的应用还处于起步阶段，以引进国外技术为主，尚 没有针对我国国情的成熟设计方案可供借鉴，运行经验也比较欠缺。目前在我国中 西部地区正在运营的直接空冷机组单机容量已经达到6 0 0 m w ，由于当地大气、气 候条件和国外存在差别，运行中存在明显的积灰和真空度高等问题。另外，夏季高 温能否保证设计考核点的满发、大气环境对机组背压的影响，以及冬季低温条件下 能否有效防冻等都是直接空冷机组大规模投运后面临的关键技术问题，直接关系到 机组的安全、经济和高效运行 本文试图研究将直接空冷技术应用到秸秆电站的可能性；并研究直接空冷技术 应用到秸秆电站后可能面l 晦的问题；针对某一秸秆电站进行直接空冷器的设计、变 工况运行分析，以引起国内同行的注意，未来将直接空冷技术应用到秸秆电站中去， 推进秸秆电站的健康发展。 1 2 国内外发展状况 1 2 1 秸秆电站的发展 2 0 世纪7 0 年代爆发第一次石油危机后，能源一直依赖进口的丹麦，在大力推 广节能措施的同时，积极开发生物质能、风能等清洁可再生能源，现在以秸秆发电 为代表的可再生能源已占丹麦能源消费量的2 4 以上。丹麦b w e 公司是享誉世界 的发电厂设备研发、制造企业之一，长期以来在热电、生物发电厂锅炉领域处于全 球领先地位。丹麦b w e 公司率先研发的秸秆生物燃烧发电技术，迄今在这一领域 仍是世界最高水平的保持者。在这家著名的欧洲能源研发企业的技术支撑下，1 9 8 8 年丹麦诞生了世界上第一座秸秆生物燃烧发电厂1 2 】。 目前丹麦已建立了1 3 家秸秆发电厂，还有一部分烧木屑或垃圾的发电厂也能 兼烧秸秆。b w e 公司的秸秆发电技术已走向世界。瑞典、芬兰、西班牙等国由b w e 公司提供技术设备建成了秸秆发电厂，其中位于英国坎贝斯的生物质能发电厂是目 前世界上最大的秸秆发电厂，装机容量3 8 万k w t ”。 我国秸秆发电刚刚起步，2 0 0 5 年8 月5 日龙基电力在北京建立了平谷研发生产 2 华北电力大学硕士学位论文 基地，专门研发利用平谷特产桃树枝发电，将于2 0 0 年投产发电。2 0 0 4 年1 月才 成立的龙基电力，已经在全国1 3 个县市拟定了合作开发秸秆发电项目的协议【l o l 。 2 0 0 5 年才成立的国能已经在黑龙江庆安、江苏海安、安徽寿县、河南浚县、鹿 邑、山东单县成立公司，和全国1 0 0 多个县市签订了秸秆发电的意向f i o i 。 2 0 0 5 年1 2 月1 6 日，华电国际电力股份有限公司十里泉发电厂5 号机组秸秆发 电项目竣工投产。这是我国引进丹麦秸秆发电技术改造而成的第一台煤粉秸秆混燃 发电机组成功投产，是中国电力发展史上的里程碑项目，对生物质能发电有良好示 范作用和推广价值【1 1 l 。 为鼓励促进可再生能源的发展，落实可再生能源发展的价格、税收、投资、强 制性市场配额等措施。国家发改委发布的可再生能源发电价格和费用分摊管理试 行办法 办法规定，我国可再生能源发电价格实行政府定价和政府指导价两种形式。 其中生物质发电项目上网电价实行政府定价，电价标准由各省( 自治区、直辖市) 2 0 0 5 年脱硫燃煤机组标杆上髓电价基础上增加每千瓦时0 2 5 元补贴电价组成。生物质发 电项目补贴电价，在项目运行满1 5 年后取消自2 0 1 0 年起，每年新批准和核准建 设的发电项目补贴电价比上年批准项目递减2 发电消耗热量中常规能源超过2 0 的混燃发电项目，不享受补贴电价。通过招标确定投资人的生物质发电项目，上 网电价按中标确定的价格执行，但不得高于所在地区的标杆电价。 1 2 2 直接空冷技术的发展n 1 电厂空冷凝汽器技术的开发应用已有约几十年的历史。直接空冷系统由德国电 力设备公司( g 队公司) 于1 9 3 9 年首先用于德国鲁尔煤矿电厂1 s m w 机组上。 直接空冷技术的发展主要是围绕开发直接空冷凝汽器管束进行的。空冷凝汽器 所用的鳍片管( 类似于锅炉受热面所用的鳍片管) 基本上是表面镀锌的椭圆形钢管 加钢质鳍片或圆形的钢管加铝鳍片。在直接空冷凝汽器技术发展初期的( 上世纪6 0 年代) ，由于受加工工艺的限制，鳍片管的内径较小。为将蒸汽侧的压力损失控制 在合理的范围内，单管长度一般为7 m 左右为了获得足够的换热面积，凝汽器管 束不得不采用2 排、3 排甚至4 排管片。由于多排组成的管束空气、蒸汽流会产生 死区，换热面积不能像单排管那样被有效利用；而且多排管空气流动阻力大，其空冷 风机必然要多消耗电能；管束内可能出现的死区，在冬季运行时因流动不畅凝结水 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。上世纪8 0 年代初，鳍片管 直径由2 5 。1 4 r a m 扩大到3 8 r a m ，单管长度也相应加长到l o m ，组成管束的鳍片管排 数也相应减少，使用空冷技术发电机组的单机容量相应增大。上世纪8 0 年代中期以 后，鲳片管直径已经扩大到5 0m m 以上，组成管束的鳍片管减少到只有1 排。这也 3 华北电力大学硕士学位论文 就是目前普遍使用的具有特殊形状的单排椭圆形鳍片管的空冷凝汽器。单排管管柬 与多捧管管束相比，有以下优越性： ( 1 ) 因为管束两侧换热面积被充分利用，空冷凝汽器总换热面积减小，因而造 价降低：同时也缩短了制造周期。 ( 2 ) 空气流动阻力减小，空冷风机电耗降低，因而降低了运行费用，噪声亦同 时降低 ( 3 ) 解决了管束内不凝结气体积聚的问题，凝结水流动更加顺畅，减小了凝结水 的过冷度和发生冬季冰冻的危险。 “) 由于重量减轻，支架结构简化，安装工作量相应减少。 ( 5 ) 更加紧凑，设备占地面积减少 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也是功 不可没的。它为防止空冷系统在严寒的冬季发生冰冻提供了更为灵活的运行手段。 由于空冷凝汽器制造技术不断发展，解决了直接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2 0 0 m w 、3 0 0 m w 甚至6 0 0 m w 及以上的大容量直接空冷机组， 如伊朗t o u s s 电站( 4 x 1 5 0 m w ) 、1 9 7 0 年7 月后相继投产的西班牙u t r i l l a s 火电厂( 单 机容量1 6 0 m w ) 、1 9 7 8 年投产的美国w y o d a k 电站( 单机容量3 3 0 m w ) 、1 9 8 6 年后 投产的南非m a t i m 2 b a 电站( 6 6 8 5 m w ) 等等，至今运行良好。直接空冷技术比间接 空冷技术更加有前途，其发展速度已超过间接空冷系统 我国于6 0 年代开始火电空冷技术装备的研制和选点进行现场试验工作，到8 0 年代末，从国外引进了2 x 2 0 0 m w 混合式凝汽器间接空冷机组，之后，国内制造了 4 x 2 0 0 m w 同类空冷机组在9 0 年代初，投运了2 x 2 0 0 m w 表面式凝汽器问接空冷 机组。这时，全球火电空冷技术已发展到( 第3 阶段的) 成熟阶段，其主要标志就是 单机容量6 0 0 m w 机械通风直接空冷机组已经问世，装机容量4 0 0 0 m w 空冷电厂的 出现。我国的火电空冷技术水平仅停留在中型火电机组的自然通风间接空冷装置 上。 2 0 0 1 年9 月，我国自己设计、制造和安装的国内首台直接空冷机组( 单机容量 6 m w ) ，在山西交城义望铁合金厂自备电厂建成投产。2 0 0 3 年1 1 月1 1 日，我国首 台大容量直接空冷机组山西大唐云冈热电有限责任公司( 以下简称云冈热电) 1 号机组( 2 0 0 m w ) 顺利完成7 2 + 2 4 h 试运并移交生产。2 0 0 3 年1 2 月1 3 日，2 号机组 也顺利建成投产。云冈热电1 、2 号机组填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 取得了宝贵经验。 进人2 l 世纪以来，国家在第1 0 个五年发展计划期间，明确指出要发展大型空 4 华北电力大学硕士学位论文 冷电厂并逐步形成规模。预计到2 0 1 0 年我国大型火电空冷机组装机将有7 1 台，装 机容量约2 3 0 0 万k w ，目前有1 8 0 万k w ，共计约达2 5 0 0 万k w 。且绝大部分为3 0 0 m w 与6 0 0 m w 大容量空冷机组。 1 3 目前空冷技术存在的问题 ( 1 ) 高风速对直接空冷凝汽器的影响尚未解决。 高风速对直接空冷凝汽器的影响比较严重，由于空冷系统附近厂房的存在，在 某个主导风向上，风速越大，直接空冷凝汽器迎面风速就越小，流过空冷器的冷却 空气流量就越小，使冷却效果变差；尤其在夏季，环境气温普遍较高，如在这一时 段再受到自然风的影响，必然对机组的运行产生影响。调查发现各电厂在夏季高温 段遇到外界大风时，均有不同程度的降负荷现象，甚至出现过机组跳闸现象 ( 2 ) 机组的真空系统严密性阏题。 由于直接空冷机组的真空容积庞大，是相同容量湿冷机组的3 0 多倍，汽轮机、 管路、空冷器泄漏、安装焊接等原因，都会在很大程度上影响真空系统的严密性， 致使机组背压提高，增大了煤耗，降低了机组带负荷的能力。 ( 3 ) 空冷凝汽器污垢问题。 北方地区风沙大、污染较为严重，再加上夏季电厂周边树木的飞絮、昆虫等( 人 站在风机桥架上，可看到翅片管、风筒和钢结构上沾有柳絮、蜻蜓、飞蛾、灰尘) ， 使空冷凝汽器翅片管的翅片间间隙减小。甚至堵塞，同时空气通道采用错位布置。 污垢难以冲洗干净，严重影响了空冷凝汽器的通风能力，导致汽机排汽背压升高。 ( 4 ) 存在热风再回流现象。 由于风机的强制通风，从凝汽器捧出的热空气在某些特定的条件下会被风机再 吸入，凝汽器入口的冷空气温度提高，导致散热器冷却能力的下降而使汽轮背压升 高，它是直接空冷系统正常运行的一大危害。 1 4 本文的主要工作 本文主要探讨将直接空冷技术应用于秸秆电站的可能性；并研究分析直接空冷 技术应用于秸秆电站后将遇到的某些技术问题。 空冷系统的总体设计是一个复杂的任务，包括空冷与水冷的技术经济比较，空 冷系统的工艺计算及强度计算，空冷系统的经济性评价。空冷凝汽器是在设计工况 下设计的，但实际上，空冷凝器运行工况会与设计工况差别很大。汽轮机的负荷变 动、环境气温的变化、空气流量流速的变化均会改变空冷凝汽器的工作状态，从面 导致汽轮机排气压力的波动。如环境气温，在一年四季中差别很大，有的地区夏季 5 华北电力大学硕士学位论文 最高温度可达3 6 ( 2 ，冬季最低温度可到3 0 ( 2 ，这样的温差，在严寒的冬季，不仅 会使汽轮机的真空偏离设计值，而且会引起管内凝结水的结冻，冻裂管子。为了保 证空冷凝汽器设计的合理性，需要研究汽轮机排气压力、捧气量、环境温度及通风 量之间的关系。 本文的主要工作是： ( 1 ) 对直接空冷技术应用于秸秆电站的探讨； ( 2 ) 对秸秆电站直接空冷系统进行技术经济性分析； ( 3 ) 采用效率一传热单元数法对秸秆电站直接空冷凝汽器进行设计计算； ( 4 ) 对秸秆电站直接空冷系统进行变工况计算，得出机组背压与负荷、环境 温度、迎面风速的关系曲线，并进行特性分析； 6 华北电力大学硕士学位论文 2 1 空冷系统简述 第二章电站空冷系统 电站空气冷却是指由空气带走汽轮机排气的热量。根据蒸汽凝结方式的不同， 电站空气冷却可分为直接空气冷却方式和间接空气冷却方式两种。 2 1 1 直接空气冷却方式 直接空气冷却方式又称g e a 系统汽轮机排气经管道送到空冷凝汽器的翅片 管束中，空气在翅片管外流动将管内的捧气冷凝，得到的凝结水由凝结水泵送至回 热系统。凝节水则经汽轮机抽汽加热后作为锅炉给水循环使用( 如图3 1 ) 。 蒸汽 图2 - 1 直接空气冷却系统 1 汽轮机；2 空冷凝汽器；3 凝结水泵；4 发电机 直接空气冷却方式的特点： 不需要冷却水等中间冷却介质，初始温差大； 传热效果好； 空冷凝汽器体积比水冷凝汽器体积大得多，庞大的真空系统容易漏气； 大直径排气管道的加工比较困难； 直接空冷需采用强制通风，增加了电厂的用电量，同时也增加了噪声源。 2 1 2 问接空冷冷却方式 ( 1 ) 具有混合式凝汽器的间接冷却方式 该冷却方式又称为海勒式间接空冷系统。汽轮机排气在混合式凝汽器中与喷射 7 华北电力大学硕士学位论文 出来的冷却水直接接触凝结，蒸汽凝结水与冷却水混合，用凝结水泵将其中约2 的水送到回热系统外，其余的水用循环水泵送到干式冷却塔，由空气进行冷却，然 后再送回混合式凝汽器中循环使用( 如图3 2 ) 。 海勒式间接空冷系统的特点：混合式凝汽器体积小，可以布置在汽轮机的下部： 汽轮机排气管道短，真空系统小，保持了水冷的特点。但是，海勒式间接空冷系统 复杂、设备多、布置也比较困难。由于采用了混合式凝汽器，系统的冷却水量相当 于锅炉给水的3 0 倍，这就需要处理大量的与锅炉给水水质相同的去离子水，增加 了水处理费用。 图2 - 2 海勒式间接空冷系统 1 一汽轮机# 2 - 喷射式凝汽器；3 - 凝结水泵；4 凝结水处理设备；5 凝结水升压泵；6 冷却水 循环泵；7 - 热水管；8 - 空冷塔；9 冷水管；1 0 水轮机；1 1 旁路节流阀：1 2 冷却三角形组 件；1 3 一百叶窗；1 4 - 冷却水地下贮水箱；1 5 输水泵：1 6 发电机 ( 2 ) 具有表面式凝汽器的间接空气冷却方式 该冷却方式又称为哈蒙式间接冷却系统。这种冷却系统采用表面式凝汽器取代 了混合式凝汽器。其特点是：锅炉给水与循环水的水质不同，减少了水处理费用， 系统比较简单。但是冷却水必须迸行两次热交换，传热效果差。在同样的环境气温 下，汽轮机背压较高，经济性下降；如果保证同样的汽轮机背压，则相应投资增大。 ( 3 ) 干湿联合冷却系统 配有空冷系统的空冷机组，一次性投资较高，发电标准煤耗较大，夏季短暂时 间还要限制机组出力，故不利于大量采用，配有湿冷系统的湿冷机组，虽然上述问 题较小，但却需要消耗大量的循环水。因此电厂采用空冷( 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 8 华北电力大学硕士学位论文 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。但是这种运行方式造成了冷却设备的利用率低、维护量大、初投 资和占地面积也都比较大。 2 2 空冷系统的特点 2 2 1 空冷电厂的总体特点 ( 1 ) 厂址的选择基本不受水源地的限制。空冷电厂全厂耗水量按设计装机容量 计算约为1 0 8 1 1 8 i ( k w h ) ，因而厂址的选择基本不受水源地的限制。空冷电 厂可建在缺水的煤矿坑口或靠近电力负荷中心处，避免以水定电厂厂址，以水定机 组容量、电站规模等问题。 ( 2 ) 空冷设备在系统中占重要作用。空冷电厂所需的散热器体积庞大，价格昂贵， 由原循环水冷系统的辅机成为与锅炉、汽轮发电机并列的主机设备。 ( 3 ) 大幅度地降低电厂耗水量，适宜应用到水资源短缺的中西部、坑口电厂。 可以节约全厂6 5 以上的耗水量，是火电厂节水最有效的关键技术。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。 “) 减轻对环境的污染。由于空冷塔没有逸出水雾气团，不发生淋水噪音，减轻 了对环境的污染，改善了电厂周边空气的能见度。 ( 5 ) 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旌。 ( 6 ) 空冷电厂的全厂热效率稍低，发电煤耗较大。 2 2 2 发电厂空冷技术的特点 ( 1 ) 空冷系统的传热学特点是低温位、小温差、特大散热量的空气冷却熟交换。 ( 2 ) 空冷系统需配置高、中背压的汽轮机，汽轮机设计背压比湿冷机组提高较多。 ( 3 ) 空冷系统的冷却性能受环境( 气温、风向、风速) 影响很大，导致汽轮机背压 变化幅度较大。 ( 4 ) 空冷系统的基建投资和年运行费用都高于湿冷系统，因此，空冷系统主要应 用于水资源短缺的地区。 2 3 上述三种空冷系统技术经济性比较 发电厂空冷技术是发电厂新型的排汽冷却方式，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，但是三种冷却系统在设备、技术、经济性方 9 华北电力大学硕士学位论文 面均有不同，现比较如下： 表2 - 1 三种空冷装置设备比较 序名称直接空冷哈蒙式间接空冷海勒式间接空冷 号 1 空冷散称为空冷凝汽器，呈称为空冷散热器，呈称为空冷散热器，呈微正 热器负压，气密性极严格， 微正压。气密性严格，压。气密性严格，不泄漏， 多呈人字形倾斜式布 不泄漏，多呈水平卧多呈竖直布置在空冷塔 置，以立管方式进汽、式布置于空冷塔塔塔外，以立管方式进水、 出水内，以卧管方式进水、出水 出水 2凝汽器空冷表面式热交换水冷表面式热交换水喷射混合式热交换器， 器，是空气与饱和蒸器，是汽水间进行间系汽水问直接接触混合 汽进行间壁式热交壁式热交换要求使式热交换要求使用除盐 换要求凝结水贮存用除盐水，制水量大水，制水量大 容积大 3 泵无通常采用离心式的循 称作冷却水循环泵( 实系 环水泵。其泵的布置大型凝结水泵性质) ，泵 较灵活，泵坑浅，泵坑深，泵功率大 功率小 4水轮机无无加万k - w 以上火电机组需 配备调压水轮机 5 风机需配备多台轴流冷却 无无 风机，对空冷凝汽器 鼓风 6 自然通 无 需建高大自然通风需建高大自然通风塔，以 风塔塔，以造成抽力造成抽力 7 管道需配备薄壁加肋两层对空冷散热器进风需 对空冷散热器进风需配 焊接的大直径地上钢配备薄壁加助焊接地备薄壁加肋焊接地下钢 管下钢管管 表2 - 2 三种空冷系统技术性比较 序号名称直接空冷哈蒙式间接空冷海勒式间接空冷 1 换热次数一次两次两次 2换热方式表面式换热表面式换热一次为混合式换热 华北电力大学硕士学位论文 一次为表面式换热 3空冷系统大，约为间接空冷的3 0较小小 真空容积倍 4 防冻措施1 ) 停开轴流风机数目1 1 空冷塔自身旁路1 1 空冷塔自身旁路 2 ) 热风再插环 2 1 调节百叶窗开度 2 ) 调节百叶窗开度 3 ) 蒸汽盘管加热空气3 1 必要时，添加防冻 液 5 变工况运1 1 调节灵活1 ) 调节中等1 ) 调节不便 行 2 1 变工况方便变工况一般2 ) 工况固定 6 汽轮机配备高背压汽轮机中背压汽轮机低背压汽轮机经过 技术改造 7 散热器类椭圆型钢管、矩形钢椭圆型钢管、钢片整圆形铝管、矩形铝 型片，整体热镀锌或外焊体热镀锌片，整体做防腐处 硅铝合金蛇形翅片的 理( 内表面也处理) 单捧扁平形钢管 以常规循环水冷却电厂为基准，对三种空冷系统进行经济性比较，结果如下： 表2 - 3 三种空冷系统经济性比较 序名称直接哈蒙式海勒式 号空冷问接空冷间接空冷 1 发电标准煤耗 增加5 8 增加4 5 8 增加4 8 2 厂用电率相仿减少约3 0 减少约1 0 3 全厂性节水量7 5 以上6 5 以上6 5 以上 4 全厂热效率降低约4 降低约3 5 降低约3 5 基建投资( 以直接空冷为基准) 1 0 0 1 2 6 1 1 0 2 4 秸秆电站空冷系统的选用 通过上面的比较可知： 海勒式间接空冷因采用混合式凝汽器，所以具有无端差、热效率高、运行维护 方便等优点，但系统配有水轮发电机( 或节流阀) 、凝结水水处理装置、汽蚀性能要 求高的循环水泵，从而导致系统复杂，另外对冷却水还要求具有凝结水水质，散热 器中的散热元件为铝制翅片等。由于这些特点，对于中、小机组其投资成本相对就 1 1 华北电力大学硕士学位论文 比较高，因而这种系统不适于中、小电站采用。 哈蒙系统能有效解决海勒系统无法解决的问题。因哈蒙系统采用表面式凝汽 器，这样就将凝结水与循环水分开了。哈蒙系统采用表面式凝汽器，取消了水轮发 电机以及凝结水处理装置，且散热器中的散热元件可采用价格便宜的钢翅片管，尤 其是冬季，可在循环水中加入不易冻结的乙二醇以保证循环水在1 2 5 时不冻结， 因而系统组成紧凑，控制方便。但该系统因采用表面式凝汽器而存在热端差的弊端， 热经济性不高。因此，该系统也不适于中、小电站采用。 直接空冷系统布置简单，初期投资相对较少，通过散热器内冷却管束顺、逆流 的合理布置可很好地解决冬季冻结问题，运行安全可靠。另外，g e a 系统虽处于庞 大的真空状态，机组启动时抽真空困难，同时也易于漏入空气，但随着空冷技术及 空冷器加工工艺的发展，这些不足己得到了很好地解决。因此，g e a 系统不仅适用 于大型空冷电站，也同样适用于中、小型电站。 综合上述，秸秆电站的建设受电厂周边秸秆供应的限制，电厂规模、单机容量 和化石燃料电站相比均较小，难以采用间接式空冷系统，宜采用投资小、灵活的直 接空冷系统 1 2 华北电力大学硕士学位论文 第三章直接空冷凝汽器传热计算 3 1 直接空冷凝汽器基本结构 直接空冷凝汽器( a i r c o o l e d c o n d e n s e r - a c c ) 采用周围环境空气进行冷却，风 速和风向对其效率的影响很大，因此一般都安装在4 0 m 以上的高空。直接空冷凝汽 器分为若干单元，每个单元由若干组顺流、逆流管束组成，如下图所示每组管束 由组合成a 型的两个管束构成。顺流管束是冷凝蒸汽的主要部分，可冷凝8 0 左右 的蒸汽。在每个单元的下部有一台轴流风机提供所需要的冷却空气。 图3 - 1 直接空冷系统结构示意图 直接空冷凝汽器的几种结构形式： ( 1 ) g e a 型空冷凝汽器 汽轮机排汽进入斜顶式空冷器，翅片管为椭圆穿矩形翅片，采用横向排列。翅 片管与管箱采用焊接加工，以保持真空。为防止空冷凝汽器在较低的环境温度下发 生凝结水的冻结，采用主凝汽器与辅助凝汽器的连接系统，前者为顺流，后者为逆 流，两者的面积配比为2 ：1 。 ( 2 ) h u d s o n 斯太克一弗劳型空冷凝汽器 蒸汽在翅片管内冷凝后，凝结水进入防冻输水罐，然后再进入凝结水箱。没有 冷凝的余汽和空气一起进入上排管的4 根余气冷凝管，蒸汽继续冷凝，剩余少量蒸 华北电力大学硕士学位论文 汽和空气由抽气器抽出。 空冷凝汽器每一个管束由主冷凝管束( 顺流式) 和辅助冷凝管束( 逆流式) 组 成，其出口管箱按管排数相应的隔开，互不相通，分别运行在不同的压力和温度条 件下。各管排的凝结水也分别进入输水罐中汇合。在顶排管留4 根作为余气冷凝管， 由于它所接触的是加热后的空气，因此不会发生凝结水的冻结。 ( 3 ) l u m m u s 雷梯克型空冷凝汽器 空冷器为斜项式，翅片管为平行排列的水平u 行管，具有一定的倾斜度，以便 于凝结水的排放。整个空冷凝汽器由主冷凝器管束和辅助冷凝器管束组成，前者与 后者的面积配比为9 5 ：5 。 辅助冷凝管柬的作用是在抽汽前，对抽汽中所含蒸汽进行最大限度的冷凝，降 低抽气器的功耗和回收工质。辅助冷凝管束布置在主冷凝管束之上，以使余汽和热 空气接触，避免凝结水的冻结。 3 2 直接空冷器的基本元件一翅片管 翅片管是空冷器的基本冷却元件，对它的基本要求是：具有良好的传热性能、 耐热性能及耐热冲击能力( 空冷器在启动、停止或介质热负荷不稳定，以及气象条 件发生骤变时，会造成翅片管壁温的频繁变化，这种热冲击可能导致翅片的松动， 是翅片与管之间的接触热阻增加) ；具有良好的耐大气腐蚀能力；易于清理尘垢； 具有较低的制造费用；还要求有足够的管内耐压能力；较低的管内压降；较小的空 气阻力；良好的抗机械振动的能力和选用较易于取得的金属材料。 直接空冷系统的冷却元件从发展的起始阶段到应用经历了三个阶段，这三个阶 段是：( 1 ) 圆管圆翅片四排管：( 2 ) 矩形翅片椭圆管两接管；( 3 ) 单排翅片椭圆管。 目前应用在a c c 上的管束主要有由热浸镀锌椭圆钢翅片绕椭圆管组成的三排管管 柬、由2 排镀锌的外套矩形钢翅片的椭圆形钢管管束以及由外焊硅铝合金蛇形翅片 的单排扁平形钢管管束等三种形式。国内直接空冷系统大部分所使用的还是两排管 矩形翅片椭圆管管柬，单排管空冷凝汽器是发展方向，它与两排管相比具有很多优 势，但是也有本身的不足之处。对6 0 0 m w 机组直接空冷凝汽器不同翅片管柬性能 比较如下： 表3 - 16 0 0 m w 机组直接空冷凝汽器不同翅片管束的性能比较 管束 序 三排管两排管单排管 号 名雳 1 4 华北电力大学硕士学位论文 1 翅片管名全钢制、热浸锌椭全钢制、热浸锌椭圆管 钢制扁平形管纤焊硅铝 称圆管绕椭圆片的翅 套矩形翅片，片上有扰合金蛇形翅片，片上有凹 片管流孔 凸浅坑 1 9：也3 5 5 = 1 - 5亘! 一 犍 乜5 ：0 3 5 i 翥 ； ； l 2 翅片管参 5 = 1 5 j c s - - 0 3 ：1 5 瞬 空r 有缝蕾 j _ 数 递 f n _ 几何尺寸 l2 0 i = 埘 ”“1 罂lh ( m m ) 空气气流2 1 【9 0 5 + 9 5 = 2 7 61 2 0 + 1 2 5 = 2 4 5l x 2 0 0 = 2 长度( m m ) 翅片管光光 耱 有 ，肉肉羹：捧腱 有浅坑 滑程度 滑 扰 溜兰i t - j r 鼍 流 孔 空气侧阻小 姒渺“一 中大 生【 力大小程 度 翅化比 9 9 4 1 3 8 51 2 7 5 ( 均值) 管束尺寸9 8 m ) ( 2 7 m x 0 5 5 m9 m x 3 m x o 5 2 m9 m x 3 m x o 2 5 m ( 含框 架) 管束有效顺、逆流均顺流：8 9 m ，1 1 5 根 顺流：8 9 m ，4 9 根 长度与根 为9 。6 m , 1 6 1 根逆流：8 3 3 m 。1 1 5 根 逆流：8 3 3 m , 4 9 根 数 管束f 迎= 2 4 3 6 m 2 ，片 顺流：2 4 5 7 m 2 片顺流：2 4 5 7 m 2 片 逆流：2 3 m 2 片逆流：2 3 m 2 片 管束岛，量= 2 3 4 4 4 2 m 2 片 顺流：3 0 8 5 m 2 片顺流：2 5 7 0 m 2 片 逆流：2 8 8 9 m 2 片逆流：2 4 0 0 m 2 片 翅片管 外观 椭匿形钢管套椭圆椭圆形钢管套矩形钢扁平形钢管蛇形铝片 形钢片 片 华北电力大学硕士学位论文 最高工作 3 3 5 01 2 0 温度( ) 翅片与基翅片围绕片机直接 翅片用套片机套在基翅片用硅铝纤焊在扁平 管的连接绕在基管上上然后 管上然后外表面热浸管两侧，用硅材料密封 外表面热浸镀锌镀锌填满间隙 防腐保护 外表面热浸镀锌外表面热浸镀锌外表面刷硅铝涂层 翅片间距5 ，3 ，34 ，2 5 2 8 s ( m m ) 重量重较重轻 翅片加工光滑有湍流小孔群 有湍流凹凸波 热力与空传热性能：9 7 4 传热性能；1 0 0 传热性能：1 0 5 气侧风阻风阻：6 3 风阻：1 0 0 风阻：1 1 0 ( v - - 2 8 m s ) 翅片管与焊接焊接 焊接 管板连接 3 优点1 ) 管束的空气侧风全球a c c 系统采用最1 1 具有较大的长宽比，在 阻最小，厂用电与 多辅凝管内获得最大充满 噪声也小 度 2 ) 翅片管用料最省， 2 ) 热力特征非凡，表现在 管与片机械强度高o 气温时，可比多排管 翅片光滑，不易聚的全年背压低3 k p a 集沙尘，高压水冲 3 1 管束内没有不凝气体 洗效果彻底 聚集，从理论上解决防冻 问题 4 ) 管束内侧蒸汽压降小 仅0 5 k p a ，端差1 2 4 缺点 管排多，每片管柬属高风阻管束，厂用电结构复杂，单价高 稍重 多，噪声较大 5一个空冷约2 2 2 ( 1 1 2 )约1 9 9 ( 1 0 0 ) 约5 5 3 ( 2 7 8 ) 单元主设 备费( 万 元) 1 6 华北电力大学硕士学位论文 3 3 空冷器传热计算 3 3 1 基本传热公式 空冷器基本传热公式： q - 蛔a z 式中：q 一传热量，w ； a 传热面积( 以管外面积为准) ，m 2 ； a 王对数平均温差，； i ，_ 总传热系数( 以管外表面积为准) ，w m 2 ； 只温度修正系数； 总传热量还可以由下述冷热流体的热平衡方程式计算： q q 魄一h c ) 一q _ o ，：一k ) - q o 一k ) 式中：d i 进入凝汽器的捧气量，k g s ； 以，恕捧汽及凝结水的焓，k j k g ； 靠空气的流量，k g s ； k 2 ，k 空气进出口烩，i d k g ； k ，k 空气进出口温度，； c 。空气的比热，k j ( k g k ) ； 3 3 2 总传热系数 公式( 3 _ 1 ) 公式( 3 2 ) 空冷器的传热总热组等于传热过程的各项分热阻之和，以光管外表面为基准， 由管内到管外，包括：管内对流放热热阻墨，管内污垢热阻屯，管壁热阻民，间 隙热阻，翅片热阻r f ，管外污垢热阻屯和管外对流放热热阻民，可用下式表示： r 一墨+ 民+ 凡+ r l + r ，+ 如+ r 【伽2 k ) w 公式( 卜3 ) 对空冷器，采用的冷却元件是翅片管，针对不同的表面，上述各项的热阻表达 式是不同的，下面分别进行讨论。 ( 1 ) 管内换热热阻冠 管内换热热阻是管内流体与管内表面进行对流换热的传热热阻。以管内表面为 基准的换热热阻为，以光管外表面为基准的换热热阻为丢。鲁，以翅片管外表 面为基准的换热热阻为三兰 。 1 7 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 管内污垢热阻 在很多情况下，污垢热阻在传热总热阻中占有重要的比例，不容忽视。影响污 垢热阻的因素很多，对不同的换热设备和换热流体，一般通过实验确定。在没有具 体可靠的实验数据时，推荐采用美国t i ! m a 的数据。 由表中查得的数据都是对污垢层所附着的表面而言，因此在传热计算中，应将 由表中查得的数据换算到计算表面，以管内污垢热阻为例： 以光管外表面为基准的管内污垢热阻为民粤，以翅片管外表面为基准的管内 无垢热阻为民鲁。 ( 3 ) 管壁热阻民 由传热原理可以推导出：以光管内表面为基准的管壁热阻为妻l n 鲁，以光管 外表面为基准的管壁热阻为直2 k l n 亳，以翅片管外表面为基准的管壁热阻为 土2 k 石l i1 n 百d o ，式中，为翅片管长，m 。 ( 4 ) 间隙热阻墨 由于翅片管受热后壁面温度升高，管外表面和翅片产生间隙而形成的传热热 阻。以光管外表面为基准的间隙热阻为吒，以翅片管外表面为基准的间隙热阻为 q 毒 ( 5 ) 翅片热阻凡 翅片热阻是由于翅片的存在而形成的传热阻力。以光管外表面为基准的翅片热 阻为彤争，以翅片管外