蒸發式凝汽器的研究與應用

張莉　馮宇

摘 要：凝汽器作為汽輪發電機組重要的輔機之一，其運行狀態對機組運行的安全性、經濟性有著非常重要的影響。因此，凝汽器技術顯得尤為重要。主要對蒸發式凝汽器的技術特點和經濟效益進行了分析，其廣泛應用可有效提高發電系統的產能、節能減排的效率，具有較大的現實意義和工程價值。

關鍵詞：蒸發式凝汽器；經濟效益；社會效益；電力行業

中圖分類號：TQ051.6+2 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.13.011

近年來，我國電力和化工行業發展迅猛。在電力行業采用直接空冷系統、夏季氣溫較高條件下，直接空冷效率低下，導致發電機組無法“滿發”，發電量只為正常情況下的70%～85%，能耗浪費嚴重。在化工行業，有大量的乏汽需要凝結，傳統工藝中采用水冷工藝凝結，造成了極大的水資源浪費，因此，急需對傳統工藝進行改造。

蒸發式凝汽器具有先進的潛熱換熱機理，通過合理的結構設計和管道配置，并充分利用蒸發式冷凝設備節水、冷凝效率高、背壓低等優點，可提高產能、降低耗能，可有效解決電力和化工領域乏汽凝結采用直接空冷冷凝的夏季“滿發”不足、冬季防凍困難和采用水冷冷凝的水資源浪費嚴重等問題。目前，蒸發式冷凝器在制冷行業和煤化工行業的介質冷凝中得到了廣泛應用，具有非常高的工程應用價值。

1 發展概述

蒸發式冷凝主要利用水蒸發吸收潛熱進行換熱，是一種高效、節能環保的換熱設備。由于其傳熱效率高、節能環保、結構緊湊等優點，20世紀80年代中期，我國開始從國外引進蒸發式冷凝器技術，經10年左右的發展應用，在制冷裝置和石油化工等行業獲得了廣泛應用。

進入21世紀，國外的蒸發式冷凝器在電廠冷卻系統中得以應用，并具備了一定的規模，而我國在2008年前，蒸發式冷凝在電廠冷卻系統中的使用幾乎是空白。蒸發式凝汽方式與傳統水冷卻系統、空氣冷卻系統相比，在節電、節水、環保等方面都有較大的優勢。加拿大“TransAlta”能源公司的75 MW聯合發電系統采用美國巴爾的摩公司生產的V型蒸發式乏汽凝結器，可滿足全年運行的需求；美國馬薩諸塞州的MassPower240 MW燃氣—蒸汽聯合循環機組采用蒸發式凝汽系統，汽輪機排汽量為300 t/h，夏季干球溫度為36 ℃，排汽壓力為9.48 kPa，低于水冷系統的排汽壓力。

國內方面，蒸發式冷卻方式較國外發展緩慢。2008年，在自備電廠開始應用蒸發式冷卻方式。河北文安縣6 MW自備電廠機組采用蒸發式凝汽方式，用水量較水冷降低了40%以上，經過夏季高溫和冬季防凍的考驗，機組運行良好，節水、節能效果明顯；山東濰坊55 MW自備電廠機組采用蒸發式凝汽方式，經調試運行，用水量比水冷降低了40%～50%，機組運行平穩、可靠。

2 主要技術指標和技術分析

2.1 工作原理

汽輪機排汽由蒸汽進口進入換熱模塊管內冷凝放熱；管外噴淋水吸收管內蒸汽冷凝放熱，蒸發變為水蒸氣，并在風機的作用下排入大氣中；未蒸發的水分經收水器下落到水箱中循環使用；凝結水經管道匯集于凝結水箱；不凝性氣體由抽真空裝置排出。

2.2 技術原理

采用直接空冷與蒸發式凝汽聯合運行的方式，春、秋、冬季僅直接空冷運行即可滿足機組運行的要求；夏季高溫時，從直接空冷系統中分流出一部分蒸汽，通過蒸發式凝汽器直接將汽輪機排汽冷凝為凝結水。

蒸發式凝汽器以潛熱換熱為主要換熱方式，通過換熱管束表面水膜蒸發冷凝管內蒸汽，1 kg水蒸發帶走的熱量是1 kg水溫升10 ℃帶走熱量的60倍，換熱效率高。蒸發式凝汽器可將蒸汽在較低溫度冷凝，夏季高溫時采用尖峰冷卻裝置可降低空冷機組的運行背壓5～15 kPa，降低發電煤耗6～16 gce/kW·h，從而可提高發電效率。

2.3 主要技術指標

與直接空冷系統相比：夏季溫度超過30 ℃時，排汽背壓可降低5～10 kPa；機組出力增加15%以上；煤耗降低2%以上；投資可降低10%以上。

2.4 關鍵技術和創新點

針對乏汽凝結進汽量大的特點，開發了異型管箱結構；采用V型結構，乏汽凝結后靠自身質量自流至冷凝管箱內，可有效減小壓力降；采用鋼制焊接閥門調節直接空冷逆流管束與蒸發式凝汽器內抽真空的比例，可有效解決乏汽凝結設備冬季防凍問題，保證了系統整體的嚴密性。

2.5 三維設計

三維設計效果如圖1所示。

2.6 技術特點

將直接空冷的顯熱換熱機理與蒸發式凝汽器的潛熱換熱機理有機結合，合理配置高效、節能的復合型空冷凝汽器，充分發揮直接空冷不耗水、蒸發冷綜合節能效果好和背壓低等優點，可有效提高發電系統的產能、降低能耗。

蒸發式冷凝器結構緊湊，換熱效果取決于當地的濕球溫度，不受環境干球溫度的影響。由于水的蒸發潛熱大、傳熱溫差小，所以，換熱效果好、循環量少、效率高、投資低，具有節電、節水和運行費用低等特點，適合在水資源短缺、氣候干燥的地區使用。該產品結構合理、技術先進，在采用蒸發冷、空冷復合冷卻和結構優化方面具有創新性，其節能、節水效果居國內領先水平。

3 經濟效益

采用蒸發式凝汽器對現有30萬機組進行改造的經濟效益分析如下。

3.1 計算原始數據

改造前，夏季滿發背壓為34 kPa（環境溫度為32～41 ℃，實際運行背壓為33～39 kPa）；改造后，夏季機組滿發背壓降低了8～10 kPa，即運行背壓為25～29 kPa。

夏季運行時間段為6月底至9月底（共3個月）；蒸發式凝汽器（尖峰冷卻裝置）在夏季32 ℃以上時開啟。

運行小時數：按3個月計算，即2 160 h。

煤耗差：機組背壓每降低1 kPa，煤耗減少1.25 g/kW·h。

標煤價：800元/t（含稅，僅僅為計算參考值，以當地煤價為準）。

單臺機組

年煤耗降低約8 100 t、年煤耗費用降低648萬元。

3.2 年操作費用計算

成本電價按0.4元/kW·h計算，水價按2.0元/t計算。

3.3 計算結果

年收益（節省煤耗費用）為648萬元；年操作費用（電費+水費）為133.2萬元；電費為69.9萬元；水費為63.3萬元；凈收益為514.8萬元。

通過計算可知，采用蒸發式凝汽器對現有機組改造后，夏季溫度超過30 ℃時，排汽背壓可降低5～10 kPa，煤耗可降低2%以上，機組出力可提高15%.

4 結束語

截至2010年，我國6 000 kW及以上火電發電設備容量為6.74×1010 kW。據此推測，預計到2016年，按15%的火電廠空冷系統采用蒸發式凝汽器作為尖峰冷卻裝置、年使用1 500 h計算，預期每年可節能1.592 5×108 tce。其作為電力系統節能、節水、安全、可靠、可提高機組發電效率的冷卻系統，可實現國家“節能減排”的目標。綜上所述，采用蒸發式凝汽系統后，無論是新電廠建設，還是舊電廠改造，采用空冷機組夏季出力的蒸發式換熱裝置——高效復合型空冷凝汽器的經濟效益和社會效益巨大，市場前景廣闊。

作者簡介：張莉（1973—），女，本科，主要從事水工機械、升船機和電站機械設備的設計和研究。

〔編輯：張思楠〕

Abstract： As one of the important auxiliary condenser turbine generator， its operating state of the plant operation safety and economy has a very important impact. Therefore， the condenser technology is particularly important. Evaporative Condenser mainly technical characteristics and economic analyzes， which are widely used to improve the capacity of power generation systems， energy saving efficiency， has great practical significance and value of the works.

Key words： evaporative condenser； economic efficiency； social efficiency； the power industry