火電廠直接空冷系統的特征和動態特性探析

摘 要：近年來，在我國北方富煤缺水地區直接空冷機組得到了廣泛的應用，但在實際應用過程中，該技術仍存在一定的問題。在直接空冷電廠中，大直徑軸流風機的配置與使用，投資高，耗電量很大。在某一特定的工況下運行時，增大風機風量雖然降低了運行背壓提高汽輪機出力，但使得軸流風機消耗的電能呈三次函數增加。基于此，該文就結合我國火電廠直接空冷系統運用的實際情況，對其特征和動態特性做了分析，為火電廠直接空冷系統得到更好的運用奠定良好基礎。

關鍵詞：火電廠 直接空冷系統 特征 動態特性

中圖分類號：TK264.1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）04（c）-0038-03

近年來，我國電力產業不斷發展，大容量、超臨界、超超臨界逐漸發展為新裝火力發電機組的重點。作為能源消耗大戶的火電廠，主要能源來源為煤、水，也是這兩大關鍵性因素制約著火電廠運行和發展。我國的資源現狀決定了我國北方一些地區普遍存在富煤缺水這一供需失衡矛盾，特別是在西北、華北以及東北地區，那么將傳統的水冷卻技術換為直接空氣冷卻技術在這些地區顯得越發重要。隨著空冷機組技術的不斷發展，直接空冷技術的發展空間也在不斷擴大。自2003年以來，直接空冷機組在200 MW、300 MW、600 MW及1000 MW等諸多型號的機組中得到了廣泛應用，并取得了極佳效果，推動了我國空冷機組技術的應用水平。但是，由于對空冷機組在節能降耗領域的研究相對較少，也使其成為了我們一個新的研究課題。

1 空冷機組的發展

20世紀30年代，德國將世界上第一臺直接空冷系統應用在了位于魯爾礦區的1.5 MW汽輪機組上。20世紀50年代，盧森堡和意大利分別將此系統應用在了杜德蘭格鋼廠自備電站13 MW機組和羅馬電廠36 MW機組里。海勒式空冷系統、機械直接空冷系統也隨著直接空冷技術的發展相繼問世。

1966年我國第一次直接空冷系統的試驗在位于哈爾濱工業大學實驗電站的50 kW機組上進行。次年，山西侯馬電廠的1.5 MW機組進行了工業性直接空冷技術試驗。進入20世紀80年代后，直接空冷系統在慶陽石化總廠自備電站得到了直接應用，這是我國正式將直接空冷系統投運在電站機組。在1987年和1988年，匈牙利的海勒式間接空冷系統被引進到山西大同，并在第二發電廠2臺200 MW機組上得到了應用，這次間接空冷技術的引進與投入使用可以說是我國空冷技術發展史上的一個標志性進步，彰顯了我國空冷技術進入到了一個全新的發展階段。20世紀以來，我國的空冷技術的發展速度不斷地加快，運用直接空冷技術成了我國在建空冷機組的主要選擇。在2006—2010年我國第“十一五”計劃期間，有多達70多臺的火電機組使用了空冷技術，裝機容量達到了300多萬kW，截至到2010年底，我國電力總裝機容量達到了6.65億kW，其中空冷機組裝機容量約占總裝機容量的6%，共計達到4 000萬kW，300 MW、600 MW等大型直接空冷機組依次投入運行。

從目前空冷技術的發展水平和空冷機組運行狀況看，投運機組基本達到了穩定可靠的運行目的，實現了能靈活控制的目標。在冬季系統防凍保護、夏季背壓控制和運行穩定性等方面基本都能達到預期效果。

2 火電廠直接空冷系統的論述

2.1 火電廠直接空冷系統內涵

通過粗大的排汽管道將汽輪機乏汽排出，排汽會被送至位于室外的空冷凝汽器內，進而空氣會在軸流冷卻風的作用下發生流動，并在散熱器的作用下使排汽轉化為水，凝結水利用自流會直接進入到熱井，而進入到熱井的凝結水在再次在泵的作用下被送回至汽輪機的回熱系統，直接空冷系統的流程如下圖1所示。

直接空冷系統又稱作空氣冷凝系統，而其中的直接空冷實質上就是指在空氣的作用下使汽輪機的排汽發生冷凝，其原理是空氣與蒸汽之間會發生熱交換，而系統運行過程中所使用的冷凝空氣是在機械通風的作用下供給的。空冷系統的每個冷卻單元通常由一臺軸流風機和若干帶散熱片管束及A型構架構成，冷卻單元一般分為兩種：一種為全順流區；另一種為順流區和逆流區混合區域。逆流區一般較窄，分配在整個一列冷卻單元相應的位置，與其他順流區域配合使用。散熱器是多個鋼管外套矩形翅片管束所構成的，鋼管管束的外表面鍍有鋅，且呈橢圓形，它是逆流區主要的構成單元。一般所說的空冷凝汽器就是直接空冷的凝汽設備，該設備主要有兩部分構成，即主凝器和分凝器，主體部分為主凝器。它一般設計成汽水順流式也就是通常所說的順流區，主要用于冷凝大部分排汽。相應的逆流區就是被設計成汽水逆流式的分凝器，分凝器主要用于抽取存在排汽中的未能被冷凝的氣體，會造成抽空空冷凝汽器的氣區。對直接空冷系統而言，真空抽系統是重要的組成部分。首先汽輪機處于啟動或者是正常運行狀態時，空冷凝汽器、汽輪機低壓缸尾部、排汽管道以及凝結水箱等部分應當處于真空狀態，而在實際的生產過程中會利用蒸汽抽氣器進行抽真空操作。具體流程為，當汽輪機啟動時，為了最大限度的降低抽真空使用的時間，同時也為了進一步提高啟動速度，生產過程中會使用較大動力的一級蒸汽抽氣器。而當汽輪機處于正常運轉狀態時，只要求保持排汽系統真空狀態即可，因此，這時可以使用動力較小的二級蒸汽抽氣器。其次空冷系統在使用過程中必須保持高度的嚴密性，因此，構成空冷凝汽器的元件以及排汽管道應當設置為兩層焊接結構，且焊接質量水平要求較高。

直接空冷系統與其他空冷系統相比，前者系統構成簡單、所使用的設備少，且面積小、冷卻空氣量的調節較為靈活多變、總體成本較低等諸多優勢，但是在實際的應用過程中也存在一定的缺陷，例如：系統在運行過程中，粗大的排汽管道嚴密性較差，且排汽管道真空狀態維持具有一定的難度，同時啟動所花費的時間較長。

冷端系統是直接空冷機組的核心系統，是與水冷機組最大的不同之處。冷端系統主要是由空冷散熱器、軸流冷卻風機及其驅動電動機、調速變頻器、粗大排汽管道及其熱補償器、空氣抽氣器、沖洗噴淋等設備組成。直接影響空冷機組運行經濟性的是冷端系統。直接空冷機組其汽輪機的運行背壓高、變動幅度大，而且凝汽器在冬季寒冷環境運行時容易發生凍結，即環境因素對冷卻性能有很大的影響，凝汽器、凝結水溶氧超標以及熱污染等問題都會對機組的背壓產生影響，進而影響機組的經濟性運行。

2.2 直接空冷機組特點

對于直接空冷機組而言，節約用水是其主要的特點之一，通過對一定數據調查統計發現，直接空冷技術的應用可以節約65%以上的生產用水，是當前電廠節水量最多的應用技術。同時直接空冷機組的應用一方面在一定程度上縮小了水源地的建設規模；另一方面也在一定程度上降低了水源地建設的成本。除了節約用水外，直接空冷還有如下優點。

2.2.1 改變廠址選擇條件

按照空冷機組裝機容量的設計計算，空冷電廠的整體耗水量基本達到了0.3～0.33 m3/（GW·s），即在選擇廠址時基本不用考慮水源地這一限制條件?？绽潆姀S一般都建設在工業用水比較缺乏的地區，水源對電廠選址和對電廠容量規模的影響不再是首要考慮因素和主要限制條件，空冷電廠可以選擇建在水資源較為匱乏的煤礦坑口或者直接建在用電率較大區域的中心周圍。

2.2.2 節省了電廠用地

直接空冷系統與其他空冷系統相比，不需要設置大型的冷卻塔、水泵房以及一些復雜的地下管線，因此，該系統占地面積較小，同時空冷凝汽器轉置平臺下部還可以安裝電氣變壓器，充分利用了主廠房外側空間，提高了廠房空間利用率。

3 火電廠直接空冷系統的動態特性

目前運行的大中型直接空冷機組主要有直接空冷凝汽器、排、配汽管道、凝結水收集系統、抽真空系統、散熱器清洗、噴淋系統、軸流風機及控制、電氣系統等構成。

3.1 空冷凝汽器

空冷凝汽器的主要功能是將空氣冷卻成凝結水，是直接空冷系統中的重要設備之一，空冷凝汽器由主凝結區和分凝結區兩部分組成，在相互連通的兩側的底部布置著用于收集凝結水的凝結水管。主凝結區按汽水順流方式運行，一般方向為自上而下的，被稱為順流區，它的頂部是與蒸汽分配管道連接的。相應的分凝結區頂部和抽真空系統連接，它按汽水逆流方式運行，因此，分凝結區又稱為逆流區。直接空冷系統一般分為很多列，每列冷卻單元由順流區和逆流區按照一定的比例組合而成。通常300 MW機組使用6列冷卻單元，每列冷卻單元包括3個順流冷卻單元與2個逆流冷卻單元。二者不僅等寬而且下方都存在一個軸流風機。逆流冷卻單元中真正用于汽水分離的只占其中的一部分，其他部分還是順流區。目前國電酒泉300 MW直接空冷機組采用了6列空冷冷卻單元，其中每列冷卻單元有5個基本冷卻單元。600 MW的機組一般則采用8列冷卻單元，每列有7個基本冷卻單元。（如圖2所示）

直接空冷凝汽器的翅片管束是重要的冷卻單元，且均勻分布在冷卻單位左右兩側位置。接受汽輪機低壓缸排汽的是順流管束的上管箱，下管箱則聚集凝結水和未凝結的蒸汽并將它們導入凝結水箱，而對于沒有發生凝結的氣體則會在逆流管束的上管箱中聚集，凝結水則主要在下管箱中匯集，并進入到凝結水聯箱中。另外沒有發生凝結的蒸汽則會在凝結水箱的作用下進入到逆流管束的翅片管中。無論是順流管束還是逆流管束的管箱都是分布在管束的兩端。

翅片管作為管束中最基礎的冷卻單元，是空冷凝汽器的關鍵構成部分，它的制冷效果主要是由翅片管單元的冷凝性能決定的。一般情況下，縱寬較大的單排管的使用可以提高氣液分離效果，且單排管的使用也在一定程度上提高了翅片管中排汽氣體的凝結效果，在提高了凝結水的流動順暢的前提下，也降低了低溫凍結的風險。

3.2 排、配汽系統

排放蒸汽管道、分配蒸汽管道和凝結水聯箱的蒸汽通流部分是排、配汽系統主要組成結構。蒸汽排汽管將汽輪機低壓缸的排汽引出，并將排汽送至空冷凝汽器的平臺上。蒸汽再進入不同列的與各順流單元相通的蒸汽分配管內，再在順流的冷卻單元中進行冷卻凝結，由于重力作用凝結水落入凝結水聯箱。在順流區未能及時完成凝結的蒸汽和無法被凝結的氣體由凝結水聯箱進入逆流區，在逆流區繼續完成蒸汽的凝結，而上方的抽真空泵則抽走不能被凝結的氣體。

3.3 凝結水系統

各冷卻單元之間的凝結水聯箱、凝結水箱、凝結水輸送管道及凝結水泵構成了直接空冷系統的凝結水系統。每列冷卻單元下部連接兩列凝結水聯箱，用于收集凝結水，并且與每根翅片管相連通。聯箱上部未能及時凝結的蒸汽再去逆流區冷卻，聯箱下部則為經過冷卻后的凝結水。凝結水管道連接在凝結水箱底部，空冷凝汽器的凝結水就是通過凝結水管道進行回收，流到汽機機房的凝結水箱中，最后經過凝結水泵被送回到機組回熱系統。

3.4 抽真空系統

抽氣管道系統和水環真空泵組是直接空冷系統抽氣系統的主要結構。對于那些無法凝結的氣體，通過設置在逆流區冷卻單元管束頂部的聯箱進行匯集。汽輪機的排汽轉置、凝結水箱等設備均連接于抽氣管道系統和水環式真空泵。在機組啟動時，通過抽氣系統抽掉汽、水系統和設備中存積的空氣，可以使啟動速度加速。處于正常運行狀態時，為了維持空冷凝汽器的真空狀態，減少蒸汽等氣體對設備的腐蝕，抽氣系統還可以及時抽掉蒸汽、凝結水中未能及時被凝結的汽體以及泄入真空系統的空氣。

3.5 散熱器清洗設備及噴淋轉置

空冷散熱器的翅片暴露在自然環境下，很容易沾塵，空氣中的灰塵極易使翅片的空氣流通通道堵塞。降低了空氣流通量，對翅片的散熱性能有一定的影響，不但使汽輪機背壓有所升高，而且導致直接空冷系統的冷卻性能變差，直接影響了發電機組經濟性能。清洗系統通常包括連接管路、高壓水泵、噴嘴和控制系統四部分，一般一個空冷翅片散熱面會裝配一套噴嘴，一套噴嘴通常由5～6個噴嘴組成，它們排成一排，在皮帶的驅動下縱向貼著翅片表面移動，同時還可由電動機驅動橫向移動。清洗系統會定時進行清洗，過于頻繁的清洗，雖然背壓會降低，但是清洗用水造價較高，而且清洗一次的用水量也很大，總體經濟性不一定升高。

在夏季環境溫度較高時，即使將風機轉速調至最大，機組背壓還是很高，此時若不采取其他措施很容易造成機組跳機?，F在的直接空冷系統都安裝噴淋系統，在夏季高溫時，在空冷島內部，風機上方進行噴淋，由高壓水泵通過特制噴嘴將除鹽水霧化，相當于降低了環境溫度，此時同樣的風量可有效地降低背壓。

3.6 控制系統

控制系統通常由程序控制、過程控制、自動保護、檢測儀表和變頻系統這幾部分構成。作為直接空冷機組的重要組成部分，其重要性不言而喻。通常直接空冷系統會獨立配備一套DCS控制系統。主要的被控量為機組背壓，背壓設定值與背壓的實際值差值經過PID運算會產生一個風機轉速的組控信號，這個組控信號是所有風機轉速的基準。由上可知一般背壓設定值的影響因素有凝結水溫度、機組負荷、環境溫度和抽真空溫度。汽輪機對背壓的要求取決于空冷凝汽器的冷卻能力，較好的冷卻能力有利于機組的安全運行。

4 結語

火力發電作為我國電力行業生產主力軍，在未來很長一段時間仍會是中國主要的發電方式。因此，必須加大直接空冷系統的研究力度，使其能夠在火電廠中得到更加廣泛應用，為火電廠實現可持續發展奠定良好的基礎。

參考文獻

[1]裴強，張權，薜志成.復雜荷載作用下空冷系統排汽管道力學性能分析——以火電廠空冷島為例[J].沈陽建筑大學學報：自然科學版，2015（1）：71-78.

[2]胡和敏，杜小澤，楊立軍.直接空冷系統流動特性的多尺度模擬研究[J].動力工程學報，2014（3）：216-221.

[3]劉文華，李高潮，閆永強，等.600MW機組直接空冷系統動態特性研究[J].熱力發電，2014（3）：76-78.

[4]王海剛.600MW直接空冷機組和濕冷機組運行參數分析研究[J].東北電力大學學報，2016（1）：67-73.