黎淵博， 趙　建， 牛全興， 秦曉艷

(西安協(xié)力動(dòng)力科技有限公司, 西安 710119)

我國北方由于煤炭資源豐富，而水資源貧乏，因此投入大量直接空冷機(jī)組；但直接空冷機(jī)組在節(jié)水的同時(shí)帶來了機(jī)組運(yùn)行背壓高(11～50 kPa)、供電煤耗高的狀況。直接空冷機(jī)組乏汽冷凝損失的熱量占輸入燃料總發(fā)熱量的40%以上[1-4]?？梢?，對(duì)于火力發(fā)電廠來說，降低直接空冷機(jī)組運(yùn)行背壓或有效利用乏汽余熱是節(jié)能減排的重要措施。

1　直接空冷機(jī)組冷端運(yùn)行的特點(diǎn)

直接空冷機(jī)組由于采用空氣冷卻汽輪機(jī)末葉排出的乏汽，所以機(jī)組的背壓受季節(jié)環(huán)境影響較大。

夏季，我國北方早晚溫差較大，且空冷島投資占設(shè)備投資總比例較大，大多數(shù)空冷島設(shè)計(jì)面積偏小，由于環(huán)境溫度偏高往往導(dǎo)致運(yùn)行背壓高達(dá)30 kPa以上，大部分機(jī)組不能滿負(fù)荷運(yùn)行[5-7]。為保證發(fā)電量，機(jī)組煤耗上升，污染物排放量上升，機(jī)組的安全性也受到威脅。可見，夏季節(jié)能減排主要途徑以降低機(jī)組背壓為主。

冬季，一方面隨著城市規(guī)模的發(fā)展，出現(xiàn)了供暖需求的增加，因此提供了小型供熱鍋爐，其污染物排放對(duì)冬季城市環(huán)境加霜的局面；另一方面，電廠大量乏汽余熱白白損失在大氣中?？梢?，冬季節(jié)能減排主要途徑以乏汽供熱利用為主。

直接空冷機(jī)組汽輪機(jī)乏汽余熱具有鮮明的特點(diǎn)，余熱損失比較集中，熱量品位低，在目前的熱力系統(tǒng)中被浪費(fèi)掉。如何夏季提高冷端冷卻效率，冬季充分回收利用這部分低品位熱量，國內(nèi)電力行業(yè)做了大量研究和技術(shù)改進(jìn)工作。

2　夏季直接空冷機(jī)組降低背壓的技術(shù)特點(diǎn)

目前，現(xiàn)有工程降低機(jī)組夏季背壓的技術(shù)主要有：空冷島噴水降溫，調(diào)整空冷島風(fēng)機(jī)風(fēng)量，增加空冷島散熱單元，增加濕冷蒸發(fā)式冷卻器，增加尖峰凝汽器。

2.1 空冷島噴水降溫系統(tǒng)

空冷島噴水降溫系統(tǒng)是將霧化的除鹽水直接噴在翅片表面，利用水汽化吸熱來降低翅片表面的溫度，從而降低凝結(jié)水溫度、降低機(jī)組背壓。

空冷島噴水降溫系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)如下：(1)設(shè)備投資成本低，安裝簡(jiǎn)便、快捷，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單；(2)噴水系統(tǒng)采用除鹽水，運(yùn)行成本較高；(3)噴淋水易造成軸流風(fēng)機(jī)損壞，空冷島下部空間污染，對(duì)下部主變壓器等設(shè)施造成污閃等安全問題。

2.2 調(diào)整空冷島風(fēng)機(jī)風(fēng)量

通過調(diào)整風(fēng)機(jī)葉片角度或提高轉(zhuǎn)速增加風(fēng)機(jī)風(fēng)量。

增加空冷島風(fēng)機(jī)風(fēng)量的優(yōu)缺點(diǎn)如下：(1)提高轉(zhuǎn)速,至少增加30%以上的風(fēng)機(jī)功率，導(dǎo)致運(yùn)行費(fèi)用增加；(2)當(dāng)葉片角度接近臨界角度時(shí)，易發(fā)生振動(dòng)導(dǎo)致葉片產(chǎn)生裂紋。

2.3 增加空冷島散熱單元

在空冷島附近增加獨(dú)立的散熱單元，蒸汽從乏汽管道合適位置引出接入獨(dú)立的散熱單元，真空系統(tǒng)需并入原主機(jī)真空管道，凝結(jié)水回流至空冷島主凝結(jié)水箱。

增加空冷島散熱單元的優(yōu)缺點(diǎn)如下：(1)空冷機(jī)組配套的真空泵因空冷系統(tǒng)容積變化也要相應(yīng)改變，投資費(fèi)用增加，造價(jià)高；(2)施工困難，增加空冷冷卻單元受場(chǎng)地條件限制，土建、鋼結(jié)構(gòu)、管道等施工難度較新建工程難度大；(3)占地多。

此技術(shù)在內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)新豐熱電廠300 MW機(jī)組上應(yīng)用[8]。

2.4 增加濕冷蒸發(fā)式冷卻器

在空冷島主機(jī)排汽管道末端引出部分乏汽，采用冷卻水噴淋在蒸發(fā)式換熱管束表面，將乏汽凝結(jié)成水，凝結(jié)水自流至空冷島排汽裝置的凝結(jié)水箱，蒸發(fā)式凝汽器中不凝結(jié)氣體由抽真空系統(tǒng)排出，溫度升高的冷卻水在下降過程中與冷空氣進(jìn)行熱交換，降溫后的冷卻水匯至蒸發(fā)式凝汽器下部的水池，通過循環(huán)水泵進(jìn)行二次循環(huán)[9-10]。

蒸發(fā)式冷卻器優(yōu)缺點(diǎn)如下：(1)蒸發(fā)式凝汽器需要的噴淋水量與機(jī)力通風(fēng)冷卻系統(tǒng)基本持平；(2)蒸發(fā)式凝汽器噴淋循環(huán)水量小，蒸發(fā)量大，循環(huán)水泵功率較濕冷系統(tǒng)較?。?3)對(duì)水質(zhì)要求相對(duì)較低；(4)占地面積相對(duì)空冷單元較小，施工工期短；(5)投資大；(6)蒸發(fā)式凝汽器緊鄰空冷島布置，會(huì)對(duì)原空冷島產(chǎn)生影響。

該技術(shù)在山西漳山發(fā)電有限責(zé)任公司二期600 MW亞臨界機(jī)組[11]，神華國能寧夏煤電有限公司660 MW超臨界機(jī)組上應(yīng)用[12]。

2.5 增加尖峰凝汽器

在原空冷島主排汽管道末端增加一臺(tái)表面式濕冷尖峰凝汽器，增加相應(yīng)的循環(huán)水泵和機(jī)力塔?？绽錂C(jī)組的部分乏汽通過尖峰凝汽器冷卻凝結(jié)，凝結(jié)水自流至空冷島排汽裝置的凝結(jié)水箱，熱量傳入循環(huán)水，由機(jī)械通風(fēng)冷卻塔進(jìn)行冷卻。系統(tǒng)設(shè)計(jì)見圖1。

圖1　尖峰凝汽器濕冷系統(tǒng)

尖峰凝汽器濕冷系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)如下：(1)尖峰冷卻器就近布置在主排汽管道末端，蒸汽阻力??；(2)泄漏隱患小，由于采用不銹鋼冷凝管和復(fù)合管板的脹接加焊接技術(shù)，凝結(jié)水和冷端循環(huán)水系統(tǒng)泄漏隱患小，可以在線檢漏和解決泄漏問題；(3)系統(tǒng)設(shè)膠球清洗系統(tǒng)，運(yùn)行維護(hù)方便；(4)循環(huán)水質(zhì)要求低，可采用中水，實(shí)現(xiàn)水資源的再利用；(5)設(shè)備一次性投資??；(6)循環(huán)水管道與原地下管網(wǎng)相互影響，系統(tǒng)復(fù)雜，改造施工困難；(7)由于循環(huán)水量大，相應(yīng)機(jī)械通風(fēng)冷卻塔的蒸發(fā)、風(fēng)吹、排污損失也增大；(8)耗電量高，由于循環(huán)水量大，造成循環(huán)水泵所配電動(dòng)機(jī)功率也增大。

該技術(shù)系統(tǒng)在華能榆社電廠2臺(tái)300 MW機(jī)組、華能上安電廠2臺(tái)600 MW機(jī)組上應(yīng)用[13-14]。

2.6 技術(shù)特點(diǎn)

各技術(shù)實(shí)際應(yīng)用效果及其技術(shù)特點(diǎn)見表1。

表1　空冷機(jī)組降低背壓技術(shù)特點(diǎn)

3　冬季直接空冷機(jī)組冷端乏汽有效利用的技術(shù)特點(diǎn)

直接空冷機(jī)組的設(shè)計(jì)背壓較高，乏汽余熱可利用率較大。在冬季，主要利用乏汽余熱用于供熱站的一次回水加熱升溫。目前應(yīng)用的技術(shù)主要有：熱網(wǎng)凝汽器回收乏汽供熱、吸收式熱泵回收乏汽供熱、蒸汽噴射泵回收乏汽供熱、電熱泵回收乏汽供熱。

3.1 熱網(wǎng)凝汽器回收乏汽供熱

在空冷島主機(jī)排汽末端安裝熱網(wǎng)凝汽器，直接空冷機(jī)組需高背壓運(yùn)行，保證熱網(wǎng)50 ℃回水首先經(jīng)熱網(wǎng)凝汽器加熱到60 ℃以上后，再經(jīng)熱網(wǎng)加熱器逐級(jí)升溫到120 ℃供熱網(wǎng)首站。系統(tǒng)流程見圖2。

圖2　熱網(wǎng)凝汽器乏汽供熱系統(tǒng)

熱網(wǎng)凝汽器回收乏汽供熱技術(shù)特點(diǎn)：(1)可在不增加機(jī)組規(guī)模的前提下，回收冷源損失，增加供熱量，增大供熱面積，達(dá)到節(jié)約高品位蒸汽、提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益的目的；(2)供熱的經(jīng)濟(jì)性取決于用戶所需的供熱溫度，在采暖負(fù)荷相對(duì)穩(wěn)定并且采暖髙峰時(shí)段利用更加經(jīng)濟(jì)；(3)供暖季，對(duì)發(fā)電需求較高的機(jī)組不適合，影響機(jī)組發(fā)電效率。

該系統(tǒng)在山西國錦煤電、山西國際瑞光熱電廠、華能內(nèi)蒙古聚達(dá)發(fā)電廠應(yīng)用[15-16]。

3.2 吸收式熱泵回收乏汽供熱

目前應(yīng)用較廣泛的是第二類溴化鋰吸收式熱泵，熱泵換熱機(jī)組一般建在機(jī)組空冷島附近，通過汽輪機(jī)采暖抽汽驅(qū)動(dòng)換熱機(jī)組，回收汽輪機(jī)排出的部分乏汽，用于加熱一次網(wǎng)回水。一次網(wǎng)回水經(jīng)熱泵換熱機(jī)組加熱后進(jìn)入加熱器，經(jīng)汽輪機(jī)部分抽汽再加熱送出換熱首站。隨著技術(shù)革新，目前國內(nèi)溴化鋰吸收式熱泵的性能系數(shù)(COP)可達(dá)到1.7左右。系統(tǒng)流程見圖3。

圖3　吸收式熱泵回收乏汽供熱系統(tǒng)

吸收式熱泵回收乏汽供熱技術(shù)特點(diǎn)：(1)利用溴化鋰吸收式熱泵回收乏汽余熱，可不增加電廠容量、不增加當(dāng)?shù)嘏欧帕?、不影響發(fā)電、不增加供熱煤耗的情況下，有效地增加電廠的供熱能力；(2)吸收式熱泵機(jī)組初投資較高，成本投資回收將在5年以上，回收期較長(zhǎng)。

該系統(tǒng)在華電大同第一熱電廠有限公司、山西云岡熱電公司、新疆華電昌吉熱電有限責(zé)任公司、國電內(nèi)蒙古東勝熱電有限公司、興安熱電廠應(yīng)用[17-23]。

3.3 蒸汽噴射泵回收乏汽供熱

抽取5段抽汽通過噴射器噴嘴時(shí)產(chǎn)生高速氣流，在噴嘴出口處，接受室為低壓區(qū)，可將空冷機(jī)組乏汽吸入設(shè)備，在進(jìn)入混合室后，5段抽汽在膨脹的同時(shí)壓縮乏汽，兩種參數(shù)蒸汽進(jìn)行良好混合，混合后的蒸汽再通過擴(kuò)壓室恢復(fù)部分壓力損失，達(dá)到凝汽器的加熱要求，通過凝汽器喉部送入凝汽器汽側(cè)，與熱網(wǎng)回水進(jìn)行熱交換，可將熱網(wǎng)水大幅升溫，實(shí)現(xiàn)供熱余熱再利用。

該系統(tǒng)中熱網(wǎng)循環(huán)水一般采用三級(jí)串聯(lián)供熱，熱網(wǎng)50 ℃回水：第一級(jí)為空冷島乏汽加熱高背壓凝汽器循環(huán)水，水溫可達(dá)到70 ℃；第二級(jí)為蒸汽噴射式熱泵加熱循環(huán)水，循環(huán)水溫可達(dá)到85 ℃；第三級(jí)為中壓缸5段抽汽加熱熱網(wǎng)加熱器循環(huán)水，熱網(wǎng)水溫提升到120 ℃，向熱網(wǎng)換熱站供熱。系統(tǒng)中蒸汽噴射泵的COP可達(dá)到1.6。系統(tǒng)流程見圖4。

圖4　蒸汽噴射泵回收乏汽供熱系統(tǒng)

蒸汽噴射泵回收乏汽供熱技術(shù)特點(diǎn)：(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無轉(zhuǎn)動(dòng)部件，因而壽命長(zhǎng)、運(yùn)行可靠；(2)操作方便、維修容易、自動(dòng)調(diào)節(jié)，保證出口壓力穩(wěn)定；(3)節(jié)能效果顯著；(4)安裝方便，可水平安裝或垂直安裝，與管路連接均為法蘭連接；(5)蒸汽噴射式熱泵單位熱量設(shè)備投資成本約為溴化鋰吸收式熱泵的1/3。

該系統(tǒng)應(yīng)用在電廠山西漳電國電王坪發(fā)電有限公司[24-27]。

3.4 電熱泵回收乏汽供熱

低溫低壓的制冷劑流經(jīng)蒸發(fā)器，從冷源吸熱升溫蒸發(fā)后進(jìn)入壓縮機(jī)，形成高溫高壓蒸汽，然后進(jìn)入冷凝器向熱源放熱冷凝，再經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流，降溫降壓成低干度的濕蒸汽，低溫低壓制冷劑再流經(jīng)蒸發(fā)器從熱源吸熱蒸發(fā)，完成一個(gè)循環(huán)。

電熱泵回收乏汽特點(diǎn)：(1)安裝位置限制少，可在電廠端，也可在用戶端；(2)自身能源消耗較高，要使電熱泵達(dá)到節(jié)能效果，COP需達(dá)到6.03，只有超過這個(gè)數(shù)值，才能達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)[28-30]。

3.5 應(yīng)用效果

各技術(shù)實(shí)際應(yīng)用效果及其技術(shù)特點(diǎn)見表2。

表2　空冷機(jī)組冷端乏汽利用技術(shù)特點(diǎn)

4　結(jié)語

(1) 夏季，降低空冷島背壓的幾種技術(shù)，能有效降低機(jī)組背壓，保證直接空冷機(jī)組夏季滿負(fù)荷安全運(yùn)行，降低了機(jī)組的發(fā)電煤耗，達(dá)到了減排的目的；但是從能源有效利用的角度看，沒能達(dá)到廢熱綜合利用的目的，此項(xiàng)目還需要進(jìn)一步深入研究。

(2) 冬季，北方乏汽余熱供暖系統(tǒng)，有效利用了直接空冷機(jī)組的乏汽廢熱，在不增加煤耗和氣體排放的前提下提高了能源利用率，在北方有非常大的應(yīng)用前景，其中熱網(wǎng)凝汽器回收乏汽技術(shù)和蒸汽噴射泵回收乏汽技術(shù)投資小，見效快，效果顯著，比較有競(jìng)爭(zhēng)力。

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