1.中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司 陕西西安 710075
摘要：火力发电厂主机空冷凝汽器使用多年后，冷却效率就会下降，导致机组出力降低。为了节能降耗，电厂将部分电泵改为汽泵，增加了主机空冷凝汽器的负荷。为使电厂能满负荷运行，需要对空冷凝汽器进行改造，提高冷却能力。本文以山西某电厂的直接空冷系统改造为例，研究增加尖峰冷却系统的必要性、系统配置、节能减排、投资及收益分析等，提出合理的设计方案，供其它需要改造的电厂借鉴。
关键词：空冷凝汽器；冷却效率；电泵；汽泵；尖峰冷却系统
1 前言
水是不可再生资源，我国北方地区水资源匮乏，为了节约用水，近十年来我国北方地区火力发电厂主机冷却系统主要采用空冷技术进行节水。随着时间的推移，空冷凝汽器的冷却效率有所下降，机组出力降低，同时为了节能降耗，电厂将部分电泵改为汽泵，增加了空冷凝汽器的负荷。为使电厂能满负荷运行，需要对空冷凝汽器进行改造，提高冷却能力。
2 空冷系统概述
山西某电厂二期工程2×600MW（#3、#4机组），汽轮机为亚临界、直接空冷凝汽式机组。＃3机组于2007年12月投产运行，＃4机组于2008年2月投产运行。每台600MW 汽轮机组配置56 个单排管空冷凝汽器单元。布置分为8列，每列有7个单元，每个空冷凝汽器单元下部安装一台Φ9750mm的轴流风机，所有风机均采用变频调速电机。空冷凝汽器系统考核工况一（TRL工况）：空气干球温度为31.5℃（TRL工况），每台汽轮机的排汽量为1332.277 t/h，排汽焓为2541.6kJ/kg，风机在100％转速条件下，应保证汽轮机排汽口处背压不大于32kPa。空冷凝汽器系统考核工况二（THA工况）：空气干球温度为15.5℃（THA工况），每台汽轮机的排汽量为1218.326t/h，排汽焓为2434.9kJ/kg，应保证汽轮机排汽口处背压约为15kPa。
3. 空冷系统改造的必要性
#3、#4直接空冷机组，在近几年的夏季运行中，出现汽轮机背压高，效率低，主蒸汽流量大，即使锅炉出力达到最大值，机组仍不能满发的情况，机组负荷仅能达到70~90%。另外，2015年7月30日及8月1日，#3、＃4机组出力最低时负荷只带到390~442MW。出现这种情况的主要原因是，环境风速及温度较高，另外，该电厂地处中温带干旱区，是典型的大陆性气候特征。冬冷、夏热，昼夜温差大，冬春季风沙天气较多。同时，随着设备使用年限的增长，系统真空严密性降低、污垢热阻增加，使得直接空冷凝汽器的换热性能下降，导致汽轮机运行背压升高、机组出力受限、煤耗增加，经济指标降低，并且达不到电网调度的需求。
为了节能降耗，电厂于2015年3月进行电泵改汽泵设计，将每台机组的1台50%的电动给水泵拆掉，改为1台100%汽动给水泵，其余2台50%的电动给水泵不拆，作为汽动给水泵的备用泵。电泵改为汽泵后，汽动给水泵的排汽排入已建的主机直接空冷凝汽器，经核算，已建的主机直接空冷凝汽器冷却能力不够，汽轮机夏季背压增高，达不到满发的要求。
为了降低机组的夏季背压，增加机组夏季出力，在电泵改汽泵的同时，必须增加机组排汽冷端的散热能力，才能降低汽轮机的排汽背压，有效的保证汽轮机出力要求，同时达到节能减排，安全经济运行的目的。增加冷端的散热能力后，汽轮机排汽背压，在夏季温度31.5℃时，#3机组由原来的32kPa降低至25.8kPa，#4机组由原来的32kPa降低至22.5kPa。
对直接空冷系统进行改造，提高机组夏季运行能力，增加的冷端设备统称为尖峰冷却装置。
4国内外空冷系统改造的方案
对于空冷机组而言，降低汽轮机的排汽压力是提高机组热经济性的有效方法之一，也是保证其安全运行的有效途径。由于直接空冷机组易受环境流场及温度变化的影响，尤其受夏季高温大风天气的影响较大。因此，在保证机组安全经济运行，同时降低供电标准煤耗的前提下，增加空冷机组冷端散热能力，便成了保证直接空冷机组迎峰渡夏的有效方法。目前，国内现有工程降低机组的夏季背压的方案及各方案优缺点如下：
4.1增加直接空冷系统风机风量
通过调整风机叶片角度或提高转速可以增加风机风量。其特点为：（1）该方案改造快捷有效。（2）提高转速，至少增加30%以上的风机功率，导致运行费用增加。（3）调整风机叶片角度易受机械振动的影响，当叶片角度接近临界角度时，振动频率剧增而导致叶片产生裂纹，同时对空冷岛整体结构稳定性构成威胁。
根据厂家设备要求，调整叶片角度或提高转速引起风机损坏可能性急剧增加，影响机组的安全运行，因此本工程不采用本方案。
4.2增加直接空冷凝汽器的散热面积
该方案就是增加一列（行）或多列（行）空冷凝汽器。增加直接空冷凝汽器面积有两种方式，第一种：新增一列（与汽机房A列垂直）7个冷却单元。第二种：新增一行（与汽机房A列平行）8个冷却单元。其特点主要是：（1）现有空冷系统为保证汽轮机排汽进入每列空冷冷却单元的蒸汽均布，蒸汽分配管设计成对称分布，新增一列空冷冷却单元必然造成蒸汽分配管不对称，造成蒸汽进入每列空冷冷却单元时发生偏流现象，使得有的空冷冷却单元夏季背压高，而有的冷却单元冬季管束易冻裂。（2）建筑和安装工程量大，空冷机组配套的抽真空系统（真空泵）因空冷系统容积变化也要相应改变，投资费用增加，造价高。（3）施工困难，增加空冷冷却单元受场地条件限制，土建、钢结构、管道等施工难度较新建工程难度大。（4）占地面积大。
根据电厂已建1~4#机组现场设备实际布置情况，考虑预留三期扩建用地的前提下，增加直接空冷凝汽器的散热面积没有足够的场地条件。
4.3：增加蒸发式凝汽器系统
该方案是从原空冷岛主排汽管道上接出排汽管，分流部分乏汽接入蒸发式凝汽器，冷却水喷淋在蒸发式换热管束表面，将乏汽凝结成水，凝结水自流至空冷岛排汽装置的凝结水箱，蒸发式凝汽器中不凝结气体由抽真空系统排出，温度升高的冷却水在下降过程中与冷空气进行热交换，降温后的冷却水汇至蒸发式凝汽器下部的水池，通过循环水泵进行二次循环。其特点主要有：（1）这种方案需要喷淋冷却水，喷淋冷却水如果采用除盐水，可以有效地防止换热器结垢，但除盐水水价比较高，造成运行费用比较高。喷淋冷却水如果采用一般的工业水，换热器表面又容易结垢，造成换热效果降低。（2）由于这种方案喷淋冷却水采用的是开式循环水系统，造成喷淋冷却水有蒸发、风吹、排污损失，增加了水耗。（3）蒸汽管道较长。
根据调研，由于本项目水源较为紧缺，且除盐水使用成本过高，采用耗水较高的改造方案不符合电厂运行的现状，经与电厂人员协商，不建议采用本方案。
4.4：增加立式三角形直接空冷凝汽器系统
立式三角形直接空冷凝汽器的系统组成与工作原理与传统的平台式直冷凝汽器几乎完全相同，同样是利用风机使外界环境风强制通过管束表面，将管束中的排汽冷凝成水，整个系统同样是由管束、风机、管道、单元内部的支撑结构，以及清洗和仪控仪表和电气部分构成。只是在单元的布置方式上做了调整，使整个系统调节更为灵活，能很好地用于尖峰冷却
立式三角形直接空冷凝汽器这种结构，最大的特点是单元占地比较小，在场地布置上比较灵活，尤其适合场地条件比较不规则的情况，还可以比较容易避开道路进行布置。相比传统的平台式凝汽器，布置起来更为灵活。
设计单位在与业主沟通的过程中，注意到3#、4#机组冬季运行状态下，空冷系统防冻问题始终是现场运行管理较为困难的工作，且由于该方案蒸汽管道比较大，现有空地布置困难，经与电厂有关人员协商，所以本工程尖峰冷却系统，不采用本方案。
5本工程尖峰冷却系统方案
5.1 汽轮机及小汽机参数
根据电厂提供的电泵改汽泵后的热平衡图，汽轮机及小汽机主要热力数据见表5-1。
5.2 尖峰冷却系统工艺流程
从主机空冷系统主排汽管道上接出的排汽送至新增设的表面式凝汽器，和凝汽器管束内的冷却水进行表面换热，升温后的冷却水由循环水泵升压至机械通风间冷塔的空冷散热器进行冷却，经过间冷塔降温后的冷却水再回到表面式凝汽器内和排汽进行表面换热，如此往复循环。
机械通风间冷塔中的循环冷却水不与大气直接接触，而是传热给机械通风间冷塔的空冷散热器，通过散热器与大气接触进行热交换，从而达到介质冷却，冷却水温的主要控制因素是大气干球温度。循环水系统的冷却水为除盐水。尖峰冷却系统图如下：
尖峰冷却系统工艺流程图
5.3 尖峰冷却系统方案
5.3.1尖峰冷却系统的规模
确定尖峰冷却系统的规模，首先要计算已建的主机直接空冷系统在满足建设方要求的环境温度或背压的情况下，分流至尖峰冷却系统的排汽量，因为主机直接空冷系统已运行多年，换热效果有所下降，具体下降多少，目前，国际上也没有定论。建设方委托已建的主机直接空冷系统供货商，对本工程各工况下的环境温度或背压及分流的排汽量进行了计算，以下各工况下的环境温度或背压及分流的排汽量均为主机直接空冷系统供货商的计算结果，结果如下：
电泵改汽泵，汽泵的排汽在主厂房内接入主机的排汽管道，夏季增加尖峰冷却系统，分流一部分排汽至尖峰冷却系统，从而降低主机直接空冷系统的背压，要求排汽分流后，主机直接空冷系统及尖峰冷却系统，在夏季温度为36.0℃时，背压为30kPa。
经计算，在夏季坏境温度为36.0℃，夏季背压为30kPa时，每台机的直接空冷系统只能接收1054kg/h的排汽，每台机需分流270kg/h的排汽至尖峰冷却系统。
尖峰冷却系统采用机械通风间冷塔，将270Kg/h的排汽排至尖峰冷却系统，在满足夏季坏境温度为36.0℃，夏季背压为30kPa时，经计算，间冷塔配置为：
散热器高度为18m，风机功率为160KW，风机为工频风机，每台机的尖峰冷却系统需配2×6段间冷塔，2×6段间冷塔背对背布置。每台机的尖峰冷却系统平面尺寸为：69m×30.3m。
从现场可利用空地看，升压站侧空地仅能布置2×5段机械通风间冷塔，扩建端侧空地能布置2×7段机械通风间冷塔。
综上所述，本工程尖峰冷却系统机械通风间冷塔的布置方案为：3号机组尖峰冷却系统布置2×5段机械通风间冷塔，4号机组尖峰冷却系统布置2×7段机械通风间冷塔。
5.3.2满足背压30KPa、主机直接空冷系统及尖峰冷却系统的环境温度
经计算，在满足背压30KPa的情况下，3号机组可实现向尖峰冷却系统分流的排汽量为233t/h，计算的环境温度为34.4℃。4号机组可实现向尖峰冷却系统分流的排汽量为298t/h，计算的环境温度为36.4℃。
5.3.3满足环境温度为36.0℃、主机直接空冷系统及尖峰冷却系统的背压
在满足环境温度为36.0℃的情况下，3号机组可实现向尖峰冷却系统分流的排汽量为225t/h，计算的背压为32.2KPa。4号机组可实现向尖峰冷却系统分流的排汽量为309t/h，计算的背压为29KPa。
5.3.4原设计温度下，主机直接空冷系统的背压
主机直接空冷系统，原设计温度为15.5℃，电泵改汽泵后，主机及小机的排汽（TMCR工况）全部排入主机直接空冷系统，经计算，主机直接空冷系统的背压为17.4 KPa。
5.3.5原夏季温度下，主机直接空冷系统及尖峰冷却系统的背压
主机直接空冷系统，原设计夏季温度为31.5℃，电泵改汽泵后，主机及小机的排汽（TMCR工况）全部排入主机直冷系统及尖峰冷却系统，经计算，3号机组向尖峰冷却系统分流的排汽量为263t/h时，主机直冷系统及尖峰冷却系统的背压为25.8 KPa。4号机组向尖峰冷却系统分流的排汽量为366t/h时，主机直冷系统及尖峰冷却系统的背压为22.5 KPa。
6 节能减排分析
6.1降低煤耗：
两台机组平均实现节能减排情况如下：
（1）降低发电煤耗：
#3机组发电标煤煤耗降低7.44g/kWh；#4机组发电标煤煤耗降低11.4g/kWh；
（2）年减少用煤量
#3机组年减少用煤量：0.964万t；#4机组年减少用煤量：1.477万t；
二台机组年减少用煤费用：976.4万元；（标煤价格：400元/t）
6.2 减少大气污染物排放
根据电厂提供的初步数据，3#、4#机组2014年供电煤耗约为341.6 g/kWh，全年SO2排放总量约为4000吨、NOX排放总量约为3000吨。
假定厂用电率为8%，推算发电煤耗为314.27 g/kWh.。
两台机组合计年减少SO2排放总量239.79吨；年减少NOX排放总量179.84吨。
6.3 水耗及排放
本次改造采用间接空冷系统，不新增用水，没有新增污水排放等问题。
综上所述，本次尖峰冷却系统的改造，不仅可以改善运行条件，还可有效降低发电煤耗，减少燃煤总量，降低SO2、NOX、烟尘等大气污染物的排放，是一项提高性能、降低能耗、减少排放、创造效益的绿色环保型综合改造工程。
7 投资估算及经济效益分析
工程投资基准日期为2015年6月，工程投资主要数据为：工程静态投资10160万元。二台机组年减少用煤费用 976.4万元；两台机组年增加电费 349.53万元；本次改造项目实施后，每年可形成直接收益626.87万元。
经计算，项目投资回收年限约为16年，综合评价项目投资成本、折旧及收益，对于改造工程而言，回收年限相对较长。如果煤价上涨，则本改造项目的经济效益和回收年限呈现正向增长的趋势。
8结论及存在问题
（1）本工程空冷尖峰冷却系统改造工程，拟采用机械通风间接空冷系统改造方案，从技术角度分析是可行的。
（2）在电泵改汽泵的条件下，为了降低机组的夏季背压，增加机组夏季出力，必须增加机组排汽冷端的散热能力，才能降低汽轮机的排汽背压。空冷尖峰冷却系统改造工程是为有效的保证汽轮机铭牌出力要求，同时达到节能减排，安全经济运行目的而必须实施的改造工程。
（3）对空冷系统进行改造后，3号机组尖峰冷却系统按2×5段机械通风间冷塔配置，4号机组尖峰冷却系统按2×7段机械通风间冷塔配置，散热器高度按18m考虑。经计算，在满足背压30KPa的情况下，3号机组可实现向尖峰冷却系统分流的排汽量为233t/h，计算的环境温度为34.4℃。4号机组可实现向尖峰冷却系统分流的排汽量为298t/h，计算的环境温度为36.4℃。
（4）系统进行改造后，两台机组全年减少用煤量：2.44万t；
（5）系统进行改造后，两台机组全年减少SO2排放总量239.79吨，NOX排放总量179.84吨。是一项提高性能、降低能耗、减少排放、创造效益的绿色环保型综合改造工程。
（6）从经济效益分析，全年节煤带来的收益大于新增用电的支出，项目总体处于盈利水平。
（7）由于#3机组机械通风间冷塔布置在已建的#4机组主机直接空冷平台及预留的#5、#6机组主机直接空冷平台附近，彼此有无互相影响，应委托有资质的单位进行数模分析。
参考文献
[1]（DL/T 5339-2006）《火力发电厂水工设计规范》 2006-05-06发布；
[2]（GB 50660-2011）《大中型火力发电厂设计规范》2011-02-18发布；
[3]《电力工程水务设计手册》中国电力出版社/西北电力设计院编。
论文作者:赵莉,杨迎哲,李秀草
论文发表刊物:《电力技术》2016年第11期
论文发表时间:2017/3/1
标签：机组论文; 尖峰论文; 系统论文; 凝汽器论文; 汽轮机论文; 主机论文; 冷却水论文; 《电力技术》2016年第11期论文;