火电厂空冷系统的优化问题探析

【摘要】近年来，空冷系统技术在火电厂的应用越来越广泛，极大的促进了火电厂的发展。目前，我国火电厂常用的空冷系统有直接空冷系统、表面式凝汽器间接空冷系统、混合式凝汽器间接空冷系统等三种情况，下面就这三种空冷系统及其优化问题进行分析。

【关键词】火电厂；空冷系统；优化

前言

火电厂空冷系统技术是指将周围环境空气当做冷却媒介，对汽轮机乏汽进行冷却的一种技术。空冷系统技术的最大特点是能对资源进行有效地应用，空冷系统设备具有良好的节水性能和环保性能，能促进火电厂的可持续发展，下面就火电厂空冷系统及其优化进行分析[1]。

1.火电厂空冷系统的型式及特点

从总体上看，空冷系统可以分为直接空冷系统和间接空冷系统两种情况，对于间接空冷系统，根据设备的参数可以分为表面式凝汽器间接空冷系统和混合式凝汽器间接空冷系统两种情况，下面就空冷系统的特点进行分析[2]。

1.1直接空冷系统

直接空冷系统主要由钢制空冷凝汽器、汽轮机排汽装置、风机组、大直径钢制排气管道、凝结水系统、抽真空系统、清洗设备等几部分组成[3]。一般情况下，空冷凝器安装在汽机房的高架空冷台上面。直接空冷系统的工艺流程为：汽轮机将乏汽排出后，会通过汽轮机排汽联合装置和大直径排汽管道从汽机房排出来，并垂直上升到一定高度，然后通过排汽支管进入空冷凝汽器的蒸汽联箱中，最后蒸汽会通过空冷凝汽器蒸汽联箱进入空冷凝汽器中，和空气进行表面换热，从而达到冷凝的目的。在冷凝过程中，冷凝水会通过凝结水管流至汽轮机排汽联合装置中，然后利用凝结水泵将冷凝水提升到凝结水系统中，实现冷凝水的循环利用。

1.2表面式凝汽器间接空冷系统

表面式凝汽器间接空冷系统主要由汽轮机表面式凝汽器、自然通风冷却塔、钢管钢翅片冷却三角散热器、充水泵组、循环水泵组、储水箱、稳压泵组、散热器清洗系统等几部分组成[4]。表面式凝汽器间接空冷系统的工艺流程为：冷却水经过散热器冷却后，利用汽轮机排汽和金属管壁在汽轮机表面式凝汽器中进行表面换热，水蒸汽在金属管壁中凝结后，汇集在凝汽器底部热井中，最后凝结水会通过凝结水泵提升到汽轮机回热系统中，这样高温的冷却水经过循环水泵进入空冷散热器中和空气进行换热，冷却后的循环水经过凝结水泵送回冷却汽轮机中，形成一个闭路循环[5]。

1.3混合式凝汽器间接空冷系统

混合式凝汽器间接空冷系统主要由混合式凝汽器、自然通风冷却塔、全铝制福哥型冷却三角散热器、充水泵组、循环水泵组、储水箱、稳压泵组、预热/尖峰冷却器、水轮发电机组、散热器清洗系统等几部分组成。混合式凝汽器间接空冷系统的工艺流程为：混合式凝汽器将冷却水喷射成水膜，汽轮机的排汽接触到冷却水膜后，直接凝结，凝结水和高温冷却水混合后，汇集在凝汽器底部的热井中，其中有98%的混合水经过循环水泵提升到自然空冷冷却塔中，通过散热器和空气进行对流换热冷却，冷却后的水经过水轮发电机组回到混合水凝汽器中，从而形成一个闭合循环系统；剩余的2%混合水会通过凝结水泵进入精处理装置进行处理，然后送回汽轮机回热系统中。

1.4三种空冷系统的比较

直接空冷系统的主要优点有：冷却效率高、占地面积小、初期投资少、系统简单、调节灵活、空冷凝汽器建设周期短等，在直接空冷系统中，汽轮机排汽能直接利用空气进行冷却，不需要利用循环冷却水进行冷却，极大的提高了冷却效率，同时直接空冷系统的凝汽器和散热器能合二为一，布置在汽机房外高架的空冷凝汽器平台上，空冷凝汽器下面可以设置出线架构、变压器等设施，有效地减少了占地面积。直接空冷系统的不足之处有：环境影响比较大，风向对空冷机组的设置方位有很大的影响，同时直接空冷系统的运行费用比较高，检修维护工作量大，并且在运行过程中产生的噪声比较大，容易引起噪声污染[6]。

表面式凝汽器间接空冷系统的主要优点有：运行背压比较低，煤耗量比较少，同时循环冷却水和凝结水是两个独立的系统，水质可以按照相应的水质标准进行处理，从而提高了水质处理的灵活性，表面式凝汽器间接空冷系统是一个封闭的系统，在运行过程中，循环水泵扬程比较低，能降低能耗，并且自然风对系统的影响比较小，在设置机组主厂房时，不需要考虑风向因素。表面式凝汽器空冷系统的不足之处有：冬季运行过程中防冻性能比较差，空冷塔占地面积比较大，建设周期比较长，并且塔内阀门比较多，操作比较复杂。

混合式凝汽器间接空冷系统的主要特点有：运行背压比较低，煤耗量比较少，运行噪声比较小，能满足环境保护的需求，自然风对系统运行的影响比较小，在设置机组主厂房时，不需要对风向进行考虑。混合式凝汽器间接空冷系统的不足之处有：系统在运行过程中，循环水用水量比较大，水质要求比较高，循环水系统和凝结水混合后，对凝结水处理要求比较高，系统冬季运行过程中，抗冻性能比较差，并且系统设备、阀门比较多，控制比较复杂，同时混合式凝汽器间接空冷系统的占地面积比较大，建设周期比较长[7]。

2.火电厂空冷系统的优化及综合比较

2.1空冷系统的优化原则

在火电厂中，空冷系统和锅炉、发电机、汽轮机等设备相同，是火电厂的主要设备之一，其投资很大，在进行火电厂空冷系统设计时，如果单纯的考虑提高电厂热效率，选择排汽压力比较低的汽轮机，将会增大空冷系统的投资成本，如果单纯的降低空冷系统投资成本，选择排汽压力比较大的汽轮机，将会增加发电煤耗量，因此，火电厂要不断优化空冷系统，找出空冷系统投资和能量高效利用的最佳匹配关系，从而确定空冷系统的最佳设计参数[6]。

在进行空冷系统选型、优化时，必须从火电厂的实际情况出发，并结合以往的工程优化成果、工程实际运行经验等，对空冷系统优化方案进行分析比较，从而确定出最经济、最可靠的空冷系统配置方案。空冷系统的优化原则主要有以下几点：

（1）根据当地的气象情况，通过计算，确定空冷系统的设计气温、气温典型年等基本设计参数；

（2）根据火电厂的燃煤情况、燃煤价格、机组运行方式、机组利用率等，对汽轮机背压、尾部参数、循环冷却倍率等优化基础数据进行分析；

（3）根据各项优化数据，对制定的空冷系统型式、方案等进行科学的计算，从而为空冷系统方案的经济性、可行性、可靠性、安全性等提供保障。

2.2空冷系统主要设计参数

以某工程火电燃煤空冷机组为例，对其空冷系统进行优化，从而确定最佳空冷系统设计参数及配置方案[8]。

2.2.1气象条件

该火电厂所处地区为温带极干旱气候，冬季寒冷，夏季十分燥热，雨水比较少，水分蒸发量比较大，湿度比较小，该地区的气象条件如下表所示：

项目 数值 单位

平均气温 10 ℃

平均气压 930.8 hPa

极端最低气温 -30.1 ℃

极端最高气温 43.8 ℃

平均水汽压 6.3 hPa

平均相对湿度 44 %

最大风速 26 m/s

平均风速 2.3 m/s

年平均蒸发量 2639.5 mm

2.2.2机组参数

通过对工程的实际情况进行分析，结合以往的工程经验，对直接空冷系统、间接空冷系统的机组设计参数进行分析，从而为空冷系统优化提供基础资料。直接空冷系统机组大汽轮机尾部主要参数为：1号机型背压为12kPa，排汽量为1648.33t/h，机组功率为1000MW；2号机型背压为13kPa，排汽量为1672.53t/h，机组功率为1000MW；3号机型背压为14kPa，排汽量为1684.73t/h，机组功率为1000MW。直接空冷系统给水泵汽轮机尾部主要参数为：背压为9kPa，排汽量为169.74t/h，排汽焓为2438.1kj/kg。

对于间接空冷系统，大机采用表面式凝汽器间接空冷系统，小机的排汽进入大机表面式凝汽器间接空冷系统中进行冷却，同时每台机组设置一个自然通风冷却塔。间接空冷系统机组大汽轮机尾部主要参数为：4号机型背压为10kPa，排汽量为1613.31t/h，机组功率为1000MW；5号机型背压为11kPa，排汽量为1622.93t/h，机组功率为1000MW；6号机型背压为12kPa，排汽量为1632.43t/h，机组功率为1000MW[2]。给水泵汽轮机尾部主要参数为：4号机型背压为11.5kPa，排汽量为180.85t/h，排汽焓为2527.304kj/kg；5号机型背压为12.5kPa，排汽量为184.33t/h，排汽焓为2429.738kj/kg；6号机型背压为13.5kPa，排汽量为187.79t/h，排汽焓为2533.203kj/kg[9]。

2.2.3自然风设计风速

自然风设计风速是指自然风对空冷系统影响的设计标准值，空冷系统的自然风设计风速需要根据厂址的实际情况进行分析。一般情况下，对于直接空冷系统，相关规定自然风设计风速为3m/s，但该标准并不满足实际需求；对于间接空冷系统，冷却塔周围地面高10m处，取10min平均风速，并根据公式

计算自然风设计风速。在本工程中，结合工程实际，设计直接空冷系统设计风速为5m/s，间接空冷系统自然风设计风速为4m/s。

2.2.4经济数据

该空冷系统的经济分析数据为：上网电价为0.29元/kWh，内部收益率为10%，系统经济运行年限为20年，年夜利用小时数为5500h，综合标煤价为500元/t，土地价格为10万元/亩。

2.3系统主要设施选取

为方便研究，架设厂址建设条件、气象条件、机组运行条件等均符合直接空冷系统和间接空冷系统的运行需求，由于混合式凝汽器间接空冷系统比较复杂，凝结水精处理系统比较大，因此，间接空冷系统的优化以表面式凝汽器间接空冷系统为主。

2.3.1汽轮机凝汽器

表面式凝汽器冷却管的材质主要有不锈钢、钛、镍白铜、铝黄铜、锡黄铜等，在确定凝汽器冷却管的材质时，要对凝汽器传热性能、循环水流速、系统循环水水质、空冷散热器材质等进行全面分析。从传热性能看，铜管的导热系数比不锈钢管的导热系数大；从材质的抗冲刷性能、防腐性能等方面看，不锈钢管和钛管的性能高于铜管，能极大的提高机组的运行安全。通过综合分析，在本工程中，决定采用不锈钢材质的汽轮机凝汽器。

2.3.2空冷凝汽器

对于直接空冷系统，由于该地区冬季比较寒冷，温差比较大，因此，直接空冷凝汽器采用单排管形式；对于间接空冷凝汽器，其布置方式可以分为垂直布置于冷却塔底部和水平布置于冷却塔内部两种情况。其中水平布置空冷凝汽器时，空冷凝汽器的布置局部间隙比较大，空间利用率比较差，但防冻性能比较好；垂直布置空冷凝汽器时，空冷凝汽器布置紧密，能极大提高塔内空间的利用率。在静风情况下，垂直布置方式的性能比水平布置方式的性能高，在夏季自然风速超过10m/s后，塔内水平布置的性能比垂直布置的性能好，通过对工程的实际情况进行分析，决定采用垂直布置于冷却塔底部的方式进行空冷凝汽器设置。

2.3.3空冷塔

根据间接空冷系统的自然通风冷却塔结构，可以将空冷塔分为钢筋混凝土结构自然通风冷却塔和钢架镶板结构自然通风冷却塔两种情况，其中钢架镶板结构自然通风冷却塔的主体为钢结构，能适用于高烈度地震区域，但由于该结构在国内没有实际应用经验，因此，本工程采用钢筋混凝土结构自然通风冷却塔。

2.4优化成果及经济比较

在本工程中，分别对直接空冷系统和间接空冷系统的各种方案进行优化计算，然后对这两种空冷系统进行全面对比，从而确定最适合本工程的空冷系统模型及最优设计方案。

直接空冷系统各优化方案数据。

优化方案 排汽压力 风机台数 空冷凝汽器面积 电机功率 冷却单元尺寸 系统初期投资 年固定分摊费用 年运行费用 年总费用

kPa 台 万m2 kW m 万元 万元 万元 万元

1 12 100 274.

54 90 11.19

×

12.01 15791.

91 2207.6 基准 471.

12

2 13 90 259.

7 90 11.7

×

12.01 11955.

03 1706.59 345.

44 312.

55

3 14 90 247.

5 90 11.23

×

12.01 9101.

68 1296.99 717.

00 277.

51

间接空冷系统各优化方案数据

优化方案 排汽压力 冷却倍率 空冷凝汽器面积 散热器面积 空冷塔高 系统总投资 年固定费用 年运行费用 年总费用

kPa 台 万m2 万m2 m 万元 万元 万元 万元

1 10 50 6.0 276.48 209.

88 21397.

07 3049.

08 493.08 790.79

2 11 55 6.0 242.88 209.

77 15882.

48 2263.

25 821.74 333.62

3 12 50 5.8 232.32 222.

71 9588.

43 1366.

35 1445.68 60.65

通过对直接空冷系统优化方案和间接空冷系统优化方案进行对比分析，发现间接空冷系统优化方案3的综合效果最好，因此，在本工程中，采用间接空冷系统型式比较经济、合理。

3.总结

通过对火电厂空冷系统几种常见型式进行分析对比，了解各种空冷系统的优势及不足，并结合工程实际，对火电厂空冷系统进行了优化设计，从而为火电厂空冷系统的综合应用提供参考。

参考文献

[1]吕洋.火电厂空冷系统优化及综合技术经济比较[J].科技创业家，2013，（22）：144-145.

[2]刘轶斌.火电厂空冷系统优化及综合技术经济比较[D].华北电力大学，2012.

[3]郑衍娟.火电厂直接空冷系统设计与优化[D].山东大学，2012.

[4]张晓鲁，汪建平，孙锐等.火电机组直接空冷系统优化设计方法研究[J].中国电机工程学报，2011，31（11）：101-102.

[5]雍鑫，陈增显.米东热电厂直接空冷系统的优化控制[J].陕西电力，2011，（06）：44-45.

[6]陈俊丽，邵一鸣.火电厂空冷系统的热控设计研究[J].华电技术，2012，34（04）：133-134.

[7]金衍胜.火电厂直接空冷系统传热性能实验研究[D].华北电力大学（北京），2009.

[8]张文宝，于淑梅.空冷机组热力系统的优化研究[J].热力透平，2006，35（04）167-168.

[9]王雨新.火电厂空冷系统控制设备选型应注意问题探讨[J].石河子科技，2013，（01）：44-46.

作者简介

张彦和，男（1971.12-）黑龙江省哈尔滨市人，工程师，大专学历，研究方向：汽轮机运行.