直接空冷系统

绪论随着世界各国经济的迅速发展和人类物质文化生活水平的不断提高，大型火力发电厂及大容量单元机组的投运面临着更为迫切、严格的要求，记载要求电力工业高速发展的同时，对发电厂的耗水量、烟尘排放量、冷却水废热造成的大气和自然水资源污染、生态平衡破坏规定了严格的限制标准。因此，人类在大规模开发能源、发展电力工业的同时，必须采取有效措施，缓解用水矛盾，消除控制污染后果，走可持续发展的道路。发电厂汽轮机排气空气冷却技术的应用和发展，为在严重缺水地区的煤矿和电力负荷中心区域建设大型火力发电厂开辟了一条节水，经济、安全、可靠地途径，也为水资源丰富区域保持生态平衡、避免江河水资源勿扰创造了条件。电厂空冷凝汽器技术的的开发应用已有约几十年的历史。德国早在1939年就建成了采用空气冷却的发电机组。2002年之前，国内仅有大同二电厂2x20万千瓦、太原二电厂2x20万千瓦和内蒙丰镇电厂4x20万千瓦三个电厂，8台大型间接空冷机组投入运行。其中大同、太原电厂的间接空冷机组从国外进口，内蒙丰镇电厂的间接空冷机组由哈尔滨空调股份有限公司提供。从2002年之后，大型电站空冷市场才开始在国内全面启动，据初步统计，截至2005年9月份，已招标开工的30万千瓦以上项目20余个、总装机容量超过2200万千瓦，哈尔滨空调股份有限公司承担7个项目，共420万千瓦，其余项目皆被德国GEA公司和美国SPX（斯必克）公司中标。为尽快实现大型电站空冷系统国产化，国务院副总理曾培炎先后两次做出批示，在有关部门的大力协调和支持下，中电投集团公司和华能北方对大型电站空冷系统国产化给予了充分的支持和信任，2004年，哈尔滨空调股份有限公司获得了通辽三期60万千瓦和乌拉山30万千瓦机组直接空冷系统的订单，日前，乌拉山电站直接空冷系统已投入运行。这一成果不仅打破了国外公司在此领域近70年的垄断局面，我国也成为世界上继美、德之后第三个全面掌握此项技术的国家。随着当代电厂的大力发展和科学技术的不断提升，空冷技术将迎来新的发展前景。

1凝气设备凝汽式汽轮机广泛用于现代火电厂和核电站。凝气设备是汽轮机的重要辅助设备，在电厂热力循环中起着冷源的作用。降低汽轮机的排气压力，可以增大汽轮机的理想焓降，提高电厂的循环热效率。1.1凝气设备的作用及工作原理凝气设备主要由凝汽器、凝结水泵、循环水泵和抽气设备组成。图1-1是凝气设备的示意图，汽轮机排汽进入凝汽器，而循环水泵不断地将冷却水（或循环水）送入凝汽器，吸收蒸汽的凝结放热，将排汽不断的凝结成纯净的凝结水，凝结水流入凝汽器底部的热井中，最后由凝水泵将其抽出，送往加热器和结除氧器进入锅炉循环使用。因为凝汽器处于高度真空状态，为防止空气在凝汽器内积存，需抽气器不停地将其抽出。凝气设备的首要作用是在汽轮机的排汽口建立并保持规定的真空，使进入图1-1湿冷凝气设备示意图汽轮机的蒸汽1-凝汽器2-循环水泵3-凝结水泵4-抽气器汽轮机的蒸汽膨胀到尽可能低的压力，从而增大机组的理想焓降，提高其热经济性。但是，汽轮机的排气压力也不是越低越好，而是存在一个最佳值。这个主要受俩方面因素的影响，一方面，冷却面结合冷却水量越大，真空越大，但同时基本投资、厂用电和运行费用也随之增加，若在某个排气压力下，汽轮机因真空的提高而增加的功率等于凝气设备所增大的能量消耗时，继续降低排气压力就会得不长失；另一方面，排气压力降低时，蒸汽体积急剧增大，使汽轮机排汽部分的体积显著增大，末级叶片高度也相应增加，导致机组结构复杂。若使末级尺寸不变，则势必增大末级排汽余速损失，这样降低排气压力所得到的效益也就被抵消了。凝气设备的另个作用是回收洁净的凝结水作为锅炉给水。锅炉给水的不洁净将使锅炉结垢和腐蚀，使新汽夹带盐分导致汽轮机通流部分结垢，这会严重影响电厂的安全经济运行。1.2凝气设备的分类按照凝气设备的排气凝结方式不同，可将凝汽器分为表面式和混合式俩种类型。在混合式凝汽器中，蒸汽呈喷雾状喷入的冷却水直接混合，使蒸汽冷却凝结。由于冷却水未经处理，蒸汽凝结后的混合水水质很差，不能循环利用；或处理大量的冷却水，使一部分混合水循环利用，这就使得水处理的成本大大增加，这是混合处理的不足之处。表面式凝汽器中，冷却工质与蒸汽被冷却表面隔开互不接触。根据所用的冷却工质不同，表面式凝汽器又分为空冷式和水冷式俩种。由于用水做冷却工质时，

凝汽器的传热系数高，可获得和保持高度真空，因此现代火电厂广泛采用一谁作为冷却工质的表面式凝汽器。在缺水地区，由于采用空气凝汽器可以节约大量水资源，故空冷机组得到越来越广泛的应用。图1-2表面式水冷凝汽器结构简图1-蒸汽入口2-冷却水管3-管板4-冷却水进水管5-冷却水回流水室6-冷却水出水管7-凝结水集水箱（热井）8-空气冷却区9-空气冷却区

挡板10-主凝结区11-空气抽出口1.2.1表面式水冷凝汽器的类型根据冷却水在凝汽器中流经的次数不同可将凝汽器分为单流程、双流程和多流程等形式。图1-3单流程凝汽器图1-4双流程凝汽器在凝汽器上还设有抽气口将空气抽出。在凝汽器入口处，空气在蒸汽中的含量很小。随着凝结过程的进行，空气含量越来越大，在蒸汽流程的末端达到最大值，因此抽气口设在凝汽器流程的末端。按照抽气口的位置不同可将凝汽器分为气流向下式、气流向上式、气流向心式、气流向侧式等形式（见图1-3）图1-5 按凝汽器气流类型分类（a）气流向心式（b）多区域气流向心式（以B.B.C的管束布置为例）2.空冷技术2.1空冷凝汽器系统的发展循环冷却系统是电力生产过程中的一个重要环节，做过功的汽轮机乏汽需要在凝汽器中冷却凝结，然后重新循环。常规湿冷机组是采用自然通风冷却塔形式，以水为冷却介质，其中循环水损失（蒸发损失、风吹损失和排污损失）约占电厂耗水量的80%；而空冷机组是以空气为冷却介质，其中间接空冷系统主要有带喷射式凝汽器的海勒式系统，带表面式凝汽器的哈蒙氏系统和直接空冷系统。无论是采用密闭循环冷却水的间接空冷方式，还是无循环冷却水的直接空冷方式，都不产生循环水损失，只需锅炉补水和其他用水即可，所以电站耗水量明显减少，在相同的水资源下可多装机至原来的三倍以上，具有长远的经济效益。电站空冷凝汽器技术的开发应用自世界上第一台15MW直接空冷机组于1938年在德国一个坑口电站投运，至今已有近70年的历史。直接空冷技术的发展主要是围绕空冷凝汽器管束进行的，空冷凝汽器所用的翅片管基本上是表面镀锌的椭圆形钢管加钢质翅片，或圆形钢管加铝翅片。在直接空冷凝汽器发展初期的20世纪60年代，由于受加工工艺的限制，翅片管的内径较小。为了将蒸汽侧的压力损失控制在合理范围内，单管长度一般为7m左右。为了获得足够的换热面积，蒸汽管束不得不采用2排、3排甚至4排管片。由于多排管组成的管束，空气（蒸汽）流会产生死区，换热面积不能像单排那样被100%利用，而且多排管空气流阻力大，其空冷风机必然要多耗电能，另外，管束外可能会出现死区，在冬季流动不畅的不可凝结气体和凝结水容易结冰。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。20世纪80年代初，翅片管直径由25.4mm扩大到38mm，单管长度也相应加长到10m，组成管束的翅片管排数也相应减少，使用空冷技术发电机组的单机容量也相应增大。20世纪80年代中期以后，翅片管直径已经扩大到50mm以上，组成管的翅片管减少到只有一排，这也就是目前使用的具有特殊形状的单排椭圆形翅片管的空冷凝汽器。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起到很大的推动作用，它为防止空冷技术在严寒的冬季发生冰冻提供了更为灵活的控制手段。由于空冷凝汽器制造技术不断发展，解决了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200、300甚至600MW及以上的大容量直接空冷机组，如伊朗Touss电站（4X150MW），1970年7月后相继投产的西班牙Utrillas火电厂（单机容量160MW），1978年投产的美国Wyodak电站（单机容量330MW），1986年后相继投产的南非Maimba电站6X685MW等等，至今运行良好。2.2空冷技术在我国的应用我国是一个以煤炭资源为主的能源国家，其中燃煤发电约占全部电源的70%，而且在近期仍不会改变这种电力能源以煤电为主的比例。我国还是严重缺水的国家，水资源短缺已成为制约经济社会发展的主要因素。按目前的正常需要和不超采地下水，全国缺水总量约为400亿m3,全国现有668座城市，约有400座城市缺水。我国电力工业发展迅速，大容量、高参数的大型火电机组日益增多，其年耗燃料及水资源相当可观，其中水资源的矛盾已是制约我国大部分地区发展的一个重要因素，尤其是西部地区，富煤缺水，要开发这些地区的能源，除了有关工业、农业均要采取节约水措施外，电力行业建设采用大型空冷机组是非常经济而有效的措施。我国于20世纪60年代开始火电空冷技术的研究，但都属于小型机组。“七五”期间，我国从匈牙利进口两套200MW带喷射式凝汽器的海勒式间接空冷系统设备，同时引进了海勒式系统的空冷技术，与东方汽轮机厂和电机厂生产的200MW汽轮发电机组配套，在山西大同第二发电厂分别于1987年和1988年投产。“八五”期间，太原第二热电厂的2台200MW供热空冷机组经论证，参照大同第二发电厂运行的实践，确定采用带表面式凝汽器哈蒙氏间接空冷系统。哈蒙氏系统是哈蒙公司在购买匈牙利海勒式系统专利后经研究改进的间接空冷系统，它与海勒式系统的主要不同是采用了表面式凝汽器和钢管钢翅片散热器，是循环冷却水与锅炉给水分成两个独立的系统，其水质可以按各自的标准和要求进行化学处理，因而简化了系统，方便运行操作，增加了空冷设备运行的可靠性。从1992年起，哈尔滨发电设备制造基地为内蒙古丰镇电厂制造了4台200MW空冷机组，采用了海勒式间接空冷系统。这几台节水型空冷机组投入运行，缓解了缺水地区的电供需矛盾和用水紧张状况，同时也积累了很多设计、制造、安装和运行经验，为发展我国大型空冷机组奠定了良好的基础。山西交城义旺铁合金制备电厂6MW直接空冷机组是我国首台投产的直接空冷机组；2003年11月，我国首台大容量空冷机组在大同平旺电厂1号机组（200MW）顺利完成96h试运并移交生产，2003年12月，2号机组也顺利建成投产；2004年9月、10月，山西漳山发电有限责任公司的2台300MW直接空冷机组相继完成168h试运行并移交生产；山西华能榆社电厂2X300MW直接空冷机组于2004年投产；大同第二发电厂2X600MW直接空冷机组于2005年4月投产；同时山西、内蒙古、东北等地还有许多空冷机组在建设中。上述的2X200MW、2X300MW、2X600MW机组添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的经验。2.3空冷技术的分类发电厂空冷技术从提出到现在约有50年的历史，并在国际上有了迅速发展，目前已出现单机容量686MW的空冷机组。在干旱地区，空冷技术发展尤为迅速，并出现了多种类型，如直接空冷、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。目前国内外电站空冷是二大类：一是间接空气冷却系统，二是直接空气冷却系统。其中间接空气冷却系统又分为混合式空气冷却系统和表面式空气冷却系统。世界上第一台1500KW直接空冷机组，于1938年在德国一个坑口电站投运，已有60多年的历史，几个典型空冷机组是：1958年意大利空冷电站2X36MW机组投运、1968年西班牙160MW电站空冷机组投运、1978年美国怀俄明州Wodok电站365MW空冷机组投运、1987年南非Matimba电站6X665MW直接空冷机组投运。当今采用表面式冷凝器间接空冷系统的最大单机容量为南非肯达尔电站6X686MW；采用混合式凝汽器间接空冷系统的最大单机容量为300MW级，目前在伊朗投运的325MW（哈尔滨空调股份有限公司供货）运行良好。全世界空冷机组的装机容量中，直接空冷机组的装机容量占60%，间接空冷机组约占40%。间接空冷系统：以环境空气作为冷源、以密闭的循环水作为中间介质，将汽轮机排汽的热量传给循环水、密闭循环水通过空冷散热器将热量传给大气的系统。间接空冷系统又可分为哈蒙式空冷系统和海勒式空冷系统。哈蒙式空冷系统：汽轮机排汽进入表面式凝汽器,通过大量循环水将其冷却。循环水再进入布置在空冷塔内的散热器管束，被空气冷却。

图2-1哈蒙式间接空冷原则性热力系统图1-锅炉；2-过热器；3-汽轮机；4-表面式凝汽器；5-凝结水泵；6-凝结水精处理；7-凝结水升压泵；8-低压加热器；9-除氧器；10-给水泵；11-高压加热器；12-循环水泵；13-膨胀水箱；14-空冷散热器；15-空冷塔；16-发电机海勒式空冷系统：它的特点是使用喷射式凝汽器，汽轮机排出的乏汽与从冷却塔来的冷水，在凝汽器内直接混合，因此端差很小。混合后的水，约2%送回锅炉，其余的水送到冷却塔冷却。因冷却水和锅炉水为同一种水，所以对水质要求高。另外一个特点是，经冷却塔冷却后的水仍有较大的余压，在送入凝汽器以前，先用小型水轮发电机口收能量（如图1-2）。图2-2海勒式间接空冷系统原则性热力系统图1-锅炉；2-过热器；3-汽轮机；4-喷射式凝汽器；5-凝结水泵；6-循环水泵；7-凝结水精处理；8-凝结水升压泵；9-低压加热器；10-除氧器；11-给水泵；12-高压加热器；13-调压水轮机；14-空冷散热器；15-空冷塔；16-旁路调压阀；17-发电机海勒式和哈蒙式的共同缺点是间接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。而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。因此有人提出电厂采用空冷（十冷）、水冷（湿冷）的十湿联合冷却系统。直接空冷系统：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。直接空冷的凝气设备称为空冷凝汽器（ACC），组成空冷凝汽器的若干管束称为散热器。「锅炉2.过热器3、汽轮机4,空冷掘汽器5,凝结水某6,凝结水精处理装置7,睬结水升压泉8.低压加热器9.除乳器10.给水泵1「高床加热器7.汽轮机IHW2-3直接空冷原洌性热力系统图立式电动机直接空冷汽水系统如图1-1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，冷凝水经凝结水泵送往加热器。3.直接空冷3.1直接空冷系统设备组成和特点3.1.1直接空冷系统设备组成直接空冷凝汽器的系统主要由排气装置、排气管、蒸汽分配管、冷却风机、凝结水系统、抽真空系统、保护设备和清洗装置构成。

图3-1空冷岛1）排汽管道图3-1空冷岛式，一种为低位布置、一种为高位布置。大直径管道的壁厚优化和制造是难点，同时也是影响工程造价的重点之一。图3-2空冷凝汽器及其结构形式1-汽机排气管道；2-轴流冷却风机；式，一种为低位布置、一种为高位布置。大直径管道的壁厚优化和制造是难点，同时也是影响工程造价的重点之一。图3-2空冷凝汽器及其结构形式1-汽机排气管道；2-轴流冷却风机；3-空冷凝汽器主凝区；1-4空冷凝汽器辅凝区；5-配气管；6-后联箱；7-凝结水箱；8-凝结水泵；9-空气管；10-蒸气抽气器2）空冷凝汽器的冷却装置（1）A一型架构：一般双排管束由钢管钢翅片所组成，为防腐表面渡锌。单排管为钢管铝翅片，钎焊在大直径矩形椭园管上。它上端同蒸汽配管焊接，下端与凝结水联箱联结。每8片或10片构成一个散热单元，每个单元的管束为59.50-60.50角组成A一型架构。（2） 冷却元件：冷却元件即翅片管，它是空冷系统的核心，其性能直接影响空冷系统的冷却效果。（3） 抽气系统在逆流单元管束的上端装置排气口，与设置的抽汽泵相联。抽气泵是抽气，分运行和启动，启动抽气时间短，300MW机组的系统容积大约5