发电厂空冷系统及运行中的若干问题.docx
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发电厂空冷系统及运行中的若干问题
发电厂空冷系统及运行中的若干问题
【摘要】目前，我国一些水资源少的地区的火电厂以投运了直间空冷发电机组，但在运行中也出现了若干问题。
本课题主要介绍直间空冷机组的特点及发展情况，并对运行中存在的大风的影响，热风在循环，凝结水精处理及冬季防冻等问题进行了讨论，并找出相应的解决措施。
【关键词】直接空冷系统空冷发电机组热风再循环空冷凝汽器抽气系统通风系统凝结水精处理大风影响
Thepowerplantgetsaircoolingsystemandcirculatessomemediumproblems
【Abstract】Atpresent,China'swaterresourcesinsomeareasoflessthermalpowerplanttoputintooperationbetweenthedirectair-cooledgenerators,Butalsointheoperationofanumberofproblemsemerged.Themaintopicondirectair-coolingunitsbetweenthecharacteristicsanddevelopment,andoperationofthewind,hotaircirculatingwater,condensatepolishingandwinterantifreezeandotherissueswerediscussed,andtoidentifysolutionsaccordingly
【Keywords】Directair-coolingsystemAir-cooledgeneratorsHotairrecirculationAir-cooledcondenserExhaustsystemsVentilationSystemCondensatePolishingGaleimpact
一发电厂空冷系统
1．1发电厂空冷系统主要类型和特点
发电厂空冷系统也称干冷系统。
它是相对于常规发电厂的湿冷系统而言。
常规发电厂的湿冷冷却塔（凉水塔）是把塔内的循环水以“淋雨”方式与空气直接接触进行热交换的，其整个过程处于“湿”的状态，其冷却过程称为湿冷系统。
空冷发电厂的冷却塔，其循环水与空气是通过散热器间接进行热交换的，整个过程处于“干”的状态，所以空冷塔又成为干式冷却塔或干冷塔。
发电厂空冷系统有三种冷却形式:
（1） 直接空冷系统，冷却元件主要是大口径椭圆管套片型翅片管（简称双排管）和大口径扁管型翅片管（简称单排管），直接空冷系统是将汽轮机的乏汽引入粗大的排汽管道，送到室外的空冷凝汽器内，轴流冷却风机使空气流过散热器外表面，将乏汽在散热器内冷却成水。
该系统一般与高背压汽轮机配套。
（2） 混合凝汽式间接空冷系统，简称海勒式间接空冷系统，冷却元件是福哥（Forgo）型翅片管，冷却水进入凝汽器直接与汽轮机乏汽混合并将其冷凝。
冷凝混合后的水绝大部分由冷却水循环泵送至空冷塔散热器，与空气进行表面式换热冷却后，通过调压水轮机返回到喷射式凝汽器。
还有少部分水经过凝结水精处理装置处理后作为锅炉给水。
该系统可与中背压汽轮机配套。
3） 表面凝汽式间接空冷系统，简称哈蒙式间接空冷系统，冷却元件是小口径椭圆管套片型翅片管，它是在海勒式间接空冷系统基础上发展的，所不同的是冷却水与汽轮机排汽不相混合，进行表面换热。
这样可以满足大容量机组对锅炉给水水质较高的要求。
目前国内外发电厂空冷分为二大类：
一是间接空气冷却系统，二是直接空气冷却系统。
其中间接空气冷却系统又分为混合式空气冷却系统和表面式空气冷却系统。
世界上第一台1500KW直接空冷机组，于1938年在德国一个坑口电站投运，已有60多年的历史，几个典型空冷机组是：
1958年意大利空冷电站2X36MW机组投运、1968年西班牙160MW电站空冷机组投运、1978年美国怀俄明州Wodok电站365MW空冷机组投运、1987年南非Matimba电站6X665MW直接空冷机组投运。
当今采用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；采用混合式凝汽器间接空冷系统的最大单机容量为300MW级，目前在伊朗投运的325MW（哈尔滨空调股份有限公司供货）运行良好。
全世界空冷机组的装机容量中，直接空冷机组的装机容量占60％，间接空冷机组约占40％。
冷却系统
直接空冷
间接空冷
混合式凝汽器
表面式凝汽器
运行效果
良好
冷却系统
直接空冷
间接空冷
混合式凝汽器
表面式凝汽器
适带负荷
不宜带尖峰负荷
可带尖峰负荷
不宜带尖峰负荷
防冻经验
经受-43摄氏度
有一定防冻经验
热风再循环
有
无
国内使用情况
无大机组运行
已有200MW机组运行
已有200MW机组运行
厂用电
风机耗发电功率2％
泵耗发电功率的0．3％
占地面积
～15
40～60
散热面积
投资
100％
～150％
1．2汽轮发电机采用空冷的优缺点
由于空气的一些技术性能不如氢气和水（见表1）,因此,几十年来各国的电力设备制造公司都大力发展氢气和水冷的冷却方式来提高发电机的单机容量。
但近年来,由于科学技术的进步,应用空气冷却的技术有了很大的发展,20世纪50～60年代,小容量的空冷发电机采用开启式冷却,容量稍大的采用密闭式冷却,这均属间接冷却（外冷）。
现在大多采用类似氢气直接冷却（内冷）技术,使单机容量不断增大,发电机的性能也得到了较大提高。
西门子公司曾对容量基本相同的空冷和氢冷发电机的性能作了对比,比较结果如表2所列。
表1 空气、氢气和水主要性能比较[2,7]
名称
相对比热
相对密度
相对体积流量
相对散热能力
空气
1.0
1.0
1.0
1.0
氢气（0.2MPa）
14.36
0.21
1.0
3.0
氢气（0.3MPa）
14.36
0.26
1.0
4.0
水
4.16
1000.0
0.012
50.0
从表2可以看出,空气冷却发电机采用新的技术后,其性能有较大提高,基本接近于同容量的氢冷发电机,例如效率是一个主要指标,在满负荷时与氢冷发电机相比只低0.16％。
表2 某电站新、老型氢冷发电机及新型空冷发电机主要技术性能比较[1]
项目
氢冷发电机（老一代产品）
新型空冷发电机
氢冷发电机（新一代产品）
安装年份
1960
1992
-
冷却气体
氢气
空气
氢气
氢气压力/MPa
0.4
-
0.4
视在功率/MVA
166.7
191
200
功率因数
0.75
0.8
0.8
额定电压/kV
10.5
10.5
10.5
额定电流/kA
9.16
10.5
10.5
冷却系统
定子绕组
间接
间接
间接
转子绕组
直接轴向
直接径向
直接径向
效率/％
（额定功率因数①）
满负荷
98.34
98.51
98.67
3/4负荷
98.34
98.38
98.74
2/4负荷
98.14
97.97
98.67
1/4负荷
97.12
96.48
98.84
短路比
0.62
0.51
0.52
D2IE②/％
100
120
85
线负荷/A·cm-1
1250
1250
1560
注：
①表中数据已考虑了励磁损耗;②D2IE为转子体积
1 空冷发电机的优点
（1）本体和辅助系统结构简单。
与氢冷发电机相比,不需要承受压力较高、结构复杂的密封装置,不需要氢气发生装置及相应的氢气系统的监控和置换等设备,机壳相对减薄。
与水冷发电机相比,省去了内冷水系统及其水密封装置。
因此,空冷发电机与氢冷、水冷发电机相比,结构简单、节省材料、人力,减少制造工时,从而可降低制造成本,使用单位可减少一次性投资。
（2）运行可靠。
氢冷发电机冷却介质--氢气是可燃性气体,运行中氢压较高容易泄漏而发生着火爆炸,造成机毁人亡,国内外都发生过此类事故。
水冷发电机在导体内通水,如接头焊接质量不良、导体检验不严格,则易发生漏水事故,从而引起绕组短路接地扩大事故,造成长期停机修理,影响机组可用小时数,降低可用率。
而空冷发电机因其本体和辅助设备简单,从而避免了上述两种冷却方式发电机的事故,而提高了运行可靠性。
（3）安装工程量相对较少,可节省人力和时间。
（4）检修工作量小。
因本体和辅助系统结构简单,因此,检修工作量相对而言可较少,从而可省时、省料、省人力、省检修费用。
提高了利用小时数和利用率,提高了经济效益。
（5）运行中启停方便。
空冷发电机在常压下运行,结构简单,不需要像氢冷、水冷发电机那样操作复杂,而使启动花时较长,运行人员较多。
空冷电机启停需时较短,操作简便,运行人员较少。
适用于蒸汽联合循环机组和调峰燃气轮机组以及配套汽轮机作调峰运行。
可以节省运行费用。
（6）减少对环境的影响。
氢气一旦泄漏,有爆炸危险对厂房内空气有污染,而空冷机即使泄漏没有危险也不会造成空气污染。
2 空冷发电机的一些缺点
（1）效率比氢冷和水冷发电机相对较低,因为空气的导热、传热性能比氢和水要差。
一般来说,比同容量的氢冷发电机低0.1％～0.2％。
（2）运行时噪声可能较大,需要采取有效措施降低噪声。
1.3我国采用空冷发电机的前景
我国目前总装机容量已达3亿kW,其中火电机组约占3/4,火电机组中100～210MW的机组台数居多,100MW以下容量的机组台数也为数不少。
有相当一批50MW及以下的发电机是50～60年代投运的,已超期服役多年,应该淘汰了;有一部分100～210MW汽轮发电机,例如100MW氢冷、125MW双水内冷和200MW氢冷发电机是60～70年代投运的,也接近退役年限。
如果以上这些发电机可以更换的话,则有几千万千瓦的容量,数量是可观的。
今后如果空冷技术不断改进提高,能应用到300MW级机组上,那么今后可采用300MW级的空冷发电机来替代目前的双水内冷式水氢冷的300MW以下汽轮发电机,因此,可以说空冷发电机在我国电力系统中是大有市场的。
空冷发电机的生产除应满足100MW及以下中小容量机组改造的需要外,还应向200MW级和300MW级的空冷发电机发展。
目前国内在改造200MW的汽轮机,容量可提高到210～220MW,因此,空冷发电机应随之相匹配。
另外,有一部分300MW双水内冷汽轮发电机,是70年代或80年代初投运的,运行有20多年了,也接近运行退役年限,因此可以做些技术储备,需要时生产300MW空冷发电机替代退役的发电机。
因此,可以说发展大中型空冷汽轮发电机前景是广阔的,适当的采用空冷发电机对电力系统来说也是经济的。
1.4空冷技术在我国的应运
我国是一个以煤炭资源为住的能源大国，其中燃煤发电量约占全部电源的70%，而且在近期也不会改变这种电力能源以煤电为主的比例。
我国还是一个严重缺水的国家，水资源的短缺已经成为制约社会经济发展的主要因素。
电力行业建设采用大型空冷机组是非常经济而有效的一项措施。
随着我国西部大开发、西电东送北通道的开通，我国北部地区的晋、陕、宁、蒙四省区的电力工业得到迅猛发展，而建设大型火力发电厂需要充足的冷却水源。
这些地区的优势是煤炭资源丰富，而劣势是水资源匮乏，利用丰富的煤炭资源和有限的水资源发展火电工业，就需要采用新的冷却方式来排除废热，直接空冷系统因其技术逐渐成熟，节水效果显著，可调效果好，因此在我国山西、内蒙古等产煤区所新建单机容量为300MW以上机组的电厂均采用空冷技术。
空冷机组的技术经济指标
序号
电厂名称
空冷机组的技术经济指标
机组
容量
风机
群总
功率
风机群总功率与机组额定功
率之比
年均
供电
煤耗
发电
装机
取水
量
发电
机组
全厂
热效
率
与湿冷机组比
年节
水率
年均节水量
1
宝日希勒发电
600
338
0．15
40．3
2
陕西国华锦界能源
600
6．16
1
332
0．46
40
80
500万
3
山西大唐云冈热电
200
2．16
1．08
0．47
70．1
4
国电大同发电
600
5．02
1．232
343
0．16
39．6
75
5
内蒙古托克托电厂
600
5．04
0．84
352
0．18
37．8
69
749万
6
山西保德矸石电厂
135
1．2
0．88
351
0．16
35
78
170586
7
鄂尔多斯发电厂
600
4．39
0．73
306
0．13
40．5
84
944万
8
青山电厂
300
3．3
347
38．9
1.5直接空冷技术的发展趋势
5.1直接空冷机组朝着高参数，大容量方向发展
由于空冷凝汽器制造技术不断发展，解决了直接空冷技术在应运上的诸多难题，使其优点更为突出，为其在大容量机组上的应运铺平了道路。
直接空冷机组的参数和容量也在不断增大，由原来的超高压，亚临界向超临界，超超临界发展。
我国哈尔滨汽轮机制造有限公司已和大同二电厂签署了制造2台600MW超临界直接空冷机组的协议。
不久的将来，超超临界直接空冷机组也会问世。
5.2空冷散热器向＂大而少＂方向发展即空冷凝汽器的管排数减少，长度增大。
5.3通风方向趋向＂多样化＂
5.4应用范围扩大
二发电厂直接空冷系统
2.1直接空冷系统简介
直接空冷系统，又称空气冷凝系统。
直接空冷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。
所需冷却空气，通常由机械通风方式供应。
直接空冷的凝汽设备称为空气凝汽器，它是由外表面镀锌的椭圆形钢管外套矩形钢翅片的若干个管束组成的，这些管束亦称为散热器。
直接空冷系统的流程图如图1所示。
汽轮机排汽通过粗大的排汽管道送到室外的空冷凝汽器内，轴流冷却风机使空气流过散热器外表面，将排汽冷凝成水，凝结水再经泵送回汽轮机的回热系统。
图1 直接空冷系统的流程图
空冷系统建筑规模庞大，一般称为空冷岛。
包括凝结水系统（凝结水箱）、真空疏水系统（包括疏水泵）、排气/抽气系统（水环泵单元）、空冷凝汽器（ACC）等四套系统。
通过DCS集散控制系统，实现对这四套系统的自动检测、自动调节、顺序控制、自动保护等自动控制功能。
2.2直接空冷系统具有主要特点
（1）背压高；
（2）由于强制通风的风机，使电耗大；
（3）强制通风的风机产生噪声大；
（4）钢平台占地，要比钢筋混凝土塔为小；
（5）效益要比间接冷却系统大30％左右，散热面积要比间冷少30％左右；
（6）造价相比经济。
2.3直接空冷系统的组成和范围
3．1 直接空冷系统的热力系统
直接空冷系统，即汽轮机排汽直接进入空冷凝汽器，其冷凝水由凝结水泵排入汽轮机组的回热系统。
3．2 直接空冷系统的组成和范围
自汽轮机低压缸排汽口至凝结水泵入口范围内的设备和管道，主要包括：
（1）汽轮机低压缸排汽管道；
（2）空冷凝汽器管束；
（3）凝结水系统；
（4）抽气系统；
（5）疏水系统；
（6）通风系统；
（7）直接空冷支撑结构；
（8）自控系统；
（9）清洗装置。
2.4直接空冷系统各组成部分的作用和特点
4．1排汽管道
对大容量空冷机组，排汽管道直径比较粗，南非Matimba电站665MW直接空冷机组为2缸4排汽，采用2XDN5000左右直径管道排汽，目前国内几个空冷电站设计情况来看，300MW机组排汽管道直径在DN5000多，600MW机组排汽管道在DN6000左右。
排汽管道从汽机房A列引出后，横向排汽母管布置，目前有两种方式，一种为低位布置、一种为高位布置。
大直径管道的壁厚优化和制造是难点，同时也是影响工程造价的重点之一。
4．2 空冷凝汽器的冷却装置
（1）A一型架构：
一般双排管束由钢管钢翅片所组成，为防腐表面渡锌。
单排管为钢管铝翅片，钎焊在大直径矩形椭园管上。
它上端同蒸汽配管焊接，下端与凝结水联箱联结。
每8片或10片构成一个散热单元，每个单元的管束为59.50—60.50角组成A一型架构。
（2）冷却元件：
冷却元件即翅片管，它是空冷系统的核心，其性能直接影响空冷系统的冷却效果。
对翅片管的性能基本要求：
a．良好的传热性能；b.良好的耐温性能；c.良好的耐热冲击力；d.良好的耐大气腐蚀能力；e.易于清洗尘垢：
f.足够的耐压能力，较低的管内压降：
g.较小的空气侧阻力；h．良好的抗机械振动能力；i.较低的制造成本。
空冷凝汽器冷却元件，采用园管外绕翅片为多排管，如福哥式冷却元件。
后发展为大口径椭园管套矩形翅片为双排管，近期发展出大口径扁管翅片管，又称之为单排管。
应当说此三种冷却元件在直接空冷系统中都得到了成功的应用。
目前生产钢制多排管的主要是德国巴
克杜尔（BDT）公司，国内生产基地位于张家口市；生产双排管的主要是德国基伊埃（GEA）公司，国内生产基地在太原市捷益公司、哈尔滨空调股份有限公司；原比利时哈蒙（HAMON）公司生产单排管，国内没有生产线，去年被BDT公司总部购并后，与BDT合并为同一家公司，于今年在天津上了两条生产线，到目前为至，三种管型均在国内有了合资生产线，或独立生产。
（3） 双排管的构成
椭园钢管钢翅片，管径是100X20mm的椭园钢管，缠绕式套焊矩形翅片，管两端呈半园，中间呈矩形。
首先接受空气侧的内侧管翅片距为4mm，外侧管翅片距为2．5mm。
管距为50mm，根据散热面积大小，可以变化管子根数，多根管数组成一个管束，每8片或10片管束构成一个散热单元，两个管束约成60度角构成“A”字形结构。
单排管的构成：
椭园钢管钢翅片，管径是200×20mm，两端呈半园，中间呈矩形。
蛇形翅片，钎焊在椭园钢管上。
翅片管的下端同收集凝结水的集水箱联结。
集水箱同逆流单元相结。
在逆流单元管根部留有排汽口。
（3） 散热单元布置
每台机组布置成垂直、平行汽机房方向有列、行之分。
300MW机组布置6列4行或5行单元数，单元总数为24或30；600MW机组布置8列6行、7行或8行单元数，单元总数有48、56、64散热单元。
ko结构
散热单元有顺流和逆流单元之分。
其顺流是指明蒸汽自上而下，凝结水也是自上而下，当顺流单元内蒸汽不能完全冷凝，而剩余蒸汽在逆流单元冷凝，在这里蒸汽与冷凝水相反方向流动，即蒸汽由下而上，水自上而下相反方向流动。
众所周知，机组运行蒸汽内总是有不可凝汽体随蒸汽运动，设置逆流单元主要是排除不可凝汽体和在寒冷地区也可以防冻。
在寒冷地区，顺、逆流单元面积比，约5：
1，单元数相比约2．5：
1。
在600MW机组的散热器每列是2组逆流单元，而在300MW机组的散热器每列是1组逆流单元。
每台机组顺、逆流单元散热面积之和，为散热总面积。
这面积为渡夏要求有一定裕量，因为管束翅片上实际污染要比试验值大、大风地区瞬间风速高于4．0m／s、管束机械加工质量缺陷，尤其电厂投产后温度场变化，其温度要比气象站所测温度高出2．0·C以上，丰镇间冷是3．0·C。
这些问题应引起重视。
4．3抽气系统
在逆流单元管束的上端装置排气口，与设置的抽汽泵相联。
抽气泵是抽管内空气，使其凝气器内建立真空。
抽气同时在降背压，使之接近运行背压。
时间约40分钟。
在抽气时注意，蒸汽和不凝气体的分压力，抽气不可抽出蒸汽。
抽气系统也是保证系统背压的。
4．4凝结水系统
冷却单元下端集水箱，从翅片管束收集的凝结水自流至平台地面或以下的热井，通过凝结泵再将凝结水送往凝结水箱并送回热力系统。
4．5 通风系统
直接空冷系统散热目前均采用强制通风，大型空冷机组宜采用大直径轴流风机，风可为单速、双速、变频调速三种。
根据工程条件可选择任一种或几种优化组合方案。
就目前国内外设计和运行经验，在寒冷地区或昼夜温差变化较大的地区，采用变频调速使风机有利于
变工况运行，同时也可降低厂用电耗。
为减少风机台数，通常采用大直径轴流风机，直径达9．14m、10．36m；减速齿轮箱易发生漏油和磨损，目前以采用进口设备比较安全；变频调速器国内已有合资公司，比进口设备造价有较大幅度的降低；为降低噪音，风机叶片的选型很重要，叶片材质为玻璃钢，耐久性强，不宜破损。
近年来，国内直接空冷电站对风机所产生的噪音日益严格，按照环保标准工业区三类标准要求在距空冷凝汽器平台150m处的风机噪音声压水平，白天不得超过65dB（A），夜间不得超过55dB（A），风机选型一般是低噪音或超低噪音风机。
此类风机国内目前生产水平难以满足噪音标准要求，通常采用的进口风机有意大利COFIMCO公司和波兰HOWDEN公司生产的轴流风机在直接空冷系直接空冷系统的运行受环境在温度、机组负荷等因素变化影响较敏感，并且变化频次也较多，自控系统对空冷凝汽器的安全、经济运为达到上述三项任务，必须对空气流量和蒸汽流量进行控制。
为散热器单元都要装配清洗泵，用以翅片管上的污垢，如大风产生的杂物、平时积累的灰尘等。
清洗有高压空气或高压水，后者优于前者，高压水泵的压力在130ram（大气压），每小时10吨。
一般每年清支撑结构是直接空冷装置的主要承重设备，上部为钢桁架结构，下部为钢筋混凝土支柱和基础，结构体系庞大，受各种荷载作用复杂。
国外对此已经有了成熟的设计制造经验，同国际先进水平相比，国内目前针对大型直接空冷机组支撑结构方面的研究工作较晚，对支撑结构设计及力学计算属于需要开发。
目前国内在建的几个空冷电站支撑结构钢桁架均由国外公司设计完成。
2.5空冷汽轮机的运行工况
5.1 空冷汽轮机的运行工况
a． TRL工况一能力工况
b. T—MCR工况一最大连续工况
c． VWO工况一阀门全开工况
d． THA工况一额定工况
e． 阻塞背压。
5.2 空冷机组的匹配关系
（
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