电站空冷技术

电站空冷技术内蒙古电力科学研究院1电站空冷技术1.电站空冷技术概述电站空气冷却技术大致分为两种形式，一是直接空冷，二是间接空冷。直接空冷又分强制通风直接空冷和自然通风直接空冷,间接空冷又分混合式凝汽器间接空冷和表面式凝汽器间接空冷见下图。国内目前已投运的电站大型空冷机组有14台，为山西大同二电厂的#5、#6和丰镇发电厂的#3～#6混合式凝汽器间接空冷机组;太原二电厂的#7、#8表面式凝汽器间接空冷机组;山西大同一电厂的2×200MW直接空冷机组;山西漳泽电厂2×300MW直接空冷机组;山电站空冷技术内蒙古电力科学研究院2西榆社电厂2×300MW直接空冷机组。600MW直接空冷机组也将在年内投产。据资料统计，截止到1998年，世界各国已投运的间接空冷机组已有500余台，直接空冷机组有800余台。这些机组大部分已有几十年的成功运行经验。因此说空冷技术已日趋成熟。2．空冷机组特点电站空冷技术提出已有60多年的历史，经历了容量由小到大、技术由不成熟到成熟、应用地区由炎热的南方到寒冷的北方、由不受重视到感到日益需要的过程，究其原因，大致有以下几点：○空冷机组的干式冷却不需要大量的冷却水，发电厂干式冷却机组比湿冷机组节水60%以上。○世界性水荒，导致新建发电厂不得不采用空冷以缓解日益严重的水资源匮乏问题。○采用空气冷却，空气可以免费取得，不需各种辅助费用。○采用空冷，厂址选择不受限制。○由于空气冷却器空气侧压力降到100～200Pa左右，很低，故运行费用很低。○空冷系统的维护费一般为湿冷系统的20～30%。但空冷机组也有其自身缺点：○空冷机组换热系数低，比热小，所以空冷器需要较大的面积。○空冷器性能易受环境气温、大风、雨季等影响。○空冷器不能靠近大型建筑物，否则易形成热风再循环。○空冷器要求采用特殊制造的翅片管，工艺复杂、造价高。电站空冷技术内蒙古电力科学研究院3空冷机组性能：a节水效果采用空冷系统后，由于不存在湿冷塔蒸发风吹和排污损失，故减少了生产过程大量补水，对电厂来说，由于还存在锅炉除灰用水等消耗，电厂虽有一定耗水量，但总耗水量大大减少。据文献记载空冷机组比湿冷机组节水60-70%,丰镇电厂试验结果，海勒式空冷机组比同型湿冷机组节水61%。一个百万千瓦级的空冷电站比相同湿冷电站年节水约2000万吨。b空冷机组造价空冷机组造价高于湿冷机组，对冷却系统来说，湿冷、直接空冷、间接空冷的投资比为2：3：6，空冷系统部分的投资约占全厂总投资的6%—9%。虽然空冷系统最初会有较高投入，但在电站建成以后的运行过程中，与湿冷系统补存大量冷却水所需的高成本相比，空冷系统的总投入会大大节省。c热经济性由于空冷机组比湿冷机组的排汽背压高，其循环效率降低约5%，加上厂用电消耗多，所以其热耗比湿冷机组一般高6%—9%。d占地面积采用直接空冷的占地面积小于间接空冷，见表1、表2直接空冷系统占地面积表1电站空冷技术内蒙古电力科学研究院4电站名称UtrillasWyodakMatimba装机功率，MW1603656×665国家西班牙美国南非运行年代197019781987占地面积，m2/MW17.116.513.0间接空冷系统占地面积表2电站名称RazdanGrootvlei5太原二热Kendal装机功率，MW凝汽器型式国家运行年代占地面积，m2/MW3×200混合式前苏联197130.2200混合式南非197137.12×200表面式中国199364.06×686表面式南非198834.8e投资成本总发电量相同的发电厂，选用经优化的湿式冷却系统和干式冷却系统，在投资方面的差异主要取决于厂址的现场气象条件，不同条件下的投资成本示于表3和表4。500MW电站的不同地点、不同冷却系统的投资水平电站空冷技术内蒙古电力科学研究院5（以德里的500MW湿式冷却系统为基准）表3冷却系统德里赫尔辛基马德拉斯湿式冷却系统空冷凝汽器自然通风干式冷却塔100%160%245%90%125%200%110%160%250%湿式和干式冷却系统的优化研究对比（基本条件：巴西350MW矿物燃料发电厂）表4优化的热力系统自然通风湿式冷却塔直接空冷凝汽器强迫通风间接空冷系统自然通风塔环境温度，℃汽机背压，mbar汽机毛功率，MW冷却系统功率，MW汽机净功率，MW冷却系统投资，马克年度成本，马克/a1593.7346.71.734523000000290000015119.7343.55.1338390000001374500015138.9341.11.4339.75000000015800000在考虑对冷却系统的投资时，应事先考虑到将要使用的冷却系统对整个电厂的影响。作这种优化设计所需要的代表性数据是：投资额（资本投入量）、年收益额、蒸汽透平的特征性能、运行条件(特别是全负荷年运行小时数)、燃料价格、辅助电力消耗量以及当地的气象条件。f空冷机组散热面积及排汽压力由传热原理可知，直接空冷是在蒸汽凝结的情况下对空气的放电站空冷技术内蒙古电力科学研究院6热，而间接空冷是水对空气的放热。前者的传热温差较间接空冷大30%左右，在散热量一定的条件下，导致直接空冷散热器的传热面积较间接空冷少30%。有文献记载，在散热量一定的条件下，对直接空冷和间接空冷的散热器的传热面积进行了计算，计算条件和结果列于表5，计算结果表明，两者传热面积相差30%，这是直接空冷系统的投资低于间接空冷的主要原因。直接和间接空冷散热面积的比较表5直接空冷系统间接空冷系统汽机功率，MW汽机背压，kPa汽机排汽温度，℃空冷塔入口水温，℃设计气温，℃ITD值，℃总传热面积，m260011.247.31235.3116000060012.9550.247.21235.31800000由表5看出，直接空冷机组的背压低于间接空冷机组的背压。过去有部分观点认为：直接空冷机组的背压要高于间接空冷机组的背压，其根据之一是蒸汽在排汽管道的压降较大，实际情况不完全是这样。对巴西350MW电站进行的湿式冷却和干式冷却的优化研究中，在电站空冷技术内蒙古电力科学研究院7同样环境条件下，间接空冷系统背压为13.89kPa，而直接空冷系统背压为11.97kPa。南非Matimba电站6×665MW机组，其庞大的蒸汽管道压降为1.7kPa，折算到温降约为3℃以下，相当于表面式凝汽器的端差。所以直接空冷和间接空冷机组的排汽压力是很值得研究的一个课题。g空冷系统厂用电直接空冷系统的厂用电一直是人们关注的问题，表6列出几个直接空冷电站的厂用电。对美国怀俄达克电厂的风机及其它辅助机械的耗功进行了计算，得出风机耗功占总发电量的1.69%。直接空冷电站风机耗电表6电站名称UtrillasWyodakCittadiRoma国家西班牙美国意大利电站功率，MW1603652×36风机台数4066/32×16风机直径，m5.66.3/9.55.6风机功率，MW2.35.51.3风机耗功占汽机发电功率百分数，%1.381.691.45h直接空冷系统和间接空冷系统特性的比较见下表表7电站空冷技术内蒙古电力科学研究院8直接空冷间接空冷（混合式凝汽器）间接空冷（表面式凝汽器）运行效果防冻经验热风再循环国内使用情况厂用电占地面积，m2/MW散热面积，m2投资良好，不宜带尖峰负荷，经受-43℃—43℃有有300MW机组运行风机耗发电功率1.6%15A100%良好，可带尖峰负荷有一定防冻经验无有200MW机组运行泵耗发电功率的0.3%40—60（1.3—1.4）A150%良好，不宜带尖峰负荷有一定防冻经验无有200MW机组运行泵耗发电功率的0.3%40—60（1.3—1.4）A150%i国外大型直接空冷电站技术数据表8Utrillas电站Wyodak电站Matimba电站1.国家2.装机容量，MW3.运行年代4.设计气温，℃5.ITD值，℃6.汽轮机额定功率，MW排汽压力，kPa排汽量，t/h7.排汽管：数量外径,mm8.冷却系统椭圆管直径，mm翅片尺寸，mm顺流管束单元数逆流管束单元数总传热面积，m29.风机：台数直径，m10.管束平台高度，m11.占地面积，m2/MW西班牙1×1601970153316011.5349.223500328405.64317.0美国1×3301978194133020.37802411553×1666（3）6.4（9.14）2216.5南非6×66519871839.266517.925000100×20119×494081200000489.144513.03．国内应用发展情况电站空冷技术内蒙古电力科学研究院9我国空冷技术起步在60年代中期，64年由哈尔滨空调机厂，兰州石油机械研究所，北京石油设计院共同开发研制的首台空气冷却器装于锦西石油五厂，运行状况良好。66年由哈工大和哈空调联合开发电站空冷技术，哈工大50kW试验电站采用空冷凝汽器获得成功。之后，87年大同二电厂引进匈牙利首台200MW大型海勒式间接空冷机组安装调试并投产。92年丰镇电厂首台国产化200MW海勒式间接空冷机组投运。94年太原二电厂首台国产化200MW哈蒙式表面凝汽器间接空冷机组投运。90年代中期投运的8台间接空冷机组均已经受了10年以上大风、严寒、高温酷暑的考验。以丰镇电厂为例，93年第一台3#国产空冷机组投运后，经过各方技术人员的共同努力和探索，经过3-5年不断的完善化治理，各项运行指标均达到良好标准，4-6#机也已安全稳定运行多年，成为内蒙电网的主力机组。但由于间接空冷机组还存在大风和高温及防冻方面的影响，间接空冷机组比湿冷机组煤耗高15-20g/kWh。经运行与实测分析，4台空冷机组每年节水约1300万吨。目前国内已建成和在建的大型空冷电站均采用直接空冷：遍布内蒙古和山西两省区，如2003年投运的大同一电厂2×200MW直接空冷供热机组；2004年投运的山西张泽和榆社2×300MW直接空冷机组。今明两年计划投产的还有内蒙准大、新丰、锡林电厂2×300MW；霍林河、金山、乌斯太、包一、包二、蒙西电厂2×300MW；山西古交2×300MW；大同二电厂2×600MW；丰镇电厂2×600MW；正兰电厂2×600MW；达旗电厂5-6号2×600MW；托电5-6号2×600MW等一大批电站空冷技术内蒙古电力科学研究院10直接空冷机组。空冷和湿冷汽轮机最大的区别集中在排汽末端，尤其在末级叶片的设计上。空冷汽轮机尾部运行特点可概括为：背压高且背压变化幅度大和频繁，如果末级叶片不做特殊设计成为专用空冷末叶，则不仅会影响全年的运行经济性，还会影响机组渡夏能力，因此说空冷汽轮机的特征部件就是专用末级叶片，它的功能是要有良好的渡夏能力，反应在夏季在任何正常高背压下都无须限负荷运行。我国90年代投运的8台空冷汽轮机严格地讲是湿冷汽轮机的借用，如大二的5-6号三缸三排汽空冷机组是东汽借用湿冷调峰机组的680mm末级叶片；丰电和太二三缸两排汽空冷机组是借用出口巴基斯坦古杜电厂湿冷高背压机组的710mm末级叶片，由于当时的条件未设计出适应空冷机组高背压和小容积流量下的专用空冷末叶，故国内空冷机组在夏季运行时经常由于排汽背压高而限负荷运行，使机组达不到设计铭牌出力。前几年，大二的5号6号空冷机组已由东汽进行了通流部分改造并换上专门为空冷汽轮机设计的末级短粗580mm叶片，夏季32-33°С高温下机组也能满发，整个夏季无须限负荷运行。丰电3-4号空冷机组也进行了加装尖峰冷却器的改造和5-6号机通流部分和末级叶片改造，以适应夏季带满负荷需要。随着我国空冷技术的不断发展，目前国内东汽、哈汽、上汽都分别设计出适应空冷机组高背压排汽工况的末级叶片，如东汽为我国600MW直接空冷汽轮机专门设计的三缸四排汽645mm末级叶片和200MW间接空冷汽轮机设计的580mm末级叶片；汽哈为我国600MW直电站空冷技术内蒙古电力科学研究院11接空冷汽轮机专门设计的三缸四排汽680mm末级叶片；上汽为出口伊朗的325MW间接空冷汽轮机设计的540mm末级叶片。国内空冷汽轮机设计特点：专用末级叶片；特殊低压缸结构；背压自动保护是空