摘 要：近年來，在我國北方富煤缺水地區(qū)直接空冷機(jī)組得到了廣泛的應(yīng)用，但在實(shí)際應(yīng)用過程中，該技術(shù)仍存在一定的問題。在直接空冷電廠中，大直徑軸流風(fēng)機(jī)的配置與使用，投資高，耗電量很大。在某一特定的工況下運(yùn)行時(shí)，增大風(fēng)機(jī)風(fēng)量雖然降低了運(yùn)行背壓提高汽輪機(jī)出力，但使得軸流風(fēng)機(jī)消耗的電能呈三次函數(shù)增加?；诖?，該文就結(jié)合我國火電廠直接空冷系統(tǒng)運(yùn)用的實(shí)際情況，對(duì)其特征和動(dòng)態(tài)特性做了分析，為火電廠直接空冷系統(tǒng)得到更好的運(yùn)用奠定良好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：火電廠 直接空冷系統(tǒng) 特征 動(dòng)態(tài)特性

中圖分類號(hào)：TK264.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）04（c）-0038-03

近年來，我國電力產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，大容量、超臨界、超超臨界逐漸發(fā)展為新裝火力發(fā)電機(jī)組的重點(diǎn)。作為能源消耗大戶的火電廠，主要能源來源為煤、水，也是這兩大關(guān)鍵性因素制約著火電廠運(yùn)行和發(fā)展。我國的資源現(xiàn)狀決定了我國北方一些地區(qū)普遍存在富煤缺水這一供需失衡矛盾，特別是在西北、華北以及東北地區(qū)，那么將傳統(tǒng)的水冷卻技術(shù)換為直接空氣冷卻技術(shù)在這些地區(qū)顯得越發(fā)重要。隨著空冷機(jī)組技術(shù)的不斷發(fā)展，直接空冷技術(shù)的發(fā)展空間也在不斷擴(kuò)大。自2003年以來，直接空冷機(jī)組在200 MW、300 MW、600 MW及1000 MW等諸多型號(hào)的機(jī)組中得到了廣泛應(yīng)用，并取得了極佳效果，推動(dòng)了我國空冷機(jī)組技術(shù)的應(yīng)用水平。但是，由于對(duì)空冷機(jī)組在節(jié)能降耗領(lǐng)域的研究相對(duì)較少，也使其成為了我們一個(gè)新的研究課題。

1 空冷機(jī)組的發(fā)展

20世紀(jì)30年代，德國將世界上第一臺(tái)直接空冷系統(tǒng)應(yīng)用在了位于魯爾礦區(qū)的1.5 MW汽輪機(jī)組上。20世紀(jì)50年代，盧森堡和意大利分別將此系統(tǒng)應(yīng)用在了杜德蘭格鋼廠自備電站13 MW機(jī)組和羅馬電廠36 MW機(jī)組里。海勒式空冷系統(tǒng)、機(jī)械直接空冷系統(tǒng)也隨著直接空冷技術(shù)的發(fā)展相繼問世。

1966年我國第一次直接空冷系統(tǒng)的試驗(yàn)在位于哈爾濱工業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)電站的50 kW機(jī)組上進(jìn)行。次年，山西侯馬電廠的1.5 MW機(jī)組進(jìn)行了工業(yè)性直接空冷技術(shù)試驗(yàn)。進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，直接空冷系統(tǒng)在慶陽石化總廠自備電站得到了直接應(yīng)用，這是我國正式將直接空冷系統(tǒng)投運(yùn)在電站機(jī)組。在1987年和1988年，匈牙利的海勒式間接空冷系統(tǒng)被引進(jìn)到山西大同，并在第二發(fā)電廠2臺(tái)200 MW機(jī)組上得到了應(yīng)用，這次間接空冷技術(shù)的引進(jìn)與投入使用可以說是我國空冷技術(shù)發(fā)展史上的一個(gè)標(biāo)志性進(jìn)步，彰顯了我國空冷技術(shù)進(jìn)入到了一個(gè)全新的發(fā)展階段。20世紀(jì)以來，我國的空冷技術(shù)的發(fā)展速度不斷地加快，運(yùn)用直接空冷技術(shù)成了我國在建空冷機(jī)組的主要選擇。在2006—2010年我國第“十一五”計(jì)劃期間，有多達(dá)70多臺(tái)的火電機(jī)組使用了空冷技術(shù)，裝機(jī)容量達(dá)到了300多萬kW，截至到2010年底，我國電力總裝機(jī)容量達(dá)到了6.65億kW，其中空冷機(jī)組裝機(jī)容量約占總裝機(jī)容量的6%，共計(jì)達(dá)到4 000萬kW，300 MW、600 MW等大型直接空冷機(jī)組依次投入運(yùn)行。

從目前空冷技術(shù)的發(fā)展水平和空冷機(jī)組運(yùn)行狀況看，投運(yùn)機(jī)組基本達(dá)到了穩(wěn)定可靠的運(yùn)行目的，實(shí)現(xiàn)了能靈活控制的目標(biāo)。在冬季系統(tǒng)防凍保護(hù)、夏季背壓控制和運(yùn)行穩(wěn)定性等方面基本都能達(dá)到預(yù)期效果。

2 火電廠直接空冷系統(tǒng)的論述

2.1 火電廠直接空冷系統(tǒng)內(nèi)涵

通過粗大的排汽管道將汽輪機(jī)乏汽排出，排汽會(huì)被送至位于室外的空冷凝汽器內(nèi)，進(jìn)而空氣會(huì)在軸流冷卻風(fēng)的作用下發(fā)生流動(dòng)，并在散熱器的作用下使排汽轉(zhuǎn)化為水，凝結(jié)水利用自流會(huì)直接進(jìn)入到熱井，而進(jìn)入到熱井的凝結(jié)水在再次在泵的作用下被送回至汽輪機(jī)的回?zé)嵯到y(tǒng)，直接空冷系統(tǒng)的流程如下圖1所示。

直接空冷系統(tǒng)又稱作空氣冷凝系統(tǒng)，而其中的直接空冷實(shí)質(zhì)上就是指在空氣的作用下使汽輪機(jī)的排汽發(fā)生冷凝，其原理是空氣與蒸汽之間會(huì)發(fā)生熱交換，而系統(tǒng)運(yùn)行過程中所使用的冷凝空氣是在機(jī)械通風(fēng)的作用下供給的?？绽湎到y(tǒng)的每個(gè)冷卻單元通常由一臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)和若干帶散熱片管束及A型構(gòu)架構(gòu)成，冷卻單元一般分為兩種：一種為全順流區(qū)；另一種為順流區(qū)和逆流區(qū)混合區(qū)域。逆流區(qū)一般較窄，分配在整個(gè)一列冷卻單元相應(yīng)的位置，與其他順流區(qū)域配合使用。散熱器是多個(gè)鋼管外套矩形翅片管束所構(gòu)成的，鋼管管束的外表面鍍有鋅，且呈橢圓形，它是逆流區(qū)主要的構(gòu)成單元。一般所說的空冷凝汽器就是直接空冷的凝汽設(shè)備，該設(shè)備主要有兩部分構(gòu)成，即主凝器和分凝器，主體部分為主凝器。它一般設(shè)計(jì)成汽水順流式也就是通常所說的順流區(qū)，主要用于冷凝大部分排汽。相應(yīng)的逆流區(qū)就是被設(shè)計(jì)成汽水逆流式的分凝器，分凝器主要用于抽取存在排汽中的未能被冷凝的氣體，會(huì)造成抽空空冷凝汽器的氣區(qū)。對(duì)直接空冷系統(tǒng)而言，真空抽系統(tǒng)是重要的組成部分。首先汽輪機(jī)處于啟動(dòng)或者是正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，空冷凝汽器、汽輪機(jī)低壓缸尾部、排汽管道以及凝結(jié)水箱等部分應(yīng)當(dāng)處于真空狀態(tài)，而在實(shí)際的生產(chǎn)過程中會(huì)利用蒸汽抽氣器進(jìn)行抽真空操作。具體流程為，當(dāng)汽輪機(jī)啟動(dòng)時(shí)，為了最大限度的降低抽真空使用的時(shí)間，同時(shí)也為了進(jìn)一步提高啟動(dòng)速度，生產(chǎn)過程中會(huì)使用較大動(dòng)力的一級(jí)蒸汽抽氣器。而當(dāng)汽輪機(jī)處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，只要求保持排汽系統(tǒng)真空狀態(tài)即可，因此，這時(shí)可以使用動(dòng)力較小的二級(jí)蒸汽抽氣器。其次空冷系統(tǒng)在使用過程中必須保持高度的嚴(yán)密性，因此，構(gòu)成空冷凝汽器的元件以及排汽管道應(yīng)當(dāng)設(shè)置為兩層焊接結(jié)構(gòu)，且焊接質(zhì)量水平要求較高。

直接空冷系統(tǒng)與其他空冷系統(tǒng)相比，前者系統(tǒng)構(gòu)成簡單、所使用的設(shè)備少，且面積小、冷卻空氣量的調(diào)節(jié)較為靈活多變、總體成本較低等諸多優(yōu)勢(shì)，但是在實(shí)際的應(yīng)用過程中也存在一定的缺陷，例如：系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，粗大的排汽管道嚴(yán)密性較差，且排汽管道真空狀態(tài)維持具有一定的難度，同時(shí)啟動(dòng)所花費(fèi)的時(shí)間較長。

冷端系統(tǒng)是直接空冷機(jī)組的核心系統(tǒng)，是與水冷機(jī)組最大的不同之處。冷端系統(tǒng)主要是由空冷散熱器、軸流冷卻風(fēng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、調(diào)速變頻器、粗大排汽管道及其熱補(bǔ)償器、空氣抽氣器、沖洗噴淋等設(shè)備組成。直接影響空冷機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的是冷端系統(tǒng)。直接空冷機(jī)組其汽輪機(jī)的運(yùn)行背壓高、變動(dòng)幅度大，而且凝汽器在冬季寒冷環(huán)境運(yùn)行時(shí)容易發(fā)生凍結(jié)，即環(huán)境因素對(duì)冷卻性能有很大的影響，凝汽器、凝結(jié)水溶氧超標(biāo)以及熱污染等問題都會(huì)對(duì)機(jī)組的背壓產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行。

2.2 直接空冷機(jī)組特點(diǎn)

對(duì)于直接空冷機(jī)組而言，節(jié)約用水是其主要的特點(diǎn)之一，通過對(duì)一定數(shù)據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，直接空冷技術(shù)的應(yīng)用可以節(jié)約65%以上的生產(chǎn)用水，是當(dāng)前電廠節(jié)水量最多的應(yīng)用技術(shù)。同時(shí)直接空冷機(jī)組的應(yīng)用一方面在一定程度上縮小了水源地的建設(shè)規(guī)模；另一方面也在一定程度上降低了水源地建設(shè)的成本。除了節(jié)約用水外，直接空冷還有如下優(yōu)點(diǎn)。

2.2.1 改變廠址選擇條件

按照空冷機(jī)組裝機(jī)容量的設(shè)計(jì)計(jì)算，空冷電廠的整體耗水量基本達(dá)到了0.3～0.33 m3/（GW·s），即在選擇廠址時(shí)基本不用考慮水源地這一限制條件。空冷電廠一般都建設(shè)在工業(yè)用水比較缺乏的地區(qū)，水源對(duì)電廠選址和對(duì)電廠容量規(guī)模的影響不再是首要考慮因素和主要限制條件，空冷電廠可以選擇建在水資源較為匱乏的煤礦坑口或者直接建在用電率較大區(qū)域的中心周圍。

2.2.2 節(jié)省了電廠用地

直接空冷系統(tǒng)與其他空冷系統(tǒng)相比，不需要設(shè)置大型的冷卻塔、水泵房以及一些復(fù)雜的地下管線，因此，該系統(tǒng)占地面積較小，同時(shí)空冷凝汽器轉(zhuǎn)置平臺(tái)下部還可以安裝電氣變壓器，充分利用了主廠房外側(cè)空間，提高了廠房空間利用率。

3 火電廠直接空冷系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性

目前運(yùn)行的大中型直接空冷機(jī)組主要有直接空冷凝汽器、排、配汽管道、凝結(jié)水收集系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、散熱器清洗、噴淋系統(tǒng)、軸流風(fēng)機(jī)及控制、電氣系統(tǒng)等構(gòu)成。

3.1 空冷凝汽器

空冷凝汽器的主要功能是將空氣冷卻成凝結(jié)水，是直接空冷系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一，空冷凝汽器由主凝結(jié)區(qū)和分凝結(jié)區(qū)兩部分組成，在相互連通的兩側(cè)的底部布置著用于收集凝結(jié)水的凝結(jié)水管。主凝結(jié)區(qū)按汽水順流方式運(yùn)行，一般方向?yàn)樽陨隙碌?，被稱為順流區(qū)，它的頂部是與蒸汽分配管道連接的。相應(yīng)的分凝結(jié)區(qū)頂部和抽真空系統(tǒng)連接，它按汽水逆流方式運(yùn)行，因此，分凝結(jié)區(qū)又稱為逆流區(qū)。直接空冷系統(tǒng)一般分為很多列，每列冷卻單元由順流區(qū)和逆流區(qū)按照一定的比例組合而成。通常300 MW機(jī)組使用6列冷卻單元，每列冷卻單元包括3個(gè)順流冷卻單元與2個(gè)逆流冷卻單元。二者不僅等寬而且下方都存在一個(gè)軸流風(fēng)機(jī)。逆流冷卻單元中真正用于汽水分離的只占其中的一部分，其他部分還是順流區(qū)。目前國電酒泉300 MW直接空冷機(jī)組采用了6列空冷冷卻單元，其中每列冷卻單元有5個(gè)基本冷卻單元。600 MW的機(jī)組一般則采用8列冷卻單元，每列有7個(gè)基本冷卻單元。（如圖2所示）

直接空冷凝汽器的翅片管束是重要的冷卻單元，且均勻分布在冷卻單位左右兩側(cè)位置。接受汽輪機(jī)低壓缸排汽的是順流管束的上管箱，下管箱則聚集凝結(jié)水和未凝結(jié)的蒸汽并將它們導(dǎo)入凝結(jié)水箱，而對(duì)于沒有發(fā)生凝結(jié)的氣體則會(huì)在逆流管束的上管箱中聚集，凝結(jié)水則主要在下管箱中匯集，并進(jìn)入到凝結(jié)水聯(lián)箱中。另外沒有發(fā)生凝結(jié)的蒸汽則會(huì)在凝結(jié)水箱的作用下進(jìn)入到逆流管束的翅片管中。無論是順流管束還是逆流管束的管箱都是分布在管束的兩端。

翅片管作為管束中最基礎(chǔ)的冷卻單元，是空冷凝汽器的關(guān)鍵構(gòu)成部分，它的制冷效果主要是由翅片管單元的冷凝性能決定的。一般情況下，縱寬較大的單排管的使用可以提高氣液分離效果，且單排管的使用也在一定程度上提高了翅片管中排汽氣體的凝結(jié)效果，在提高了凝結(jié)水的流動(dòng)順暢的前提下，也降低了低溫凍結(jié)的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 排、配汽系統(tǒng)

排放蒸汽管道、分配蒸汽管道和凝結(jié)水聯(lián)箱的蒸汽通流部分是排、配汽系統(tǒng)主要組成結(jié)構(gòu)。蒸汽排汽管將汽輪機(jī)低壓缸的排汽引出，并將排汽送至空冷凝汽器的平臺(tái)上。蒸汽再進(jìn)入不同列的與各順流單元相通的蒸汽分配管內(nèi)，再在順流的冷卻單元中進(jìn)行冷卻凝結(jié)，由于重力作用凝結(jié)水落入凝結(jié)水聯(lián)箱。在順流區(qū)未能及時(shí)完成凝結(jié)的蒸汽和無法被凝結(jié)的氣體由凝結(jié)水聯(lián)箱進(jìn)入逆流區(qū)，在逆流區(qū)繼續(xù)完成蒸汽的凝結(jié)，而上方的抽真空泵則抽走不能被凝結(jié)的氣體。

3.3 凝結(jié)水系統(tǒng)

各冷卻單元之間的凝結(jié)水聯(lián)箱、凝結(jié)水箱、凝結(jié)水輸送管道及凝結(jié)水泵構(gòu)成了直接空冷系統(tǒng)的凝結(jié)水系統(tǒng)。每列冷卻單元下部連接兩列凝結(jié)水聯(lián)箱，用于收集凝結(jié)水，并且與每根翅片管相連通。聯(lián)箱上部未能及時(shí)凝結(jié)的蒸汽再去逆流區(qū)冷卻，聯(lián)箱下部則為經(jīng)過冷卻后的凝結(jié)水。凝結(jié)水管道連接在凝結(jié)水箱底部，空冷凝汽器的凝結(jié)水就是通過凝結(jié)水管道進(jìn)行回收，流到汽機(jī)機(jī)房的凝結(jié)水箱中，最后經(jīng)過凝結(jié)水泵被送回到機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)。

3.4 抽真空系統(tǒng)

抽氣管道系統(tǒng)和水環(huán)真空泵組是直接空冷系統(tǒng)抽氣系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)。對(duì)于那些無法凝結(jié)的氣體，通過設(shè)置在逆流區(qū)冷卻單元管束頂部的聯(lián)箱進(jìn)行匯集。汽輪機(jī)的排汽轉(zhuǎn)置、凝結(jié)水箱等設(shè)備均連接于抽氣管道系統(tǒng)和水環(huán)式真空泵。在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，通過抽氣系統(tǒng)抽掉汽、水系統(tǒng)和設(shè)備中存積的空氣，可以使啟動(dòng)速度加速。處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，為了維持空冷凝汽器的真空狀態(tài)，減少蒸汽等氣體對(duì)設(shè)備的腐蝕，抽氣系統(tǒng)還可以及時(shí)抽掉蒸汽、凝結(jié)水中未能及時(shí)被凝結(jié)的汽體以及泄入真空系統(tǒng)的空氣。

3.5 散熱器清洗設(shè)備及噴淋轉(zhuǎn)置

空冷散熱器的翅片暴露在自然環(huán)境下，很容易沾塵，空氣中的灰塵極易使翅片的空氣流通通道堵塞。降低了空氣流通量，對(duì)翅片的散熱性能有一定的影響，不但使汽輪機(jī)背壓有所升高，而且導(dǎo)致直接空冷系統(tǒng)的冷卻性能變差，直接影響了發(fā)電機(jī)組經(jīng)濟(jì)性能。清洗系統(tǒng)通常包括連接管路、高壓水泵、噴嘴和控制系統(tǒng)四部分，一般一個(gè)空冷翅片散熱面會(huì)裝配一套噴嘴，一套噴嘴通常由5～6個(gè)噴嘴組成，它們排成一排，在皮帶的驅(qū)動(dòng)下縱向貼著翅片表面移動(dòng)，同時(shí)還可由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)橫向移動(dòng)。清洗系統(tǒng)會(huì)定時(shí)進(jìn)行清洗，過于頻繁的清洗，雖然背壓會(huì)降低，但是清洗用水造價(jià)較高，而且清洗一次的用水量也很大，總體經(jīng)濟(jì)性不一定升高。

在夏季環(huán)境溫度較高時(shí)，即使將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)至最大，機(jī)組背壓還是很高，此時(shí)若不采取其他措施很容易造成機(jī)組跳機(jī)?，F(xiàn)在的直接空冷系統(tǒng)都安裝噴淋系統(tǒng)，在夏季高溫時(shí)，在空冷島內(nèi)部，風(fēng)機(jī)上方進(jìn)行噴淋，由高壓水泵通過特制噴嘴將除鹽水霧化，相當(dāng)于降低了環(huán)境溫度，此時(shí)同樣的風(fēng)量可有效地降低背壓。

3.6 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)通常由程序控制、過程控制、自動(dòng)保護(hù)、檢測儀表和變頻系統(tǒng)這幾部分構(gòu)成。作為直接空冷機(jī)組的重要組成部分，其重要性不言而喻。通常直接空冷系統(tǒng)會(huì)獨(dú)立配備一套DCS控制系統(tǒng)。主要的被控量為機(jī)組背壓，背壓設(shè)定值與背壓的實(shí)際值差值經(jīng)過PID運(yùn)算會(huì)產(chǎn)生一個(gè)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的組控信號(hào)，這個(gè)組控信號(hào)是所有風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的基準(zhǔn)。由上可知一般背壓設(shè)定值的影響因素有凝結(jié)水溫度、機(jī)組負(fù)荷、環(huán)境溫度和抽真空溫度。汽輪機(jī)對(duì)背壓的要求取決于空冷凝汽器的冷卻能力，較好的冷卻能力有利于機(jī)組的安全運(yùn)行。

4 結(jié)語

火力發(fā)電作為我國電力行業(yè)生產(chǎn)主力軍，在未來很長一段時(shí)間仍會(huì)是中國主要的發(fā)電方式。因此，必須加大直接空冷系統(tǒng)的研究力度，使其能夠在火電廠中得到更加廣泛應(yīng)用，為火電廠實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。

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