大唐甘肃发电有限公司工程管理部
摘要：大唐八○三发电厂“上大压小”（2×300MW）热电联产工程，汽轮机排汽拟用空冷系统冷却。因本地区的全年平均风速高（特别是夏季高温时），冬季环境温度低，而机组又在全年抽汽工况下运行，再加上冬季采暖，因此空冷系统的热负荷较少，这些都是影响空冷系统安全运行的不利因素。通过对该工程冷却系统型式进行初步分析、比较，以确定合适的冷却系统型式，来保证机组的安全满发。为了深入了解间接空冷系统的运用状况，客观认识直接空冷、间接空冷系统的特点及特性，结合大唐八〇三发电厂2×300MW热电联产前期工作的情况，确保间接空冷系统在我厂建设后能够正常投运，并达到节能的作用，对间接空冷的配置进行优化论证。
关键词：间接空冷；海勒式；直接空冷；机组选型
一、特点分析
（一）空冷系统型式简介及目前应用情况
空冷系统分为直接空冷系统和间接空冷系统。直接空冷系统根据通风方式分为机械通风和自然通风。间接空冷系统根据配用的凝汽器分为表面式凝汽器和混合式凝汽器，详见简图：.png)
各系统型式特点简述如下：
1、机械通风直接空冷系统（ACC）
该系统亦称为ACC系统，它是指汽轮机的排汽直接用空气来冷凝，空气与蒸汽间进行热交换，其工艺流程为汽轮机排汽通过粗大的排气管道至室外的空冷凝汽器内，轴流冷却风机使空气流过冷却器外表面，将排汽冷凝成水，凝结水再经泵送回锅炉。
机械通风直接空冷系统如图3-1。.png)
其主要特点有：
占地面积小。空冷器布置在汽机房前的高架平台上，平台下布置有变压器及配电间，从而减小了电厂的占地面积，可比间接空冷系统节省用地。
系统调节灵活，直接空冷系统可通过改变风机转速或停运部分风机来调节进风量，防止空冷器结冰，调节相对灵活，冬季运行防冻调节灵活可靠。
运行费用稍高。直接空冷全年风机耗电与间冷循环水泵耗电基本相当，但直接空冷优化方案的背压高于间冷优化方案的背压，因此煤耗较高。
受环境风影响大。
运行时噪音大。
真空系统庞大。汽轮机排汽需由大直径管道引出，冷凝排汽需要较大的冷却面积，从而导致真空系统的庞大，系统含氧量较高。
目前国内600MW及以上等级的在建和投产空冷机组大多数采用这种系统。
2、表面式凝汽器间接空冷系统（ISC）
表面式凝汽器间接空冷系统是指汽轮机排汽以水为中间介质，将排汽与空气之间的热交换分两次进行：一次为蒸汽与冷却水之间在表面式凝汽器中换热；一次为冷却水和空气在空冷塔里换热。系统流程为：汽机排汽进入凝汽器由凝汽器管束内的冷却水进行表面换热，凝汽器循环水排水由循环水泵打至空冷塔内的空冷散热器，空冷塔冷却水出水再回到汽机房凝汽器内作闭式循环。该系统根据布置不同分为水平布置表凝间冷和立式布置表凝式间冷。
水平布置表凝间冷系统指冷却散热器水平布置在冷却塔内，散热器材质为钢管、钢翅片。
立式布置表凝间冷系统指冷却散热器垂直布置在冷却塔进风口外侧。
表面式凝汽器间接空冷系统流程如图3-2。.png)
其主要特点有：
冷却水和凝结水分成两个独立系统，其水质可按各自水质标准和要求进行处理，系统便于操作。
系统完全处于密闭状态，虽没有数量众多的风机，但有循环水泵的耗电。
防冻控制较繁琐。
风筒式冷却塔占地面积大。
环境风对冷却效果有一定影响。
3、混合式凝汽器间接空冷系统（海勒Heller系统）
混合式凝汽器间接空冷系统采用具有凝结水水质的循环水，在喷射混合式凝汽器中喷成水膜与汽轮机排汽直接接触将其凝结。循环水吸热升温后大部分经循环水泵送到空冷塔的空冷散热器冷却，通过水轮机调压并回收部分能量后进入凝汽器。少量循环水量的凝结水经凝结水泵送到凝结水精处理装置，送到汽轮机回热系统。
带喷射式混合凝汽器的空冷系统是由匈牙利EGI的海勒教授所开发，故又称海勒（Heller）系统，目前在发电厂应用Heller系统的空冷散热器均为福哥型。
海勒（Heller）系统是采用福哥型散热器垂直布置于塔外进风口处的立式布置方案，其基管及翅片均为纯铝制成，强度较低，通常立式布置在塔进风口处。
混合式凝汽器间接空冷系统见图3-3。.png)
系统的主要特点是运行噪声小、对环境条件敏感程度较ACC略低，但也会受环境风的影响；缺点是风筒式冷却塔占地面积大、水质要求高、系统设备较多控制较复杂，防冻控制较繁琐。
4、国内外直接空冷、间接空冷系统运行、生产概况
4.1 国内外直接空冷ACC系统运行情况
目前国内在建和投产的600MW等级空冷机组绝大多数采用该系统。如大同二厂二期；托克托电厂三、四期；上都电厂一、二期；锦界电厂一、二期；宁夏灵武电厂等等。
国外也有较多业绩，如南非马廷巴电厂6×665MW、美国怀俄达克365MW等等。
4.2 国内外间接空冷系统运行情况
水平布置表面式间接空冷系统（ISC）在国外有南非肯达尔6×665MW，德国舒英豪斯1×300MW等运行业绩；立式布置表面式间接空冷系统在国内山西阳城发电厂的2×600MW已应用，机组已在2007年投入运行，采用的是福哥式散热器。
近年来随着单机容量增加，在国外混合式间接空冷系统技术也有较大发展，国外已有用于相当于200～550MW凝汽式汽轮机的发电厂业绩。国内宝鸡2×660MW机组正在进行施工图设计。
当今用于发电厂的空冷系统主要有三种：即直接空冷系统、带表面式凝汽器的哈蒙式间接空冷系统和带喷射式凝汽器的海勒式间接空冷系统，这三种空冷系统在我国都有应用。直接空冷系统初期投资较低，占地面积小，锅炉给水和冷却水系统分离，但是耗电多，运行效率及运行稳定性受自然风环境影响较大，噪音高，在极端气候条件下运行维护相对简单，由于主要考虑初期投资较大的因素，目前大多项目投资者更倾向选用直接空冷系统。间接空冷系统初期投资较高，占地面积大，运行中对水质要求较高，但运行费用低，维护简单，经济指标好，没有噪音污染，更符合建立节能社会的要求。
间接空冷目前采用较多的是海勒式间接空冷系统，海勒式间接空冷系统最早由匈牙利海勒教授于1950年在世界动力会议上首先提出，并于1962年最先应用于英国的拉格莱电厂一台120MW机组上。1987年，我国在大同二电厂两台200MW首次引进了匈牙利的海勒式间接空冷系统，从开始在我国运行距今已18年时间，后来，我国再没有引入该系统。海勒式间接空冷系统由喷射式凝汽器和装有福哥型散热器的空冷塔构成，由外表经过防腐处理的铝质散热器组成的“<”型散热器，系统中为中性冷却水，中性冷却水进入喷射式凝汽器与汽机排汽混合，并将其冷凝，大部分冷却水由循环泵送入冷却塔经与空气换热通过水轮机调压送入喷射式凝汽器进入下一循环，少部分经过精处理装置送到汽机回热系统。其散热器垂直竖向布置在冷却塔通风底部。海勒式空冷系统示意图见图1—1。.png)
图1—1海勒式空冷系统示意图
过去人们认识海勒式间接空冷系统的主要特点为：虽然喷射式凝汽器换热效率高，端差小，空冷机组的煤耗较低，但存在系统复杂、设备多、水质控制困难、系统控制调节困难等。但经过这些年的发展，海勒式空冷系统已经有了较大的进步，德国EGI公司已经发展到第五代福哥型散热器、控制系统可以更先进、喷射式凝汽器换热效率可以更高等海勒式间接空冷系统，目前已运用到600MW等级机组上。
作为间接空冷系统的一个重要形式，海勒式空冷系统在工程应用上应引起更多关注。
一、海勒式间接空冷系统设备与布置
海勒式间接空冷系统主要由喷射式凝汽器和装有福哥型散热器的空冷塔组成，循环水泵将热水输送到空冷塔散热器进行冷却，温度降低后经水轮机回收能量后返凝汽器。
1、铝管铝片散热器
铝管铝片散热器也称福哥型散热器，它是海勒式间接空冷系统的主要设备。福哥型散热器的传热元件由纯铝（99.5%）制成，具有传热效率高、加工制造简单、重量轻，运输方便、采用MBV法处理后防腐效果好等优点。
福哥型铝管铝片散热器主要技术数据如下：
温度范围：-60~110℃
最高压力：100kPa
散热器主要尺寸：翅片间距 2.88，翅片厚度 0.33mm，铝管外径18 mm，铝管壁厚0.75 mm，铝管长度：5000 mm，翅化比 14.3
翅片尺寸 598 mm ×150 mm
翅片与铝管连接方式：穿胀
管排数：6；管程数：2
福哥型散热器冷却柱：长×宽×高：2.4×0.15×5m
两个冷却柱以60°夹角组成一个冷却三角。三角形另外一边安装百叶窗，控制进风量，在冬季低气温季节关闭百叶窗，保护散热器。福哥型冷却三角见图3—1。.png)
图3—1 福哥型冷却三角
我国已于上世纪八十年代末期引进匈牙利的福哥型铝管铝片散热器的制造技术，生产的福哥型T-60型散热器已经得到匈方的验收认证。
福哥型铝管铝片散热器一般采用在塔外垂直布置的方式，这种布置方式应考虑环境大风对空冷塔散热能力影响的防范措施。
2、空冷塔
空冷塔是海勒式间接空冷系统重要组成部分之一，主要功能是布置和支撑散热器及有关管道，完成被冷却介质和冷却介质之间的热交换任务，为空冷散热器提供足够数量的空气流，并保证通过空冷散热器实现循环冷却水和空气之间的热量传递。
空冷塔的塔体设计与水冷塔稍有不同。表现在下列三点：
一是，间接空冷塔塔型与湿冷塔相比，相同高度时体型显得较粗，双曲线线形变化更趋于平缓。间接空冷塔外观图见图3—3。.png)
图3—3 间接空冷塔外观图
二是，由于进风口高度较高使支柱形成X型，且为了布置管道及运行、施工期使用方便，X型支柱的节点不在柱中心处而靠近上部（约在2/3处），使下部空间较大。间接空冷塔X型支柱外观图见图3—4。
图3—4 间接空冷塔X型支柱外观图.png)
三是，脱硫装置布置在冷却塔内并通过空冷塔排放烟气的塔体，仅在其喉部以上涂有防腐涂料。这一点与通过水冷塔排放烟气的塔体也有很大差别，此时一般在塔体的内外侧均涂满防腐涂料。
4、喷射式凝汽器
喷射式凝汽器是海勒式间接空冷系统的主要配套设备，是海勒系统专利技术之一，它具有体积小、投资低、热效率高、端差小等优点。
喷射式凝汽器的主要工作原理是：将冷却水从喷嘴喷出，形成水膜，与汽轮机排汽直接接触进行热交换。为了有效冷却汽气混合物中的蒸汽，要求后冷却器有过量的冷却水，形成凝汽器内过冷，过冷度为0.2～0.5 0C。
喷射式凝汽器由于喷嘴形成的水膜面积较大，凝汽器本身不需要太大的体积便可满足要求，但喷射式凝汽器的热井较大，需要容纳空冷塔中一个扇形段的水量，热井中由于储存了大量的凝结水，可以避免冷却塔在充水过程中水位波动过大而影响运行、热井水位波动小便于控制调节、可维持水泵净压头稳定。
喷射式凝汽器由：外壳、水室、后冷却器、热井、支撑结构组成。
喷射式凝汽器结构示意图见图3—9。.png)
图3—9 喷射式凝汽器结构示意图
喷射式凝汽器的布置原则与常规表面式凝汽器的布置原则是一致的，它布置在主厂房内汽轮机尾部的机座底层。由于喷射式凝汽器的外形尺寸较小，所以其安装高度可以通过调整其喉部长度来调整。但喷射式凝汽器安装高度的确定需要考虑汽机本体疏水扩容器的疏水和汽机本体疏水是否可以顺利输入凝汽器内，凝汽器的安装高度对循环泵地下室深度的影响。
喷射式凝汽器的喉部与表面式凝汽器的喉部很类似，末级低压加热器、低旁三级减温器均可以布置在喷射式凝汽器的喉部。
凝汽器与汽轮机的连接可以采用膨胀节进行柔性连接或刚性连接，土耳其Bursa电站和Gebze/Adapazari电站均采用膨胀节进行柔性连。
由于喷射式凝汽器内没有冷却管，所以不存在抽管的问题，不需要留出抽管空间。
5、预热/尖峰冷却装置
预热/尖峰冷却装置及其系统是在海勒式间接空冷系统的基础上附加的，其空气部分是由主冷却三角的底部经风道和风机与它连接起来，循环冷却水系统与主循环水系统进出口并联的。这种装置作为预热设备是在冬季使用的，可以启动它把塔内的热风吹入冷却三角（这时主冷却三角百叶窗是关闭的）起到预热的作用；在夏季风机反转，从塔外进来的冷空气由冷却三角底部吹入冷却装置，可以作为冷却设备使用，其实质是增大了热交换设备的换热面积，达到夏季满发和冬季防冻的效果。其工作原理图见图3—11。
夏季作为尖峰冷却设备原理.png)
冬季作为预热防冻冷却设备原理.png)
图3—11 预热/尖峰冷却装置工作原理图
bursa电站空冷塔内设有12个“w”型尖峰/预热冷却装置。见图3—12。
图3—12 Bursa电站预热/尖峰冷却装置布置图.png)
6.辅机冷却水系统采用机力通风间接空冷塔
为了最大限度的节约用水，辅机冷却水系统采用机力通风间接空冷塔，机力通风间接空冷塔可以在干、湿不同工况下运行。当环境气温在约30℃以下时，所有机力通风间接空冷塔在干工况下运行；当环境气温在超过30℃时，所有机力通风间接空冷塔在湿工况下运行，启动喷水系统，采用喷雾加湿的方法在高气温下降低循环水的温度。电站辅机冷却水系统机力通风间接空冷塔见图3—13。.png)
图3—13 Gebze/Adapazari电站辅机冷却水系统机力通风间接空冷塔
四 空冷散热器制造厂介绍
EGI空冷散热器工厂于1995年在匈牙利的马兹建厂，目前40％的散热器由该厂生产，使EGI公司的成本大大降低，该厂目前的年生产能力为250万平米散热器，可以生产不锈钢基管套铝片散热器和全铝材质的散热器。不锈钢基管套铝片散热器目前用于辅机冷却水系统。
该厂生产的是第五代全铝福哥型散热器，该散热器可以承受120bar 压力的水力冲洗，并现场进行了演示，实测喷水压力接近120 bar。
由于散热器进行了MBV处理，散热器的抗腐蚀、抗氧化能力大大提高，但对于尖峰散热器，在一年7000小时的运行时间内，有1000小时需要水喷淋，为了保持表面清洁及防止盐分侵蚀，散热器表面还要涂一层环氧树脂进行保护。第五代全铝福哥式散热器见图4—1。.png)
图4—1 第五代福哥型全铝散热器。
第五代全铝福哥式散热器的制作过程大致分为：翅片加工、组合散热器管束（包括胀管）、MBV防腐处理、水压试验等。
第五代全铝福哥式散热器的单片长度为5m，便于运输和组合，可以组合成15m、20m的散热器片。
三、间接空冷与直接空冷配置方案的技术比较
（一）环境气象条件影响
环境风对空冷系统的影响一般有两个方面，一是环境水平风速大导致风机、冷却塔供风能力下降，二是造成热风回流。
（1）采用自然通风冷却塔的间接空冷系统由于热风出口比冷却塔进风口高，300MW机组高差在140米以上，因此基本不存在热回流，直接空冷则不然，因此后者对布置方位的要求也较高。
（2）在大风时，由于风机静压增幅较大，直接空冷风机有可能进入喘振区，造成风机出力突然迅速下降、供风能力急剧恶化、背压陡然升高，严重时可致停机。本厂址10m和50m平均风速分别高达4.5m/s和5.6m/s，为克服环境风对空冷凝汽器的影响，可提高风机的转速，增加散热器的迎风面风速。但此时对风机的噪音要求就不能太苛刻。本工程初选φ9.144m风机，风机静压140Pa，风机风量500m3/s。
间冷塔的供风能力在大风时，虽然会显著下降，但却不会发生短时大突变。
因此在环境大风条件下，间冷机组的稳定性要好于直接空冷机组。
（二）真空泄漏
（1）间接空冷问题不大，与湿冷基本相当。
（2）但直接空冷真空容积大，各类焊缝近50000处，即使安装完毕取得很好的真空严密性，在运行一段时间后由于膨胀变形、振动等原因，可能会出现真空泄漏，从而造成背压升高，这是直接空冷机组在整个运行期间都需要面临和关注的问题。
（三）冬季防冻难度和运行调节灵活性
根据气象资料，厂址多年平均气温为8.4℃，极端最低气温为-29.7℃，因此空冷系统的防冻问题比较重要。
（1）间接空冷系统：需要通过切断部分冷却单元、依靠控制百叶窗的开启度来调节进风量进行防冻控制，控制较为繁琐，尤其是机组启、停阶段的运行有一定难度，需要积累经验。尤其本工程冬季要供热抽汽，可考虑冬季两机一塔的运行方式。
（2）机械通风直接空冷系统由于其结构的特点，空冷风机台数多，可以通过调节运行风机台数、关断部分配汽管等多种方式灵活调节解决防冻问题，国内对此系统已积累丰富的设计运行经验。
（四）噪音
（1）间冷系统可能产生噪音的设备主要是循环水泵、电动机等转动设备，由于布置在室内可以按常规要求既能满足噪声标准。
（2）直接空冷系统由于采用了大量的风机，风机群运行产生的噪音，可能在电厂厂界部分区域存在噪音超过环保标准的问题，需通过一系列防噪措施来解决，如采用普通低噪音低转速风机、设虚拟厂界等。
（五）散热器脏污影响和清洗性能
脏污的散热器换热性能会下降。
（1）散热器水平布置在冷却塔中，空气中的粉尘和飞扬絮状物对散热器的影响较小，脏污影响程度较小，可根据空气质量和环境条件决定冲洗次数。
（2）直接空冷系统散热器布置在35m高的平台上，沉积在散热器表面的脏污主要来自空气中的粉尘和少量飞扬絮状物，根据空气质量和季节情况一般3～6月冲洗一次。
（六）冷季运行背压
（1）直接空冷由于系统本身原因，最低运行背压一般只能达到8～8.5KPa，个别运行电厂冬季运行背压甚至达到10KPa以上，间接空冷系统如果冬季防冻等运行经验丰富，可以达到5～7KPa。（2）本地区气温在2℃以下全年平均出现小时数在2758h，采用间冷方式冷却系统最低运行背压可以比直冷低2～3KPa。全年冷季时间约占30%，可以从自然条件中获得良好的经济性。
（七）水化学处理系统
（1）表凝式间接空冷最为成熟，与湿冷相同，水汽系统可以采用中性工况，也可采用碱性水汽工况。水化学控制最容易。
（2）直接空冷系统机组热力系统在碱性水工况下运行，易于保证水汽品质，当汽水品质达到要求，也可以采用中性水工况运行。
四、空冷系统经济比较
（一）投资费用比较
由于发电厂设备尚未采购，相关的配合工作也尚需进行，以下费用仅作方案经济分析比较用，不完全代表实际投资运行费用。空冷系统费用均按国产设备计列。
2×300MW机组相对费用投资比较汇总估算表 单位：万元.png)
（二）年煤耗比较
年煤耗反映了电厂节能运行经济性，本工程初步比较见下表
2×300MW机组各系统耗煤量及煤价对比表.png)
三、结论
通过以上论证在大唐八〇三发电厂2×300MW热电联产机组选型采用间接空冷系统方案可行：
（一）、采用间接空冷有如下优点：
1、间接空冷系统基本无真空泄漏问题。
2、间冷系统产生噪音的设备主要是循环水泵、电动机等转动设备，由于布置在室内可以按常规要求既能满足噪声标准。
3、采用间冷方式冷却系统最低运行背压可以比直冷低2～3KPa，可以从自然条件中获得良好的经济性。
4、水化学控制最容易
5、标准煤耗比较
6、根据优化配置计算，本工程间接空冷系统背压在12～28kPa之间，直接空冷系统的背压在15～33kPa之间。间接空冷系统背压比直接空冷系统的背压低，单位kw.h的标准煤煤耗低于直接空冷系统，表凝式间冷系统的供电煤耗较之低2.84g/kw.h，即表凝式间冷系统每年的煤耗分别较直冷系统可减少1.04万吨，每年节省的煤耗费用为312万元。随着煤价不断的上涨，其经济效益越来越可观。
7、年净发电量比较
采用间接空冷系统的年净发电量比直接空冷却系统多30GW.h，按电价0.27元/KWh计算，年总净发电费用多810万元。
（二）、针对大唐八〇三厂冬季环境极端温度温度低，历史最低温度达零下31℃，采用间接空冷在冬季防冻调节方式中存在一些难题。为合理的处理该问题，应做到：在冬季运行过程中加强对循环温度的监控。如发现循环水温度低于设计值应及时调整百叶窗的开度。为保证百叶窗可以灵活开关，应加强对百叶窗传动及控制部分的检修和维护，可以有效的防冻。空冷塔内散热片共分8个扇区，每个扇区的散热片均可单独解列，这样在运行过程中处理个别泄漏的散热片。再就是要注意对散热片的清洗。
根据大唐八〇三厂所处的地理位置，一年中风沙天气较多，为避免由此引起的过大背压变动及换热效率下降，在选用间接空冷系统时，换热器的布置方式最好采用水平布置方式。
选用间接空冷系统时，应充分考虑工程项目实际条件，并提前招标。同时要充分考虑到凝汽器的设备采购、制造进度情况，循环水泵、水轮机、凝结水泵等的布置要求与厂房、主变布置的允许条件关系，水塔的布置条件等条件。在工程实施过程中，应尽可能最大程度提前确定空冷系统方案，必要时可在主机设备招标中对凝汽器等设备单独招标，如果有条件在主体工程初步设计开始时完成空冷系统招标最好，以便于充分协调设备采购和工艺设计的衔接问题。
作者简介：
罗伟（1963年11月），男，汉族，江苏兴化市，大唐甘肃发电有限公司工程管理部副主任，工程师。
论文作者:罗伟
论文发表刊物:《基层建设》2015年29期
论文发表时间:2016/9/19
标签：凝汽器论文; 系统论文; 喷射式论文; 散热器论文; 冷却水论文; 风机论文; 机组论文; 《基层建设》2015年29期论文;