大唐八〇三發電廠2×300MW熱電聯產工程空冷系統配置方案優化論證

大唐甘肅發電有限公司工程管理部

摘要：大唐八○三發電廠“上大壓小”（2×300MW）熱電聯產工程，汽輪機排汽擬用空冷系統冷卻。因本地區的全年平均風速高（特別是夏季高溫時），冬季環境溫度低，而機組又在全年抽汽工況下運行，再加上冬季采暖，因此空冷系統的熱負荷較少，這些都是影響空冷系統安全運行的不利因素。通過對該工程冷卻系統型式進行初步分析、比較，以確定合適的冷卻系統型式，來保證機組的安全滿發。為了深入了解間接空冷系統的運用狀況，客觀認識直接空冷、間接空冷系統的特點及特性，結合大唐八〇三發電廠2×300MW熱電聯產前期工作的情況，確保間接空冷系統在我廠建設后能夠正常投運，并達到節能的作用，對間接空冷的配置進行優化論證。

關鍵詞：間接空冷；海勒式；直接空冷；機組選型

一、特點分析

（一）空冷系統型式簡介及目前應用情況

空冷系統分為直接空冷系統和間接空冷系統。直接空冷系統根據通風方式分為機械通風和自然通風。間接空冷系統根據配用的凝汽器分為表面式凝汽器和混合式凝汽器，詳見簡圖：

各系統型式特點簡述如下：

1、機械通風直接空冷系統（ACC）

該系統亦稱為ACC系統，它是指汽輪機的排汽直接用空氣來冷凝，空氣與蒸汽間進行熱交換，其工藝流程為汽輪機排汽通過粗大的排氣管道至室外的空冷凝汽器內，軸流冷卻風機使空氣流過冷卻器外表面，將排汽冷凝成水，凝結水再經泵送回鍋爐。

機械通風直接空冷系統如圖3-1。

其主要特點有：

占地面積小。空冷器布置在汽機房前的高架平臺上，平臺下布置有變壓器及配電間，從而減小了電廠的占地面積，可比間接空冷系統節省用地。

系統調節靈活，直接空冷系統可通過改變風機轉速或停運部分風機來調節進風量，防止空冷器結冰，調節相對靈活，冬季運行防凍調節靈活可靠。

運行費用稍高。直接空冷全年風機耗電與間冷循環水泵耗電基本相當，但直接空冷優化方案的背壓高于間冷優化方案的背壓，因此煤耗較高。

受環境風影響大。

運行時噪音大。

真空系統龐大。汽輪機排汽需由大直徑管道引出，冷凝排汽需要較大的冷卻面積，從而導致真空系統的龐大，系統含氧量較高。

目前國內600MW及以上等級的在建和投產空冷機組大多數采用這種系統。

2、表面式凝汽器間接空冷系統（ISC）

表面式凝汽器間接空冷系統是指汽輪機排汽以水為中間介質，將排汽與空氣之間的熱交換分兩次進行：一次為蒸汽與冷卻水之間在表面式凝汽器中換熱；一次為冷卻水和空氣在空冷塔里換熱。系統流程為：汽機排汽進入凝汽器由凝汽器管束內的冷卻水進行表面換熱，凝汽器循環水排水由循環水泵打至空冷塔內的空冷散熱器，空冷塔冷卻水出水再回到汽機房凝汽器內作閉式循環。該系統根據布置不同分為水平布置表凝間冷和立式布置表凝式間冷。

水平布置表凝間冷系統指冷卻散熱器水平布置在冷卻塔內，散熱器材質為鋼管、鋼翅片。

立式布置表凝間冷系統指冷卻散熱器垂直布置在冷卻塔進風口外側。

表面式凝汽器間接空冷系統流程如圖3-2。

其主要特點有：

冷卻水和凝結水分成兩個獨立系統，其水質可按各自水質標準和要求進行處理，系統便于操作。

系統完全處于密閉狀態，雖沒有數量眾多的風機，但有循環水泵的耗電。

防凍控制較繁瑣。

風筒式冷卻塔占地面積大。

環境風對冷卻效果有一定影響。

3、混合式凝汽器間接空冷系統（海勒Heller系統）

混合式凝汽器間接空冷系統采用具有凝結水水質的循環水，在噴射混合式凝汽器中噴成水膜與汽輪機排汽直接接觸將其凝結。循環水吸熱升溫后大部分經循環水泵送到空冷塔的空冷散熱器冷卻，通過水輪機調壓并回收部分能量后進入凝汽器。少量循環水量的凝結水經凝結水泵送到凝結水精處理裝置，送到汽輪機回熱系統。

帶噴射式混合凝汽器的空冷系統是由匈牙利EGI的海勒教授所開發，故又稱海勒（Heller）系統，目前在發電廠應用Heller系統的空冷散熱器均為福哥型。

海勒（Heller）系統是采用福哥型散熱器垂直布置于塔外進風口處的立式布置方案，其基管及翅片均為純鋁制成，強度較低，通常立式布置在塔進風口處。

混合式凝汽器間接空冷系統見圖3-3。

系統的主要特點是運行噪聲小、對環境條件敏感程度較ACC略低，但也會受環境風的影響；缺點是風筒式冷卻塔占地面積大、水質要求高、系統設備較多控制較復雜，防凍控制較繁瑣。

4、國內外直接空冷、間接空冷系統運行、生產概況

4.1 國內外直接空冷ACC系統運行情況

目前國內在建和投產的600MW等級空冷機組絕大多數采用該系統。如大同二廠二期；托克托電廠三、四期；上都電廠一、二期；錦界電廠一、二期；寧夏靈武電廠等等。

國外也有較多業績，如南非馬廷巴電廠6×665MW、美國懷俄達克365MW等等。

4.2 國內外間接空冷系統運行情況

水平布置表面式間接空冷系統（ISC）在國外有南非肯達爾6×665MW，德國舒英豪斯1×300MW等運行業績；立式布置表面式間接空冷系統在國內山西陽城發電廠的2×600MW已應用，機組已在2007年投入運行，采用的是福哥式散熱器。

近年來隨著單機容量增加，在國外混合式間接空冷系統技術也有較大發展，國外已有用于相當于200～550MW凝汽式汽輪機的發電廠業績。國內寶雞2×660MW機組正在進行施工圖設計。

當今用于發電廠的空冷系統主要有三種：即直接空冷系統、帶表面式凝汽器的哈蒙式間接空冷系統和帶噴射式凝汽器的海勒式間接空冷系統，這三種空冷系統在我國都有應用。直接空冷系統初期投資較低，占地面積小，鍋爐給水和冷卻水系統分離，但是耗電多，運行效率及運行穩定性受自然風環境影響較大，噪音高，在極端氣候條件下運行維護相對簡單，由于主要考慮初期投資較大的因素，目前大多項目投資者更傾向選用直接空冷系統。間接空冷系統初期投資較高，占地面積大，運行中對水質要求較高，但運行費用低，維護簡單，經濟指標好，沒有噪音污染，更符合建立節能社會的要求。

間接空冷目前采用較多的是海勒式間接空冷系統，海勒式間接空冷系統最早由匈牙利海勒教授于1950年在世界動力會議上首先提出，并于1962年最先應用于英國的拉格萊電廠一臺120MW機組上。1987年，我國在大同二電廠兩臺200MW首次引進了匈牙利的海勒式間接空冷系統，從開始在我國運行距今已18年時間，后來，我國再沒有引入該系統。海勒式間接空冷系統由噴射式凝汽器和裝有福哥型散熱器的空冷塔構成，由外表經過防腐處理的鋁質散熱器組成的“<”型散熱器，系統中為中性冷卻水，中性冷卻水進入噴射式凝汽器與汽機排汽混合，并將其冷凝，大部分冷卻水由循環泵送入冷卻塔經與空氣換熱通過水輪機調壓送入噴射式凝汽器進入下一循環，少部分經過精處理裝置送到汽機回熱系統。其散熱器垂直豎向布置在冷卻塔通風底部。海勒式空冷系統示意圖見圖1—1。

圖1—1海勒式空冷系統示意圖

過去人們認識海勒式間接空冷系統的主要特點為：雖然噴射式凝汽器換熱效率高，端差小，空冷機組的煤耗較低，但存在系統復雜、設備多、水質控制困難、系統控制調節困難等。但經過這些年的發展，海勒式空冷系統已經有了較大的進步，德國EGI公司已經發展到第五代福哥型散熱器、控制系統可以更先進、噴射式凝汽器換熱效率可以更高等海勒式間接空冷系統，目前已運用到600MW等級機組上。

作為間接空冷系統的一個重要形式，海勒式空冷系統在工程應用上應引起更多關注。

一、海勒式間接空冷系統設備與布置

海勒式間接空冷系統主要由噴射式凝汽器和裝有福哥型散熱器的空冷塔組成，循環水泵將熱水輸送到空冷塔散熱器進行冷卻，溫度降低后經水輪機回收能量后返凝汽器。

1、鋁管鋁片散熱器

鋁管鋁片散熱器也稱福哥型散熱器，它是海勒式間接空冷系統的主要設備。福哥型散熱器的傳熱元件由純鋁（99.5%）制成，具有傳熱效率高、加工制造簡單、重量輕，運輸方便、采用MBV法處理后防腐效果好等優點。

福哥型鋁管鋁片散熱器主要技術數據如下：

溫度范圍：-60～110℃

最高壓力：100kPa

散熱器主要尺寸：翅片間距 2.88，翅片厚度 0.33mm，鋁管外徑18 mm，鋁管壁厚0.75 mm，鋁管長度：5000 mm，翅化比 14.3

翅片尺寸 598 mm ×150 mm

翅片與鋁管連接方式：穿脹

管排數：6；管程數：2

福哥型散熱器冷卻柱：長×寬×高：2.4×0.15×5m

兩個冷卻柱以60°夾角組成一個冷卻三角。三角形另外一邊安裝百葉窗，控制進風量，在冬季低氣溫季節關閉百葉窗，保護散熱器。福哥型冷卻三角見圖3—1。

圖3—1 福哥型冷卻三角

我國已于上世紀八十年代末期引進匈牙利的福哥型鋁管鋁片散熱器的制造技術，生產的福哥型T-60型散熱器已經得到匈方的驗收認證。

福哥型鋁管鋁片散熱器一般采用在塔外垂直布置的方式，這種布置方式應考慮環境大風對空冷塔散熱能力影響的防范措施。

2、空冷塔

空冷塔是海勒式間接空冷系統重要組成部分之一，主要功能是布置和支撐散熱器及有關管道，完成被冷卻介質和冷卻介質之間的熱交換任務，為空冷散熱器提供足夠數量的空氣流，并保證通過空冷散熱器實現循環冷卻水和空氣之間的熱量傳遞。

空冷塔的塔體設計與水冷塔稍有不同。表現在下列三點：

一是，間接空冷塔塔型與濕冷塔相比，相同高度時體型顯得較粗，雙曲線線形變化更趨于平緩。間接空冷塔外觀圖見圖3—3。

圖3—3 間接空冷塔外觀圖

二是，由于進風口高度較高使支柱形成X型，且為了布置管道及運行、施工期使用方便，X型支柱的節點不在柱中心處而靠近上部（約在2/3處），使下部空間較大。間接空冷塔X型支柱外觀圖見圖3—4。

圖3—4 間接空冷塔X型支柱外觀圖

三是，脫硫裝置布置在冷卻塔內并通過空冷塔排放煙氣的塔體，僅在其喉部以上涂有防腐涂料。這一點與通過水冷塔排放煙氣的塔體也有很大差別，此時一般在塔體的內外側均涂滿防腐涂料。

4、噴射式凝汽器

噴射式凝汽器是海勒式間接空冷系統的主要配套設備，是海勒系統專利技術之一，它具有體積小、投資低、熱效率高、端差小等優點。

噴射式凝汽器的主要工作原理是：將冷卻水從噴嘴噴出，形成水膜，與汽輪機排汽直接接觸進行熱交換。為了有效冷卻汽氣混合物中的蒸汽，要求后冷卻器有過量的冷卻水，形成凝汽器內過冷，過冷度為0.2～0.5 0C。

噴射式凝汽器由于噴嘴形成的水膜面積較大，凝汽器本身不需要太大的體積便可滿足要求，但噴射式凝汽器的熱井較大，需要容納空冷塔中一個扇形段的水量，熱井中由于儲存了大量的凝結水，可以避免冷卻塔在充水過程中水位波動過大而影響運行、熱井水位波動小便于控制調節、可維持水泵凈壓頭穩定。

噴射式凝汽器由：外殼、水室、后冷卻器、熱井、支撐結構組成。

噴射式凝汽器結構示意圖見圖3—9。

圖3—9 噴射式凝汽器結構示意圖

噴射式凝汽器的布置原則與常規表面式凝汽器的布置原則是一致的，它布置在主廠房內汽輪機尾部的機座底層。由于噴射式凝汽器的外形尺寸較小，所以其安裝高度可以通過調整其喉部長度來調整。但噴射式凝汽器安裝高度的確定需要考慮汽機本體疏水擴容器的疏水和汽機本體疏水是否可以順利輸入凝汽器內，凝汽器的安裝高度對循環泵地下室深度的影響。

噴射式凝汽器的喉部與表面式凝汽器的喉部很類似，末級低壓加熱器、低旁三級減溫器均可以布置在噴射式凝汽器的喉部。

凝汽器與汽輪機的連接可以采用膨脹節進行柔性連接或剛性連接，土耳其Bursa電站和Gebze/Adapazari電站均采用膨脹節進行柔性連。

由于噴射式凝汽器內沒有冷卻管，所以不存在抽管的問題，不需要留出抽管空間。

5、預熱/尖峰冷卻裝置

預熱/尖峰冷卻裝置及其系統是在海勒式間接空冷系統的基礎上附加的，其空氣部分是由主冷卻三角的底部經風道和風機與它連接起來，循環冷卻水系統與主循環水系統進出口并聯的。這種裝置作為預熱設備是在冬季使用的，可以啟動它把塔內的熱風吹入冷卻三角（這時主冷卻三角百葉窗是關閉的）起到預熱的作用；在夏季風機反轉，從塔外進來的冷空氣由冷卻三角底部吹入冷卻裝置，可以作為冷卻設備使用，其實質是增大了熱交換設備的換熱面積，達到夏季滿發和冬季防凍的效果。其工作原理圖見圖3—11。

夏季作為尖峰冷卻設備原理 冬季作為預熱防凍冷卻設備原理

圖3—11 預熱/尖峰冷卻裝置工作原理圖

bursa電站空冷塔內設有12個“w”型尖峰/預熱冷卻裝置。見圖3—12。

圖3—12 Bursa電站預熱/尖峰冷卻裝置布置圖

6.輔機冷卻水系統采用機力通風間接空冷塔

為了最大限度的節約用水，輔機冷卻水系統采用機力通風間接空冷塔，機力通風間接空冷塔可以在干、濕不同工況下運行。當環境氣溫在約30℃以下時，所有機力通風間接空冷塔在干工況下運行；當環境氣溫在超過30℃時，所有機力通風間接空冷塔在濕工況下運行，啟動噴水系統，采用噴霧加濕的方法在高氣溫下降低循環水的溫度。電站輔機冷卻水系統機力通風間接空冷塔見圖3—13。

圖3—13 Gebze/Adapazari電站輔機冷卻水系統機力通風間接空冷塔

四 空冷散熱器制造廠介紹

EGI空冷散熱器工廠于1995年在匈牙利的馬茲建廠，目前40%的散熱器由該廠生產，使EGI公司的成本大大降低，該廠目前的年生產能力為250萬平米散熱器，可以生產不銹鋼基管套鋁片散熱器和全鋁材質的散熱器。不銹鋼基管套鋁片散熱器目前用于輔機冷卻水系統。

該廠生產的是第五代全鋁福哥型散熱器，該散熱器可以承受120bar 壓力的水力沖洗，并現場進行了演示，實測噴水壓力接近120 bar。

由于散熱器進行了MBV處理，散熱器的抗腐蝕、抗氧化能力大大提高，但對于尖峰散熱器，在一年7000小時的運行時間內，有1000小時需要水噴淋，為了保持表面清潔及防止鹽分侵蝕，散熱器表面還要涂一層環氧樹脂進行保護。第五代全鋁福哥式散熱器見圖4—1。

圖4—1 第五代福哥型全鋁散熱器。

第五代全鋁福哥式散熱器的制作過程大致分為：翅片加工、組合散熱器管束（包括脹管）、MBV防腐處理、水壓試驗等。

第五代全鋁福哥式散熱器的單片長度為5m，便于運輸和組合，可以組合成15m、20m的散熱器片。

三、間接空冷與直接空冷配置方案的技術比較

（一）環境氣象條件影響

環境風對空冷系統的影響一般有兩個方面，一是環境水平風速大導致風機、冷卻塔供風能力下降，二是造成熱風回流。

（1）采用自然通風冷卻塔的間接空冷系統由于熱風出口比冷卻塔進風口高，300MW機組高差在140米以上，因此基本不存在熱回流，直接空冷則不然，因此后者對布置方位的要求也較高。

（2）在大風時，由于風機靜壓增幅較大，直接空冷風機有可能進入喘振區，造成風機出力突然迅速下降、供風能力急劇惡化、背壓陡然升高，嚴重時可致停機。本廠址10m和50m平均風速分別高達4.5m/s和5.6m/s，為克服環境風對空冷凝汽器的影響，可提高風機的轉速，增加散熱器的迎風面風速。但此時對風機的噪音要求就不能太苛刻。本工程初選φ9.144m風機，風機靜壓140Pa，風機風量500m3/s。

間冷塔的供風能力在大風時，雖然會顯著下降，但卻不會發生短時大突變。

因此在環境大風條件下，間冷機組的穩定性要好于直接空冷機組。

（二）真空泄漏

（1）間接空冷問題不大，與濕冷基本相當。

（2）但直接空冷真空容積大，各類焊縫近50000處，即使安裝完畢取得很好的真空嚴密性，在運行一段時間后由于膨脹變形、振動等原因，可能會出現真空泄漏，從而造成背壓升高，這是直接空冷機組在整個運行期間都需要面臨和關注的問題。

（三）冬季防凍難度和運行調節靈活性

根據氣象資料，廠址多年平均氣溫為8.4℃，極端最低氣溫為-29.7℃，因此空冷系統的防凍問題比較重要。

（1）間接空冷系統：需要通過切斷部分冷卻單元、依靠控制百葉窗的開啟度來調節進風量進行防凍控制，控制較為繁瑣，尤其是機組啟、停階段的運行有一定難度，需要積累經驗。尤其本工程冬季要供熱抽汽，可考慮冬季兩機一塔的運行方式。

（2）機械通風直接空冷系統由于其結構的特點，空冷風機臺數多，可以通過調節運行風機臺數、關斷部分配汽管等多種方式靈活調節解決防凍問題，國內對此系統已積累豐富的設計運行經驗。

（四）噪音

（1）間冷系統可能產生噪音的設備主要是循環水泵、電動機等轉動設備，由于布置在室內可以按常規要求既能滿足噪聲標準。

（2）直接空冷系統由于采用了大量的風機，風機群運行產生的噪音，可能在電廠廠界部分區域存在噪音超過環保標準的問題，需通過一系列防噪措施來解決，如采用普通低噪音低轉速風機、設虛擬廠界等。

（五）散熱器臟污影響和清洗性能

臟污的散熱器換熱性能會下降。

（1）散熱器水平布置在冷卻塔中，空氣中的粉塵和飛揚絮狀物對散熱器的影響較小，臟污影響程度較小，可根據空氣質量和環境條件決定沖洗次數。

（2）直接空冷系統散熱器布置在35m高的平臺上，沉積在散熱器表面的臟污主要來自空氣中的粉塵和少量飛揚絮狀物，根據空氣質量和季節情況一般3～6月沖洗一次。

（六）冷季運行背壓

（1）直接空冷由于系統本身原因，最低運行背壓一般只能達到8～8.5KPa，個別運行電廠冬季運行背壓甚至達到10KPa以上，間接空冷系統如果冬季防凍等運行經驗豐富，可以達到5～7KPa。