发电机组直接空冷系统简介

1．    电站空冷系统
        1．1    空冷系统的单机容量
        目前国内外电站空冷是二大类：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％。
        1．2    直接空冷系统的特点
        无论是直接空冷，还是间接空冷电厂，经过几十年的运行实践，证明均是可*的。但不排除空冷系统在运行中，存在种种原因引发的问题，如严寒、酷暑、大风、系统设计不够合理、运行管理不当等。
        这些问题有的已得到解决，从国内已投运的200MW空冷机组运行实践证明了这一点。
        从运行电站空冷系统比较，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．    直接空冷系统的组成和范围
        2．1    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。
        2．2    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。
3．    直接空冷系统各组成部分的作用和特点
        3．1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。
        3．2    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。
        3．3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。抽气泵是抽气，分运行和启动，启动抽气时间短，300MW机组的系统容积大约5300m3，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。
        3．4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。
        3．5    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。

4．    直接空冷系统有待研究的几个问题
        直接空冷系统在国内处于起步阶段，在设计和运行上均缺乏更多经验，电厂业主关注的不仅是空冷系统设计优化的经济性，更关心的是空冷系统的安全性，所谓安全性主要包括两个方面：一是夏季高温能否保证设计考核点的满发，二是在冬季低温条件下能否有效防冻。        为此，在直接空冷系统设计和运行过程中有必要研究和总结以下几方面的课题：
        4．1    大风影响
        直接空冷系统受不同风向和不同风速影响比较敏感，特别是风速超过3．0m／s以上时，对空冷系统散热效果就有一定影响，特别是当风速达到6．0/s以上时，不同的风向会对空冷系统形成热回流，甚至降低风机效率。为了使大风的影响降低到最低限度，设计上必须研        究夏季高温时段，某一风速出现最大频率的风向，在设计布置时应避开，甚至适当拉大与A列的距离。在运行期间通过气象观测收集有关数据，根据电厂发电负荷的变化进行总结，工程实施前进行必要的物模或数模试验，以指导设计和今后运行采集的数据进行对比总结。
        4．2    热风再回流
        电厂运行时，冷空气通过散热器排出的热气上升，呈现羽流状况。当大风从炉后吹向平台散热器，风速度超出8m／s，羽流状况要被破坏而出现热风再回流。热气上升气流被炉后来风压下至钢平台以下，这样的热风又被风机吸入，形式热风再循环。甚至最边一行风机出现反向转动。在工程上是增设挡风墙来克服热风再循环，挡风墙高度要通过设计而确定。
        4．3    平台高度
        支撑结构平台高度与电厂总体规划、空冷系统自身的要求综合考虑。平台高度的确定原则是使平台下部有足够的空间，以利空气能顺利地流向风机。平台越高，对进风越有利，但增加工程造价。如何合理确定平台高度，目前没有完善的理论公式，各家只有习惯的经验设        算，解决此问题的途径是根据多家经验，通过不同条件的模型计算和现场运行期间的测试，研究总结出一个较理想的计算方法。
        4．4    防冻保护
        直接空冷系统的防冻是影响电厂安全运行的一个重要问题，从国外设计和运行经验有许多措施来保证防冻是有效的。
        a．    设计上采用合理的顺流与逆流面积比，即K／D结构。对严寒地区“K／D”取小值，对炎热地区取大值。
        b.    加设挡风墙，预防大风的袭击。
        c．    采用能逆转风机，以形成内部热风循环。
        d．    正确计算汽机排汽压力与环境气温的关系，以确定风机合理运行方式。
        e．    先停顺流单元风机，后停逆流单元风机。
        f.    严格控制凝结水的过冷度。
        g．    严格控制逆流管束出口温度，及时调节逆流风机的运行时数。以上是设计和运行两方面对防冻保护的一些措施，如何应用合理得当，仍要在设计和现场根据不同的工程条件进行必要的研究和总结。
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
        (1)锅炉容量与汽机VWO工况进汽量相匹配；
        (2)发电机最大连续功率与机组相匹配；
        (3)空冷装置匹配关系应同时满足下列条件：
        a．    空冷装置容量应保证在规定的夏季某气温条件下的T—MCR工况发额定功率，并留有一定空冷单元或相当风量裕量；
        b.    空冷装置在典型年最高温条件下，机组进汽量为VWO工况汽量的背压值与机组安全限制背压之间留有15kpa以上的裕量，以适应不利的环境风速变化下安全运行；
        c.    当一个空冷单元风机停运或检修时，机组正常运行背压在限制背压以内。
6．    结语
        大型电站直接空冷系统的设计在国内应用较晚，在内蒙地区更晚，目前上都电厂、丰镇三期、托电三期、乌拉山等空冷电厂只进入施工详图设计阶段或投标阶段，设计和运行缺乏经验。内蒙院于2000年开始研究开发空冷系统设计技术，2001年11月第一次在正兰电厂2        X600MW空冷机组工程设计投标阶段应用，相继完成了几个工程的可研和初步设计。现正在进行乌拉山、锡林浩特电厂、新丰电厂、达电四期空冷机组工程旋工图的准备工作。从起步到现在由内蒙院原水工室主任李树梅高工带领年青同志研究开发达四年多的时间，通过收        集信息，研究开发，并向外学习，对直接空冷系统设计技术有了一定的基础和设计能力。        本次交流只是对直接空冷系统主要系统的概念介绍，由于对直接空冷系统的理论和工程实践有待进一步学习和研究，错误之处在所难免，本稿只限内部交流和同行共同学习。
        林立敖
        2004年6月20日

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