直接空冷机组加装尖峰冷却装置的对比分析

第57卷第6期2015年12月汽轮机技术TURBINETECHNOLOGYV0157NO6DEC2O15直接空冷机组加装尖峰冷却装置的对比分析杨作梁，温新宇，马洪源1国网冀北电力有限公司技能培训中心，保定071051；2神华河北国华定洲发电有限责任公司，定州073000摘要如何确保直接空冷机组在夏季高峰负荷期间安全、经济、满负荷运行，是近年来遇到的新课题。通过对大型直接空冷机组加装直接喷淋装置、蒸发式凝汽器、表面式凝汽器3种技术方案的对比研究，从多个方面对其性能进行了分析，并提出了适用条件，可供电厂技术改造时参考。为了便于比较不同加装方案的效能，首次提出了单位耗水量背压下降值指标，可作为改造方案论证的重要依据。关键词直接空冷机组；尖峰冷却装置；喷淋装置；蒸发式凝汽器；表面式凝汽器分类号TK2641文献标识码A文章编号10015884201506JD46403COMPARATIVEANALYSISOFPEAKLOADCOOLINGSYSTEMUSEDINDIRECTAIRCOOLINGUNITYANGZUOLIANG，WENXINYU，MAHONGYUAN1STATEGRIDJIBEIELECTRICPOWERCOMPANYLIMITED，SKILLTRAININGCENTER，BAODING071051，CHINA2SHENHUAHEBEIGUOHUADINGZHOUPOWERGENERATIONCOMPANYLIMITED，DINGZHOU073000，CHINAABSTRACTINRECENTYEARS，THEREISANEWSUBJECTTHATHOWTOENSUREDIRECTAIRCOOLINGUNITRUNNINGATFULLLOADSAFELYANDECONOMICALLYDURINGSUMMERPEAKLOADTHEREARETHREETECHNICALSCHEMESWHICHISTOINSTALLDIRECTSPRINKLER，EVAPORATIVECONDENSERORSURFACECONDENSERINLARGEDIRECTAIRCOOLINGUNITSRESPECTIVELYBYCOMPARINGANDRESEARCHINGTHESESCHEMESTHISPAPERANALYZEDTHOSEPERFORMANCEFROMMANYASPECTSANDPUTFORWARDAPPLICABLECONDITIONSWHICHCANPROVIDEAREFERENCEFORPLANTTRANSFORMATIONINORDERTOCOMPARETHEPERFORMANCEOFDIFFERENTINSTALLATIONSCHEMESCONVENIENTLY，THEINDEXOFUNITWATERCONSUMPTIONBACKPRESSUREDECREASEVALUEISFIRSTPROPOSEDINTHISPAPERWHICHCANBEANIMPORTANTBASISTOPROOFTHEREHABILITATIONSCHEMEKEYWORDSDIRECTAIRCOOGUNIT；PEAKLOADCOOLINGSYSTEM；SPRAYSYSTEM；EVAPORATIVECONDENSER；SURFACECONDENSER0前言随着电力工业的发展，600MW直接空冷机组已经成为北方缺水地区的主力机型。尽管在设计凝汽器的换热面积时，已充分考虑了夏季工况的需求，但从实际运行情况看，由于夏季空气温度过高造成的高背压，致使限制机组负荷、高速横向风引起的精除盐装置由于凝结水温过高而自动解列乃至机组真空过低引起保护动作，严重影响机组安全经济运行。如何确保直接空冷机组在夏季高负荷期间安全经济运行，已成为迫切需要解决好的课题。据调查，针对直接空冷机组夏季工况，用于降低背压的尖峰冷却技术主要有1在现有空冷凝汽器上加装喷淋喷雾装置；2在现有空冷凝汽器上加装并联蒸发式凝汽器；3在现有空冷凝汽器上加装并联表面式凝汽器。如何针对具体情况，合理选择直接空冷机组在夏季工况的尖峰冷却装置是本文研究的主要内容U。1降低汽轮机背压的机理汽轮机萱压挂泡压的高低取决于排汽的凝结温度高收稿15T期20150725低，排汽的凝结温度越低，则对应的背压就越低。汽轮机的排汽凝结温度可通过式1计算TTL8T1式中，T为汽轮机排汽凝结温度，OC；T。为冷空气温度，；为空气吸热后的温升，；为凝汽器传热端差，。空冷凝汽器换热面传热端差可通过式2计算8T2EO一1。式中，A为凝汽器散热面积，M；K为换热面总换热系数，WM；D为冷却空气量，KSS；C。为冷却空气比热，JKG。由式1可知，只要设法降低冷空气温度，或者是减小空气在凝汽器中的温升，或者是减小凝汽器的传热端差都可以使得汽轮机的排汽凝结温度降低，从而降低汽轮机的排汽压力。由式2可知，降低空气在凝汽器中的温升，可以使传热端差减小，增大凝汽器的换热面面积也可以使传热端差减小。通过向冷空气喷水，不仅可以降低冷空气的温度，还可以吸收汽化潜热，使空气的温升减小，进而使汽轮机的背压降低。作者简介杨作梁1964一，男，山西襄汾人，学士，副教授，从事火电厂安全经济运行方面的研究。第6期杨作梁等直接空冷机组加装尖峰冷却装置的对比分析465如果给空冷凝汽器加装并联蒸发式凝汽器或水冷表面式凝汽器，可以分流一部分排汽，从而使空气温升和传热端差减小，也可以降低汽轮机的排汽压力。23种尖峰冷却装置简介21直接喷淋喷雾装置在现有直接空冷凝汽器上加装喷淋或喷雾装置以下简称“方案一”，均可降低机组背压，但二者机理有所不同。直接喷淋装置是将除盐水直接喷淋在空冷散热器的表面，利用水汽化吸热降低散热器表面温度，从而降低机组背压。直接喷雾装置则是将除盐水雾化喷在空冷凝汽器冷却风机的出口，主要利用水汽化吸热降低散热器周围空气的温度来降低散热器表面温度当然也会有小部分水在凝汽器换热面上汽化，从而降低机组背压。由于后者不易造成“污水横流”，目前应用相对较多。直接喷雾冷却原理图如图1所示。图1直接喷雾冷却原理图22蒸发式凝汽器面在直接空冷凝汽器加装并联蒸发式凝汽器以下简称“方案二”，就是从直接空冷系统中分流出一部分蒸汽，通过蒸发式凝汽器冷凝为凝结水，再由凝结水泵送回汽轮机回热系统。加装蒸发式凝汽器原理图如图2所示。蒸发式凝汽器的工作原理是冷却水通过喷淋水泵加压后，从喷淋喷嘴喷向蛇形散热管，管外喷淋水蒸发吸收大量汽化潜热使管内蒸汽冷凝。冷空气在风机作用下从凝汽器下部侧面进入并吸热，连同喷淋水产生的蒸汽从上部排人大气。未蒸发的水流入下部水箱，实现喷淋水的循环使用。喷嘴上面设有挡水板，避免过多水滴被湿空气带出。蒸发式凝汽器主要利用水的蒸发潜热来换热，冷凝效果好，换热性能优良。蒸发式凝汽器换热取决于当地的湿球温图2加装蒸发式凝汽器尖峰冷却装置原理图23水冷表面式凝汽器在直接空冷凝汽器加装并联表面式凝汽器以下简称“方案三”，是从直接空冷系统中分流一部分蒸汽，再通过表面式凝汽器用循环冷却水冷凝为凝结水，由凝结水泵送回汽轮机回热系统。温度升高的冷却水经循环水泵送入机力或自然通风冷却塔冷却后循环使用。加装水冷式表面式凝汽器原理图如图3所示。图3加装水冷表面式凝汽器尖峰冷却装置原理图33种尖峰冷却方案的比较31背压降低效果及耗水量如表1所示为3种不同尖峰冷却方案在运行工况下的有关技术数据。方案一与方案二均为“一次”换热，都是借助于换热面直接利用空气冷却汽轮机排汽，但方案一借助的是空冷凝汽器本身的换热面，而方案二借助的是新增蒸发式凝汽器的换热面。方案三则是“两次”换热，首先通过常规水冷凝汽器冷却汽轮机排汽，然后将受热后的循环冷却水送入冷却塔对空气散热。为了更为科学的评价不同加装方案的效能，特提出单位度，不受干球温度的影响，换热机制先进、高效引。耗水量指损失的水量背压下降值指标表L3种不同尖峰冷却方案的有关技术数据注消耗水量按16损失率估算而得466汽轮机技术第57卷单位耗水量背压下降值考篙3显然，在相同耗水量的前提下，汽轮机背压下降的越多就越好。比较表1中的单位耗水量背压下降值可知，方案二的冷却效果最佳，方案一次之，方案三最差。其原因是，方案二和方案一均是依靠有相变对流散热且方案一的水雾损失会更大一些，而方案三主要靠无相变对流散热。对于无相变对流换热，1KG冷却水1温升能带走421D的热量；对于有相变对流换热，LKG水在常压下蒸发则能带走2400KJ的热量。蒸发式凝汽器主要利用水的蒸发潜热换热，其换热效果取决于当地的湿球温度，相对于水冷，冷凝背压更低。由于水的蒸发散热效果更好，与传统水冷方案相比，可节约用水30一50。32系统阻力相对于方案一，方案二和方案三由于增加并联了散热面积，所以从理论上讲冷却系统的汽侧的阻力会下降，但是否下降还取决于新增散热面的阻力。相对于方案三，由于方案二蒸发式凝汽器的换热面为管径较细且流程较长的蛇形管，所以阻力会大一些。33。冷却水为了防止空冷凝汽器表面结垢，方案一通常采用除盐水作为冷却介质，造成水处理系统投资激增，运行成本也相对较高。方案二和方案三的尖峰冷却装置由于清理水垢相对方便，且是在雨水相对丰富的夏季运行，所以利用中水、雨水作为冷却介质，不仅成本较低，而且有利于节水。34设备可靠性相对于方案一，方案二和方案三都要增加换热面，所以新增换热面的可靠性将会影响到冷却系统的可靠性。表面式凝汽器虽然工艺成熟，但由于管子与管板之间通过胀管方式连接，仍存在泄漏隐患，所以可靠性相对较低。蒸发式凝汽器虽然换热面管束庞大，但换热面通过焊接方式连接，且由于可实现模块化控制，出现故障可部分隔离，所以可靠性较高。35环境变化的影响相对于方案一，方案二和方案三在夏季受环境影响的程度相对都比较小，尤其是不用担心受到高强度横向风和热风回流对汽轮机背压产生过大影响。但到了冬季，表面式凝汽器受环境温度影响相对较小，循环冷却水停运后凝汽器可“干烧”；而蒸发式凝汽器受环境条件影响相对较大，冬季少量蒸汽凝结存在防冻问题。36结垢与腐蚀情况方案一尽管采用除盐水作为冷却介质，但积盐问题不可能避免。空冷翅片积盐后，换热效果会越来越差，会导致凝汽器真空影响严重恶化。方案二的蒸发式凝汽器系统由于小流量水高强度蒸发和水系统容积较小，工况变化时循环水浓缩倍率较难控制，因此冷凝器更易结垢，且不易清洁和处理。方案三的表面式凝汽器在运行时可采用胶球清洁换热面，结垢后也方便进行清理。方案一和方案二通常采用“碳钢锌铝合金”作为换热面，由于长期处于的潮湿环境下，易于发生氧腐蚀。空冷管被腐蚀后，将严重影响其使用寿命。方案三采用黄铜管作为换热面不易发生腐蚀。37系统复杂程度方案一只要增加一套喷雾装置，无需更改排汽系统和增加其它设备，相对比较简单，但是需要增加水处理系统的容量。方案二和方案三均需要更改排汽系统，但方案二增加的蒸发式凝汽器集凝汽器、冷却塔、循环水泵及泵房于一体，结构紧凑，可将庞大的冷凝系统设备化，相对比较简单。而方案三需要增加凝汽器、循环水泵和冷却塔等设备，系统相对复杂，占地面大。38对周围电气设备的影响由于方案一和方案二都会蒸发出大量湿蒸汽，且扩散区域紧邻发电厂的电气主接线，随着时间推移必定会对电气设备的绝缘产生不良影响。方案三的散热设备通常可以布置在远离电气主接线的区域，所以对电气设备的影响非常小。39投资成本方案一冷却系统比较简单，但水处理设施投资较大。如果600MW机组按冷却50汽轮机排汽流量设计，蒸发式凝汽器的换热面积是表面式凝汽器换热面积的1O倍左右，表面式凝汽器湿式冷却系统投资约2500万元，蒸发式凝汽器系统投资约4000万元，如果加上表面式凝汽器所需冷却塔的投资，则方案二和方案三投资相当。4结语对于上述3种加装方案，只要冷却容量足够，都可有效降低空冷机组在夏季高峰负荷期间的运行背压，实现机组的安全、经济、满负荷运行。但从单位耗水量背压下降值分析加装方案的效能，方案二的冷却效果最佳，方案一次之，方案三最差。方案一虽然改造起来相对简单且效果较好，但不能忽视夏季高强度横向风和热风回流带来的安全隐患，而且要使用除盐水作为冷却介质，不仅要增大水处理系统的投资和水处理费用，且不能避免空冷凝汽器的积盐和腐蚀，以及对周围电气设备产生不良影响。方案二和方案三可有效解决夏季高强度横向风和热风回流带来的不利影响，并且可以使用非除盐水作为冷却介质，但改造的时候需要更改系统，增加较多的设备。由于两种方案的投资相当，如果能较好地解决蒸发式凝汽器存在的结垢和腐蚀问题，并且不会对周围电气设备造成不良影响，则采用冷却效果相对较好的方案二较为理想。如果有现成的冷却设施可供利用，或无法解决冷却装置对电气设备的不良影响，或不能很好解决凝汽器的结垢和腐蚀问题，则选用方案二会更理想一些。参考文献1马庆中，张龙英直接空冷凝结器尖峰冷却系统的研究与应用J山西电力，2007，增刊55572吕玉坤，王宁环境风对直接空冷机组性能的影响J华北电力技术，2015，25559下转第432页432汽轮机技术第57卷餐潋出速度MS图8不同工况下二次滤网前后的压降网板条二次滤网压降的增加量始终小于矩形网板条二次滤网压降的增加值。由此可知，安装翼形网板条二次滤网对水流产生的阻力小于安装矩形网板条二次滤网时对水流产生的阻力。进一步说明了采用翼形网板条二次滤网的优越性。4结论1不同形状的网板条二次滤网对水流的流动特性影响不同。安装翼形网板条搭接型二次滤网时滤网前管道所受压力较小；水流流经滤网时产生的压降较小；弯管处管壁外侧所受压力较小。2不同形状的网板条对二次滤网后水流的分布状态影响不同。翼形网板条与矩形网板条相比，滤网后水流的分布状态更好，低速水流带较少，出流均匀。3二次滤网对水流的阻力随进口水流速度的增大而增大。同一进口水流速度条件下，翼形网板条二次滤网对水流产生的阻力小，水流能量损失少；进口水流速度改变量相同时，翼形网板条二次滤网阻力的增加值较少。4本文提出的翼形网板条搭接型二次滤网，为滤网结构的优化设计提供了新思路。参考文献1李立言二次滤网对凝汽器入口水室流场影响的数值模拟D吉林东北电力大学，20122李勇，曹丽华，栾中兴，等CC12型汽轮机低真空供热的安全经济性分析J化工机械，2003，3052682713朱耀，杨君凝汽式汽轮机二次滤网故障分析与改进措施J电力与能源，2014，3521861884翟家旭，王惠芳浅谈EDF一型二次滤网J河北电力技术，19981727295朱子信EDP型二次滤网在合山电厂的应用J广西电力技术，2001，24427286赵桂丽浅谈凝汽器二次滤网的常见问题及改进措施J电站系统工程，2010，262737刘伟庭基于结构理论600MW机组凝汽器胶球清洗优化模型研究D保定华北电力大学，20118陈亮，郝春雨，张海林，等电站凝汽器胶球清洗影响因素分析J电力技术，2010，19812一L69王锋二次滤网自动控制在分散控制系统中的实现J华电技术，2012，345374210SHIHTH，LIOUWW，SHABBIRA，ETA1ANEW一8EDDYVISCOSITYMODELFORHIGHREYNOLDSNUMBERTURBULENCEFLOWSJCOLNPUTERANDFLUIDS，1995，24322723811CHOWP，CROSSM，PERICLEOUSKANATURALEXTENSIONOFTHECONVENTIONALFINITEVOLUME