氨水吸收式复合制冷循环电站空冷系统关键设备研究

2012-10-11郭海山王金龙

黑龙江电力 2012年1期

郭海山，邵毅，王金龙

(东北电力大学节能与测控技术研究中心，吉林吉林132012)

0 引言

我国是一个水资源相对匮乏的国家，而常规的湿冷电厂是用水大户。尤其在我国西北部地区，富煤缺水的矛盾尤为显现，因此，采用空冷机组是当今解决这一问题的有效途径［1］。

近年，中国杨善让［2］提出了蒸汽动力循环耦合正、逆制冷循环的电站空冷系统。该系统的工作分为环境高温时段和低温时段，高温时段通过氨蒸汽压缩机完成正制冷循环;低温时段通过节流阀完成逆制冷循环。鉴于压缩式复合制冷循环空冷系统高温时段氨蒸汽压缩机耗能巨大，低温时段没有充分利用环境低温资源的缺陷，陈立军等［3］提出了一种基于氨吸收式复合制冷循环的间接空冷系统，将氨吸收制冷工艺应用于汽轮机排汽冷却。若此技术的关键问题得以突破，将会应用于大型电站空冷系统中并产生较大的经济社会效益。因此，本文对氨水吸收式复合制冷循环电站间接空冷系统的一些关键技术进行了研究。

1 复合制冷循环电站空冷系统

1.1 氨水吸收式复合制冷循环系统

根据补偿方式的不同，制冷有蒸汽压缩制冷、蒸汽喷射制冷以及吸收式制冷等多种形式。压缩制冷以压缩机消耗机械功转变成热量的能质下降作为代价;而吸收制冷则是以高温热源向周围环境产热的能质下降以及少量的机械功(溶液泵)为代价。

在蒸汽压缩式制冷装置中，核心为压缩机;在氨水溶液吸收式制冷装置中，则采用了由吸收器、溶液泵、换热器、蒸汽发生器及调节阀所组成的溶液配置设备，吸收器的入口相当于压缩机的入口，发生器的出口则相当于压缩机的出口。

吸收式制冷是将经过蒸发器的低压制冷剂蒸汽转换为高压蒸汽，然后送往冷凝器冷凝。在压缩式制冷中，低压蒸汽变成高温高压蒸汽的过程是由压缩机来完成的，而在吸收式制冷中，制冷蒸汽的升压是由吸收器、发生器等设备完成的，外热源的加热使蒸汽发生器中的氨水溶液中的氨蒸发出来，同时氨蒸汽进入冷凝器，在调节阀与溶液泵的作用下，稀溶液被排走，浓溶液被补充，使得吸收器中的氨水溶液浓度保持不变。

1.2 氨水吸收式复合制冷循环空冷系统工作原理

氨水吸收式复合制冷循环间接空冷系统如图1所示。该系统是由一正序空气冷却循环和逆序空气冷却循环并联组成，根据环境气温及汽轮机负荷的变化切换运行方式和改变运行参数，确保汽轮机排汽参数长年恒定不变，从而达到与各种直冷、间冷系统相同的功能。

图1 氨水吸收式复合制冷循环空冷系统

氨水吸收式复合制冷循环空冷系统通过双相变换热器与相互并联的正、逆制冷循环相耦合完成汽轮机排汽冷却任务。在双相变换热器中发生两个相变过程:即汽轮机排出的饱和水蒸汽放出热量变为液态水;液态制冷剂氨吸收热量蒸发变为气态氨。

环境高温时段，空冷循环中的制冷剂液氨在双相变换热器中吸收汽轮机排出的乏汽所放出的热量，液态氨蒸发变为饱和氨气，随后饱和氨气经过冷却器将一部分热量传递给空冷散热器冷凝的液态氨，然后氨气进入吸收器、发生器等设备完成吸收、解吸，以达到提高氨气温度和压力的目的。升温升压后的氨气经阀门进入空冷散热器，在空冷风机的对流冷却下冷凝成液态氨，流入储液箱，然后从储液箱流出，经过节流阀等焓降压，使流过节流阀的液态制冷剂与双相变换热器冷却侧的参数几乎相等，然后液态制冷剂重新流入双相变换热器内进行吸热蒸发，完成正制冷循环(图1中实线所示)。

环境低温时段，通过蒸汽—氨气过热器将双相变换热器出口的饱和氨气加热为过热氨气，过热氨气进入氨气轮机带动发电机发电，氨气轮机排出的高温、高压气体进入空冷散热器，在空冷风机的作用下凝结为液态的制冷剂被收集到储液箱中，液态制冷剂经升压泵升压，与双相变换热器冷却侧参数匹配后进入双相变换热器，完成逆制冷循环(图1中虚线所示)。

基于以上理论，本文所构建的复合制冷循环空冷系统，可以维持汽轮机背压长年恒定在某个范围内不随环境温度变化而变化。实现这一目标并不复杂，只需在环境温度变化时根据“汽轮机背压变工况曲线”实时调节阀门9、10的开度(即调节进入空冷系统中的制冷剂流量)以及调节空冷散热器风机的转速大小即可。

2 系统关键设备设计方案

2.1 双相变换热器

双相变换热器采用管壳式结构，如图2所示。换热器壳侧下方设有抽气口，与真空泵连接。其壳侧运行压力为4.9 kPa，蒸汽凝结温度为32.5℃，换热器下部设置热井，凝结水经热井由凝结水泵打入启动锅炉或直接排放。进入双相变换热器管侧饱和液态氨的额定压力为1 083 kPa，蒸汽与氨的换热端差取为5℃，则氨的蒸发温度为32.5℃ －5℃ =27.5℃。在双相变换热器外部设置液位调节容器以保证饱和液态氨充满换热器管侧(图2未予标示)。蒸发后的氨的气液混合物进入液位调节容器的上部进行气液分离，氨气进入吸收器、发生器进行升温升压，液体氨进入蒸发式冷凝器进行下一次循环。

本文以氨为制冷剂的氨水吸收式复合空冷系统的计算采用600 MW凝汽式汽轮机机组为例。汽轮机的排汽量约为1 200 t/h(333.3 kg/s)，该汽轮机有四个排汽口，每个排汽口排汽量为300 t/h，根据相关文献，本文复合空冷机组设计背压取4.9 kPa，对应的排汽焓 2 544.47 kJ/kg，凝结水焓121.50 kJ/kg。所以制冷系统单位时间内(每秒)需要冷却的热量为

图2 双相变换热器设计图

Q=1 200 ÷3.6×(2 544．47 －121．50)=807 656kW。

双相变换热器是本技术新研制设备，已由上海电站辅机厂与上海风南公司按设计要求进行研制。

双相变换热器换热面积的计算:

1)双相变换热器采用钢管制造，查表知碳钢导热系数为 λ =49．8 W/m2·k，管径取50 mm，管壁厚度为3 mm。

2)双相变换热器换热系数的确定，管内氨液侧沸腾换热表面换热系数α1i采用文［4］计算，得到:

α1i=1．626 ×105W/m2·k;

管外水蒸汽侧凝结表面换热系数本文采用努谢尔特(Nusselt)公式计算:

得到:α1o=2 676．2 W/m2·k。

3)双相变换热器总传热系数为

2.2 多级空气冷却型氨吸收器

2．2．1 结构设计

本文吸收器是利用液体吸收剂对各种气体有着不同的溶解或吸收能力的机理，来达到分离气体的目的。由于系统设备部件较多，为了减少投资，本文采用单级氨水式制冷设备来冷却汽轮机排汽。进入吸收器中的是较纯的氨蒸汽，用作吸收剂的是稀氨水溶液，在吸收器中全部氨气都被吸收，吸收终了所产生的浓氨溶液由底部引出，而设备上部不再有其它气体。稀氨水溶液吸收氨蒸汽的过程中有大量混合热放出，为了保证吸收过程的有效进

4)双相变换热器总面积为行，必须将这部分热量排出给冷却介质。因此，吸收过程是一个既有传质又有传热的过程。

新型吸收器的设计采用吸收—冷却分体式结构，既保证了换热效果，又保证了结构紧凑，如图3所示，其基本换热单元为板翅式换热器，如图4所示，蛇形铝质翅片钎焊在铝制扁管外侧，扁管的内侧表面为强化换热表面(即三维粗糙元表面)，其中内侧为溶液通道，翅片侧为空气通道。

高温饱和氨气进入吸收器后，在经过多级板翅式换热器时，氨气沿吸收通道与经淋水盘下来的多股稀氨水水柱交叉接触而被不断吸收、溶解(图3中空心箭头标示其路径)。稀氨水吸收氨气放出的热量通过板翅式换热器的扁管壁面流下而被流经翅片通道的空气冷却。冷风由引风机输送。在通道内未被及时吸收的氨气再经过最后一级水冷，保证氨气被充分吸收。

2．2．2 换热面积计算

新型多级空气冷却型氨吸收器总传热系数约为1 500 W/m2·k，空气温升取10℃，则此吸收器的换热面积为

2.3 发生器

单级氨水吸收式复合循环电站空冷的热力系数很低，约0.15，这主要是由于作为吸收剂的稀氨水具有挥发性，从发生器出来的氨蒸汽不是纯氨，为提高单位制冷效率，发生器的上部需要加装精馏塔。采用精馏塔以及热交换器等提高效率的措施，可使复合循环电站空冷的热力系数达到0.50左右［5］。由于加装精馏装置，吸收器体积将变大。故发生器需经综合考虑确定，具体设计可参阅相关文献。

2.4 空冷散热器

本系统空冷散热器需通过具体的技术经济比较综合选定最佳型式，拟采用单排翅片管空冷散热器。翅片管管束组成的换热面与地面成60度角布置，整体成A字型，翅片管采用不锈钢扁平长管，翅片长200 mm，宽19 mm，厚度为0.35 mm，其具体型式如图5所示。

图5 空冷散热器设计图

1)管外空气强制对流表面换热系数

空冷散热器空气侧的表面传热系数采用杜小泽等［6］通过实验方法得出的关联式为

Nu=0.06Re0．76，

式中:Nu=α2ode/λa;Re=Vfde/va; 得到:α2o=39.7 W/(m2·k)。

2)管内氨蒸汽冷凝侧换热系数

换热系数计算公式为

得到:α2i=1．669 3 ×104W/(m2·k)。

3)空冷散热器总传热系数值为

4)空冷散热器的传热面积为

3 机组背压保持恒定的调节措施

要实现氨水吸收式复合循环空冷机组的背压长年保持在某一恒定范围，必须调节进入发生器的制冷剂氨的进量。在环境高温时段，若制冷剂氨进量不足，则双相变换热器的部分传热面不能吸收汽轮机排汽热量，影响其工作效率。相反，若制冷剂氨进量过大，将有部分氨没有参与吸收热量就被带入吸收器中，影响空冷机组经济性与稳定性。进入发生器中的制冷剂氨流量应结合“机组背压随环境温度变化关系”来综合调节，亦可采取自动测控技术进行调节。