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空冷器作為大型汽輪發(fā)電機組凝汽設備，在缺水國家及地區(qū)已經(jīng)得到了廣泛的應用，積累了較多的設計、制造與運行經(jīng)驗。

我國許多工廠自備電站，目前仍普遍以水冷器作為凝汽設備。隨著缺水地區(qū)水資源供需矛盾愈顯突出，選擇空冷機組來代替水冷機組，越來越被企業(yè)重視。

1 直接空冷機組技術特點與應用條件

1.1 概述

采用空氣帶走凝汽器廢熱的汽輪機稱為空冷汽輪機，與常規(guī)濕冷凝汽器的汽輪機不同之處在于:配用空冷形成的背壓高、變化幅度大且頻繁。因此，對汽輪機設計與運行提出了一系列要求。

空冷系統(tǒng)可分為直接空冷系統(tǒng)與間接空冷系統(tǒng)兩大類。后者根據(jù)凝汽器形式的不同又可分為海勒系統(tǒng)與哈蒙系統(tǒng)兩類。

直接空冷機組的空冷凝汽器采用機械通風直接空冷凝汽器(ACC)系統(tǒng)，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，以達到冷卻目的。直接空冷機組汽輪機排汽由大口徑管道引至布置在汽輪機房外的體積龐大的空氣凝汽器，被直接冷卻凝結成水。為了加強冷卻效果，一般在空氣凝汽器下面裝有大直徑風扇，對空氣凝汽器進行強制冷卻。與間接空冷機組比較，直冷機組的冷卻效率較高，形成的背壓較低，系統(tǒng)比較簡單。投資較低，防凍性能容易從系統(tǒng)設計上得到保證。其缺點是真空容積龐大，啟動時抽真空時間長，漏入空氣的幾率大，風扇耗功大。

直接空冷機組簡圖見圖1。

1.2 直接空冷技術特點

圖1 直接空冷機組簡圖

其特點:①直接空冷的空冷散熱器表面積大，體積龐大，重量大，故該部分投資較高;②減少循環(huán)水耗量，節(jié)約用水，降低冷卻水源工程的投資費用;③廢水可以達到對外零排放的要求，對保護當?shù)氐乃w環(huán)境有很大益處;④與間接空冷相比，占地面積小，設備少，系統(tǒng)簡單，冷卻效率高，防凍性能好，更適應劣氣候條件。

1.3 直接空冷機組在工廠自備電站中的適宜條件

目前，化工等高耗能、耗水行業(yè)的節(jié)能減排要求更加嚴格，水耗也作為其中一項重點指標倍受關注，直接空冷技術由于其系統(tǒng)簡單、大量節(jié)水的特點，因而具有顯著的社會效益和環(huán)境效益。直接空冷機組雖然發(fā)電效率偏低，但是綜合比較優(yōu)勢更明顯，粗略估算，在水價超過3 ～4 元的地區(qū)，綜合運行費用低于水冷機組，是一種合理的技術方案。

2 直冷機組在項目中的應用

2.1 項目概況

某煉油廠所在的地區(qū)屬西北大陸干旱性氣候，冬季寒冷，夏季干燥，冬夏、晝夜溫差懸殊，水資源嚴重匱乏且水質較惡劣。另外，現(xiàn)有循環(huán)水場也不能滿足新建自備電站的冷卻水用量要求，因而該自備電站采用直接空冷技術作為機組冷卻方案。

2.2 技術方案簡介

該機組直接空冷凝汽器采用三角形結構斜頂式布置，冷卻單元配置有順流管束和逆流管束。直接空冷系統(tǒng)中大部分的蒸汽在順流管束中被冷凝，剩余的小部分蒸汽再通過逆流管束被冷凝。在逆流管束的頂部設有抽真空系統(tǒng)。變頻調速風機實現(xiàn)變風量調節(jié)?？绽錂C組結構示意見圖2。

圖2 空冷單元結構

2.3 性能參數(shù)

該機組所處自然條件及汽輪機排汽參數(shù)、直冷凝汽器選型參數(shù)見表1。

表1 18MW 中壓抽汽式汽輪機空冷凝汽器主要參數(shù)表

2.4 直冷機組平面布置

空冷器單列布置在汽輪機廠房除氧間頂部，既可滿足空冷機組安裝高度的要求，又可達到節(jié)約用地、減少土建工程量、縮短管道行程的目的，風機及驅動裝置安裝在凝汽器平臺風機橋上，空冷器平臺標高為33m。

2.5 汽輪機排汽管道

排汽管道作為空冷機組重要的系統(tǒng)和部件，其管線布置是否合理，強度是否滿足設計和使用要求，直接關系到動力站運行的可靠性和安全性。汽輪機排氣管道為DN2200，其直徑大、壁薄、外壓真空管道的特點與常規(guī)汽水管道不同，采用CAESARII 對排氣管道整體進行應力分析，驗證管道布局，確定管道材料、管徑、壁厚及加固肋的形式。

3 設計工作中需考慮的問題

3.1 關于直接空冷機組中的抽真空系統(tǒng)

射水抽氣器、射汽抽氣器和水環(huán)真空泵都是汽輪機凝汽器抽空氣系統(tǒng)中常用的設備。

該直冷機組真空系統(tǒng)龐大，可能造成泄漏的地方較常規(guī)機組多，背壓變化范圍較寬，與之配套的抽氣設備應具有抽氣量大、適應范圍廣的特點。水環(huán)真空泵綜合性能較好，是抽真空系統(tǒng)的首選。

3.2 空冷器的熱回流問題

空冷器的熱回流是指空冷器排出的熱氣流，在某些特定的條件下被風機吸入，提高了進入空冷器冷空氣的溫度，導致空冷器冷卻能力的下降。熱回流是直接空冷系統(tǒng)正常運行的一大危害，在設計中應予以足夠的重視。比如空冷器的總布置方位與主導風向的角度問題、適當設置擋風墻等等。

3.3 背壓高且冬夏變化范圍大

該項目氣候特點決定汽輪機背壓變化范圍為一般在5 ～50kPa，這就要求汽輪機必須能適應較寬背壓范圍，尤其是高背壓工況下能可靠工作，因此汽輪機末級葉片需特殊設計制造。另外，在夏季可向汽輪機后汽缸噴水，以達到減溫的效果。

3.4 沙塵的影響

西北地區(qū)沙塵較大，易在翅片管上聚集，增加傳熱熱阻，嚴重時還會堵塞冷卻空氣通道，導致凝汽器傳熱性能急劇惡化，機組運行經(jīng)濟性變差。

為了防止沙塵影響散熱效果、磨蝕凝汽器，該機組設置了清洗系統(tǒng)，采用除鹽水作為清洗水，定期對空冷凝汽器進行外部清洗。清洗會用掉少量水，但從保證機組運行可靠性的角度考慮，仍是合理的。

另外，需研究積灰對汽輪機背壓的影響規(guī)律，從而合理確定空冷凝汽器的清洗周期，保證機組的安全經(jīng)濟運行。

3.5 防凍保護

西北地區(qū)冬夏兩季氣溫相差很大，空冷機組受氣溫的影響較大。直接空冷機組采用鼓風式機械通風，而且以高架式布置呈“A 字型”暴露在大氣環(huán)境中，在冬季低溫時，凝汽器諸翅片管內的飽和蒸汽等溫冷凝段縮短，凝結水冷凝段增加，過冷度增大。若氣溫繼續(xù)下降到一定限度，翅片管內易出現(xiàn)凍結現(xiàn)象。輕者會使傳熱性能大幅降低，重者管束被冰塊堵塞、真空下降，被迫停機。所以對在西北等寒冷地區(qū)的直接空冷機組的防凍問題應引起足夠的重視。

通常情況下，直冷機組順流單元通過檢測環(huán)境溫度及凝結水溫度，逆流單元通過檢測環(huán)境溫度及抽真空溫度實現(xiàn)防凍控制。另外運行過程中不凝氣體的及時抽出也是防凍的有效措施。

3.6 其它因素

以上直冷機組的問題既有其單一的特點，又有其綜合性。比如，通常認為熱風再循環(huán)對機組運行具有危害，在設計過程中要求避免，但我們也可利用熱風再循環(huán)來防止凝結水過冷，考慮在空冷器設置百葉窗，空冷器周圍設置活動幕墻等措施，以適應不同地區(qū)不同項目的差異要求。

4 結語

化工等高耗能、耗水行業(yè)已廣泛采用空冷技術降低水耗，但目前自備電站較少采用空冷，選擇直冷機組來降低自備電站水耗也是未來發(fā)展的一個趨勢。根據(jù)以上分析，可以總結出直接空冷發(fā)電機組特點:①在缺水及水價較高地區(qū)，包括缺少淡水且不適于直接利用海水的沿海地區(qū)可采用中小型直接空冷發(fā)電機組，技術經(jīng)濟上是合理的;②在采用防凍、優(yōu)化熱回流、合理清洗等措施后，直接空冷發(fā)電機組的運行可靠性、經(jīng)濟性可以得到保證。

總之，直接空冷發(fā)電機組對高耗能、耗水行業(yè)項目降低水耗有明顯作用，不僅可增加項目可行性，同時也有較大的社會經(jīng)濟效益，是未來發(fā)展趨勢之一。

1 中國動力工程學會. 火力發(fā)電設備技術手冊［M］. 北京，機械工業(yè)出版社，1998.4.

2 那小陶，郝 衛(wèi)，王宏格. 電站直接空冷系統(tǒng)設計探討［N］. 電力學報，1999.