我國電站空冷技術的發(fā)展

陳立軍，楊趙輝，鄒曉旭，楊善讓

(東北電力大學自動化工程學院，吉林吉林132012)

隨著中國經(jīng)濟的快速增長，中國的電力工業(yè)也得到迅猛發(fā)展。在我國電源結(jié)構中，資源秉賦決定了火電占絕對優(yōu)勢的地位在今后一段時間內(nèi)不會發(fā)生大的改變。

我國煤炭資源主要分布在東北、華北、西北等北方地區(qū)，建設坑口電站，變“輸煤為輸電”是最佳的選擇［1］。然而建設傳統(tǒng)的濕冷機組，需要消耗大量的水資源，我國中西部富煤地區(qū)同時也是嚴重缺水地區(qū)，水資源短缺已經(jīng)成為限制發(fā)電裝機容量提高的主要瓶頸。采用空氣冷卻的空冷機組的節(jié)水效果非常顯著，發(fā)展空冷技術已成為當前發(fā)電廠建設中的一個熱門課題［2-5］。截至2010年9月，我國電力裝機總?cè)萘恳呀?jīng)達到9.26億千瓦，其中火電裝機總?cè)萘窟_到了6.86億千瓦，占總裝機容量的74.08%，而空冷機組裝機容量達到近85 000 MW，超過火電裝機總量的10%，且年新裝機的比例不斷增加［6］。目前中國空冷機組單機容量和總量均居世界第一位，已經(jīng)成為了發(fā)展空冷技術的中心。

1 電站空冷技術的發(fā)展歷史

電站空冷技術起源于歐洲，已用于發(fā)電廠的有直接空冷和混凝式間接空冷系統(tǒng)(亦稱海勒式或混間冷)和表凝式間接空冷系統(tǒng)(亦稱哈蒙式或表間冷)三種基本型式。1938年德國GEA公司首先提出直接空冷技術，并應用于德國的一臺1.5 MW汽輪機，由此開始了直冷技術的發(fā)展;隨后匈牙利人海勒(Heiler)于1956年提出混凝式間接空冷系統(tǒng)，1960年用于匈牙利Danube鋼廠自備電廠的16 MW機組;1975年比利時人福哥(Forgo)在海勒式空冷系統(tǒng)的基礎上提出了表凝式間接空冷系統(tǒng)，并于1977年在南非Grootvlei的200 MW機組上得到應用。至此三種基本型式的空冷全部出現(xiàn)。

直接空冷出現(xiàn)最早，但發(fā)展并不順利，在發(fā)電廠中實際很少應用。其主要原因是直接空冷設備投資大，配套機組效率低、煤耗高且當時歐洲有充足的冷卻水源，環(huán)保要求不高。在20世紀六、七十年代，混間冷得到廣泛的應用，一度占到當時總裝機容量的73.7%，表間冷也得到較快的發(fā)展和應用。直到上世紀90年代，單排管凝汽器(SRC)的研制成功，從而解決了直接空冷管束散熱面積不足的問題，使得直接空冷技術在全球獲得較大發(fā)展，并成為空冷系統(tǒng)的主流，與間冷系統(tǒng)的比例達到6 4。這三種主要方式目前均有應用，仍在繼續(xù)發(fā)展之中，其中以直冷和表間冷為主。

空冷電站總體經(jīng)濟性劣于濕冷電站。為提高空冷系統(tǒng)經(jīng)濟上的競爭力，研究者進行了不懈的努力。提出了包括干濕聯(lián)合空冷、改進換熱表面、采用塑料塔以及周期干冷塔等先進的概念和設計［7］。美國電力研究所(EPRI)提出的相變空冷系統(tǒng)，作為美國電力工業(yè)的重大研究課題，在上世紀八十年代進行了為期四年的工業(yè)試驗，獲得了有益的經(jīng)驗和大量的數(shù)據(jù)［8-10］;文獻［11-12］將壓縮機和膨脹機引入相變空冷系統(tǒng)，增強了系統(tǒng)的環(huán)境適應能力和經(jīng)濟性。但都沒有后續(xù)工業(yè)應用的報道。

南非由于地理氣候以及嚴重缺水的原因，使其成為世界上開發(fā)大容量空冷機組的較早、較多的國家之一。上世紀八十年代末和九十年代初分別建成投產(chǎn)了當時世界上最大的直接空冷電站Matimba發(fā)電廠(總裝機容量6×665 MW機械通風直冷系統(tǒng)，仍是目前規(guī)模最大)和Majuba發(fā)電廠(3×665 MW自然通風直冷系統(tǒng));1988～1993年，建成的6×686 MW Kendal發(fā)電廠，采用了表面式凝汽器，仍是目前世界上最大表間冷電站。大型空冷電站的投產(chǎn)標志著空冷技術的成熟。

截至目前，全世界空冷電站總裝機容量達到1.3億kW的規(guī)模。單機容量最大的分別是中國華電靈武二期1 000 MW超超臨界直接空冷機組，南非Kendal電廠的686 MW表間冷機組以及伊朗ARAK和SAHAND的325 MW混間冷機組。從文獻資料我們可以看出，國外空冷研究的高峰是上世紀70年代到80年代中期，到1987年Matimba電廠600 MW級的空冷電站投產(chǎn)之后，空冷技術已基本成熟，空冷文獻就大大減少了。

2 空冷技術在中國的發(fā)展及創(chuàng)新

2.1 我國空冷發(fā)展歷程

我國最早于上世紀六十年代進行自主研發(fā)。1966年哈爾濱工業(yè)大學與哈空調(diào)聯(lián)合發(fā)起電站空冷技術的試驗研究，完成了50 kW實驗電站直接空冷系統(tǒng)教學機組。1967年山東勝利煉油廠500 kW工業(yè)汽輪機的首臺空冷凝汽器，被認為是我國最早的空冷電站應用。

我國大型電站空冷技術的發(fā)展始于上世紀八十年代初的技術引進，可以分為引進消化、國產(chǎn)化、創(chuàng)新等三個階段［13］，1982年開始引進，并于1987年投產(chǎn)的大同二發(fā)電是首次引進200 MW級大型空冷系統(tǒng)，標志著我國進入了引進消化階段，該機組的成功運行是我國空冷發(fā)展道路上的一個重要的里程碑，并為海勒系統(tǒng)國產(chǎn)化創(chuàng)造了條件，1993年按引進技術自行制造設計了豐鎮(zhèn)電廠4×200 MW機組。1993～1994年，山西太原二電廠(四期)的2×200 MW空冷機組，則是我國第一次采用表凝式間接空冷系統(tǒng)，它標志著我國的空冷系統(tǒng)向多樣化發(fā)展。2000年以前，空冷機組的總裝機容量只有1 600 MW，而且都為間接空冷系統(tǒng)，最大單機容量為200 MW。進入21世紀，2001年我國第1臺小型直接空冷機組—山西義望鐵合金廠6 000 kW直接空冷機組成功投入運行，為大容量采用直冷積累了經(jīng)驗。2003年首臺大型直接空冷(大同云崗發(fā)電廠2×200 MW)建成投產(chǎn)。隨后直接空冷技術在我國得到了快速發(fā)展，同時我國也逐步進入國產(chǎn)化階段。06年—08年陸續(xù)投產(chǎn)的內(nèi)蒙烏拉山和通遼兩個項目國產(chǎn)化率均達80%以上，華能銅川項目擁有完全自主產(chǎn)權。它們的實施初步實現(xiàn)了大型電站空冷系統(tǒng)自主化設計和制造的目標。隨后建設的600 MW、1 000 MW級超超臨界空冷機組(包括直冷和間冷)則標志著我國進入發(fā)展創(chuàng)新階段。

2004年以前，空冷島的設計和制造均由國外承包商完成，占據(jù)了約90%的市場份額。以哈空調(diào)為代表的國內(nèi)企業(yè)在此領域已經(jīng)形成了自主知識產(chǎn)權和技術體系，能夠獨立承擔大型電站制冷系統(tǒng)的設計和制造，產(chǎn)品達到國際先進水平，打破了國外公司在此領域近70年的壟斷局面，使我國成為世界上繼美、德之后第三個全面掌握此項技術的國家。

截至2009年底，發(fā)改委核準空冷裝機容量近85 000 MW，裝機容量近 78 000 MW，訂貨超過100 000 MW。在建或準備建設的1 000 MW超超臨界超過10臺。無論是空冷技術的發(fā)展還是單機、總裝機容量都遠遠超過世界任何國家，同時也擁有一只技術力量強，人員眾多的技術專家隊伍。

圖1 未來5年的空冷新裝機容量、所占比重和MW單價

據(jù)《2010年中國電力空冷行業(yè)發(fā)展報告》［6］提供的數(shù)據(jù)，可以預測未來5年的空冷新裝機容量和所占比重不斷上升，MW單價則不斷下降，如圖1所示。

2.2 我國空冷技術的發(fā)展創(chuàng)新

目前國內(nèi)的相關研究，集中在基于經(jīng)濟分析的機組型式選擇、設計參數(shù)確定以及運行中問題的影響因素分析、對策研究，空冷系統(tǒng)優(yōu)化等方面［14-20］，并在以下幾個方面取得了豐碩的成果。

(1)向大容量、高參數(shù)發(fā)展。憑借1 000 MW超超臨界濕冷機組和600 MW亞臨界、超臨界空冷機組的設計、制造、安裝的經(jīng)驗，在國際上率先研制成功1 000 MW超超臨界空冷機組，2010年底華電靈武電廠二期1 000 MW超超臨界直接空冷機組是世界首臺百萬千瓦空冷機組，標志著世界電站空冷技術已進入百萬空冷時代，中國空冷技術已經(jīng)達到世界先進水平［21］。

(2)優(yōu)化間冷系統(tǒng)由華北電力設計院和大唐陽城電廠開發(fā)的SCAL(SurfaceCondenser Aluminium exchangers)間接空冷系統(tǒng)，兼有兩種間接空冷系統(tǒng)優(yōu)點，是一種優(yōu)化型的空冷系統(tǒng)，2007年首先應用于大唐陽城電廠二期2×600 MW間接空冷機組，取得了良好的運行效果［22，23］。

(3)復合循環(huán)間接空冷系統(tǒng)由東北電力大學和東北電力設計院開發(fā)的復合循環(huán)間接空冷系統(tǒng)，擁有直接空冷和間接空冷系統(tǒng)所具有的優(yōu)點。理論分析與模擬計算表明該系統(tǒng)具有高節(jié)水率、與濕冷機組相近的發(fā)電煤耗、環(huán)境適應能力強、能實現(xiàn)全年滿發(fā)、無凍害等優(yōu)勢［24］。

3 高速發(fā)展的原因分析

從引進空冷技術短短的近30年的發(fā)展，我國電站空冷技術的高速發(fā)展，得益于以下一系列原因。

3.1 能源分布格局是外部因素

與世界大多數(shù)國家相比，“富煤、貧油、少氣”的現(xiàn)實，決定了我國在未來30年至50年內(nèi)，以煤為主的能源結(jié)構不會發(fā)生根本性改變。我國煤炭資源主要分布在東北、華北、西北等北方地區(qū)，其中晉、陜、蒙3省(區(qū))的預測煤炭資源量占全國煤炭資源總量的83.9%。而我國中西部富煤地區(qū)同時也是嚴重缺水地區(qū)，煤炭資源和水資源分布的不均衡是我國發(fā)展電站空冷技術的外部因素。

3.2 政策支持提供了發(fā)展動力

(1)堅持走引進、消化、創(chuàng)新的思路。從最初的自主發(fā)展到混間冷、表間冷的引進完成自主設計生產(chǎn)間接空冷系統(tǒng)，由合作設計建設直接空冷完成自主知識產(chǎn)權的直接空冷技術;

(2)加大政策支持力度。從“八五”到“十二五”的連續(xù)五個五年計劃中，都將電站空冷技術作為攻關項目列入，使得空冷系統(tǒng)的設計、生產(chǎn)制造能力大大增強;

(3)嚴格限制用水推進空冷發(fā)展。國家對電站建設用水作出了嚴格的限制，要求在干旱地區(qū)新建和擴建機組，原則上應建設大型空冷機組，空冷幾乎成了北方火力電站的唯一選擇。

3.3 基礎建設提供了發(fā)展條件

西電東送是西部大開發(fā)的標志性工程之一，國家批準13個大型煤炭基地，然而這13個煤炭基地，位于我國廣大的中部和西部普遍缺水，必將集中建設大型燃煤空冷電站群，實施西電東送。據(jù)有關規(guī)劃，到2020年華北—華中—華東形成特高壓聯(lián)網(wǎng)，也為電站空冷空冷技術的發(fā)展提供了有力條件。

此外國內(nèi)企業(yè)在此領域已經(jīng)形成了自主知識產(chǎn)權和技術體系，使我國成為世界上繼美、德之后第三個全面掌握此項技術的國家。自此，大大降低了電廠建設的投資成本，為空冷技術的大范圍推廣創(chuàng)造了條件。學術交流活躍，成立了空冷專委會，定期召開空冷技術研討會，促進空冷技術的發(fā)展創(chuàng)新。

4 存在問題及發(fā)展趨勢

4.1 存在問題

我國空冷技術的研究還滯后于空冷技術的應用，在空冷技術的發(fā)展中還有許多問題需要解決。主要是技術標準問題、空冷機組真空系統(tǒng)的嚴密性問題、冬季防凍問題、夏季高背壓運行問題和設計規(guī)范等問題［6］。在空冷裝機容量迅速發(fā)展的同時，我國尚未制定出空冷技術、空冷系統(tǒng)、空冷機組等設計、實驗、維護等系列標準，缺乏電站空冷系統(tǒng)設計、安裝、檢修維護等行業(yè)或國家標準。相比國外技術標準比較全面，我國還是一片空白。亟待建立標準，更好地指導今后的發(fā)展。

4.2 發(fā)展趨勢

(1)多種空冷型式繼續(xù)完善，向大容量高參數(shù)發(fā)展。空冷機組在節(jié)水的同時增加了煤耗，為更好地實現(xiàn)節(jié)能減排，應采用超臨界或超超臨界參數(shù)機組;直接空冷機組不能改變其夏季運行背壓高、變化幅度大、一般不能滿發(fā)、環(huán)境適應能力差等固有缺陷，超(超)臨界間接空冷機組也是未來空冷機組發(fā)展的方向之一;干/濕并列聯(lián)合冷卻系統(tǒng)，綜合空冷和濕冷的優(yōu)點，有一定的發(fā)展趨勢;復合循環(huán)間接空冷技術作為一種全新的技術還有待于進一步的試驗和理論研究;

(2)應用地域和領域不斷擴展。隨著用水費用的不斷提高，空冷的經(jīng)濟性遜于水冷的局面也會重大改變，空冷在南方地區(qū)的推廣也是可以期待的。空冷系統(tǒng)的應用范圍在日益擴大，可用于包括垃圾發(fā)電、太陽能熱發(fā)電、核電、聯(lián)合循環(huán)發(fā)電等等的應用。

(3)空冷電站的初始投資成本和運行費用不斷降低。越來越多的電站設備廠商對空冷設備的研發(fā)和創(chuàng)新，改進設備制造工藝，進一步降低設備成本，同時增加空冷機組的效率，降低成本和運行費用，形成空冷電站發(fā)展的良性循環(huán)。

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