乏汽制冷技術在抽凝機組電廠的應用

車宏燾

（廣東省粵瀧發電有限責任公司，廣東 羅定 527200）

0 前言

隨著國內電廠經濟的快速發展，電力工業節能減排和安全保障越發重要。為此，在電力行業中優化配備凝氣冷卻系統和動力傳輸系統，對降低機組能耗，提升抽凝機組電廠運行效率、利用效率和經濟、安全效益是關鍵且迫切的。

目前國內絕大部分電廠工業多使用直接循環空冷系統、間接空冷系統或復合式蒸發冷卻系統進行電廠散熱處理，而在直接冷卻系統中，凝汽器設備由于缺乏能源再利用功能，因此常因使用壽命等問題使電廠凝氣冷卻系統安全性能不足。與直接空冷系統相比，蒸發式冷凝系統具備乏汽制冷再利用特性，即電廠汽輪機首次做功后，乏汽在凝汽器內再次循環凝結為水，將機組內的熱量資源二次吸收冷凝，可實現電廠工業的低能耗、低排放；乏汽制冷技術具備可減低凝汽器內部乏汽堵塞風險、獲得更高的熱傳遞效率和有效提升風機運行效率的優點。在此基礎上，該文針對抽凝機組電廠冷卻系統設備、蒸發式空冷系統及乏汽制冷技術的功能特征、技術原理和市場應用展開了科學研究，以期為相似電廠節能減排應用提供一定的科學理論依據。

1 電廠蒸發式冷凝應用的原理與技術

1.1 冷凝原理分析

精準且科學地分析電廠機組工作過程中的冷凝原理，對掌握抽凝機組乏汽制冷技術具有重要意義。電廠蒸發式冷凝冷卻系統主要由冷凝器、蒸發器、溶液循環等層級組成，各層級相互協同形成了熱負荷單元和電負荷單元（如圖1所示）。通過圖1可知，制冷循環形成了兩個回路系統，即熱負荷濕式蒸發、運輸、乏汽制冷再吸收等。在冷凝工作過程中，溶液資源先在熱存儲罐等工作熱源中加熱，形成水蒸氣，然后蒸汽被傳輸至抽凝機組，在冷凝器介質調配中形成制冷劑液體，以達到電廠運行機組冷凝降溫操作和冷凝節水的目的。例如當抽凝機組高效工作時，其內部通過蒸發冷凝器的噴淋水方式和乏汽制冷二次循環方法帶走機組內部熱量，與傳統冷凝模式相比，其蒸發和再利用所消耗的水量僅為水冷式蒸發設備的10%左右。同時蒸發式冷凝器比傳統結構緊湊，機組內部占用空間低，在單位工作面積內蒸發式冷凝和乏汽制冷所傳輸的熱量更多，具有低空間占有率、高冷凝傳輸效益的功能。在電廠抽凝機組的制冷工作原理設計中，冷凝后液體循環進入制冷節流器中，并在蒸發壓力下形成低壓制冷劑蒸汽，利用風機電荷單元進行低壓蒸汽傳輸。在此基礎上，通過乏汽制冷技術的二次循環可降低制冷蒸發器內匯聚的冷用戶回水溫度，實現了在提升抽凝機組電廠制冷工作效率的同時，也提升了電廠溶液能源利用效率。

圖1 蒸發式冷凝冷卻系統特征示意圖

在蒸發式空冷系統工作過程中，蒸發器在低溫中獲取熱能，以溶液泵機械功和乏汽制冷技術在抽凝機組電廠中有效提升了能源利用率。為科學且全面地分析冷凝技術，該文通過蒸發式冷循環熱平衡關系式對乏汽制冷技術在應用過程中的等值熱量進行分析，如公式（1）所示。

式中：表示蒸發器的熱負荷，即制冷量（kW）；表示發生器的熱負荷（kW）；表示吸收器的熱負荷（kW）；表示冷凝器的熱負荷（kW）。

根據熱能平衡公式可知，乏汽制冷技術承載了一部分溶液蒸發式熱能，在降低設備熱負荷的同時，實現了熱能等值，提升了工作效率。

1.2 乏汽冷凝技術節能分析

由于電廠內抽凝機組節能減排的實現是工業產能增值的關鍵因素，因此，該文分析了蒸發式冷凝循環作業和乏汽冷凝再利用節能技術。抽凝機組電廠熱電冷分系統主要以鍋爐供熱、蒸發式冷凝制冷、運行發電以及循環乏汽制冷為核心組成，當蒸發式冷凝器循環工作時，冷卻水溫度接近空氣濕球溫度，其冷凝溫度一般低于10℃。同時空氣冷凝技術在蒸發循環后，通過乏汽技術，將乏汽蒸汽再次凝結為水蒸汽，進入冷凝機組內部循環，這不僅達到了綠色、環保、高效的目的，還實現了溫次循環，保障了冷凝器機組內部的穩定運行。該文通過一次熱能消耗測試分析對電廠中乏汽冷凝技術節能特征進行綜合效益評估，如果所需要的供熱量為Q，則采用區域鍋爐房供熱的一次能耗pE的表達式如公式（2）所示。

式中：pE表示熱電冷分系統供熱的一次能耗（kW）；Q表示熱電冷分系統供熱量（kW）；表示熱電冷分系統區域鍋爐效率；表示熱電冷分系統管道效率。

公式（2）的一次能耗效益評估分析表明電廠抽凝機組內部工作時，當供熱一次量維持不變時，鍋爐效益與制冷管道效益積越低，能耗越低。而采用冷凝技術和乏汽制冷技術的二次循環技術進行冷凝后，有效降低了乘積總比和一次能耗指標。

由于乏汽制冷技術通過蓄熱鍋爐再次提煉，實現了溶液蒸發式程中水分、燃料等的零損耗，進一步輔助解決了蒸發式冷凝系統的弊端。乏汽再循環冷凝技術和蒸汽噴淋的冷凝技術一方面有效地實現了冷凝排熱一體化，另一方面降低了水冷卻過程中的運輸傳遞能耗，極大地節省了抽凝機組系統運行功率，降低了熱負荷率和電負荷率，并保障了抽凝機組電廠系統安全運行，為實現電廠能源節約、高效利用做出了新貢獻。

2 電廠中蒸發式乏汽冷凝系統性能測試分析

2.1 機組設備特性分析

表1全面解釋了乏汽制冷技術在電廠中的應用及性能特征。首先，表1具體分析了制冷設備冷凝能力、蒸汽耗量、蒸汽進口壓力、功率容量等設備性能最優參數范圍，例如冷凝能力為1047kW，表明當冷卻循環水通過水膜流出時，在冷凝器的作用下不斷蒸發，實現了水轉為水蒸氣的過程，并通過風機帶動轉運，實現了水的蒸發潛熱冷凝效果；其次，在抽凝機組蒸發式制冷過程中，蒸汽耗量指標為1235kg/h，表明在單位時間內通過水噴淋蒸汽制冷和二次循環乏汽蒸汽制冷所產生的水汽質量為1235kg，較大的水汽質量和較低的蒸汽的濕球溫度對保障大功率、長時效的電廠熱工作有極為關鍵的作用。

表1 制冷設備參數分析

2.2 傳熱模型性能特征分析

由于電廠機組在工作過產生大量的熱能和電力資源，因此實現內部熱量資源的冷凝傳輸對保障機組設備安全和產能效益增值具有社會經濟價值和科學價值。在此背景下，該文通過構建蒸發式冷凝技術、乏汽制冷技術的熱傳模型來分析熱傳導能量特性。首先，該文在蒸發式冷凝器傳熱數值模擬基礎上，通過抽凝機組發電廠凝汽器設備及熱導效益進行傳熱模型約束分析，見公式（3）、公式（4）。其次，構建蒸發式乏汽冷凝器傳熱特性中噴淋密度、介質當量傳熱系數、風機特性等因子，通過不同因子在乏汽制冷工作中的模擬數值深入探析乏汽制冷技術的特征變化。

其中，抽凝機組的約束條件包括出力上下限和爬坡率上下限，如公式（3）、公式（4）所示（即傳熱約束模型式）。

式中：為抽凝機組的電功率。

根據公式（3）、公式（4）可知，在電廠抽凝機組工作過程中，設備制冷電功率滿足模型約束值上限或下限時，機組設備均能穩定運行，即當蒸汽制冷和乏汽制冷協同后，工作效率滿足電功率限制范圍，對實現抽凝機組內部釋熱、提高產能效率有實際價值意義。

在電廠蒸發式冷凝系統中，噴淋單元一般定義為水膜與蒸發冷卻空氣間的熱傳導過程（顯熱過程、潛熱過程）。其中，潛熱過程比顯熱過程更關鍵，當水膜向冷凝設備蒸發傳熱時，由于水膜是正向傳遞且體積質量大，會導致冷卻空氣濕度增加，因此在該傳熱過程中，冷凝器冷氣與噴淋間的熱傳遞耦合，及時有效地實現了水膜與冷凝氣間的交互和制冷過程。同時正向交互的蒸汽冷卻后存儲或富余，再次通過鍋爐系統進行能量釋放，以噴淋水膜交互實現乏汽技術再利用。為此，該文針對噴淋密度進行了分析，以進一步掌握噴淋單元熱傳導過程。由于該文所研究的抽凝機組電廠傳熱板片為并列豎排，因此，常規噴淋密度熱傳導計算式為公（5）所示。

式中：表示噴淋總密度；表示水單質密度；表示水單質質量體積；表示數量。

通過對噴淋密度函數關系進行定量分析發現噴淋總密度變化特征同水單質密度和體積成正比，與數量成反比，表明當數量不變時，改變單位體積內噴淋體積，就能實現噴淋密度增值。噴淋密度增值對抽凝機組電廠冷卻利用、乏汽循環制冷和節能減排極為關鍵。因此，該文所構建的蒸發式乏汽制冷冷凝器熱導方程理論計算模型為乏汽制冷技術在抽凝機組中的優化設計和調控分析提供了相關理論基礎。

由于汽輪機蒸發式乏汽冷凝器工作主要依靠水膜蒸發實現，同時在排熱過程中以傳質帶動熱傳導（且兩者間具備耦合反應），因此在工作過程中易造成熱量、功率等損失。為降低熱能及功率損耗，該文構建了介質當量傳熱模型，以精準分析確定模型系數，如公式（6）所示。

式中：Δ表示對數平均燴差；表示多次試驗后得出的擬合出傳質系數；表示冷卻風量質量；表示傳輸出去的冷卻空氣焓差；表示輸入的冷卻空氣焓差；表示參數系數。

根據公式（6）可知，蒸發式乏汽冷凝器通過內部循環冷卻水蒸發吸收潛在熱量，即當輸出熱量大于吸收熱量墑值時，通過能量形式交換（1板內汽輪機蒸發式乏汽與水膜表面傳熱過程；2水膜表面與空氣交互的熱傳導機制），將熱量從內向外傳遞，如抽凝機組電廠噴淋單元不斷蒸發并通過乏汽二次循環蒸發快速將空氣熱量值帶走，實現抽凝機組多次制冷（包括蒸發式冷凝、乏汽循環制冷）。

對風電機組設備在蒸發式冷凝中對凝汽熱傳導性能影響較大，因此該文進行了風電機組基礎特性研究。風電機組設備主要由換熱板束、排管通道、進出口風柵等組成。該文通過對工作過程特征進行研究，發現設備在工作中必須滿足風機風壓和分量均大于蒸發式凝汽器內的空氣阻力風量。同時由于風機機組設備具有傳輸和排散能力，通過變頻風機及時將蒸發制冷和乏汽制冷后產生的熱傳導當量排放，可有效實現電廠抽凝機組在不同運行狀態下風量的及時可調。

2.3 設計優化計算分析

綜上所述，蒸發式乏汽凝汽設備在工作過程中，其制冷和傳導熱效率與風機設備風量、噴淋密度、蒸發濕度、換熱板型號、傳熱模型系數等均有顯著相關性或極顯著相關性，因此，設計優化蒸發式乏汽冷凝器設備對電廠工作效益提升、經濟效益增值和節能減排措施有效實行有極為關鍵的意義。如果電廠冷凝機組設備在運行狀態下出現冷卻風量與蒸發式噴淋密度不同，但冷卻風機單元和噴淋單元均在相同功率中運行工作，將會造成水資源、設備資源等方面的大量損耗，以及蒸發式乏汽制冷設備節能節水實際效果低下。

因此，針對此類抽凝機組中存在的蒸發式乏汽制冷現象，該文對蒸發式乏汽冷凝器熱傳導和結構進行了相關設計，將凝結熱量通過換熱板傳遞給板另一側的噴淋水膜，而噴淋水膜則通過與冷卻空氣間的對流傳熱，將抽凝機組熱量傳遞至空氣，進而通過參數調整整合換熱板基本單元元件，使熱設計在優化后能高效且科學地分析計算傳熱系數。與熱設計相比，在結構優化設計中，調配蒸發式乏汽冷凝器結構布局克使乏汽制冷技術在水因子蒸發吸熱制冷后通過二次循環操作實現冷卻氣將熱量合理轉出并達到飽和指標范圍，以實現最優經濟效益和節能效益。

3 乏汽制冷技術應用分析

3.1 節能效益分析

乏汽制冷技術對電力行業節能減排、產能增值具有重要意義。為此，該文開進行了抽凝機組電廠蒸發式乏汽制冷技術研究。當抽凝機組電廠在汽輪機蒸發式冷凝做工完成后，可有效地將冷凝器內水蒸氣凝結為水，并通過二次循環將顯熱能量和潛熱能量帶出，這不僅使蒸發式乏汽冷凝器在工作過程中獲得更好的熱傳導效率，而且還有效降低了風機設備功耗，提升了運行效率。乏汽制冷技術可落實節能減排戰略目標，也能在一定程度上實現“雙碳”政策指標。

3.2 經濟效益分析

與水循環冷凝技術相比，蒸發式制冷技術和乏汽制冷技術在電廠抽凝機組實際應用過程中資源消耗量更低，實際適用量、使用量更高且更安全穩定。因此蒸發式乏汽制冷技術在進行抽凝機組制冷過程中出力維持度約為80%，冷凝乏汽效率顯著提升，且系統負荷量降低了20%左右，給抽凝機組電廠在運維工作中帶來了極大的效率增益、產能增益和經濟增益，通過乏汽冷凝再利用技術可實現區域電廠經濟增產。

4 結論

該文通過對抽凝機組電廠蒸發式乏汽冷凝制冷技術原理、節能效益和功能特性進行測試分析，得到以下基本結論：蒸發式乏汽冷凝器易受設備環境、噴淋密度、熱傳導系數等因子影響而使其抽凝機組熱負荷、電負荷運行效率和乏汽制冷二次循環效率產生一定波動。通過蒸發式乏汽制冷技術可降低電廠設備運行負荷，提升其經濟效益和節能效益，對實現節能減排具有重要意義。