柴油發電機組直接空冷系統簡介

1．電站空冷系統

1．1空冷系統的單機容量

目前國內外電站空冷是二大類：一是間接空氣冷卻系統，二是直接空氣冷卻系統。其中間接空氣冷卻系統又分為混合式空氣冷卻系統和表面式空氣冷卻系統。世界上第一臺1500KW直接空冷機組，于1938年在德國一個坑口電站投運，已有60多年的歷史，幾個典型空冷機組是：1958年意大利空冷電站2X36MW機組投運、1968年西班牙160MW電站空冷機組投運、1978年美國懷俄明州Wodok電站365MW空冷機組投運、1987年南非Matimba電站6X665MW直接空冷機組投運。當今采用表面式冷凝器間接空冷系統的最大單機容量為南非肯達爾電站6X686MW；采用混合式凝汽器間接空冷系統的最大單機容量為300MW級，目前在伊朗投運的325MW(哈爾濱空調股份有限公司供貨)運行良好。全世界空冷機組的裝機容量中，直接空冷機組的裝機容量占60％，間接空冷機組約占40％。

1．2直接空冷系統的特點

無論是直接空冷，還是間接空冷電廠，經過幾十年的運行實踐，證明均是可*的。但不排除空冷系統在運行中，存在種種原因引發的問題，如嚴寒、酷暑、大風、系統設計不夠合理、運行管理不當等。

這些問題有的已得到解決，從國內已投運的200MW空冷機組運行實踐證明了這一點。

從運行電站空冷系統比較，直接空冷系統具有主要特點：

(1)背壓高；

(2)由于強制通風的風機，使電耗大；

(3)強制通風的風機產生噪聲大；

(4)鋼平臺占地，要比鋼筋混凝土塔為小；

(5)效益要比間接冷卻系統大30％左右，散熱面積要比間冷少30％左右；

(6)造價相比經濟。

2．直接空冷系統的組成和范圍

2．1直接空冷系統的熱力系統

直接空冷系統，即汽輪機排汽直接進入空冷凝汽器，其冷凝水由凝結水泵排入汽輪機組的回熱系統。

2．2直接空冷系統的組成和范圍

自汽輪機低壓缸排汽口至凝結水泵入口范圍內的設備和管道，主要包括：

(1)汽輪機低壓缸排汽管道；

(2)空冷凝汽器管束；

(3)凝結水系統；

(4)抽氣系統；

(5)疏水系統；

(6)通風系統；

(7)直接空冷支撐結構；

(8)自控系統；

(9)清洗裝置。

3．直接空冷系統各組成部分的作用和特點

3．1排汽管道

對大容量空冷機組，排汽管道直徑比較粗，南非Matimba電站665MW直接空冷機組為2缸4排汽，采用2XDN5000左右直徑管道排汽，目前國內幾個空冷電站設計情況來看，300MW機組排汽管道直徑在DN5000多，600MW機組排汽管道在DN6000左右。

排汽管道從汽機房A列引出后，橫向排汽母管布置，目前有兩種方式，一種為低位布置、一種為高位布置。大直徑管道的壁厚優化和制造是難點，同時也是影響工程造價的重點之一。

3．2空冷凝汽器的冷卻裝置

(1)A一型架構：

一般雙排管束由鋼管鋼翅片所組成，為防腐表面渡鋅。單排管為鋼管鋁翅片，釬焊在大直徑矩形橢園管上。它上端同蒸汽配管焊接，下端與凝結水聯箱聯結。每8片或10片構成一個散熱單元，每個單元的管束為59.50—60.50角組成A一型架構。

(2)冷卻元件：

冷卻元件即翅片管，它是空冷系統的核心，其性能直接影響空冷系統的冷卻效果。對翅片管的性能基本要求：

a．良好的傳熱性能；b.良好的耐溫性能；c.良好的耐熱沖擊力；d．良好的耐大氣腐蝕能力；e．易于清洗塵垢：f.足夠的耐壓能力，較低的管內壓降：g.較小的空氣側阻力；h．良好的抗機械振動能力；i.較低的制造成本。

空冷凝汽器冷卻元件，采用園管外繞翅片為多排管，如福哥式冷卻元件。后發展為大口徑橢園管套矩形翅片為雙排管，近期發展出大口徑扁管翅片管，又稱之為單排管。應當說此三種冷卻元件在直接空冷系統中都得到了成功的應用。目前生產鋼制多排管的主要是德國巴克杜爾(BDT)公司，國內生產基地位于張家口市；生產雙排管的主要是德國基伊埃(GEA)公司，國內生產基地在太原市捷益公司、哈爾濱空調股份有限公司；原比利時哈蒙(HAMON)公司生產單排管，國內沒有生產線，去年被BDT公司總部購并后，與BDT合并為同一家公司，于今年在天津上了兩條生產線，到目前為至，三種管型均在國內有了合資生產線，或獨立生產。

(3)雙排管的構成

橢園鋼管鋼翅片，管徑是100X20mm的橢園鋼管，纏繞式套焊矩形翅片，管兩端呈半園，中間呈矩形。首先接受空氣側的內側管翅片距為4mm，外側管翅片距為2．5mm。管距為50mm，根據散熱面積大小，可以變化管子根數，多根管數組成一個管束，每8片或10片管束構成一個散熱單元，兩個管束約成60度角構成“A”字形結構。單排管的構成：橢園鋼管鋼翅片，管徑是200×20mm，兩端呈半園，中間呈矩形。蛇形翅片，釬焊在橢園鋼管上。

翅片管的下端同收集凝結水的集水箱聯結。集水箱同逆流單元相結。在逆流單元管根部留有排汽口。

(3)散熱單元布置

每臺機組布置成垂直、平行汽機房方向有列、行之分。300MW機組布置6列4行或5行單元數，單元總數為24或30；600MW機組布置8列6行、7行或8行單元數，單元總數有48、56、64散熱單元。ko結構

散熱單元有順流和逆流單元之分。其順流是指明蒸汽自上而下，凝結水也是自上而下，當順流單元內蒸汽不能完全冷凝，而剩余蒸汽在逆流單元冷凝，在這里蒸汽與冷凝水相反方向流動，即蒸汽由下而上，水自上而下相反方向流動。

眾所周知，機組運行蒸汽內總是有不可凝汽體隨蒸汽運動，設置逆流單元主要是排除不可凝汽體和在寒冷地區也可以防凍。

在寒冷地區，順、逆流單元面積比，約5：1，單元數相比約2．5：1。在600MW機組的散熱器每列是2組逆流單元，而在300MW機組的散熱器每列是1組逆流單元。每臺機組順、逆流單元散熱面積之和，為散熱總面積。這面積為渡夏要求有一定裕量，因為管束翅片上實際污染要比試驗值大、大風地區瞬間風速高于4．0m／s、管束機械加工質量缺陷，尤其電廠投產后溫度場變化，其溫度要比氣象站所測溫度高出2．0·C以上，豐鎮間冷是3．0·C。這些問題應引起重視。

3．3抽氣系統

在逆流單元管束的上端裝置排氣口，與設置的抽汽泵相聯。抽氣泵是抽氣，分運行和啟動，啟動抽氣時間短，300MW機組的系統容積大約5300m3，抽氣同時在降背壓，使之接近運行背壓。時間約40分鐘。

在抽氣時注意，蒸汽和不凝氣體的分壓力，抽氣不可抽出蒸汽。抽氣系統也是保證系統背壓的。

3．4凝結水系統

冷卻單元下端集水箱，從翅片管束收集的凝結水自流至平臺地面或以下的熱井，通過凝結泵再將凝結水送往凝結水箱并送回熱力系統。

3．5通風系統

直接空冷系統散熱目前均采用強制通風，大型空冷機組宜采用大直徑軸流風機，風可為單速、雙速、變頻調速三種。根據工程條件可選擇任一種或幾種優化組合方案。就目前國內外設計和運行經驗，在寒冷地區或晝夜溫差變化較大的地區，采用變頻調速使風機有利于變工況運行，同時也可降低廠用電耗。為減少風機臺數，通常采用大直徑軸流風機，直徑達9．14m、10．36m；減速齒輪箱易發生漏油和磨損，目前以采用進口設備比較安全；變頻調速器國內已有合資公司，比進口設備造價有較大幅度的降低；為降低噪音，風機葉片的選型很重要，葉片材質為玻璃鋼，耐久性強，不宜破損。近年來，國內直接空冷電站對風機所產生的噪音日益嚴格，按照環保標準工業區三類標準要求在距空冷凝汽器平臺150m處的風機噪音聲壓水平，白天不得超過65dB(A)，夜間不得超過55dB(A)，風機選型一般是低噪音或超低噪音風機。此類風機國內目前生產水平難以滿足噪音標準要求，通常采用的進口風機有意大利COFIMCO公司和波蘭HOWDEN公司生產的軸流風機在直接空冷系直接空冷系統的運行受環境在溫度、機組負荷等因素變化影響較敏感，并且變化頻次也較多，自控系統對空冷凝汽器的安全、經濟運為達到上述三項任務，必須對空氣流量和蒸汽流量進行控制。為散熱器單元都要裝配清洗泵，用以翅片管上的污垢，如大風產生的雜物、平時積累的灰塵等。清洗有高壓空氣或高壓水，后者優于前者，高壓水泵的壓力在130ram(大氣壓)，每小時10噸。一般每年清支撐結構是直接空冷裝置的主要承重設備，上部為鋼桁架結構，下部為鋼筋混凝土支柱和基礎，結構體系龐大，受各種荷載作用復雜。國外對此已經有了成熟的設計制造經驗，同國際先進水平相比，國內目前針對大型直接空冷機組支撐結構方面的研究工作較晚，對支撐結構設計及力學計算屬于需要開發。目前國內在建的幾個空冷電站支撐結構鋼桁架均由國外公司設計完成。

4．直接空冷系統有待研究的幾個問題

直接空冷系統在國內處于起步階段，在設計和運行上均缺乏更多經驗，電廠業主關注的不僅是空冷系統設計優化的經濟性，更關心的是空冷系統的安全性，所謂安全性主要包括兩個方面：一是夏季高溫能否保證設計考核點的滿發，二是在冬季低溫條件下能否有效防凍。為此，在直接空冷系統設計和運行過程中有必要研究和總結以下幾方面的課題：

4．1大風影響

直接空冷系統受不同風向和不同風速影響比較敏感，特別是風速超過3．0m／s以上時，對空冷系統散熱效果就有一定影響，特別是當風速達到6．0/s以上時，不同的風向會對空冷系統形成熱回流，甚至降低風機效率。為了使大風的影響降低到最低限度，設計上必須研究夏季高溫時段，某一風速出現最大頻率的風向，在設計布置時應避開，甚至適當拉大與A列的距離。在運行期間通過氣象觀測收集有關數據，根據電廠發電負荷的變化進行總結，工程實施前進行必要的物模或數模試驗，以指導設計和今后運行采集的數據進行對比總結。

4．2熱風再回流

電廠運行時，冷空氣通過散熱器排出的熱氣上升，呈現羽流狀況。當大風從爐后吹向平臺散熱器，風速度超出8m／s，羽流狀況要被破壞而出現熱風再回流。熱氣上升氣流被爐后來風壓下至鋼平臺以下，這樣的熱風又被風機吸入，形式熱風再循環。甚至最邊一行風機出現反向轉動。在工程上是增設擋風墻來克服熱風再循環，擋風墻高度要通過設計而確定。

4．3平臺高度

支撐結構平臺高度與電廠總體規劃、空冷系統自身的要求綜合考慮。平臺高度的確定原則是使平臺下部有足夠的空間，以利空氣能順利地流向風機。平臺越高，對進風越有利，但增加工程造價。如何合理確定平臺高度，目前沒有完善的理論公式，各家只有習慣的經驗設算，解決此問題的途徑是根據多家經驗，通過不同條件的模型計算和現場運行期間的測試，研究總結出一個較理想的計算方法。

4．4防凍保護

直接空冷系統的防凍是影響電廠安全運行的一個重要問題，從國外設計和運行經驗有許多措施來保證防凍是有效的。

a．設計上采用合理的順流與逆流面積比，即K／D結構。對嚴寒地區“K／D”取小值，對炎熱地區取大值。

b.加設擋風墻，預防大風的襲擊。

c．采用能逆轉風機，以形成內部熱風循環。

d．正確計算汽機排汽壓力與環境氣溫的關系，以確定風機合理運行方式。

e．先停順流單元風機，后停逆流單元風機。

f.嚴格控制凝結水的過冷度。

g．嚴格控制逆流管束出口溫度，及時調節逆流風機的運行時數。以上是設計和運行兩方面對防凍保護的一些措施，如何應用合理得當，仍要在設計和現場根據不同的工程條件進行必要的研究和總結。

5．空冷汽輪機的運行工況

5.1空冷汽輪機的運行工況

a．TRL工況一能力工況

b.T—MCR工況一最大連續工況

c．VWO工況一閥門全開工況

d．THA工況一額定工況

e．阻塞背壓。

5．2空冷機組的匹配關系

(1)鍋爐容量與汽機VWO工況進汽量相匹配；

(2)電機'>發電機最大連續功率與機組相匹配；

(3)空冷裝置匹配關系應同時滿足下列條件：

a．空冷裝置容量應保證在規定的夏季某氣溫條件下的T—MCR工況發額定功率，并留有一定空冷單元或相當風量裕量；

b.空冷裝置在典型年最高溫條件下，機組進汽量為VWO工況汽量的背壓值與機組安全限制背壓之間留有15kpa以上的裕量，以適應不利的環境風速變化下安全運行；

c.當一個空冷單元風機停運或檢修時，機組正常運行背壓在限制背壓以內。

6．結語

大型電站直接空冷系統的設計在國內應用較晚，在內蒙地區更晚，目前上都電廠、豐鎮三期、托電三期、烏拉山等空冷電廠只進入施工詳圖設計階段或投標階段，設計和運行缺乏經驗。內蒙院于2000年開始研究開發空冷系統設計技術，2001年11月第一次在正蘭電廠2X600MW空冷機組工程設計投標階段應用，相繼完成了幾個工程的可研和初步設計。現正在進行烏拉山、錫林浩特電廠、新豐電廠、達電四期空冷機組工程旋工圖的準備工作。從起步到現在由內蒙院原水工室主任李樹梅高工帶領年青同志研究開發達四年多的時間，通過收集信息，研究開發，并向外學習，對直接空冷系統設計技術有了一定的基礎和設計能力。本次交流只是對直接空冷系統主要系統的概念介紹，由于對直接空冷系統的理論和工程實踐有待進一步學習和研究，錯誤之處在所難免，本稿只限內部交流和同行共同學習。

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