热动毕业空冷论文发电厂空冷技术应用.docx
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热动毕业空冷论文发电厂空冷技术应用
发电厂空冷技术应用
摘要
我国华北、西北、东北地区普遍寒冷缺水，电站建设往往受制于水源。
作为一项在富煤缺水地区很有前途的生产方式，空冷技术已经显示出巨大的发展潜力。
在水资源缺乏的情况下，空冷技术有一定的发展空间。
因为一般火电厂耗水量占工业总耗水量的20％，而空冷技术是一项节水性的、环保型的技术。
空气冷却分为间接冷却和直接空冷两种，与间接空气冷却相比，直接空冷机组更适于寒冷的地区运行，其最大特点是防冻性能好、节水、占地面积小。
本文主要介绍了空冷系统的发展历程，设备的结构，直接空冷系统运行中的影响因素以及处理措施，空冷技术有着广泛的应用前景，结合它的自身特点以及经济性，空冷技术仍是未来冷却技术的发展重点。
【关键词】：
空冷技术；直接空冷；间接空冷；发展历史；热力设备
Powerplantaircoolingtechnology
Abstract
ThecommoncoldwatershortageinnorthChina,northwest,northeast,powerplantconstructionisoftenlimitedbythewater.Asawaterscarceareasrichincoalisapromisingwayofproduction,thedevelopmentofaircoolingtechnologyhasshowngreatpotential.Inthecaseoflackofwaterresources,thedevelopmentofaircoolingtechnologyhasacertainspace.Becausethewaterconsumptionaccountsfor20%ofthetotalwaterconsumptionofindustrialgeneralpowerplant,andaircoolingtechnologyisawater-saving,environmentalprotectiontechnology.Aircoolingcanbedividedintoindirectcoolingandaircoolingtwodirectly,comparedwiththeindirectaircooling,directaircoolingunitrunmoresuitableforcoldareas,itsbiggestcharacteristicisantifreezeperformanceisgood,watersaving,coveranareaofanareasmall.Thedevelopmentofaircoolingsystemismainlyintroducedinthispaper,thestructureoftheequipment,influencefactorsofdirectaircoolingsystemoperationandtreatmentmeasures,aircoolingtechnologyhasabroadapplicationprospect,andcombinedwiththecharacteristicsofitseconomy,aircoolingtechnologyisstillthedevelopmentkeyofcoolingtechnologyinthefuture.
[Keywords]:
aircoolingtechnology;Directaircooling;Indirectaircooling;Thedevelopmenthistory;Thermalequipment
引言
火电厂的耗水量占工业总耗水量的20％,在水资源日益匮乏的情况下，对空冷技术研究也迫在眉睫。
而空冷技术是一项节水性、环保型、高效型的科学技术，没有噪声，不必配置凉水塔,有利于节省大量的水资源。
目前在发电厂得到应用的空气冷却系统有：
①直接空冷系统（GEA）；②采用表面式凝汽器的间接空冷系统；（哈蒙系统）③采用混合式凝汽器的间接空冷系统（即海勒系统）。
三种空气冷却方式都已得到成功的应用，其中直接空冷系统无论在单机容量还是在应用上都发展较快，间接空冷系统的发展则较为缓慢。
在国外，海勒式间接空冷系统得到一定的应用与发展，如伊朗众多的燃气—蒸汽联合循环发电厂就采用海勒式间接空冷系统。
当前，国内直接空冷发电厂发展空前迅速.
我国大多数火力发电厂都采用湿冷技术,面对日益紧缺的水资源问题,火力发电行业面临前所未有的挑战,而空冷冷却与普通湿冷技术相比可节水2/3。
内蒙古、山西等北方地区是我国的能源基地，蕴藏着丰富的煤炭资源，可为大型火力发电厂提供充足的燃料，同时又是水资源最为缺乏的地区。
在这种状况下，直接空冷技术的应用在很大程度上解决了这些地区“富煤缺水”的难题。
但是目前我国还没有相关的设计标准,关于直接空冷电厂的设计参数的选择尚处于摸索阶段,本着我国电力发展的高效,节水,环保的可持续发展战略,确定符合我国国情的空冷系统设计参数,才会为电厂带来巨大的经济效益.
目录
1概论1
1.1空冷技术简介1
1.2空冷技术的发展1
1.2.1国外空冷技术发展概况1
1.2.2我国空冷技术发展概况2
1.3空冷技术的应用3
1.3.1空冷电厂的应用3
1.3.2其他领域的应用4
1.4空冷系统及其特点6
1.4.1基本概念6
1.4.2空冷系统的共同特点6
1.5空冷系统分类6
1.5.1直接空冷系统6
1.5.2间接空冷系统8
1.6各种系统的比较12
2空冷系统设备13
2.1空冷系统主要设备13
2.1.1主设备特征13
2.2直接空冷系统设备14
2.2.1直接空冷系统的热力系统14
2.2.2系统构成概述16
3直接空冷的常见问题20
3.1直接空冷的特点20
3.2直接空冷存在的问题21
3.3低温环境中的空冷系统21
3.4炎热干燥地区的空冷系统23
3.5实际操作中的运行经验 24
结束语25
参考文献26
致谢27
外文翻译28
1概论
1.1空冷技术简介
早在上世纪汽轮机排汽空气冷却方式已作为火力发电厂的一种冷却方式，引起了一些国家的重视，在其后的几十年中相继成功地建造了一批空气冷却电厂，使发电厂空气冷却方式日趋成熟与完善，并逐渐形成了研究空冷新装置及其使用的一系列技术，即发电厂空冷技术。
发电厂空冷就是采用翅片管式的空冷散热器，直接或间接用环境空气来冷凝汽轮机的排汽。
采用空冷技术的冷却系统称为空冷系统（或称干冷系统）。
采用空冷系统的汽轮发电机组称为空冷机组。
采用水作为冷却器的冷却介质已有多年的历史，但是，由于工业迅速发展使工业用水量大幅度增加，出现了供水不足的情况；人们开始注意到保护环境，免受污染的重要性；更新型的空冷器设计的经济性，因此这种传统的冷却方式已有所转变。
在过去的四十年中，有一部分水冷却逐渐为空气冷却所代替，有更多的炼油厂、石油化工厂和热力发电厂安装了空气冷却器或空冷凝汽器。
事实证明：
这些设备不仅维护费用大，而且建造大容量火力发电厂需要充足的冷却水源，因此在缺水地区兴建大容量火力发电厂，就需要采用新的冷却方式来排除废热。
发电厂汽轮机排汽空冷技术的应用和发展不仅为在严重缺水的煤矿和电力负荷中心区域，建设大型火力发电厂开辟了一条经济、安全、可靠的途径；也为水资源丰富区域保持生态平衡、避免江河水资源污染创造了有利条件。
1.2空冷技术的发展
1.2.1国外空冷技术发展概况
早在30年代末，德国首先在鲁尔矿区的1.5MW汽轮机组应用了直接空冷系统。
50年代，卢森堡的杜德兰格钢厂自备电站13MW机组和意大利的罗马电厂36MW机组分别投运了直接空冷系统。
进入60年代后，英国拉格莱电厂于1962年在一台120MW机组上投运了间接空冷系统，采用喷射式凝汽器及自然通风型空冷塔。
这个系统是由匈牙利的海勒教授在1956年世界动力会议上首先提出的，亦称海勒式空冷系统。
1968年，西班牙的乌特里拉斯坑口电厂投运了尖屋顶式机械通风型直接空冷系统。
至此，形成了直接与间接两种空冷系统并存的局面。
继而，1971年，在苏联拉觜丹电厂的200MW机组、匈牙利加加林电厂的200MW机组、南非格鲁特夫莱电厂的5号200MW机组上，都应用了海勒式间接空冷系统。
1977年，美国沃伊达克矿区电厂的330MW机组应用了机械通风型直接空冷系统。
同年，联邦德国施梅豪森核电站的300MW机组应用了表面式凝汽器配自然通风空冷塔的间接空冷系统。
80年代以来，空冷技术进一步发展起来，投运机组容量最大的电厂有南非马廷巴电厂（665MW机组，采用机械通风型直接空冷系统）和南非肯达尔电厂（686MW机组，采用表面式凝汽器的自然通风空冷塔间接空冷系统）。
1.2.2我国空冷技术发展概况
1966年在哈尔滨工业大学实验电站的50KW机组上首次进行了直接空冷系统的实验。
1967年在山西侯马电厂的1.5MW机组上又进行了工业性直接空冷系统的实验。
进入80年代后，庆阳石化总厂自备电站3MW机组投运直接空冷系统。
1987和1988年，山西大同第二发电厂的两台200MW机组首次引进了匈牙利的海勒式间接空冷系统，使我国火电厂的发展进入一个新的阶段。
目前，国产200MW机组海勒式间接空冷系统和表面式凝汽器间接空冷系统的电厂正在建设中，这将有助于电厂空冷技术的推广使用。
我国于20世纪60年代开始火电空冷技术的研究，但都属于小型机组。
“七五”期间，我国从匈牙利进口两套200MW带喷射式凝汽器的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，在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，确定采用带表面式凝汽器哈蒙氏间接空冷系统。
哈蒙氏系统是哈蒙公司在购买匈牙利海勒式系统专利后经研究改进的间接空冷系统，它与海勒式系统的主要不同是采用了表面式凝汽器和钢管钢翅片散热器，是循环冷却水与锅炉给水分成两个独立的系统，其水质可以按各自的标准和要求进行化学处理，因而简化了系统，方便运行操作，增加了空冷设备运行的可靠性。
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。
这几台节水型空冷机组投入运行，缓解了缺水地区的电供需矛盾和用水紧张状况，同时也积累了很多设计、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。
山西交城义旺铁合金制备电厂6MW直接空冷机组是我国首台投产的直接空冷机组；2003年11月，我国首台大容量空冷机组在大同平旺电厂1号机组（200MW）顺利完成96h试运并移交生产，2003年12月，2号机组也顺利建成投产；2004年9月、10月，山西漳山发电有限责任公司的2台300MW直接空冷机组相继完成168h试运行并移交生产；山西华能榆社电厂2×300MW直接空冷机组于2004年投产；大同第二发电厂2×600MW直接空冷机组于2005年4月投产；同时山西、内蒙古、东北等地还有许多空冷机组在建设中。
上述的2×200MW、2×300MW、2×600MW机组添补了我国大型直接空冷机组的空白，标志着我国发电厂空冷技术已经跟上了世界的脚步，为我国大型直接空冷机组的发展取得了宝贵的经验。
近几年来，国内又研究开发出湿表面空冷器，用以提高空冷凝汽器的传热效果和老装置的技术改造，起到了节水、节能的效果。
从发展趋势看，由于水资源的日益缺乏，环境保护的严格要求，空冷技术必将得到越来越广泛的应用，前景是光明的。
1.3空冷技术的应用
1.3.1空冷电厂的应用
（1）建造空冷电厂的场合
a.缺水的煤矿坑口或靠近电力负荷中心处，由于水源地限制而无法建造湿冷电厂的场合。
b.由于生态环保要求，不宜建造直接开式或闭式湿冷电厂的场合。
c.老电厂扩建受到水源地和扩建场地限制的场合。
（2）空冷技术在电厂中的应用
a.接空冷系统在带基本负荷的电厂均得到了广泛的应用。
直接空冷系统目前采用的单机最大容量为890MW（巴林国），海勒式间接空冷系统目前采用的单机最大容量为325MW（伊朗国）；哈蒙式间接空冷系统目前采用的单机最大容量为686MW（南非国）。
只要能建造湿冷机组的地方，无论纬度高低、气候干旱与湿润等都可建造空冷机组。
b.调峰电厂。
调峰电厂的特点是机组启停频繁，设计空冷系统时，宜采用铝管铝翅片散热器的海勒式间接空冷系统。
因为该系统散热器铝管内表面在制造厂已进行过防腐处理，可适应频繁启停工况的干湿变化。
c.老电厂扩建。
老电厂扩建增容时，水资源往往难于解决，可考虑采用空冷系统。
若老电厂场地狭窄，可采用直接空冷系统，将空冷凝汽器布置在汽轮机厂房的屋顶上，减少占地面积；若老电厂有湿冷塔群，可将部分湿冷塔改造为辅助通风的空冷塔，采用哈蒙式间接空冷系统。
d.核电站。
效率较高的直接氦循环高温气体冷却堆核电站可以使用空冷技术。
目前国外已投运的核电站空冷系统，多采用哈蒙式间接空冷系统。
（3）空冷电厂的特点
当发电厂采用空冷系统后，对整个发电厂的生产工艺流程有重大影响。
现将空冷电厂的总体特点简述如下。
a.改变厂址选择条件。
空冷电厂全厂耗水量按设计装机容量计算约为0.3~0.35m3/（GW﹒s），因而厂址的选择基本上不受水源地的限制，避免以水定厂址、以水定容量规模等问题，在缺水的煤矿坑口和靠近负荷中心区建造大容量发电厂成为可能。
b.空冷设备地位重要。
空冷电厂所需的散热器体积庞大，价格昂贵，以成为电厂的主要设备之一。
c.节约用水。
当今，湿冷电厂的全厂耗水量约为1m3/（GW﹒s），空冷电厂可以节约湿冷电厂全厂耗水量的65%以上，是火电厂节水量最多的一项技术。
同时缩小了电厂水源工程建设规模，降低了水源工程投资费用。
d.减轻对环境的污染。
由于空冷电厂没有逸出水雾汽团，不发生淋水噪声，更没有冷却水对天然水体的排放，减轻对环境的污染。
e.大幅度减少发电厂的占地面积成为可能。
当采用直接空冷系统时，不仅可以取消湿冷系统的大型湿冷塔、水泵房、深埋地下管线等占地面积，还可以在空冷凝汽器装置平台下面布置电气变压器，充分利用主厂房A列外侧空间。
当采用海勒式间接空冷系统时，有可能将主厂房或湿法烟气脱硫系统、烟囱布置在空冷塔内。
f.空冷装置需要较大的施工组装场地和较为复杂的调试措施。
j.空冷电厂的带负荷能力受环境风向、风速、风温的影响大。
h.空冷发电厂的全厂热效率较低，发电标准煤耗率也大。
1.3.2其他领域的应用
在国外，自30年代空气冷却器投入工业使用以来，在石油化工方面迅速得到应用。
从轻油到重油、渣油，从正压到负压，从炎热地区到寒冷地区，从水源充足地区到缺水地区都成功地使用了空气冷却器。
1948年，美国在TaxcoCorprisChristi炼油厂第一次全部采用空气冷却法代替传统的水冷却法。
50年代末期，英国在水源充足的Whiteate炼油厂和Nolyt二炼油厂也全部采用了空气冷却，目前实现全部空气冷却的炼油厂在不断增加。
表1-1列出1968年后国外新建炼厂使用空冷器的情况。
可以看出国外新建炼厂都有扩大使用空冷器的趋势，用水单耗均在1吨水/吨原油以下。
加拿大土坡角炼油厂全部使用空冷器。
比利时费芦炼油厂新鲜水平均单耗为0.195吨水/吨原油。
在化工厂中，合成氨、合成甲醇、氯化物、聚氯乙烯及单体氯乙烯等生产工艺过程都有采用空气冷却的实例。
对与水接触能发生爆炸的介质，采用空气冷却方式是合适的。
在动力工业，由于水源紧张，汽轮机排汽的直接空冷方式和间接空冷方式日益得到重视，发展很快。
在国外的炼油厂、石油化工厂的驱动透平采用空冷凝汽器也日见增多。
至1972年，GEA公司共生产200台汽轮机排汽空冷凝汽器，总容量达到300万千瓦，其中用于石油化工厂的驱动透平约占40％。
在冶金工业，空气冷却技术的应用也有了一些进展。
空气冷却器还可用于空气压缩机的中间冷却器、燃气透平的回热器、空气冷却器及废热回收装置等.
液态金属快中子增殖反应堆中应急的心部的空气冷却是一个应用实例。
在这一点上，空气冷却较其他的冷却方法有两个显著的优点：
一是空气总是取之不尽的；二是如果发生熔融的盐或金属从管子的工艺侧泄漏，不会发生危险反应。
冷冻和空气调节设备中氟里昂、氨或丙烷的冷凝采用空气冷却器是人所共知的，但多是小型的。
表1-1国外新建炼油厂使用空冷器的情况
国外炼厂
投产
时间
处理量
万吨/年
使用情况
水耗量，吨/时
吨水/
吨原油
新鲜水
循环水
英国提兹港
美国维尼西亚
西班牙石油化工
苏联普洛茨克
美国樱桃角
加拿大魁北克
加拿大土坡角
比利时费芦
美国阿来恩思
法国韦尔农
西德沃斯
1968
1969
1969
1970
1971
1971
1971
1971
1972
1973
600
400
450
670
500
500
430
650
800
300
350
85%空冷
70％空冷
97%空冷
广泛采用空冷，水耗量降低46％
尽量采用空冷，水耗量降低55％
90％空冷
全部用空冷
尽量采用空冷
60%空冷
大量采用空冷
80％空冷
250
170
550
14
113
125
450
2200
4600
1400
2400
0.20
0.83
0.20
0.20
0.195
0.35
1.0
图1-1空冷器在燃气轮机装置中的应用
1-燃气轮机2-压气机3-发电机4-空气冷却器（中间冷却器）
5-空气加热器废热回收空气预热器6-燃烧室
1.4空冷系统及其特点
1.4.1基本概念
发电厂空冷系统也称干冷系统，它是相对常规发电厂空冷系统而言的。
常规发电厂的湿式冷却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，其冷却系统称为湿冷系统。
空冷发电厂的空冷塔，其循环水与空气是通过散热器间接进行交换的，整个冷却过程处于“干”的状态，所以空冷塔又称为干式冷却塔或干冷塔。
因为大多数发电厂的冷却系统都采用常规的湿冷系统，所以在不需要与空冷系统区别时，前者的冷却系统不必特别指出是“湿冷系统”。
1.4.2空冷系统的共同特点
（1）空冷系统的传热学特点是低温位、小温差、特大散热量的空气冷却热交换。
（2）空冷系统属密闭式循环冷却系统，对水质的要求严格。
（3）空冷系统需配置高、中背压空冷汽轮机。
（4）空冷系统的冷却性能受环境（气温、风向、风速）的影响很大，导致空冷机组汽轮机背压变化增大，汽轮机设计背压比湿冷机组提高很多，运行背压范围也比湿冷机组大一些。
（5）空冷系统的散热器在寒冷的冬季，必须有完备的防冻措施。
（6）空冷系统的自动化程度比湿冷系统有大幅度的提高。
（7）空冷系统的基建投资和年运行费用（水价低的情况）都高于湿冷系统
1.5空冷系统分类
凝汽式燃煤电厂生产过程：
汽轮机做功后的乏汽，需经汽轮机凝汽设备冷却为凝结水，然后由凝结水泵送至回热系统。
当今，汽轮机凝汽设备的冷却方式主要分为湿式冷却系统（水冷系统）和干式冷却系统（空气冷却系统）两大类。
根据汽轮机排汽凝结方式的不同，用于发电厂的空冷系统可分为直接空冷系统和间接空冷系统两种方式
1.5.1直接空冷系统
（1）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。
所以直接空冷系统又称为空气冷凝系统.其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冷凝汽器。
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，这些管束亦成为散热器。
图1-2直接空冷机组原则性汽水系统
1-锅炉2-过热器3-汽轮机4-空冷凝汽器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-汽轮机排汽
13-轴流冷却风机14-立式电动机15-凝结水箱16-除铁器17-发电机
（2）直接空冷系统工作流程
直接空冷系统的流程如图1-2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。
空冷凝汽器分主凝器和分凝器两部分。
主凝器多设计成汽水顺流式，它是空冷凝汽器的主体；分凝器则设计成汽水逆流式，可造成空冷凝汽器的抽空气区。
真空抽气系统是直接空冷的关键。
在汽轮机启动和正常运行时，要使汽轮机低压缸尾部、空冷凝汽器、排汽管道及凝结水箱等设备内部形成真空。
通常采用的抽空气设备是蒸汽抽气器。
在汽轮机启动时，投入出力大的一级蒸汽抽气器，以缩短抽真空时间，加快启动速度。
在汽轮机正常运行时，采用出力较小的二级蒸汽抽气器，以维持排汽系统真空。
空冷凝汽器所有元件和排汽管道采用两层焊接结构，焊接质量要求十分严格，以保证整个空冷系统的严密性。
直接空冷系统中，空冷凝汽器的布置与风向、风速及发电厂主厂房朝向都有密切关系。
中小型机组可直接在汽机房屋顶布置空冷凝汽器。
大型机组的空冷凝汽器通常在紧靠汽机房A列较外侧，与主厂房平行的纵向平台上布置若干单元组，其总长度与主厂房长度基本一致。
每个单元组由多个主凝器与一个辅凝器组成“人”字形排列结构，并在每个单元组下部设置一台大直径轴流风机。
（3）直接空冷系统的优缺点
直接空冷汽轮机的排汽直接由空气冷凝，是蒸汽和空气之间进行热交换，没有循环水系统，与其它方式的空冷系统相比较具有如下优缺点。
其优点是：
（1）不需要冷却水等中间冷却介质，初始温差大；
（2）设备少，系统简单，基建投资较少，占地少；（3）空气量的调节灵活，冬季防冻措施比较可靠。
该系统的缺点是：
（1）空冷凝汽器体积比水冷凝汽器体积大的多，庞大的真空系统容易漏气；
（2）大直径的排汽管道加工比较困难；（3）直接空冷大多采用强制通风，因而增加了厂用电量，同时也增加了噪声源。
该系统一般与高背压汽轮机配套。
1.5.2间接空冷系统
（1）带混合式凝汽器的间接空冷系统
带混合式凝汽器的间接空冷系统如图1-3所示,又称为海勒式间接空冷系统。
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（PH=6.8～7.2）,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。
受热的循环冷却水的极少部分经凝结水精处理装置处理后送至汽轮机回热系统.
图1-3 带混合式凝汽器的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
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