研究院科技信息简报第1期间接空冷专题.docx
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研究院科技信息简报第1期间接空冷专题
科技信息简报
2012年第1期
批准：
孙平
审定：
赵华
审核：
廖海燕
编制：
余学海张金升
神华国华研究院技术研究中心
2012年3月30日
目录
1前言1
2间接空冷系统工艺流程及特点2
3间接空冷系统发展现状5
4间接空冷和直接空冷比较7
5间接空冷技术应用前景10
6大型间接空冷技术应用条件11
7结论13
神华国华研究院技术研究中心2012年3月30日
间接空冷技术专题
来源：
新技术部
1前言
空冷系统主要指汽轮机的排汽通过一定的装置被空气冷却为凝结水的系统，它与常规湿式冷却方式（简称湿冷系统）的主要区别是避免了循环冷却水在湿塔中直接与空气接触所带来的蒸发、风吹损失以及开式循环的排污损失，消除了蒸发热、水雾及排污水等对环境造成的污染。
由于空冷方式用空气直接冷却汽轮机排汽或用空气冷却循环水再间接冷却汽轮机排汽构成了密闭的系统，所以在理论上它没有循环冷却水的上述各种损失，从而使电厂的全厂总耗水量降低80%左右。
采用空冷机组大大减少了电厂耗水，为水源的落实和项目的成立提供了便利条件。
特别对缺水地区，有着重要的意义。
用于电厂机组末端冷却的空冷系统主要有直接空冷系统和间接空冷系统，间接空冷系统又分为带表面式凝汽器（哈蒙式）和带混合式凝汽器（海勒式）的两种系统。
三种空冷系统在国际上都得到广泛的应用，技术均成熟可靠，国际上直接空冷系统最大单机容量为澳大利亚的KogenCreek电厂750MW，表面式冷凝器间接空冷系统的最大单机容量为南非肯达尔电站6X686MW，混合式凝汽器间接空冷系统的最大单机容量325MW（伊朗）。
我国目前己有华电宁武100OMW直冷机组、国电宝鸡电厂2×660MW超临界海勒式间接空冷机组和宁夏京能水洞沟电厂2×660MW超临界表面式间接空冷机组运行投产。
2间接空冷系统工艺流程及特点
间接空冷系统分为带混合式凝汽器（海勒式）和带表面式凝汽器（哈蒙式）。
2.1混合式间接空冷系统（海勒式）
混合式间接空冷系统工艺流程是---汽轮机尾部排汽排至安装在汽机房内的混合式凝汽器内与在喷射式凝汽器喷嘴中形成水膜的循环水直接接触冷却，混合的冷凝水一小部分精处理后送至再热系统，其余冷凝水经循环水泵升压后回至室外的空冷塔，进入安装在塔底部的表面式空冷凝汽器内与空气进行表面式换热冷却，冷却后的循环水通过水轮机或节流阀调压后回至混合式凝汽器循环使用。
混合式凝汽器的间接空冷系统主要由喷射式凝汽器和空冷塔构成。
系统中的冷却水是高纯度的中性水，中性冷却水进入凝汽器直接与汽轮机排汽混合并将其冷凝，受热后的冷却水绝大部分由冷却水循环泵送至空冷却塔散热器，经与空气对流换热冷却后通过调压水轮机将冷却水再送至喷射式凝汽器进入下一个循环。
空冷塔散热器外侧装有百叶窗，百叶窗的开度可调，可控制通风量，从而控制冷却性能。
当环境温度较低时，关闭百叶窗，防止散热器冻坏。
混合式间接空冷机组原则性汽水系统见图1。
图1混合式间接空冷机组原则性汽水系统
1、锅炉:
2、过热器;3、汽轮机;4、喷射式凝汽器;5、凝结水泵;6、凝结水精处理装置:
7、凝结水升压泵;8、低压加热器;9、除氧器:
10、给水泵;11、高压加热器:
12、冷却水循坏泵;13、调压水轮机;14、全铝制散热器;15、空冷塔;16、旁路截流阀;17、发电机
混合式凝汽器的间接空冷系统特点:
（1）优点是以微正压的低压水系统运行，凝汽器端差小，热效率高；年平均背压低，降低煤耗。
（2）缺点是两次换热，凝结水与循环水混合冷却，需要设一定规模的精处理设备，自动控制系统复杂；与其它空冷方式相比增设了水轮机和调节阀等设备，系统复杂，循环水泵必须紧靠凝汽器布置，为防止水泵汽蚀需设大型泵坑和大型冷却塔，基建投资高；全铝制散热器的防冻性能差。
2.2表凝式间接空冷系统（哈蒙式）
表凝式间接空冷系统与常规湿冷系统基本相同，不同的是空冷塔代替湿冷塔。
工艺流程为汽轮机尾部排汽排至安装在汽机房内的表面式凝汽器内，经与循环水换热后，由凝结水泵升压回至热力系统；换热后的循环水回至安装在室外空冷塔内的表面凝汽器内，与空气换热后经循环水泵升压，送回至汽机房内的表面式凝汽器循环使用。
表凝式间接空冷系统由表面式凝汽器与空冷塔构成，采用自然通风方式冷却，将散热器装在自然通风冷却塔中。
与常规的湿冷系统基本相仿，不同之处是用表面式对流换热的空冷塔代替混合式蒸发冷却换热的湿冷塔，通常用不锈钢管凝汽器代替铜管凝汽器，用碱性除盐水代替循环水，用密闭式循环冷却水系统代替开敞式循环冷却水系统。
表凝式间接空冷机组原则性汽水系统见图2。
图2表面式间接空冷机组原则性汽水系统
1、锅炉:
2、过热器;3、汽轮机:
4、表面式凝汽器;5、凝结水泵;6、凝结水精处理装置:
7、凝结水升压泵;8、低压加热器;9、除氧器;10、给水泵:
11、高压加热器;12、循环水泵;13、膨胀水箱;14、全钢制散热器15、空冷塔;16、发电机
表凝式间接空冷系统特点:
（1）优点是循环水与凝结水分为两个系统，水质可按各自的要求分别处理；系统简单、设备少，厂用电低；冷却水量可根据季节调整，在高寒地区，冷却水系统中可充防冻液防冻；空冷散热器在塔内布置，带负荷能力受大风影响较小。
（2）缺点是空冷塔占地大，基建投资多；系统中需进行两次换热，且都属表面式换热，使全厂热效率有所降低。
3间接空冷系统发展现状
我国于20世纪60年代开始进行火力发电厂空冷技术的研究，但都属于小型机组。
“七五”期间，我国从匈牙利进口两套200MW海勒式间接空冷系统设备，同时引进了海勒式系统的空冷技术，与东方汽轮机厂和电机厂生产的200MW汽轮发电机组配套，山西大同第二发电厂分别于1987年和1988年投产。
“八五”期间，太原第二热电厂的2台200MW供热空冷机组经论证，参照大同第二发电厂运行的实践，采用带表面式凝汽器哈蒙式间接空冷系统，表面式凝汽器采用黄铜管HSn70-1A，散热器是引进德国GEA公司技术生产的钢管钢翅片散热器。
从1992年起，哈尔滨发电设备制造基地为内蒙古丰镇电厂制造了4台200MW空冷机组，采用了海勒式间接空冷系统。
两个项目第一台机组均在1993年投入生产运行，积累了设计、制造、安装和运行经验，为发展我国大型空冷机组奠定了良好的基础。
在此之后，国内直接空冷技术迅猛发展，而间接空冷技术发展缓慢，直到2007年8月，山西阳城电厂投产了2×600MW亚临界哈蒙式间接空冷机组，是当时我国单机容量为最大的间接空冷机组。
2010年12月，国电宝鸡电厂2×660MW超临界间接空冷机组投产运行，为国内最大容量的海勒式间接空冷机组。
2011年3月，随着宁夏京能水洞沟电厂2×660MW超临界哈蒙式间接空冷机组投产，我国超临界间接空冷机组发展越来越壮大。
我国600MW等级的间接空冷机组业绩见表1。
表1600MW等级的间接空冷机组
序号
电厂名称
机组容量
间冷方式
供应商
设计院
投产时间
1
山西阳城电厂二期
2×600MW亚临界
表凝式
匈牙利GEA-EGI公司
华北院
2007.8
2
国电宝鸡电厂
2×660MW超临界
混合式
龙源总包、GEA设备
西北院
2010.12
3
宁夏京能水洞沟电厂
2×660MW超临界
表凝式
GEA（北京）
西北院
2011.3
4
华能秦岭电厂
2X660MW超临界
表凝式
SPX
西北院
2011.12
5
华能左权电厂
2X660MW超临界
表凝式
SPX
西北院
2011.12
6
华电魏家卯电厂
2X600MW超临界
表凝式
哈空调
华北院
在建
7
华电内蒙和林电厂
2X600MW超临界
表凝式
哈空调
西北院
山西院
在建
8
中国电力山西神头电厂
2X600MW超临界
表凝式
龙源EP
华北院
在建
从投产应用的600MW机组来看，主要为表凝式间接空冷系统，但国内在应用间接空冷系统的过程中，通过技术创新，衍生出了新的间接空冷系统，促进了间接空冷技术在中国的发展和壮大。
3.1SCAL间接空冷系统
北京国电华北电力工程有限公司提出了表面式凝汽器与铝制散热器垂直布置的SCAL型间接空冷系统。
该技术成功应用在山西阳城电厂二期工程2×600MW机组，于2007年7月投入正式运行，运行后的效果得到了各方面的认可。
SCAL型间接空冷系统主要由表面式凝汽器、循环水系统、铝管铝翅片散热器和空冷塔组成。
该系统既具有哈蒙式间接空冷系统冷却水系统和汽水系统分开，水质控制和处理容易的优点。
又具有海勒系统空冷塔体型小，占地省，基建投资少的优点。
该系统采用自然通风方式冷却，空冷散热器在塔底外围垂直布置。
散热器由外表面经过防腐处理的圆形铝管、套以铝翅片的管束所组成的A型排列的冷却三角组成。
凝汽器为不锈钢管，闭式循环水为碱性除盐水。
由于冷却水水温变化幅度较大，致使系统里冷却水容积发生变化，故在空冷塔内设有高位膨胀水箱，可对冷却水容积变化起到补偿作用以保持系统内的压力稳定。
3.2复合循环间接空冷系统（研究阶段）
复合循环间接空冷是指电站的蒸汽动力循环并联，正、逆制冷循环的串接耦合的新型带相变表面冷凝式间接空冷技术。
复合循环间接空冷是在常规间接空冷基础之上衍生出来的，它拥有直接空冷和间接空冷系统所具有的优点，具有高节水率、与湿冷机组相近的发电煤耗、环境适应能力强、能实现全年满发、无冻害等优势。
研究表明复合循环间接空冷系统是可行的，将来有望成为火电厂冷凝系统重要的研究方向。
4间接空冷和直接空冷比较
4.1间接空冷与直接空冷主要特点比较
与直接空冷系统相比，间接空冷系统主要具有汽轮机运行背压较低、转动设备少，运行维护成本低、厂用电低、受风力和风向影响小、噪声小、占地面积大，初投资高等特点，详见下表2。
表2间接空冷与直接空冷主要特点比较
序号
比较项目
直接空冷系统
间接空冷系统
1
布置形式
汽泵的冷却与主机分开，汽泵的排汽不能进入主机冷却系统，一般需要单独配置间冷系统作为辅机冷却系统。
直冷系统的主要设备布置在离主厂房位置比较近的区域里。
采用表面式凝汽器或直接接触喷射式凝汽器，铝管铝翅片塔内垂直布置方式，小机排汽可以引入主机凝汽器，不需要单独配置辅机冷却系统。
并且间冷系统的设备布置方式比较灵活，可以靠近主厂房也可以布置在离主厂房较远的距离。
2
防冻性能
直接空冷系统需要采用适当的顺逆流比例配置，同时采用调频电机，通过程序控制风机，调节空冷凝汽器的进风量，达到防冻的目的。
对于间冷系统的防冻只需通过百叶窗的开度来调节循环水系统的水温，达到防冻的目的。
GEAEGI公司的最新热交换器技术-第六代福哥式热交换器采用双通道叉逆流形式，其相对于单通道叉流形式，能大大提高防冻效果。
3
噪声问题
由于大量风机的采用，造成噪音大。
间接空冷塔基本无噪声。
4
运行检修
直接空冷系统简单，设备少，但大型轴流风机多，检修维护工作量很大。
间冷系统增加了中间的冷却环节，所以系统比较复杂，但是由于设备不含风机等易损件，并且间冷技术已经成熟可靠，尤其是采用直接接触喷射式凝汽器，因凝汽器内部不含有管子，所以不存在管子泄露维护的问题，因此检修工作量很小。
5
夏季热风
直接空冷机组存在着夏季热风再回流的影响，国内外均出现过夏季因热回流造成机组跳闸的现象。
调节空冷塔进风口的百叶窗，可以大大减少风对间冷系统的影响。
夏季防范热风的能力强于直接空冷。
6
节能减排
直接空冷系统为了满足夏季满发的优化设计，在大气温度为30℃的时候，汽机背压为30kPa，最低背压一般在10kPa左右。
间冷系统为了满足夏季满发的优化设计，在大气温度为30℃的时候，汽轮机背压小于30kPa，实际运行值为27.5kPa，最低背压可以达到6-7KPa。
背压相对于直冷系统可以大大降低。
4.2间接空冷和直接空冷经济性比较
从目前国内外投运的空冷电站来看，直接空冷系统和间接空冷系统都有600MW等级机组运行，为了便于比较，选择某地区的某项目（2台600MW机组）作为比较对象，进行直接空冷方案和间接空冷方案比较，详见表3。
方案采用同一汽轮机厂家生产的空冷汽轮机，夏季满发气温相同。
根据以上条件，进行直接空冷系统和表凝式间接空冷系统的经济性比较，结果见表4。
表3直接空冷和表面式间接空冷系统方案
项目
方案1（汽轮机直接系统，小机单独采用湿冷）
方案2（表凝式间冷方式，小机排汽直接进入汽轮机冷却塔）
TRL
TMCR
TRL
TMCR
设计背压/kPa
30
13
27
10
设计环境气温/℃
27.5
12
27.5
12
表4直接空冷和表面式间接空冷经济性比较
项目
直接系统
表凝式间冷系统
空冷系统投资（主冷却系统）
42500
48000
小机冷却系统+辅机冷却系统
1400
0
征地费用差值
0
450
总投资
43900
48450
总投资之差
0
4550
总投资折合到年分摊费用
3823
4220
年分摊费用差值
0
397
年燃煤费用差值
0
-922.8
年费用差值
0
-525.8
注：
数据引自北方联合电力有限责任公司和西安热工研究院的研究报告
上表计算数据仅做参考，针对具体的项目，需要具体分析，一般来说，间接空冷系统相比直接空冷系统占地面积更大，占地费用更高，初投资也更大，但间接空冷系统可以利用空冷塔内部剩余的空间将烟囱和脱硫装置布置在空冷塔内，空冷塔内约50米的烟囱可代替传统的250米烟囱，实现空冷排烟和脱硫多塔合一，这将有利于降低间接空冷系统设备初投资，增加市场竞争力。
从运行成本来看，间接空冷系统比直接空冷系统具有优越性。
主要体现在背压和电耗方面，间接空冷机组年平均运行背压比直接空冷机组低，发电煤耗更低，电厂煤价越高，获得的经济效益越好。
间接空冷系统的电耗设备主要是循环水泵，而直接空冷系统需要大量的风机，不但电耗大，检修维护费用也更高。
5间接空冷技术应用前景
2003年开始，直接空冷系统凭借其设备简单、操作方便、与间冷比较低的投资、独特的单排管凝汽器等特性，在我国富煤缺水地区发展迅速，速度之快令人惊叹。
但是直接空冷系统对环境气象条件较敏感且不可避免，导致其实际背压高于设计背压，实际煤耗大于设计值，厂用电较高，夏季高温时段不能满负荷运行等缺陷，造成其运行经济性偏低。
另外，我国大规模规划发展直接空冷系统之初，是建立在当时煤价较低的条件下的，但目前煤价居高不下影响了电厂的经济性。
而间接空冷机组对环境变化具有较强的适应能力，比较适合应用于超（超）临界机组。
在电煤价格不断上涨的新形势下，一批批600MW超临界间接空冷机组的投产和建设说明间接空冷机组的整体经济性越来越体现出其优势。
我国通过对间接空冷技术的应用，实现了技术创新，如SCAL型间接空冷系统的成功运用给间接空冷技术带来更多的经验和启示，并使排烟间接空冷塔的应用范围得到扩展。
可以说SCAL型间接空冷系统使间接空冷技术进入向多元化和大机组容量快速发展的时代。
6大型间接空冷技术应用条件
空冷机组直接或间接以环境空气作为汽轮机排汽的冷却介质，因此环境气象条件，如气温、风速、风向的变化将会显著影响空冷机组能否安全高效地运行。
此外，空冷电厂内的建筑物如锅炉房、汽机房等，由于与空冷平台或间接空冷塔的距离较近可能会影响空冷平台或空冷塔的冷却空气流场，从而影响直接空冷凝汽器或间接空冷散热器的传热性能。
因此空冷系统的形式选择，会因为不同工程的关键影响因素（如：
厂址占地的限制、总平面规划的制约、业主对年净供电量的要求、初投资的控制等）的不同，而得出不同的结论。
目前直接空冷和间接空冷系统在国内都得到广泛的应用和发展，技术上成熟，运行可靠。
若工程考虑节约投资，并且厂址所处区域的风向、风频稳定，平均风速不是很高，不会对直接空冷系统的运行安全性造成太大影响的情况下可选用直接空冷方案；若厂址所处区域的风向、风频不稳定，平均风速较高，且重视机组的运行成本、发电收益，考虑电厂运行可靠性、能源利用效率和环境保护，厂址区域对烟囱有限高要求等因素，在厂区面积许可的条件下可选用间接空冷方案。
间接空冷系统的应用条件：
（1）核电站为避免核辐射需将汽水系统与冷却水系统严格分隔开，因此适宜采用表面式凝汽器间接空冷系统，而直接空冷与混凝式间接空冷两种系统都不适应。
（2）我国对空冷燃煤机组的运行调度要求在夏季多发电，因直接空冷系统在夏季满发时，凝结水精处理树脂耐温受限，表面式凝汽器间接空冷系统凸显其优点。
（3）超临界或超超临界参数大容量燃煤机组适合于表面式凝汽器间接空冷系统。
因为该参数下的电站锅炉为直流锅炉，给水品质要求严格，凝结水精处理必须在线有效运行，而表面式凝汽器间接空冷系统与给水无关，故可保障实施。
（4）燃煤电厂的厂区需有足够大的场地，可容纳庞大尺寸的空冷塔。
（5）进电厂煤价、发电成本价都较高时，宜采用间接空冷系统。
因为进厂煤价高，宜选用汽轮机背压稍低的机组；发电成本高，宜选用厂用电消耗较少的自然通风空冷系统。
（6）当业主要求空冷燃煤机组的发电年利用小时数较高时，如南非国肯达尔电厂要求该值高达6900h时，采用表面式凝汽器间接空冷系统发电成本较低。
（7）扩建300MW或600MW空冷机组时，因主厂房A列柱外场地有限，不能布置直接空冷岛时，只能在扩建端场地上布置尺寸庞大的空冷塔，这时间接空冷系统就较适宜。
（8）在学校、疗养院等要求安静环境下的附近扩建或新建空冷电厂时，环境安静提至首位，这时，采用间接空冷系统有利。
（9）当厂址的年均风速U≥4m／s，且占全年20％及以上，最大风速达20m／s以上，夏季炎热期气温高达40℃以上时，宜采用间接空冷系统。
因为环境大风和高气温对直接空冷机组运行安全性有直接威胁。
（10）当厂址全年有两个相反的主导风向时，直接空冷岛的进风侧的朝向是很难解决的问题。
而间接空冷系统四周进风，虽稍许影响带负荷能力，不会影响安全发电，此种情况应采用间接空冷系统。
（11）采用混合式间接空冷系统还是表凝式间接空冷系统，对具体工程应做具体分析，如从国内发展趋势、运行安全性和国产化率等方面考虑，优化后的表凝式间接空冷系统应用将更广泛。
7结论
目前直接空冷、表凝式间接空冷、混合式间接空冷系统在国内都得到广泛的应用和发展，技术成熟，运行可靠。
在总结国内外已投运的空冷电厂的经验基础上，各新建电厂应根据当地的实际情况综合考虑一次性投资、厂用电率、煤耗、维护费用、防冻能力等情况，选择合适的空冷系统。
从大型空冷技术的发展来看，随着国内煤价不断上涨，间接空冷机组以发电煤耗低、环境适应能力强、能实现全年满发等特点，整体经济性优势越来越得到体现。
国内发电企业和设计院通过对间接空冷技术的应用和创新，促进了间接空冷技术的发展和壮大，具有良好的发展前景。
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