火电厂空冷系统基础知识

火电厂空冷系统基础知识 空冷是指采用翅片管式的冷却器，直接或间接用环境空气来冷却汽轮机的排汽，目前国际、国内得到实际应用的电站空冷系统共有三种：直接空冷系统；采用混合式凝汽器的间接空冷系统；采用表面式凝汽器的间接空冷系统，后两项又称间接空冷系统。 空冷技术早在30年代末即应用于火力发电厂,国内空冷技术研究工作开始于60年代. 我国现在已引进（或合资）了直接空冷系统的设计和制造技术，但还没有较大机组示范电站运行，后两种间接空冷系统已应用在三座电站中。 电厂采用空冷系统的最大优点是大量节水，最大缺点是一次性投资高、煤耗高，因此，它最适宜用在富煤缺水地区建设。 从国内外投运的情况来看，直接空冷系统和表凝式间接空冷系统都有600MW等级的机组正常运行，海勒式间接空冷系统因其系统复杂，循环水品质要求与凝结水品质相同而限制在300MW 等级以下，所以本工程进行只做直接空冷系统和表凝式间接空冷系统的优化比较。 翅片管是空冷系统的关键元件，翅片管按形式、材质、加工方式及在冷却元件中的排列而分为很多种类。根据近年来空冷凝汽器开发与应用情况，直接空冷电厂采用的空冷凝汽器有三排管、双排管和单排管形式。冷却元件各有特点，考虑到二排管（钢椭圆管套钢矩形翅片）在空冷电厂中使用较多，而且在国内电厂使用最多，国内具有丰富的安装运行及检修经验，本设计阶段目前暂按双排管形式设计。空冷凝汽器形式的有关详细研究，将在下阶段结合相关制造厂更为准确的资料，做进一步地优化比较。 表面式间接空冷系统 表面式凝汽器间接空冷系统由表面式凝汽器、空冷散热器、循环水泵以及充氮保护系统、循环水补充水系统、散热器清洗等系统与空冷塔构成。该系统与常规的湿冷系统基本相仿，不同之处是用空冷塔代替湿冷塔，用密闭式循环冷却水系统代替敞开式循环冷却水系统，循环水采用除盐水。 表面式凝汽器间接空冷系统的工艺流程为：循环水进入表面式凝汽器的水侧通过表面换热，冷却凝汽器汽侧的汽轮机排汽，受热后的循环水由循环水泵送至空冷塔，通过空冷散热器与空气进行表面换热，循环水被空气冷却后再返回凝汽器去冷却汽轮机排汽，构成了密闭循环。 1) 间接空冷系统优化计算 根据该工程具体情况，本阶段暂选汽轮机背压为12kPa，空冷散热器总散热面积为428400m2，分为90个冷却单元。相应的空冷塔高120m，底部直径96m。 2）间接空冷系统主要设备技术规范 -- 凝汽器 表面式凝汽器工作原理、结构型式及布置基本相同于湿冷机组凝汽器。冷却面积暂定为7500 m2，冷却管材质采用不锈钢管。 -- 空冷散热器 空冷散热器由椭圆钢管与矩形钢翅片管束元件组合而成，各排管错列布置，双流程二排管布置型式，每个流程一排管。由175根钢翅片管组成一个管束，两端设联箱，其中一个联箱有中间隔板隔开，分别接进出水管。管束长15m，两个管束以约60°夹角组成一个冷却三角的两面，另一面设置调节进风量的百叶窗。管束参数如下： 椭圆管长轴×短轴×壁厚（mm）：36×14×1.5 矩形翅片长×宽×厚（mm）：55×26×0.23 管束横向间距26.7mm，纵向间距60mm 翅片管数175，片距2.5mm 翅片比： 12.25 空冷散热器总面积： 428400m2 冷却单元：90 -- 循环水泵 每台机组拟配两台循环水泵，水泵参数如下： 水泵流量： 2.42m3/s 水泵扬程：170kPa 电动机功率：700 kW -- 充氮保护系统 当空冷塔某一段或全部停运放水后，为防止散热器内表面腐蚀，设置充氮保护系统。充氮保护系统由高压氮瓶、缓冲罐、压力调节阀、安全阀及管路系统组成。氮气管路与地下贮水箱顶部相连，并通过膨胀水箱溢流管、散热器顶部连通管组成充氮保护管道系统。 3) 表面式间接空冷系统布置 -- 循环水系统布置 空冷机组采用扩大单元制循环供水系统。每台空冷机组设2台循环水泵和1座空冷塔，2台循环水泵拟设一座循环水泵房，并置于空冷塔区，循环水管道采用DN1800的焊接钢管。 -- 空冷塔布置 自然通风空冷塔主要技术指标： 空冷散热器冷却三角个数：90 塔总高度：120m 塔零米直径：96m 冷却三角在塔内分里外两个环形圈，以与水平成12°倾角作圆锥形布置。里圈布置64个冷却三角；外圈布置26个冷却三角。全塔分6个冷却区段：里圈2个段，每段13个冷却三角；外圈4个段，每段20或16个冷却三角。 每个冷却段进出水管上都设置切断阀和放水阀。当某个冷却段需要退出运行或停运检修时，可切断该段进出水阀，打开放水阀，将冷却段的水放入地下贮水箱内，而不影响其它冷却段的正常运行。 循环水进出水总管沿径向敷设在空冷塔地面下，每段进出水竖管分别与总管连接。竖管上至平台下，转成水平环形支管与各冷却三角进出水管连接。各段进出水阀和放水阀布置在地面阀门室内。在出水总管两端高于冷却三角顶部各设一个膨胀水箱，用以调节循环水温度改变引起的系统容积变化和微量补水之用。 在空冷塔地下设置两个地下贮水箱，用以冬季冷却段停运防冻及检修停运排空贮水。在两个贮水箱之间设一座地下式水泵间，内设充水泵、补水泵、地下贮水箱水位监测装置等。 4) 空冷塔结构部分 表凝式间接空冷塔内的三角散热器近乎水平布置，支撑散热器的架构布置沿塔径向外侧分三圈布置支柱，最外圈支柱为单支柱。为了减少支柱的计算长度并增加其稳定性，可将支柱顶部与塔壳拉结；中圈和外圈的支撑采用“门”字型。三圈支柱沿环向均设有双梁，使支柱在环向以环梁相连，而径向以冷却三角相连，这样便形成空间受力杆系结构。 根据国内外空冷塔结构设计的经验，塔筒母线方程采用两段方程，塔筒壁厚按分段线性变化设计。 直接空冷系统 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。直接空冷系统根据其通风方式分为机械通风直接空冷、自然通风直接空冷系统和风机辅助的自然通风空冷。三种直接空冷系统各有特点，本阶段只考虑有大型发电厂机组运行实践经验的机械通风直接空冷系统。 1) 直接空冷系统设计 根据已确定的设计气温及厂址条件，经初步计算，汽轮机背压为16kPa，总散热器面积约为400000m2，分为36个冷却单元。 2）直接空冷系统主要设备技术规范 --空冷凝汽器 根据优化结果，最优的方案为36个冷却单元，考虑到夏季机组满发和最佳的顺逆流比（KD比）等因素，推荐每台机空冷凝汽器的配置如下： 冷却单元数：36 翅片总面积：约400000m2 每台凝汽器配汽管道：6排 每排管道配冷却单元：6个，按顺流段和逆流段之比为4：2，每个冷却单元分为6个管束。 管束尺寸： 宽度为2.5m，顺流段管束长为6.7m，逆流段管束长为6.2m. 翅片管间距： 前排翅片间距4mm，后排翅片间距2.5mm. 矩形翅片外形尺寸： 119×49mm，翅片厚度0.35mm. 椭圆形基管尺寸：长轴×短轴＝100×20mm，厚度：1.5mm. --轴流风机 空冷凝汽器每个基本单元配一台风机，一台机组共配36台风机，风机的性能参数如下： 风机直径：6m 风机转速：变频可调 空气最大流量：270m3/s 电机功率：70kW --空冷凝汽器清洗设备 为保持空冷凝汽器散热面清洁，保持其良好的散热性能，每台机组设1套移动的空冷凝汽器清洗设备，清洗介质有压缩空气和高压除盐水，考虑到当地空气质量状况，本工程推荐采用高压除盐水冲洗。 4) 直接空冷系统布置 直接空冷系统的工艺流程为：汽轮机排汽通过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凝汽器外表面，将排汽冷凝成水，凝结水再经泵送回汽轮机的热力系统。 为了有效地防止凝结水的过冷及结冰，在设计中采用了顺流空冷凝汽器与逆流空冷凝汽器混合配置的方式，其中顺、逆流空冷凝汽器单元的比例为4：2。逆流凝汽器下部与凝结水联箱相接，上部通过管道与抽真空系统相连。在顺流凝汽器管束中未凝结的蒸汽及不凝结气体，通过凝结水联箱由下部进入逆流凝汽器管束中，蒸汽进一步凝结，而不凝结气体则由抽真空系统抽出。 空冷凝汽器凝结水联箱中的凝结水通过管道收集于凝结水箱中，再通过凝结水泵送入凝结水系统中。 机组的冷却系统为独立的单元冷却系统，每台机组36个A型框架基本冷却单元的空冷凝汽器、分6路并排布置在汽机房A列外，并与主厂房平行，总占地长×宽为：51m×51m。空冷凝汽器的第一排柱与汽机房A列柱中心相距8m，其间布置排汽母管。空冷凝汽器平台为钢筋混凝土现浇板或钢板，标高24m，风机及驱动装置均安装在凝汽器平台的风机桥上。 考虑到热空气的回流，在空冷凝汽器平台的周围均设有挡风板，高度14m。 凝结水箱布置在汽机房外靠A列的平台上，凝结水泵、汽机管道疏水箱、凝结水输送泵布置在汽机房内。 根据直接空冷的布置要求，空冷凝汽器架构布置在A列外，架构场地有主变、厂变等电气设备，平台下面钢筋混凝土薄壁圆筒形柱。 直接空冷与间接空冷系统的技术经济比较 1 ) 技术性能比较 --对总平面布置的影响 直接空冷系统由于其没有庞大的空冷塔而减少了占地。 --在运行检修中的利弊 直接空冷系统简单，设备少，控制系统也不复杂，所以运行调整比较简便。由于采取了逆流凝汽器、由风机调节空气量等措施，而且空冷凝汽器管是大管径的椭圆管，在布置上使其不易积水，所以有利于防止冬天冻坏设备事故的发生。 但直冷系统抽真空系统庞大，大型轴流风机多，所以检修维护工作量较大。 表凝式间冷系统由于增加了中间的冷却环节，所以系统比较复杂，设备较多，运行操作麻烦。但检修工作量与直冷系统相比较少。 --防冻性能 直接空冷凝汽器采用适当的顺逆流比例配置，在气候变化和低负荷工况下，能有效地防止蒸汽过冷却以及凝结水结冰，避免空冷凝汽器损坏。大直径轴流风机采用变频调速电机及通过程序分组控制风机，调节空冷凝汽器的进风量，也能达到防冻的目的。