蒸发式冷凝器用于火电厂冷却系统中的可行性分析

1/9蒸发式冷凝器用于火电厂冷却系统中的可行性分析郭胜江1，陈国邦1，董兴杰21浙江大学制冷与低温工程研究所，浙江杭州310027；2杭州华电华源环境工程有限公司，浙江杭州310012摘要概述了火电厂冷却系统的特点，介绍了蒸发式冷凝器的工作原理，基于朗肯循环详细分析了蒸发式冷凝器用在火电厂冷却系统中所具有的优点，从而提出了在我国运用这项技术的必要性，并通过两个实例说明蒸发式冷凝器用于火电厂的冷却系统是可行的。关键词蒸发式冷凝器；冷却系统；朗肯循环；必要性；可行性FEASIBILITYANALYSISOFTHEAPPLICATIONOFEVAPORATIVECONDENSERSTOCOOLINGSYSTEMINTHERMALPOWERPLANTGUOSHENGJIANG1,CHENGUOBANG1,DONGXINGJIE21INSTITUTEOFREFRIGERATIONANDCRYOGENICS,ZHEJIANGUNIVERSITY,2/9HANGZHOU310027,CHINA；2HANGZHOUHUADIANHUAYUANENVIRONMENTENGINEERINGCO,LTDHANGZHOU310012,CHINAABSTRACTTHISPAPERSUMMARIZESTHECHARACTERISTICSOFCOOLINGSYSTEMINTHERMALPOWERPLANTANDINTRODUCESTHERUNNINGPRINCIPLESOFEVAPORATIVECONDENSERSTHEADVANTAGESOFEVAPORATIVECONDENSERAPPLIEDTOCOOLINGSYSTEMINTHERMALPOWERPLANTAREANALYZEDBASEDONRANKINECYCLETHENECESSITYTHEFEASIBILITYOFAPPLYINGTHISTECHNOLOGYTOCOOLINGSYSTEMOFTHERMALPOWERPLANTINCHINAAREDISCUSSEDKEYWORDSEVAPORATIVECONDENSERCOOLINGSYSTEMRANKINECYCLENECESSITYFEASIBILITY0引言随着国民经济的发展，节约用水用电已越来越重要。目前我国火电厂采用的水冷却系统需要的冷却水量较大，因此，研究节能节水的冷却系统非常必要。蒸发式冷凝器主要利用水蒸发时吸收潜热进行传热，3/9是一种高效节能的换热设备，由于其传热效率高、节能、结构紧凑等优点，在制冷装置和石油化工等行业有广泛的应用1。20世纪80年代中期，我国开始从国外引进蒸发式冷凝器技术，主要应用于制冷装置和石油化工等行业，但在电厂中还没得到应用。而在国外，蒸发式冷凝器已在电厂冷却系统中得到了应用，并且取得了不错的效果23。1火电厂冷却系统简介火电厂冷却系统主要是指汽轮机排汽端凝汽器冷却系统，它将汽轮机排出的、已做过功的乏汽冷凝成冷凝水，冷凝水再送回锅炉中继续循环。它是发电系统中的一个重要组成部分，其工作性能的优劣直接影响到整个电力系统的热经济性和运行可靠性。目前火电厂的冷却系统有水冷却系统和空气冷却系统。水冷却系统水冷却系统是一种由冷却水来冷却冷凝汽轮机排汽的系统。目前电厂大多采用水冷却系统，它主要应用在水源充足的地方。按供水方式可分为开式直流冷却水系统和闭式循环冷却水系统。在开式直流冷却水系统中，水自水源的上游引入，通过火力发电厂的冷却设备，使用后排至水源的下游。在闭式循环冷却水系统中，温度升高了的冷却水在4/9专设的冷却设备中冷却，降低温度后供再次使用，构成一个封闭的循环。按冷却水的冷却方式又分为冷却水池循环供水系统、冷却水塔循环供水系统及喷水池冷却循环供水系统。空冷系统空冷系统是一种用空气来冷却冷凝汽轮机排气的系统，它不需要冷却水或只需要很少量的冷却水。它也可以分为直接空冷系统和间接空冷系统，它有如下特点（1）耗水量小，厂址选择不受水源及长距离输电线路的限制。（2）热经济性较低。空气凝汽器属于表面式换热器，它通过换热表面向大气排放热量，故设计时必须采用较高的干球温度，且为了减少空气凝汽器的尺寸，在空气和放热介质（排汽或冷却水）之间应采用较大的温差。这将会导致汽轮机的背压升高，循环热效率降低。（3）投资高。整个空冷系统的造价及占地面积均较大，其造价约为湿式冷却塔的2倍。（4）空冷系统工作时对当地的气候条件的波动十分敏感。这将会对汽轮机组的运行状态带来许多不利影响，引起机组振动、末级叶片冲刷等。关于水冷系统和空冷系统的详细介绍请参阅文献4。5/92蒸发式冷凝器的工作原理蒸发式冷凝器技术是一种风冷和水冷相结合的技术，这种设备直接将冷凝器放在冷却塔中，使两者紧密地结合起来。蒸发式冷凝器运用的是蒸发冷却原理，主要利用水蒸发吸收潜热而使制冷剂蒸汽或汽轮机乏汽凝结。它特别适用于缺水地区，在气候干燥处更为有效。蒸发式冷凝器的结构如图1所示。它主要由换热器、水循环系统及风机三部分组成，在箱体内装有蛇形冷却管，管组上面为喷水装置。制冷剂蒸汽或汽轮机乏汽从蛇形冷却管上面进入管内，冷凝液体则经集液管流入储液器中（在火电厂中冷凝液将流入热井中），管内介质冷凝冷却时放出的热量使喷淋水蒸发。空气在风机作用下从箱体下部进入，上部排出，当空气温度低于水温时风机还可以起到一定的冷却作用。冷却水用循环水泵压送到蛇形冷却管的上方，经喷嘴喷淋后，沿蛇形冷却管的表面形成水膜层下流。水受热后一部分变成蒸汽由空气带走，未蒸发的喷淋水落入下面的水池中，经水泵再送至喷嘴循环使用。水池中有浮球阀调节补充水量，使之保持一定的水位。喷嘴上面一般装有挡水板，阻挡被空气带出的水滴。有时在挡水板上设有预冷管组，这样可使进入淋水管的蒸汽温度降低，有利于减少外表面结垢，增强传热效果。蒸6/9发式冷凝器用软水或经软化处理的水。吸风机的优点是使箱内保持负压，水的蒸发温度低；缺点是潮湿和带有水滴的空气流经风机，使风机的零件易于腐蚀损坏。由此可见，蒸发式冷凝器的传热、传质过程由两步组成管内蒸汽凝结时放出的热量通过管壁及污垢传给管外的水膜，传热的驱动力来自于管内蒸汽和水膜的温差；热量再通过水膜与空气的热质交换传给空气，传热的驱动力取决于两者的焓差。3蒸发式冷凝器与水冷却系统的热力性能比较火力发电厂热力系统是基于朗肯循环，简单的火力发电厂热力系统图和朗肯循环示意如图2所示。在TS图中，原冷却系统采用水冷式的朗肯循环为1234561，改用蒸发式冷凝器的郎肯循环为1234561。由于水泵耗功远小于汽轮机所做出的功，所以TS图上3点和4点、3点和4点几乎重合。本文以乌鲁木齐地区电厂的朗肯循环为例，阐述改用蒸发式冷凝器的优点。机组容量为12MW，水蒸汽初参数为P1MPA，T14355。当采用水冷却方式时，冷凝温度T2，相应的冷凝压力P2MPA。当采用蒸发式冷凝器冷却时，工质的冷凝温度直接7/9与环境的气象参数有关，根据热湿交换的完善程度，冷凝温度一般比空气的湿球温度高5106。乌鲁木齐地区夏季室外计算湿球温度为，所以采用蒸发式冷凝器的冷凝温度为。这里取冷凝温度，相应的冷凝压力由水蒸汽的TS图可得各状态点的参数，如表1所示。表2为采用两种冷却系统时朗肯循环的热力计算与评价循环的重要指标及对比结果，其中的对比结果是蒸发式冷凝器系统相对于水冷却系统而言。从以上比较可看出，在电厂的冷却系统中，相对于空冷系统及水冷系统，采用蒸发式冷凝器具有如下优点（1）节约能量。蒸发式冷凝器的传热量是空气湿球温度的函数，而空冷式冷凝器的传热量是干球温度的函数。因为湿球温度通常比干球温度低，加上水膜与金属壁面的传热系数大和风机产生的局部负压作用，因此采用蒸发式冷凝器的冷凝温度远低于空冷式。蒸发式冷凝器同带冷却水塔的水冷式冷却系统相比，它把汽轮机乏汽的热量直接传到周围空气中去，而在水冷式冷却系统中，热量必须先在凝汽器中传递给冷却水，然后再由循环水带到冷却塔中，最后传到周围空气中去。因为只有一次传热，所以采用蒸发式冷凝器的冷凝温度较低。8/9冷凝温度的降低，导致蒸汽冷凝压力降低，这样机组的能耗降低，整个火电厂的热经济性可提高。从表2中可以看出，当采用蒸发式冷凝器时，郎肯循环的热效率相对于水冷却式提高了，同时其循环净功和汽耗率都有所降低。（2）节水。蒸发式冷凝器充分利用水的汽化潜热，这与空冷式和水冷式利用空气或水的显热来吸收热量完全不同。空冷式冷凝器虽然不用水源，但需要消耗更多的机组和冷凝功耗。一般水冷式冷凝器中每千克冷却水能带走KJ的热量，而1KG水在常压下蒸发能带走约2400KJ的热量，因而蒸发式冷凝器的理论耗水量只为一般水冷式冷凝器的1，实际上由于吹散损失、排污换水等原因，耗水量约为一般水冷式冷凝器的5107。通常补充的水量仅为水冷式的1/251/50。蒸发式冷凝器特别适用于缺水地区，在气候干燥处更为有效。（3）运行费用减少。和传统的冷却水塔循环供水冷却系统相比较，蒸发式冷凝器使用较少的循环水，且循环水的处理较简单。同时又因为风机和水泵的耗能减小，维护较容易，所以其运行费用大大降低。正是考虑到节水和系统的能耗低这些优点，所以在我国，把蒸发式冷凝器运用在火电厂的冷却系统中有其必要性，尤其在水源缺乏的西部地区更是如此。下面两个实例说明国外把蒸发式冷凝器应用在电厂9/9冷却系统中的情况。4两个实例23（1）加拿大TRANSALTA能源公司的联合发电系统采用了蒸汽轮机和燃气轮机联合循环发电，蒸发式冷凝器作为电力系统的一部分，用来冷却汽轮机排出的蒸汽。电厂发出的75MW电力供ONTARIOHYDRO使用。另外，来自系统的热蒸汽供附近的一家汽车制造商使用。因为两家用户不同的需求，导致蒸汽冷负荷产生较大的波动，而美国巴尔的摩公司生产的V