張 軒，奚家碩，王穩(wěn)旗

（1 神木職業(yè)技術(shù)學(xué)院，719300，陜西榆林；2 陜西有色榆林新材料集團(tuán)有限責(zé)任公司，719099，陜西榆林）

我國“三北”氣候干旱，水資源匱乏，因此在火力發(fā)電廠中，利用自然環(huán)境中空氣來冷卻汽輪機(jī)排汽的直接空冷機(jī)組被廣泛應(yīng)用。與濕冷機(jī)組相比，應(yīng)用這種機(jī)組可節(jié)約大量的水資源，是節(jié)約水資源的重要途徑。但是，由于“三北”地區(qū)氣候特點(diǎn)，冬季環(huán)境溫度較低，夏季環(huán)境溫度高，在實(shí)際運(yùn)行過程中，直接空冷機(jī)組往往會出現(xiàn)空冷凝汽器夏季和大風(fēng)天氣背壓升高即真空下降的問題。如果不妥善處理夏季和大風(fēng)天氣真空下降的問題，就會嚴(yán)重影響直接空冷機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；因此必須對直接空冷機(jī)組運(yùn)行過程中存在的典型問題采取可靠的措施，以保證直接空冷機(jī)組運(yùn)行的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

1 概述

在碳達(dá)峰、碳中和背景下，目前我國火力發(fā)電主力機(jī)組在電力供應(yīng)中承擔(dān)兜底保供作用，2022 年我國火電發(fā)電量約占全國發(fā)電量的69%，可見，目前我國發(fā)電仍然以燃煤發(fā)電機(jī)組為主，與其相配套的冷卻系統(tǒng)多為濕冷自然通風(fēng)冷卻塔，將循環(huán)水作為冷卻介質(zhì)來冷卻汽輪機(jī)的排汽，在工作中，循環(huán)水損耗約占電廠總耗水量的70%以上?？v觀我國的水資源情況，我國是一個(gè)嚴(yán)重缺水的國家，人均占有水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界平均水平。伴隨著水資源的綜合利用和可持續(xù)發(fā)展理念的深入，火電行業(yè)逐步以空冷機(jī)組替代當(dāng)前濕冷機(jī)組。

直接空冷系統(tǒng)，又稱為空氣冷卻系統(tǒng)，它是一種以節(jié)水為目的、以空氣取代水為冷卻介質(zhì)的火電廠冷卻技術(shù)。直接空冷機(jī)組是指汽輪機(jī)的排汽直接由空氣來冷凝，即汽輪機(jī)排汽通過粗大的排汽管道送到室外空冷凝汽器內(nèi)，所需的冷卻空氣由軸流風(fēng)機(jī)提供，軸流風(fēng)機(jī)使空氣流過散熱器外表面將排汽冷凝成水，凝結(jié)水再經(jīng)泵送回到汽輪機(jī)的回?zé)嵯到y(tǒng)。由于直接空冷凝汽器采用空氣直接冷卻，避免了常規(guī)水冷凝汽方式下大量的水蒸氣損失。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，與同容量濕冷機(jī)組相比，直接空冷機(jī)組可節(jié)水90%以上，全廠性節(jié)水65%左右。

2 火電廠直接空冷機(jī)組運(yùn)行中的問題

（1）大風(fēng)導(dǎo)致機(jī)組背壓升高。由于直接空冷機(jī)組在“三北”地區(qū)應(yīng)用較多，而這些地區(qū)風(fēng)力資源豐富，大風(fēng)天氣時(shí)有發(fā)生，因此在直接空冷機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過程中，往往會遇到超過6 m/s 的大風(fēng)。此時(shí)處于空冷平臺邊緣的換熱單元就會有大風(fēng)倒灌、熱風(fēng)回流情況發(fā)生，不同的風(fēng)向和風(fēng)速對大風(fēng)倒灌與熱風(fēng)回流的程度都存在一定的影響，進(jìn)而會影響到空冷凝汽器的換熱效率，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。首先，空冷凝汽器散熱器出口位置因?yàn)樽匀伙L(fēng)的倒灌，換完熱的熱空氣難以排出，進(jìn)而導(dǎo)致熱量無法釋放，使得空冷凝汽器長時(shí)間處于高溫運(yùn)行環(huán)境中，換熱效率大大地降低，空冷凝汽器背壓升高；其次，由于熱風(fēng)回流，軸流風(fēng)機(jī)內(nèi)會吸入大量熱空氣，在這種情況下軸流風(fēng)機(jī)入口冷風(fēng)溫度會升高，此時(shí)冷卻效率就會受到影響，進(jìn)而使得空冷凝汽器背壓升高，影響機(jī)組的效率。

（2）夏季高溫導(dǎo)致背壓升高。伴隨著全球氣候變暖，“三北”地區(qū)日夜溫差大，夏季天氣炎熱，中午溫度高，空氣與空冷凝汽器翅片管內(nèi)蒸汽溫差小，因此，利用空氣來冷卻汽輪機(jī)排汽的效果不佳，直接導(dǎo)致空冷凝汽器內(nèi)背壓升高，真空降低。一方面會出現(xiàn)不同程度的限負(fù)荷及機(jī)組煤耗高等問題，另一方面，汽輪機(jī)排汽缸尺寸龐大，剛性較差，對溫度和壓力比較敏感，機(jī)組背壓升高，會導(dǎo)致排汽缸及軸承座受熱膨脹，可能引起汽缸中心發(fā)生變化，產(chǎn)生振動(dòng)，嚴(yán)重威脅機(jī)組的安全運(yùn)行。

可見，直接空冷機(jī)組在大風(fēng)天氣、夏季高溫天氣存在背壓升高的問題，直接影響機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，因此，研究直接空冷機(jī)組空冷凝汽器降背壓方案具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3 研究現(xiàn)狀

目前，針對直接空冷機(jī)組運(yùn)行中存在的問題，國內(nèi)多個(gè)電廠進(jìn)行了一系列的探索，通常采用的方法有兩種。第一種方法是通過加裝噴霧加濕裝置來降低機(jī)組背壓，通過數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)，噴霧加濕裝置投入后對降低機(jī)組背壓效果顯著，可下降6 kPa 左右。第二種典型做法是應(yīng)用尖峰冷卻技術(shù)，即在夏季機(jī)組高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，將汽輪機(jī)的排汽一部分送入空冷凝汽器冷卻，另一部分送至機(jī)械通風(fēng)冷卻塔，由循環(huán)水分擔(dān)冷卻，這樣送入空冷凝汽器的蒸汽量減少，從而有力地保障了空冷凝汽器內(nèi)的換熱效果。實(shí)踐證明，應(yīng)用此方法，在額定工況下，機(jī)組背壓可降低10 kPa 左右，改造后夏季高溫時(shí)段幾乎可以實(shí)現(xiàn)滿發(fā)。

針對空冷機(jī)組空冷凝汽器背壓高的問題，大部分電廠采用的措施是在空冷凝汽器加裝噴淋裝置或加裝濕式冷卻裝置這兩種方案，但這些方法都存在一個(gè)弊端，即在降低背壓的過程中需要消耗額外的水資源。

4 研究背景與內(nèi)容

4.1 研究背景

本文將陜西有色榆林新材料有限責(zé)任公司發(fā)電分公司#1～#5 直接空冷機(jī)組作為研究對象，該5 臺機(jī)組通過空冷凝汽器實(shí)現(xiàn)對汽輪機(jī)低壓缸排汽的冷卻，通風(fēng)方式為軸流式風(fēng)機(jī)機(jī)械通風(fēng)，5 臺機(jī)組共用一個(gè)空冷凝汽器平臺，每臺機(jī)組布置30 組換熱單元（6 排5列），每6 個(gè)換熱單元組成1 列散熱段，共由150 個(gè)換熱單元組成，其中每列中布置逆流換熱單元和順流換熱單元，每列散熱段的布置如下：上端有1 根配汽管、1根抽真空管，下端有2 根匯集凝結(jié)水的管道。

風(fēng)機(jī)平臺高40 m，翅片管頂部高49.48 m，每臺機(jī)空冷凝汽器有6 列散熱器，每個(gè)換熱單元下方布置1個(gè)冷卻風(fēng)機(jī)單元，冷卻空氣在風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)作用下向上流過翅片管的表面。四周裝有風(fēng)墻，各臺風(fēng)機(jī)/換熱器單元裝有分隔墻。每排第2 列、第4 列為逆流換熱單元，其余為順流換熱單元。70%～80%的蒸汽在順流換熱單元中與逆流而上的空氣換熱被凝結(jié)成水，其余的蒸汽在逆流換熱單元冷凝，逆流單元的頂部裝設(shè)抽真空管道。

目前，該機(jī)組已運(yùn)行10 年有余，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，機(jī)組在運(yùn)行中存在以下兩方面的問題：一是在夏季高溫氣候條件下，該直接空冷機(jī)組在額定背壓下限制10%～25%負(fù)荷運(yùn)行，極大影響機(jī)組效率；二是大風(fēng)影響造成的熱風(fēng)回流引起的背壓突增，嚴(yán)重影響該機(jī)組安全運(yùn)行。

4.2 研究內(nèi)容

針對夏季高溫環(huán)境和大風(fēng)天氣機(jī)組運(yùn)行背壓高、限制滿負(fù)荷運(yùn)行、影響安全運(yùn)行的實(shí)際情況，經(jīng)過分析確定了空冷凝汽器的散熱問題是導(dǎo)致運(yùn)行背壓高的根本原因，進(jìn)而制約機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行。針對以上問題，提出了空冷凝汽器降背壓的改造方案，本文以#4 機(jī)組為例。

4.2.1 關(guān)鍵技術(shù)

（1）針對夏季高溫機(jī)組運(yùn)行背壓高、限制滿負(fù)荷運(yùn)行的情況，確定#4 機(jī)組直接空冷凝汽器節(jié)能降耗改造的關(guān)鍵技術(shù)是在空冷凝汽器加裝噴淋降溫裝置。在空冷凝汽器散熱單元內(nèi)，空冷風(fēng)機(jī)出口上部加裝噴淋降溫裝置，每個(gè)換熱單元兩側(cè)布置噴淋管道5 組，每組有4 個(gè)噴淋口，共40 個(gè)噴淋口，如圖1 所示，利用霧化的噴淋水降低空冷散熱管束表面溫度，強(qiáng)化了汽輪機(jī)排汽與空氣的換熱，降低該直接空冷機(jī)組背壓5～8 kPa，從而降低煤耗，滿足機(jī)組在夏季高溫情況下帶滿負(fù)荷的要求。

圖1 加裝噴淋裝置系統(tǒng)示意圖

（2）由于陜北榆林地區(qū)水資源匱乏，為了節(jié)約水資源，空冷凝汽器加裝的噴淋裝置所用的噴淋水不是取自水庫或江河，而是就地取用本企業(yè)礦井下疏干水，將疏干水凈化處理后作為空冷凝汽器的噴淋用水。一方面可實(shí)現(xiàn)煤礦疏干水的變廢為寶，節(jié)約大量的水資源；另一方面，疏干水作為空冷凝汽器噴淋降溫水，可有效提高機(jī)組背壓。

（3）噴淋降溫系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，噴淋面積在85%以上，噴嘴霧化效果良好，霧滴粒徑小于80 μm，空冷凝汽器下方不會出現(xiàn)淋雨現(xiàn)象。加裝噴淋裝置后能夠使機(jī)組在高溫及滿負(fù)荷條件下，背壓降低5～8 kPa，能夠滿足機(jī)組在夏季高溫情況下帶滿負(fù)荷的要求，不出現(xiàn)空冷凝汽器的散熱問題影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的情況。同時(shí)，噴淋降溫系統(tǒng)對空冷凝汽器在春秋季節(jié)大風(fēng)影響造成的熱風(fēng)回流引起真空突然下降有實(shí)質(zhì)性保護(hù)作用。

4.2.2 結(jié)果分析

以#4 機(jī)組作為試驗(yàn)對象，試驗(yàn)工況負(fù)荷為290 MW，外界環(huán)境溫度為31.6 ℃，在穩(wěn)定負(fù)荷和環(huán)境溫度一定的條件下，對比分析未投入噴淋裝置和投入噴淋裝置空冷凝汽器背壓的變化情況，如圖2 所示。

圖2 加裝噴淋裝置前后空冷凝汽器排汽壓力對比圖

從圖2 可以看出，在相同運(yùn)行負(fù)荷和環(huán)境溫度條件下，投入噴淋裝置運(yùn)行后，空冷凝汽器背壓平均下降6.4 kPa。經(jīng)過進(jìn)一步試驗(yàn)可知，在更高負(fù)荷和溫度下，效果會更好，可見投入噴淋裝置對空冷凝汽器降背壓效果顯著，使得蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)做功增加。因此，直接空冷機(jī)組可有效地避免夏季出力不足的問題，實(shí)現(xiàn)在夏季高溫環(huán)境下滿負(fù)荷運(yùn)行，降低了機(jī)組煤耗，提高了直接空冷機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

5 結(jié)論

（1）直接空冷系統(tǒng)技術(shù)改造的關(guān)鍵技術(shù)是在空冷凝汽器加裝噴淋降溫裝置，即在空冷凝汽器散熱單元內(nèi)，空冷風(fēng)機(jī)出口上部加裝噴淋降溫裝置。利用霧化的噴淋水降低空冷散熱管束表面溫度，降低空冷凝汽器背壓5～8 kPa，從而降低煤耗，滿足機(jī)組在夏季高溫情況下帶滿負(fù)荷的要求。

（2）噴淋裝置所用的水為煤礦廢水疏干水，將通過凈化處理的疏干水直接噴淋在空冷散熱器的表面，溫度較低的噴淋水吸收高溫的空冷凝汽器表面的熱量，空冷凝汽器背壓隨之降低。采用這樣方式對煤礦廢水疏干水進(jìn)行利用，實(shí)現(xiàn)煤礦井下疏干水“變廢為寶”，提高了機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益。