趙維忠
(神華國(guó)能神東電力技術(shù)研究院,陜西西安 710004)
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速增長(zhǎng),我國(guó)的火電事業(yè)也在迅速地發(fā)展。由于火電電廠對(duì)自然資源的依賴,在我國(guó)的東北、華北、西北等北方地區(qū),采用“輸煤為電”是最佳的發(fā)電選擇。然而采用傳統(tǒng)的濕冷冷凝系統(tǒng),在北方地區(qū)水資源比較匱乏的地區(qū)應(yīng)用前景受限,因此,空冷凝汽系統(tǒng)在北方火力電廠中的應(yīng)用是一個(gè)重要的應(yīng)用方式。以300 MW發(fā)電機(jī)組為例,若采用水冷方式1 a的耗水量約為1400萬(wàn)t,空冷凝汽系統(tǒng)則只需要200萬(wàn)t。對(duì)于大型電站,若采用空冷技術(shù)要比采用水冷技術(shù)節(jié)水3/4以上[1-3]。
目前在投入使用的空冷凝汽系統(tǒng)中,部分地區(qū)對(duì)當(dāng)?shù)孛禾假Y源以及氣候條件考慮不足,往往設(shè)計(jì)空冷凝汽器散熱面積較小,而夏季運(yùn)行工況正處于電網(wǎng)迎峰度夏高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)期,也正是環(huán)境溫度最高的時(shí)段。因此,機(jī)組在夏季高溫環(huán)境時(shí)運(yùn)行出現(xiàn)高背壓、限負(fù)荷等運(yùn)行狀態(tài)。在這種運(yùn)行情況下,一旦出現(xiàn)大風(fēng)及熱風(fēng)天氣時(shí),可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)或者其他不可估量的后果。因此,在我國(guó)大多電廠采用尖峰冷卻裝置來(lái)緩解度夏困難的問(wèn)題[4]。
本文就目前國(guó)內(nèi)部分采用尖峰冷卻系統(tǒng)工程的運(yùn)行情況進(jìn)行介紹,提出新型空冷尖峰冷卻裝置原理,為相關(guān)技術(shù)人員提供技術(shù)改造參考思路。
1920年,直接空冷凝汽系統(tǒng)由德國(guó)GEA公司的哈帕博士(Dr.Happel)發(fā)明,并成功地應(yīng)用于工業(yè);1938年,第一臺(tái)2.3 MW凝汽器式汽輪機(jī)的直接空冷機(jī)組在德國(guó)魯爾工業(yè)區(qū)自備電站投運(yùn);1958年,第一座裝有直接空冷凝汽器的公用電站——意大利Pwrugia附近的2×36 MW的“City di Roma”電廠投入運(yùn)行;1987—1988年,在大同第二發(fā)電廠2×200 MW混合式間接空冷國(guó)產(chǎn)機(jī)組投入運(yùn)行,為我國(guó)空冷事業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ);1988—1993年,南非肯達(dá)爾6×686 MW表面式凝汽器間接空冷相繼投產(chǎn);1995年,內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)發(fā)電廠4×200 MW海勒式間接空冷機(jī)組投入運(yùn)行,這是我國(guó)首次自行設(shè)計(jì)和采用國(guó)產(chǎn)設(shè)備的空冷電廠;2001年,由我國(guó)自行設(shè)計(jì)、制造、安裝的首臺(tái)600 MW的空冷機(jī)組,在山西交城義望鐵合金廠自備電廠建成投產(chǎn)。
近年來(lái),我國(guó)空冷機(jī)組得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,大批大容量機(jī)組相繼投產(chǎn)運(yùn)行,相關(guān)設(shè)備和技術(shù)也在逐漸成熟。通過(guò)國(guó)家“十五”863計(jì)劃的支持,國(guó)內(nèi)三大汽輪機(jī)制造商已經(jīng)形成了具有自己特色的超超臨界百萬(wàn)千瓦濕冷汽輪機(jī)技術(shù)。截止2009年底,發(fā)改委核準(zhǔn)空冷裝機(jī)容量近85000 MW,裝機(jī)容量近78000 MW,訂貨超過(guò)100000 MW,在建或準(zhǔn)備建設(shè)的1000 MW超超臨界超過(guò)10臺(tái)。無(wú)論是空冷技術(shù)的發(fā)展還是單機(jī)、總裝機(jī)容量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)世界任何國(guó)家,同時(shí)也擁有一支技術(shù)力量強(qiáng),人員眾多的技術(shù)專家隊(duì)伍。相關(guān)學(xué)者根據(jù)《2010年中國(guó)電力空冷行業(yè)發(fā)展報(bào)告》提供的數(shù)據(jù),提出了2010—2015年空冷新裝機(jī)容量和所占比重不斷上升,MW單價(jià)則不斷下降,如圖1所示[4]。
圖1 2010—2015年空冷新裝機(jī)容量、所占比重和單價(jià)Fig.1 Proportion and unit price of the new installed air cooling capacity in 2010—2015
隨著空冷技術(shù)的不斷發(fā)展,在應(yīng)用領(lǐng)域上,除了燃煤火力發(fā)電廠外,電站空冷技術(shù)已擴(kuò)大到燃?xì)?蒸汽循環(huán)電站、垃圾電站、工業(yè)企業(yè)自備電站、太陽(yáng)能熱發(fā)電、核電等領(lǐng)域。
從氣候條件上來(lái)講,不僅適用于水資源匱乏的三北地區(qū),也適用于我國(guó)南方的一些水資源充沛的地區(qū);不僅適用于炎熱地區(qū),也適用于寒冷地區(qū)。
從電站投資運(yùn)行費(fèi)用方面,隨著空冷技術(shù)的不斷改進(jìn),建設(shè)電站的投資費(fèi)用也將越來(lái)越低,為一些新技術(shù)的研發(fā)提供了很好的投資條件,也為空冷凝汽系統(tǒng)的優(yōu)化提供技術(shù)支持。
多種空冷形式并存,大容量高參數(shù)發(fā)展,將是今后電站建設(shè)的重要方向。為節(jié)約自然資源,綜合采用干冷、蒸發(fā)冷、濕冷的技術(shù)特點(diǎn),將空冷新技術(shù)應(yīng)用于發(fā)電系統(tǒng)中,將是今后的一種發(fā)展趨勢(shì)[5-8]。
目前設(shè)計(jì)的空冷凝汽系統(tǒng)中,根據(jù)相關(guān)實(shí)際運(yùn)行考察發(fā)現(xiàn)存在以下幾項(xiàng)主要問(wèn)題:
1)空冷機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)。
2)空冷機(jī)組的真空系統(tǒng)嚴(yán)密性。
3)空冷凝汽系統(tǒng)的冬季防凍。
4)空冷機(jī)組夏季背壓高。
5)空冷島設(shè)計(jì)、安裝中存在問(wèn)題。
在今后空冷凝汽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和安裝過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)考慮以上幾點(diǎn)問(wèn)題,保證空冷凝汽系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
針對(duì)空冷凝汽系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)的問(wèn)題,目前采用較多的形式為蒸發(fā)冷卻技術(shù)方案,即噴霧降溫尖峰冷卻系統(tǒng)與蒸發(fā)式冷凝器尖峰冷卻系統(tǒng)。兩者均采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)原理,利用水蒸發(fā)潛熱帶走熱量,達(dá)到在高溫環(huán)境下空氣溫度的降低。結(jié)合相關(guān)研究人員所總結(jié)的部分實(shí)際工程應(yīng)用情況介紹如下。
2.1.1 云岡熱電2×200 MW直接空冷凝汽系統(tǒng)應(yīng)用尖峰冷卻裝置
該電廠2臺(tái)機(jī)組的空冷凝汽器由12根直徑為3.6 m的鋼筋混凝土柱和鋼平臺(tái)支撐在主廠房A列。鋼平臺(tái)頂面標(biāo)高約為34 m。
采用在2臺(tái)機(jī)組凝結(jié)水泵房?jī)?nèi)的除鹽水補(bǔ)水管道上,開(kāi)孔安裝管道升壓泵,將除鹽水升壓后排向空冷島,經(jīng)布置在風(fēng)機(jī)室內(nèi)的管道和霧化噴頭將水排出,冷卻風(fēng)機(jī)出口風(fēng)溫。
如圖2所示,在空冷散熱單元下部設(shè)置噴霧管道,除鹽水經(jīng)過(guò)高壓泵加壓后輸送到布置在空冷平臺(tái)的風(fēng)機(jī)出口和散熱器入口之間的霧化噴嘴,冷卻空冷散熱單元內(nèi)部空氣溫度,然后將降溫后的濕空氣送到空冷散熱器,以提高空冷島的換熱效率。
圖2 系統(tǒng)原理圖Fig.2 System diagram
相關(guān)研究人員通過(guò)對(duì)該噴霧降溫系統(tǒng)的模擬研究,得出采用該尖峰冷卻裝置前后的效果,定量地分析霧化前后整個(gè)計(jì)算區(qū)域的溫度變化情況,將主要溫度分布范圍劃分為以下幾個(gè)區(qū)間:307 K以下,307~315 K,315~320 K,320~325 K,325~330 K,330~335 K,335~340 K,340 K以上。霧化前后各溫度區(qū)間所占百分比如圖3所示。
圖3 各溫度區(qū)間所占百分比圖Fig.3 The percentage of each temperature range
如圖3所示,由空冷散熱單元內(nèi)部溫度分布情況和統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出,在霧化核心區(qū)域,水霧滴與空氣進(jìn)行較強(qiáng)烈的熱濕交換后,能明顯降低空氣的溫度,幅度大約為5℃。
2.1.2 大唐彬長(zhǎng)電廠600 MW直接空冷凝汽系統(tǒng)應(yīng)用尖峰冷卻裝置
對(duì)大唐彬長(zhǎng)電廠直接空冷機(jī)組采用噴霧降溫尖峰冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn),該尖峰冷卻裝置采用不銹鋼噴淋噴嘴設(shè)于空冷風(fēng)機(jī)和散熱管束之間,利用噴嘴噴出的水霧對(duì)散熱器入口處空氣進(jìn)行冷卻,從而提高空氣濕度,降低空氣溫度,達(dá)到提高空冷凝汽器換熱效果、提高機(jī)組運(yùn)行真空的目的[9]。改造布置如圖4所示。
圖4 噴霧尖峰冷卻改造布置情況Fig.4 The arrangement of the technical innovation for the spray peak cooling system
該系統(tǒng)針對(duì)機(jī)組在600 MW、550 MW、500 MW的運(yùn)行狀態(tài)先下進(jìn)行噴淋試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況如圖5-7所示。
圖5 600 MW下不同環(huán)境溫度對(duì)背壓的影響Fig.5 Impacts of different environmental temperatures on the back pressure under 600 MW
圖6 550 MW下不同環(huán)境溫度對(duì)背壓的影響Fig.6 Impacts of different environmental temperatures on the back pressure under 550 MW
根據(jù)噴淋降溫尖峰冷卻裝置運(yùn)行統(tǒng)計(jì)性能,運(yùn)行效果如下:
1)在環(huán)境溫度28℃左右,600 MW負(fù)荷下,投運(yùn)噴淋降溫可使機(jī)組真空提高4.9 kPa。
圖7 500 MW下不同環(huán)境溫度對(duì)背壓的影響Fig.7 Impacts of different environmental temperatures on the back pressure under 500 MW
2)在環(huán)境溫度30℃,550 MW負(fù)荷下,投運(yùn)噴淋降溫后,如果長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行使機(jī)組真空提高5.1 kPa。
3)在環(huán)境溫度30℃,500 MW負(fù)荷下,投運(yùn)噴淋降溫后,機(jī)組真空提高3.3 kPa。
4)不同環(huán)境溫度和負(fù)荷下,噴淋降溫尖峰冷卻裝置運(yùn)行效果可為機(jī)組真空平均提高4.33 kPa[11-12]。
寧夏鴛鴦湖電廠2×600 MW直接空冷機(jī)組工程。該工程采用直接空冷凝汽系統(tǒng),采用56臺(tái)軸流風(fēng)機(jī),空冷凝汽器換熱面積為1678321 m2,散熱器采用單排蛇形鋁翅片大直徑橢圓管,設(shè)計(jì)排氣量為1338.3 m3/h。由于設(shè)計(jì)面積不足及運(yùn)行管理不善等原因,造成實(shí)際運(yùn)行中室外環(huán)境溫度在27℃左右時(shí),直接空冷效果不佳,系統(tǒng)背壓較高,凝氣溫度較高,機(jī)組不能滿發(fā)運(yùn)行。
采用蒸發(fā)式冷凝器在分流部分汽輪機(jī)乏汽進(jìn)行冷凝,提高在高溫時(shí)段蒸汽冷凝效果,保證在夏季高溫時(shí)段汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行。
參考經(jīng)過(guò)改造后實(shí)際運(yùn)行測(cè)試效果來(lái)看,在夏季高溫時(shí)段投運(yùn)蒸發(fā)式冷您器,保證了直接空冷機(jī)組基本可以滿出力運(yùn)行,投運(yùn)后凝水溫度全年統(tǒng)計(jì)超過(guò)65℃時(shí)間不超過(guò)20 h,環(huán)境溫度在23~36℃時(shí)運(yùn)行,背壓降的加權(quán)平均為8.83 kPa。按照電廠實(shí)際蒸發(fā)式冷凝器運(yùn)行時(shí)間及標(biāo)煤價(jià)格煤耗差等數(shù)據(jù)計(jì)算,詳細(xì)節(jié)能效益見(jiàn)表1。
表1 蒸發(fā)式冷凝器運(yùn)行節(jié)能效益Tab.1 The energy-saving effect of the evaporative condenser
從表1中的節(jié)能效果來(lái)看,在該電廠直接空冷凝汽系統(tǒng)中采用蒸發(fā)式冷凝器分流部分乏汽進(jìn)行冷凝的蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用形式,保證了電廠空冷機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行,節(jié)能效果較為明顯[13]。
通過(guò)實(shí)際工程的檢驗(yàn),蒸發(fā)冷卻技術(shù)形式在空冷凝汽系統(tǒng)尖峰冷卻裝置中應(yīng)用節(jié)能降耗、環(huán)保節(jié)水效果較為明顯,但目前采用的多尖峰冷卻裝置均應(yīng)用于直接空冷機(jī)組中,對(duì)于間接空冷的尖峰冷卻并沒(méi)有太多的解決方案。
針對(duì)蒸發(fā)冷卻技術(shù)的特點(diǎn),蒸發(fā)冷卻技術(shù)利用水蒸發(fā)吸熱制取冷風(fēng)或冷水的技術(shù),具有環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)勢(shì)??煞譃橹苯诱舭l(fā)冷卻(DEC)和間接蒸發(fā)冷卻(IEC)。相關(guān)研究人員采用的間接-直接復(fù)合的蒸發(fā)冷卻技術(shù)制取較低溫度的冷水,其出水溫度理論上可以達(dá)到冷卻空氣的亞濕球溫度(濕球溫度以下,露點(diǎn)溫度以上),逼近其露點(diǎn)溫度。
在我國(guó)西北的干燥地區(qū)夏季氣溫高,干濕球溫差大,“干空氣能”豐富,作為蒸發(fā)冷卻技術(shù),最大特點(diǎn)是高效、節(jié)水、低碳,在該地區(qū)可充分利用干空氣能。采用直接和間接蒸發(fā)冷卻方式獲得亞濕球溫度的冷水,如圖8所示。為蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組制取冷風(fēng)/冷水焓濕圖,如圖9為該機(jī)組的原理圖,通過(guò)間接-直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)處理的循環(huán)水出水溫度介于室外空氣的濕球溫度與露點(diǎn)溫度之間,其溫度低于室外空氣的濕球溫度,把這種狀態(tài)的溫度定義為亞濕球溫度。
圖8 間接-直接復(fù)合蒸發(fā)冷卻技術(shù)制取冷風(fēng)/冷水焓濕圖Fig.8 The air cooling/water h-d figure obtained by using the direct/indirect composite evaporative cooling technology
該機(jī)組的工作原理:室外空氣一部分經(jīng)過(guò)立管式間接蒸發(fā)冷卻段管外,稱為一次空氣;另一部分由立管下部進(jìn)入立管管內(nèi),稱為二次空氣。管內(nèi)的二次空氣與上部布水器淋入管內(nèi)壁的淋水進(jìn)行熱濕交換,管內(nèi)壁水分汽化蒸發(fā),帶走附著在管內(nèi)壁的水膜溫度,進(jìn)而冷卻管外一次空氣,管外空氣不與淋水進(jìn)行接觸換熱。因此此一次空氣冷卻過(guò)程為等濕降溫過(guò)程,經(jīng)過(guò)等濕降溫后的一次空氣在機(jī)組填料中與上部淋水進(jìn)行熱濕交換,一次空氣等焓加濕降溫,淋水溫度逼近預(yù)冷后一次空氣濕球溫度,稱此時(shí)的水溫為“亞濕球溫度”。降溫后的循環(huán)冷卻水落入到水箱中,通過(guò)水泵送到機(jī)組上部布水器處,在閉式換熱盤管外進(jìn)行噴淋,通過(guò)與填料等焓加濕降溫處理后的空氣和亞濕球溫度的循環(huán)冷卻水在閉式換熱盤管外進(jìn)行熱濕交換,冷卻閉式盤管內(nèi)的循環(huán)除鹽水。理論上可以將管內(nèi)的循環(huán)除鹽水冷卻至接近亞濕球溫度的冷水。
圖9 閉式蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組原理圖Fig.9 The principle diagram of the closed evaporative cooling water chiller
針對(duì)目前間接空冷凝汽系統(tǒng)的循環(huán)水,由于循環(huán)水水溫較高,為防止結(jié)垢能對(duì)換熱器換熱性能的影響,故目前采用除鹽水進(jìn)行循環(huán)。因此,若采用蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組對(duì)循環(huán)水進(jìn)行處理,必須采用閉式循環(huán)冷卻,進(jìn)而達(dá)到對(duì)間冷系統(tǒng)循環(huán)水降溫的目的[14-15]。
1)尖峰冷卻裝置的應(yīng)用,給目前正在進(jìn)行的空冷凝汽系統(tǒng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)人員提出了要求,在設(shè)計(jì)同時(shí)應(yīng)考慮當(dāng)?shù)叵募靖邷丨h(huán)境對(duì)空冷凝汽系統(tǒng)的影響。
2)對(duì)于一些已經(jīng)投運(yùn)的空冷項(xiàng)目,為保證發(fā)電機(jī)組在夏季高溫環(huán)境中安全、高效運(yùn)行,采用尖峰冷卻裝置很有必要。
3)采用哪一類尖峰冷卻形式,應(yīng)先根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件,優(yōu)先使用蒸發(fā)冷卻的尖峰冷卻裝置,再進(jìn)行詳細(xì)的經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比,采用合適的系統(tǒng)形式,以充分發(fā)揮當(dāng)?shù)刈匀毁Y源。
4)蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組的結(jié)構(gòu)原理,能夠更大效率地發(fā)揮蒸發(fā)冷卻技術(shù)的優(yōu)勢(shì),在電力、石化、等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。
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