蒸发式冷却器在600 MW机组中的应用

史文玎，寇德林，李启明

（京能山西漳山发电有限责任公司，山西长治046021）

蒸发式冷却器在600 MW机组中的应用

史文玎，寇德林，李启明

（京能山西漳山发电有限责任公司，山西长治046021）

京能山西漳山发电有限责任公司600MW机组由于基建期空冷设备选型及设备老化问题，近年来冷端冷却能力不足越来越突出，在夏季炎热天气经常出现限负荷运行。2013年采用蒸发式冷却器对空冷进行增容改造，改造后进行收益分析，反映出该技术经济效益可观、节能效果显著，对同类型机组节能改造有一定的借鉴指导意义。

蒸发式凝汽器；直接空冷；节能节水

0 引言

漳山发电二期2台600 MW直接空冷机组2008年相继投产发电，至今已经运行近7 a，直接空冷系统设计面积为128万m2，空冷散热器采用三排管束，在夏季空气干球温度为33℃，汽轮机在汽机额定负载TRL（turbine rated load）工况（汽轮机排汽量为1 332.277 t/h，排汽焓为2 537.8 kJ/kg）汽轮机排汽口处背压不大于34 kPa。由于空冷系统散热面积设计偏小，机组运行中背压偏高，夏季工况机组运行背压高达40～45 kPa，机组被迫降负荷运行，机组运行的安全性、经济性较低，因此非常有必要对汽轮机冷端系统进行改造，增加冷却能力，降低机组运行背压，提高运行的安全性和经济性。2013年漳山电厂率先引用蒸发式冷却器在600 MW机组上进行增容改造，改造后取得良好的效果。

1 蒸发式冷却器系统概述

火力发电厂由锅炉、汽轮机、发电机、凝结水泵和给水泵等组成。水在锅炉中被加热成蒸汽，通过主蒸汽管道进入汽轮机。蒸汽在汽轮机中膨胀做功推动汽轮机的转子转动从而带动发电机发出电。做完功的乏汽排入凝汽器或空冷岛进行冷却后进行下一个热力循环1-2-3-4-1。工质水的这种热力循环过程称为朗肯循环，如图1所示。根据热力学知识降低排汽压力可以有效提高热力系统的循环效率，降低排汽压力后的热力循环过程为1-2′-3′-4′-1，其中22′33′在图中围出的面积及为排汽压力降低多做的功。本文所述蒸发冷却器改造工程即是通过增大冷端换热面积降低排汽压力从而达到提高热效率的过程。

图1 朗肯循环

2 蒸发式冷却器的工作原理

与传统的湿式冷却塔及空冷系统相比，蒸发式冷却器是一种截然不同的换热设备。湿冷塔与空冷换热器都是通过冷介质在管外流动吸热升温冷却管内蒸汽，蒸发式冷却器却是通过管外冷却水蒸发吸热和对流换热相结合冷却管内蒸汽。不同的换热原理导致它们的结构也不相同，图2为一个蒸发式冷凝器单元的典型结构图。它从上到下主要由轴流风机、收水器、换热器、及冷却水系统组成。经过汽轮机做工后的乏汽，经过低压缸排汽管母管进入蒸发式凝汽器，换热器内与外部喷淋的冷却水进行热交换，蒸汽冷凝后回到汽轮机排汽装置热井，重新开始下一个热力循环。换热器管外喷淋水吸收乏汽热量后一部分蒸发成水蒸气，在轴流风机的作用下随着冷空气向上流动，运动的同时被冷空气冷却为液态水滴，在经过收水器时小水滴被截留流入下部水池；换热器管外还有一部分喷淋水没有被汽化的水直接流到下方水池。换热器上部的轴流风机一方面从周围吸进冷空气冷却汽化的水蒸气，同时也可使换热器内部保持一定的负压，降低水蒸气的饱和温度，提高冷却水利用率。

图2 蒸发式冷凝器原理图

3 蒸发式冷却器的特点

从蒸发式冷凝器工作原理可以看出，该冷却器与传统凝汽器及空冷散热器最大的区别是管外换热过程是一种结合相变的强制对流换热过程，换热系数远高于同等参数的湿冷凝汽器和空冷散热器，循环水单位吸热量大于传统凝汽器。其节能、节水效果不仅在理论上明显，而且在实际应用中得到很好的证明。

3.1 比空冷和传统湿冷机组循环热效率更高

蒸发式冷凝器的设计理念主要是通过水蒸发吸收汽化潜热实现换热，换热器管内凝结水温度极限趋近大气湿球温度，一般设计可以达到比空气的湿球温度高5～10℃[1]；而湿冷机组和直接空冷系统的换热过程均是通过显热传递实现的，其冷凝温度极限趋近于环境大气干球温度，但湿冷机组考虑到循环水温升与凝汽器端差，凝结水温度比空气的湿球温度高13～23℃[2]；而空冷机组考虑到设备投资及冬季运行防冻等因素，冷凝温度平均高于空气干球温度30℃。所以采用蒸发式冷凝器，热力循环平均放热温度更低,循环热效率更高。

3.2 与传统湿冷机组相比更节水

结合相变的对流换热系数要远远大于没有相变的换热系数，所以循环水单位吸热量大于传统凝汽器，同时蒸发式凝汽器在风机局部负压的作用下以相对较低的温度发生蒸发换热，水蒸汽分压力降低，饱和温度也降低，根据图1可以看出水的汽化潜热相应增大，进一步提高了循环水的利用率。布置于轴流风机上方的高效收水器又能有效避免水汽飘失，从另一方面防止水汽损失。文献指出与带湿冷塔的湿式循环冷却系统相比，蒸发式冷凝器的全年耗水量可降到前者的50%。

3.3 比传统湿冷机组节省运行费用

蒸发式凝汽器主要依靠换热器管外水膜蒸发带走汽轮机乏汽放出的热量，其换热系数高、循环水利用率高；与带湿冷塔的循环冷却系统相比，循环水量小于后者的1/3，因此水泵功耗显著降低，厂用电量进一步降低。

4 蒸发式冷却器改造技术实施

改造原理如图3所示，本次改造的本质就是扩大汽轮发电机组的冷端换热面积，在原空冷凝汽器的基础上并列安装若干单元蒸发式冷却器，本次工程采用洛阳隆化换热科技生产的FQN(Z)-11000型换热单元，每个换热单元的换热面积为11 000 m2，根据设计需要安装不同数量的换热单元。本工程是在原直接空冷系统中2根DN5500的大排汽管道上各接出一根DN3000管道，将汽轮机乏汽送至蒸发式凝汽器系统，图3中虚线包络部分为增加的蒸发冷却器系统。管道上设有膨胀节和电动蝶阀，膨胀节用以吸收管道的横向和轴向位移。电动蝶阀用于控制蒸汽的流向，当需要蒸发式冷却器投入运行时，打开管道上电动蝶阀使一部分蒸汽流至蒸发式凝汽器进行冷却，扩大汽轮机冷端换热面积，达到降低背压的目的，当环境温度较低不需要蒸发冷却器投入运行时，关闭阀门使低压缸排汽全部通过直接空冷散热器冷却。

图3 蒸发式冷却器改造示意图

根据斯必克冷却技术公司提供的计算数据，按机组目前空冷面积测算，在TRL工况：环境温度33℃时，机组负荷600 MW，如果机组运行背压保持20.0 kPa需要抽出蒸汽量452 t/h；如果机组运行背压保持18.0 kPa需要抽出蒸汽量540 t/h；如果机组运行背压保持15.0 kPa需要抽出蒸汽量673 t/h。根据当地气象条件，为保证机组在任何工况下运行背压保持20 kPa以内，选型计算时按照环境温度34℃，75%相对湿度，需配置28个FQN(Z)-11000型蒸发式冷却器单元。

5 改造验收

改造完成后机组TRL工况运行背压较改造前平均降低15.0 kPa，根据本地区气候条件（3月底—11月底）额定工况下运行背压可保持在20.0 kPa以内，能够保证机组在较经济背压下满负荷运行。改造前后典型工况下机组运行数据如表1所示。

表1 典型工况运行数据表

在试验工况（机组负荷599.75 MW，环境温度29.1℃）下，直接空冷系统和蒸发冷却系统并联运行，机组背压为20.03 kPa，经过环境温度修正到设计环境温度33℃和原空冷机组运行背压修正后，新增蒸发式冷却器与空冷系统联合运行机组运行背压为17.9 kPa，达到了设计值，满足运行需要。

收益计算:

改造前夏季满发背压：35 kPa；

改造后夏季满发背压：20 kPa；

夏季运行时间段：3月底—11月底（共8月）；

煤耗差：背压每降低1 kPa，煤耗减少1.25g/kW·h；

标煤价按：350元/t；

煤耗降低：（35-20）×1.25×24×30×8×60× 104=64 800 t/a；

煤耗费用降低：64 800×350=2 268万元/a；

电费消耗：2 540×2 160×0.4×2=438.912万元；

水费消耗：405×2 160×3×2=524.88万元；

大修费用：2 800×2%×2=112万元；

每年收益：2 268-438.912-524.88-112= 1 192.208万元。

建设项目建设投资4 512万元，通过计算可以看出，若不考虑折旧每年可以节省1 192.208万元，约4 a能够回收建设期投资。

6 存在问题

a)为保证蒸发式凝汽器内水汽流动畅通，蒸汽联箱与凝结水联箱之间设计有一连通管，但由于该连通管设计缺陷焊口容易出现断裂情况。在设备投产运行后发生多次该连通管断裂导致的汽轮机真空严密性差、水环真空泵电流高的问题，后经厂家调整处理后正常。

b)由于冷却水系统为开式循环水，水质相对较差，同时在蒸发式冷凝器中,随着水分蒸发,水中溶解的固体浓度就会不断提高,如果这些杂质和污物不能有效控制,就会引起结垢、腐蚀和泥浆积聚，从而降低传热效率。为了达到蒸发式冷凝凝汽器应有的水质要求，必须采取相应的水处理措施。目前本改造项目也只是采取一些常规的加药技术,同时通过排污控制循环水的循环倍率。从目前看效果不是太理想。

7 结束语

随着国家节能降耗力度不断加大，火电企业的节能降耗工作刻不容缓。根据上文的论述可以看出蒸发式冷却技术虽然存在一些问题，但不致命，其经济效益可观，节能减排效果显著。相比传统的湿冷效率高、补水率小；比空冷技术补水率高，但换热效率远远大于空冷散热器。弥补了传统湿冷技术的高耗水和空冷技术高背压的问题，有较大推广价值。该项目是国内蒸发式凝汽器在600 MW机组中的首次应用，可供同类机组参考借鉴。

[1]袁建新．蒸发式冷凝器的应用分析[J]．制冷，2000，19（2）：85-86．

[2]郭常青，朱冬生，闫常峰．蒸发式冷凝器在发电冷却系统中的研究与应用[J]．电站系统工程，2010，26（6）：27-30．

Application of Evaporative Cooler in 600MW Unit

SHI Wending,KOU Delin,LI Qiming
（BEIH Shanxi Zhangshan Power Co.,Ltd.,Changzhi,Shanxi 046021,China）

In recent years,due to the aging of equipment and equipment selection,the problem of poor cooling capacity of a 600MW unit in Shanxi Zhangshan Power Co.,Ltd.gets more serious.In the summer,limited operation often occurs.In order to solve the problem, evaporative cooler was used to increase the capacity of air cooling in 2013.After the reform,benefit analysis is carried out,the result of which shows that it brings considerable economic benefits and remarkable energy saving effect so that it has references for the same type of units.

evaporative condenser;direct air cooling;energy saving and water saving

TK172

B

1671-0320（2017）01-0034-04

2016-07-18，

2016-09-29

史文玎（1988），男，山西吕梁人，2011年毕业于山西大学热能与动力工程专业，助理工程师，从事汽轮机设备检修与节能管理工作；寇德林（1975），男，山西阳高人，2010年毕业于武汉大学热能与动力工程专业，工程师，从事汽机设备检修维护工作；李启明（1977），男，山西朔州人，2016年毕业于长沙理工大学热能与动力工程专业，助理工程师，从事汽机设备检修维护工作。