一种节能、减排、节水、可靠的电站空冷新技术

一种节能、减排、节水、抗风的电站空冷新技术方案—复合制冷循环间接空冷系统报告人：杨善让东北电力大学复合制冷循环间接空冷系统（复间冷）1.复间冷系统组成及工作原理2.复间冷系统主要功能3.复间冷系统功能实现的技术可行性4.复间冷系统的热经济性5.复间冷系统的效益预测6.复间冷系统的应用前景复合制冷循环间接空冷系统（复间冷）间冷系统混间冷—海勒式表间冷—海勒式复间冷直冷系统空冷系统氨相变间冷系统空冷散热器气液分离器去凝结水泵汽轮机排汽储液罐氨循环泵缓冲装置凝汽器1.1.1空冷技术现状复间冷系统组成及工作原理空冷技术国内外现状美国专利1:PowerProducingDryCoolingSystem(4212168,1980)空冷技术国内外现状复间冷系统组成及工作原理美国专利2:PowerProducingDryCoolingApparatusandMethod(4291538,1981)空冷技术国内外现状复间冷系统组成及工作原理间冷耗水多投资多占地多水汽排放多防冻难直冷煤耗高、污染重高温难满发低温防冻难抗风能力差复间冷系统组成及工作原理传统空冷技术缺点过热器除氧器高压加热器给水泵低压加热器凝结水泵空冷散热器汽轮机发电机锅炉复间冷系统组成及工作原理改进思路复间冷系统组成及工作原理发电机汽轮机排汽双相变换热器凝结水泵汽轮机去回热系统汽轮机进汽电动机/小汽轮机M压缩机阀门空冷散热器空冷风机储液箱阀门节流阀高温时段复间冷系统运行原理图复间冷系统组成及工作原理发电机去回热系统汽轮机排汽双相变换热器凝结水泵汽轮机汽轮机进汽低温时段复间冷系统运行原理图空冷散热器空冷风机储液箱升压泵阀门阀门低压抽汽/烟气氨气轮机氨气过热器发电机阀门吸热放热降压升压制冷循环吸热放热降压升压逆制冷循环高温时段低温时段吸热放热降压升压并联正、逆制冷循环吸热放热降压升压制冷循环吸热放热降压升压逆制冷循环复间冷系统组成及工作原理复间冷系统组成及工作原理动力/制冷复合循环的基本组成发电机汽轮机排汽双相变换热器凝结水泵汽轮机去回热系统汽轮机进汽电动机/小汽轮机M压缩机阀门空冷散热器空冷风机储液箱阀门节流阀储液箱升压泵阀门阀门低压抽汽/烟气氨气轮机氨气过热器发电机阀门复间冷系统主要功能维持汽轮机排气背压恒定在优化所确定的数值可利用环境低温资源作动力源可提高空冷系统的设备利用率可将空冷系统节水率提高到100%3.1维持汽轮机排汽背压恒定的可行性Texh＝Te+ΔTac–ΔTc+ΔTbpc高温时段：氨蒸发参数大于冷凝参数所对应的环境温度时段低温时段：氨蒸发参数小于冷凝参数所对应的环境温度时段复间冷功能实现的技术可行性汽轮机排汽温度与环境温度关系式Texh:排汽温度ΔTac：空冷散热器传热温差ΔTc：压缩过程或膨胀过程产生的温差ΔTbpc：双相变换热器传热温差双相变换热器压缩机电动机节流阀空冷散热器冷风储液箱高温时段：双相变换热器压缩机电动机节流阀空冷散热器冷风储液箱压缩制冷循环通过调整压缩机的压缩比即可完全消除环境气温变化所导致的空冷散热器参数的相应变化对双相变换热器出口参数的影响实现保持汽轮机排气背压不随环境气温而变化的目的消除了导致直冷机组煤耗高、难满发、常跳闸等缺陷复间冷功能实现的技术可行性双相变换热器空冷散热器升压泵氨气轮机蒸汽发电机氨过热器节流阀冷风截止阀低温时段：环境气温变化，调整升压泵扬程以维持双相变冷侧入口压力恒定，氨气轮机的功率则随环境气温的减低而增大或升高而减小全年环境气温的变化，视气温的高低，分别通过压缩机与节流阀或氨气轮机与升压泵的自动调整而完全消除风温对排汽背压的影响复间冷功能实现的技术可行性3.2利用环境低温资源的可行性论证环境低温资源：环境气温很低时，其所决定的空冷散热器的氨冷凝参数通常都要低于双相变换热器冷侧液氨的沸腾（或气化）参数，通过膨胀机或氨气轮机利用两者之间的焓差做功，这部分功是利用自然环境低温转化来的，故称作环境低温资源。且环境温度愈低，氨气轮机多做的功愈多。复间冷利用低温环境资源的方式至少有：二是维持氨气轮机功率基本不变，即让氨气轮机的排气压力随着空冷散热器冷凝压力的降低而降低的同时，其进气压力也随排气压力降低而作相应降低，以维持氨气轮机的工质理想焓降基本不变，这时氨气轮机可基本维持在设计工况下运行。氨气轮机进气压力下降进而引起汽轮机排气真空的提高，从而增大了汽轮机低压缸的蒸汽理想焓降，导致汽轮机的功率和循环热效率均有所增高。一是维持汽轮机排汽背压不变，而是让氨气轮机的排气压力随空冷散热器冷凝压力的降低而降低，因而氨气轮机的功率随之增大复间冷功能实现的技术可行性超低背压运行工况0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.01750177518001825185018751900192519501975焓值/KJ/kg排汽背压/KPa77.14KJ/kg0.66KPa2.3KPa4.9KPa将排汽背压降至最低2.3KPa，相应温度20℃，扣除ΔTbpc=5℃，氨沸腾参数15℃，728.34KPa，1695.61KJ/Kg。此时若不投运正或逆制冷循环，则空冷散热器的冷凝参数=沸腾参数，扣除ΔTac=15℃，则对应的环境气温为0℃双相变换热器空冷散热器升压泵节流阀冷风截止阀复间冷功能实现的技术可行性双相变换热器空冷散热器冷风升压泵氨气轮机蒸汽发电机氨过热器若排汽参数仍保持2.3KPa，20℃；氨蒸发参数：15℃，728.34KPa，1695.61KJ/Kg，若环境气温–35℃，则氨冷凝参数：-20℃，190.25KPa，1655.71KJ/Kg，它的可利用焓降39.9KJ/Kg。这部分焓降可采用膨胀机或氨气轮机带动发电机而将其转变为电能。逆制冷循环运行工况环境气温在0℃以下，氨蒸发参数氨冷凝参数，此时需投入逆制冷循环。复间冷功能实现的技术可行性3.3提高空冷系统设备利用率的论证低温时段：气温升降，调整升压泵扬程以维持双相变冷侧入口压力恒定，氨气轮机负荷随排汽压力变化而自动升降。直冷机组采用预留负荷上升空间，以预防随机性阵风倒灌引起机组跳闸，导致夏季不满发；冬季提高排汽背压防冻亦使负荷减小，这两者均导致利用小时数/运行小时数＜1复间冷高温时段：气温升降，调整压缩机压缩比和节流阀开度可完全消除阵风导致的空冷散热器冷凝压力瞬间升高对双相变换热器产生的影响，从而可持续保持排汽压力恒定，达到满负荷运行（亦称满发）。冬夏均在最佳背压下满负荷运行，故利用小时/运行小时=1复间冷功能实现的技术可行性3.4空冷系统节水率可达100%的论证*据中国电力企业联合会科技服务中心2005年11月的《空冷机组情况调研数据统计表》我国在役直冷机组的年节水率最高为84%，最低为69%*，国外直冷机组的节水率也只有90%。直冷机组无法达到100%节水率的主要原因在于需用高压除盐水冲洗机组的空冷散热器风道。对此，本课题组研发了一种新型干式自动吹扫装置，用压缩空气或夹带洗珠）代替高压除盐水以实现免水（waterfree）空冷系统。新型干式自动吹扫装置复间冷功能实现的技术可行性3.5节能、减排、节水、抗风四目标协同提高复间冷技术所具有的上述四种功能，可通过将运行中的排汽背压始终维持在运行优化所确定的最佳值来实现。按文献算法，若复间冷机组供电煤耗比直冷机组低13-15g/Kw.h，即供电煤耗降低：14g/Kw.h标煤CO2排放减小：27.94g/Kw.h；SO2排放减小：0.020g/Kw.h；粉尘排放减小：0.068g/Kw.h；节水率可达100%；公众健康经济损失减少0.63元＊上述减排量均未消耗其他不可再生资源，为节能的副产品。＊中国疾病预防控制中心与国际环保组织绿色和平最近在北京发布双方专家共同完成的《煤炭的真实成本——大气污染与公众健康》报告指出：在我国每燃烧1吨煤，就要付出健康经济损失费用达到44.8元。复间冷功能实现的技术可行性3.6以氨为工质的可行性氨相变空冷技术转让报告复间冷功能实现的技术可行性EPRIATC示范电站外观（美国加州Kern电站10MW氨相变间冷外形图）复间冷功能实现的技术可行性美国亚利桑拉州12000t氨冷凝器系统航拍图复间冷功能实现的技术可行性复间冷系统的热经济性4.1热经济性计算基准Te=35℃汽轮机排汽装置回热系统58℃18.3kPa△P=6kPaTc=50℃Pc=12.3KPa凝结水泵复间冷系统热力原理性系统图直接空冷机组原则性汽水系统27.5℃1083kPa32.5℃4.9KPa汽轮机压缩机氨气轮机Te=35℃Tc=50℃Pc=2033kPa回热系统复间冷系统的热经济性4.2热经济性评价指标低温时段：逆制冷循环年累计产/耗电量比Rar=Qst,l/Qap(1)高温时段：正制冷循环年累计产/耗电量比Rr=Qst,h/Qac(2)式(1)中，Qst,l—低温时段复合制冷循环空冷汽轮机因背压由直冷的9Kpa降至复间冷的排汽背压而多发的年累计产电量，kwh；Qap—氨升压泵年累计耗电量，kwh；式(2)中，Qst,h—高温时段复合制冷循环空冷汽轮机因背压由环境气温所决定的直冷空冷散热器冷凝背压降至4复间冷而多发的年累计产电量，kwh；Qac—氨压缩机年累计耗电量，kwh；复间冷系统的热经济性复间冷系统年累计热性能系数-aTPCaTPC=收益/支出(3)式(4)中Qst,l+Qst,h=Qst收益，复间冷汽轮机机比直冷汽轮机多发的年累计产电量aTPC=(Qst,l+Qst,h)/(Qac+Qap)(4)只要aTPC1，复合制冷循环间冷系统经济上是可行的；即便aTPC=1，考虑到复间冷系统的环保效益和可靠性都比直冷有所提高，只要一次性投资的回收期基本合理也还是可行的;甚至aTPC1，综合技术经济比较也还有一定的可行空间。复间冷系统的热经济性4.3热经济性计算基本思路S60555045403530252015105T温度/℃直冷排汽温度环境干球温度35℃Wc压缩耗功对应温差△P排汽压损6kPa双相变换热器冷侧沸腾温度27.5℃（1083kPa）Wt汽机因背压降低而多产功率对应温差空冷散热器冷凝温度湿冷排汽温度32.5℃S0P0，t0，H0Hc，TacHc，Tcic复间冷/直冷焓降之差复间冷与直冷低压缸理想焓降的比较.复间冷与直冷温度变幅的比较设：环境气温为35℃复间冷系统的热经济性4.4热经济性评价条件汽轮机参数：NZK600-16.7/538/538额定功率：600MW亚临界一次中间再热三缸四排汽、单轴直接空冷的凝汽式环境气温：蒙东某地蒙东某地典型年气温—小时分布图以600MW直冷机组为比较基准，设想在同一厂址，装有1台具有同容量、同参数、同型号但不同低压缸的虚拟复间冷机组计算条件4020020400100200典型年气温—小时分布小时数/h干球温度/℃复间冷系统的热经济性4.5热经济定量分析压缩功率：(1)/11111(/)1nncWPVPPn,,tcTaccTcicWHH多发功率：两者相比，有三种可能情况：tcWWctWWctWW经济合算收支平衡不合算1014182226303404080120160200240压缩机理论耗功汽轮机多发理论功功/(kJ/kg)Te/℃收益/支出随环境温度变化趋势复间冷系统以背压4.9Kpa，前述的机组参数和环境气温条件为例复间冷系统的热经济性4.5热经济定量分析—aTPC逆制冷循环年累计产/耗电量比Rar：正制冷循环年累计产/耗电量之比Rr：复间冷系统年累计性能系数aTPC：蒙东某地电厂aTPC与排汽背压关系aTPCmax=3.95；设计背压Pc，opt=6.9Kpa234567891.41.61.82.02.22.42.62.83.03.23.43.6aTPC排汽背压/Kpa23456789020406080100120Rar排汽背压/Kpa234567890.91.01.11.21.31.41.51.6Rr排汽背压/Kpa复间冷系统的热经济性4.5热经济定量分析—收支差RED,,,(-1)/111(