1、目 錄 前 言第一章 概論1.1 空冷技術的概述及分類1.2 空冷技術的發展及在我國的應用1.3 空冷技術的采用對整個發電廠生產工藝流程的影響第二章 發電廠空冷系統設備2.1 直接空冷系統2.2 海勒式間接空冷系統2.3 哈蒙氏間接空冷系統2.4 三種空冷系統的主要設備特征和技術參數比較第三章 直接空冷系統的運行和維護3.1 冷卻風機3.2 直接空冷散熱器的防凍3.3 直接空冷散熱器的熱風再循環第四章 空冷系統與濕冷系統的比較4.1 空冷和濕冷系統的經濟性比較4.2 空冷系統的應用的評價結束語參考文獻 前 言隨著世界各國經濟的迅速發展和人類物質文化生活水平的不斷提高，大型火力發電廠及大容量單元

2、機組的投運面臨著更為迫切、嚴格的要求，即在要求電力工業高速發展的同時，對發電廠的耗水量、煙塵排放量、冷卻水廢熱造成的大氣和自然水資源污染、生態平衡破壞規定了嚴格的限制標準。因此，人類在大規模開發能源、發展電力工業的同時，必須采取有效措施，緩解用水矛盾，控制消除污染后果，走可持續發展的道路。發電廠汽輪機排汽空氣冷卻技術的應用和發展，為在嚴重缺水的煤礦和電力負荷中心區域建設大型火力發電廠開辟了一條節水、經濟、安全、可靠的途徑，也為水資源豐富區域保持生態平衡、避免江河水資源污染創造了有利條件。因此，發電廠空冷技術在世界范圍內得到了廣泛的應用。特別是我國，走和諧、可持續發展道路，節約用水，避免污染，提

3、高水資源利用率，已成為新世紀電力工業發展的重大課題。華北、西北富煤而缺水地區，發電廠采用空冷技術已成為必然，其他水資源相對充沛地區，發電廠采用空冷技術的問題也將會收到高度的重視。為了推廣空冷技術在電廠的應用，特做此設計以供大家參考。第一章 概 論 第一節 空冷技術概述及分類發電廠空冷技術從提出到現在約有50年的歷史，并在國際上有了迅速發展，目前已出現單機容量686MW的空冷機組。在干旱地區，空冷技術發展尤為迅速，并出現了多種類型，如直接空冷、干濕聯合冷卻機組等。發電廠空冷技術已成為當前發電廠建設中的一個熱門課題。當前用于發電廠的空冷系統主要有三種，即直接空冷、表面式凝汽器間接空冷系統和混合式凝

4、汽器間接空冷系統。直接空冷多采用機械通風方式，20世紀90年代以來，比利時哈蒙魯姆斯公司提出采用自然通風，兩種間接空冷多采用自然通風。一、 海勒式間接空冷系統海勒式間接空冷系統（如圖1-1所示）主要由噴射式凝汽器和裝有福哥型散熱器的空冷塔構成。由外表面經過防腐處理的圓形鋁管、套以鋁制翹片的管束所組成的“”形排列的散熱器，稱為缺口冷卻三角，在缺口處裝上百葉窗就成為一個冷卻三角。系統中的冷卻水都是高純度的中性水（PH=6.87.2）。中性冷卻水進入凝汽器直接與汽輪機排氣混合，并將其冷凝。受熱后的冷卻水絕大部分由冷卻水循環被送至空冷塔散熱器，經與空氣對流換熱冷卻后通過調壓水輪機將冷卻水再送至噴射式凝

5、汽器進入下一個循環。受熱的循環冷卻水中的極少部分經凝結水精處理后送至汽輪機回熱系統。該系統中的調壓水輪機有兩個功能：通過調壓水輪機導葉開度來調節噴射式凝汽器前的水壓，保證形成微薄且均勻的垂直水膜，減少排氣通道阻力，使冷卻水與排氣充分接觸換熱；回收能量，減少冷卻水循環的功率消耗。調壓水輪機在此空冷系統中的連接方式有兩種：一種是在許多空冷電廠已采用過的立式水輪機與立式異步交流發電機連接，另一種連接是臥式水輪機與臥式冷卻水循環泵、臥式電動機的同軸連接。后一種連接方式可以在工程中使用，但目前尚未見投運的實例。海勒式間接空冷系統的優點是：以微正壓的低壓水系統運行，較易掌握，可與中背壓汽輪機配套；冷卻系統

6、消耗動力稍低，廠用電稍少，約為90%；基建投資中等，為120%；占地面積中等，為156%。其缺點是：鋁制空冷散熱器耐沖洗、耐抗凍性能差；空冷散熱器在塔外布置，易受大風影響其帶負荷的能力；設備系統復雜，且有薄弱環節。海勒式間接空冷系統適合與氣候溫和、無大風地區，帶基本負荷。二 哈蒙氏間接空冷系統 哈蒙氏間接空冷系統如圖1-2所示。這種空冷系統是在海勒式間接空冷系統運行實踐基礎上發展起來的。鑒于海勒式間接空冷系統采用的噴射式凝汽器，其運行端差實際值和表面是凝汽器端差相比較沒有明顯減少。在噴射式凝汽器中，循環冷卻水與鍋爐給水是連通的，由于鍋爐給水品質控制嚴格，系統中要求設凝結水精處理裝置；對高參數、

7、大容量的火電機組，給水水質控制和處理尤為困難，于是在單機容量300和600MW級火電機組發展了哈蒙氏間接空冷系統與直接空冷系統。哈蒙氏間接空冷系統由表面是凝汽器與空冷塔構成。該系統與常規的濕冷系統基本相仿，不同之處是用空冷塔代替濕冷塔，用不銹鋼管凝汽器代替銅管凝汽器，用除鹽水代替循環水，用密閉式循環冷卻水系統代替開敞式循環冷卻水系統。在哈蒙氏間接空冷系統回路中，由于冷卻水在溫度變化時體積發生變化，故需設置膨脹水箱。膨脹水箱頂部和充氮系統連接，使膨脹水箱水面上充滿一定壓力的氮氣，這樣即可對冷卻水容積膨脹起到補充作用，又可避免冷卻水和空氣接觸，保持冷卻水質不變。 在空冷塔底部設有儲水箱，并設置兩臺

8、輸水泵可向冷卻塔中的空冷散熱器充水。空冷散熱器及管道滿水后，系統即可啟動投運。 哈蒙氏空冷系統的散熱器有橢圓形鋼管外纏繞橢圓形翹片或套嵌矩形鋼翅片的管束組成，橢圓形鋼管及翅片外表面進行整體熱鍍鋅處理。 該系統采用自然通風方式冷卻，將散熱器裝在自然通風冷卻塔中。 哈蒙氏間接空冷系統類似于濕冷系統，其優點是：節約廠用電，設備少，冷卻水系統與汽水系統分開，兩者水質可按各自要求控制；冷卻水量可根據季節調整，在高寒地區，冷卻水系統中可充以防凍液防凍；空冷散熱器在塔內布置，其帶負荷能力基本上不受大風影響。其缺點是：空冷塔占地大，基建投資多，約為126%；發電煤耗多，約為105%；系統中需要兩次換熱，且都屬

9、于表面式換熱，使全廠熱效率有所降低。 哈蒙氏間接空冷系統適用于核電站、熱電站和調峰大電廠。三、 直接空冷系統 直接空冷系統又稱空氣冷凝系統。直接空冷是指汽輪機的排氣直接由空氣來冷凝，空氣與蒸汽間進行熱交換，所需的冷卻空氣通常由機械通風方式供應。直接空冷的凝氣設備稱為空冷凝汽器，它是由外表面鍍鋅的橢圓形鋼管外套矩形鋼翅片的若干個管束組成的，這些管束亦稱為散熱器。直接空冷系統的流程如圖1-3所示。汽輪機的排汽通過粗大的排汽管道送到室外的空冷凝汽器內，軸流冷卻風機是空氣流過散熱器外表面，將排汽冷凝成水，凝結水再經泵送回到汽輪機的回熱系統。直接空冷系統是將汽輪機排出的乏汽由管道引入空冷凝汽器的鋼制散熱

10、器中，由環境空氣直接將其冷卻為凝結水，減少了常規二次換熱所需要的中間冷卻介質，換熱溫差大。空冷凝汽器分主凝汽器和分凝汽器兩部分，主凝汽器多設計成汽水順流式，它是空冷凝汽器的主體可冷凝75%80%的蒸汽；分凝汽器則設計成汽水逆流式，形成空冷凝汽器的抽空氣區域，設置逆流管束主要是為了能夠比較順暢的將系統內的空氣和不不凝結氣體排出，避免運行中在空冷凝汽器內的某些部位形成死區，冬季形成凍結的情況。空氣區的抽真空系統是直接空冷的關鍵。在汽輪機啟動和正常運行時，要使汽輪機低壓缸尾部、空冷凝汽器、排氣管道及凝結水箱等設備內部形成真空，通常采用的抽空氣設備是蒸汽抽氣器。本系統的作用是在機組啟動時將一些汽水管道

11、系統和設備中積集的空氣抽掉，一邊加快機組啟動速度，以及在正常運行時及時抽掉蒸汽和疏水中以及泄漏入真空系統的空氣和其它不凝結氣體，以維持凝汽器真空和減少設備等腐蝕。抽真空系統中設有破壞閥門，當需要破壞系統真空時，可開啟真空破壞閥。在直接空冷系統中，空冷凝汽器的布置與風向、風速及電廠主廠房朝向都有密切關系。中、小型機組可直接在汽輪機房屋頂布置空冷凝汽器，大型機組的空冷凝汽器通常在緊靠機房A列柱外側與主廠房平行的縱向平臺上布置若干單元組，其總長度與主廠房長度基本一致。每個單元組由多個主凝汽器與一個分凝汽器組成“人”字形排列結構，并在每個單元機組下部設置一臺大直徑軸流風機。 直接空冷系統的其他的主要特

12、點還有： 汽輪機背壓變幅大。汽輪機排汽直接由空氣冷凝，其背壓隨空氣溫度變化而變化。我國北方地區一年四季乃至晝夜溫差都較大，故要求汽輪機要有較寬的背壓運行范圍。 真空系統龐大。汽輪機排汽要由大直徑的管道引出，用空氣作為直接冷卻介質，通過鋼制散熱器進行表面熱交換，冷凝排汽需要較大的冷卻面積，故而真空系統龐大。 耗能大。直接空冷系統所需的空氣由大直徑風機提供，風機需要耗能，根據國外資料，直接空冷系統自耗電占機組發電容量的1.5%左右。 電廠整體占地面積小。由于空冷凝汽器一般都布置在汽機房頂或汽機房前的高架平臺上，平臺下仍可布置電氣設備等，空冷凝汽器占地得到綜合利用，使電廠整體占地面積減少。 冬季防凍

13、措施比較靈活可靠。間接空冷系統的主要防凍手段是設置百葉窗來調節和隔絕進入散熱器的空氣量，若百葉窗關閉不嚴或驅動機構出現機械或電氣故障，將導致散熱器凍結。而直接空冷系統可通過改變風機轉速、停運風機或使風機反轉來調節空冷凝汽器的進氣量，利用吸熱風來防止空冷凝汽器的凍結，調節相對靈活，效果好且可靠。已有運行經驗證明。 凝結水溶氧量高。由于直接空冷機組的真空系統龐大，易出現負壓系統氧氣吸入，又由于機組背壓偏高，易出現凝結水過冷度偏大，進一步加大了凝結水中溶解氧的含量。 直接空冷的缺點是：風機群噪聲污染環境。風機群消耗動力大約為100%，維修工作量大。熱風抽吸到進風口，影響冷卻效果。系統的負壓區域大，制

14、造、施工必須精心，以維持高度的嚴密性。發電煤耗多，約為103%。 直接空冷適用于各個環境條件和各類燃煤電廠，要求煤價低廉，最好帶基本負荷。 第二節 空冷技術的發展及在我國的應用一、 直接空冷凝汽器系統的發展循環冷卻系統是電力生產過程中的一個重要環節，做過功的汽輪機乏汽需要在凝汽器中冷卻凝結，然后重新循環。常規濕冷機組是采用自然通風冷卻塔形式，以水為冷卻介質，其中循環水損失（蒸發損失、風吹損失和排污損失）約占電廠耗水量的80%；而空冷機組是以空氣為冷卻介質，其中間接空冷系統主要有帶噴射式凝汽器的海勒式系統，帶表面式凝汽器的哈蒙氏系統和直接空冷系統。無論是采用密閉循環冷卻水的間接空冷方式，還是無循

15、環冷卻水的直接空冷方式，都不產生循環水損失，只需鍋爐補水和其他用水即可，所以電站耗水量明顯減少，在相同的水資源下可多裝機至原來的三倍以上，具有長遠的經濟效益。電站空冷凝汽器技術的開發應用自世界上第一臺15MW直接空冷機組于1938年在德國一個坑口電站投運至今已有近70年的歷史。直接空冷技術的發展主要是圍繞空冷凝汽器管束進行的，空冷凝汽器所用的翅片管基本上是表面鍍鋅的橢圓形鋼管加鋼質翅片，或圓形鋼管加鋁翅片。在直接空冷凝汽器發展初期的20世紀60年代，由于受加工工藝的限制，翅片管的內徑較小。為了將蒸汽側的壓力損失控制在合理范圍內，單管長度一般為7m左右。為了獲得足夠的換熱面積，蒸汽管束不得不采用

16、2排、3排甚至4排管片。由于多排管組成的管束，空氣（蒸汽）流會產生死區，換熱面積不能像單排那樣被100%利用，而且多排管空氣流阻力大，其空冷風機必然要多耗電能，另外，管束外可能會出現死區，在冬季流動不暢的不可凝結氣體和凝結水容易結冰。因此直接空冷技術的優越性顯得不夠突出，其發展和推廣也受到了一定制約，基本上都在單機容量比較小的發電機組上使用。20世紀80年代初，翅片管直徑由25.4mm擴大到38mm，單管長度也相應加長到10m，組成管束的翅片管排數也相應減少，使用空冷技術發電機組的單機容量也相應增大。20世紀80年代中期以后，翅片管直徑已經擴大到50mm以上，組成管的翅片管減少到只有一排，這也

17、就是目前使用的具有特殊形狀的單排橢圓形翅片管的空冷凝汽器。空冷風機的發展，特別是變頻技術的應用，對直接空冷技術的發展和推廣起到很大的推動作用，它為防止空冷技術在嚴寒的冬季發生冰凍提供了更為靈活的控制手段。由于空冷凝汽器制造技術不斷發展，解決了空冷技術在應用上的諸多難題，使其優點更為突出，為其在大容量機組上的應用鋪平了道路。空冷技術已經為越來越多的國家認同和使用，使用空冷凝汽器的機組從無到有、容量從小到大，世界上相繼出現了一批200、300甚至600MW及以上的大容量直接空冷機組，如伊朗Touss電站（4×150MW），1970年7月后相繼投產的西班牙Utrillas火電廠（單機容量1

18、60MW），1978年投產的美國Wyodak電站（單機容量330MW），1986年后相繼投產的南非Maimba電站6×685MW等等，至今運行良好。二、 空冷技術在我國的應用 我國是一個以煤炭資源為主的能源國家，其中燃煤發電約占全部電源的70%，而且在近期仍不會改變這種電力能源以煤電為主的比例。我國還是嚴重缺水的國家，水資源短缺已成為制約經濟社會發展的主要因素。按目前的正常需要和不超采地下水，全國缺水總量約為400億m3，全國現有668座城市，約有400座城市缺水。 我國電力工業發展迅速，大容量、高參數的大型火電機組日益增多，其年耗燃料及水資源相當可觀，其中水資源的矛盾已是制約我國大

19、部分地區發展的一個重要因素，尤其是西部地區，富煤缺水，要開發這些地區的能源，除了有關工業、農業均要采取節約水措施外，電力行業建設采用大型空冷機組是非常經濟而有效的措施。我國于20世紀60年代開始火電空冷技術的研究，但都屬于小型機組。“七五”期間，我國從匈牙利進口兩套200MW帶噴射式凝汽器的海勒式間接空冷系統設備，同時引進了海勒式系統的空冷技術，與東方汽輪機廠和電機廠生產的200MW汽輪發電機組配套，在山西大同第二發電廠分別于1987年和1988年投產。“八五”期間，太原第二熱電廠的2臺200MW供熱空冷機組經論證，參照大同第二發電廠運行的實踐，確定采用帶表面式凝汽器哈蒙氏間接空冷系統。哈蒙氏

20、系統是哈蒙公司在購買匈牙利海勒式系統專利后經研究改進的間接空冷系統，它與海勒式系統的主要不同是采用了表面式凝汽器和鋼管鋼翅片散熱器，是循環冷卻水與鍋爐給水分成兩個獨立的系統，其水質可以按各自的標準和要求進行化學處理，因而簡化了系統，方便運行操作，增加了空冷設備運行的可靠性。從1992年起，哈爾濱發電設備制造基地為內蒙古豐鎮電廠制造了4臺200MW空冷機組，采用了海勒式間接空冷系統。這幾臺節水型空冷機組投入運行，緩解了缺水地區的電供需矛盾和用水緊張狀況，同時也積累了很多設計、制造、安裝和運行經驗，為發展我國大型空冷機組奠定了良好的基礎。山西交城義旺鐵合金制備電廠6MW直接空冷機組是我國首臺投產的

21、直接空冷機組；2003年11月，我國首臺大容量空冷機組在大同平旺電廠1號機組（200MW）順利完成96h試運并移交生產，2003年12月，2號機組也順利建成投產；2004年9月、10月，山西漳山發電有限責任公司的2臺300MW直接空冷機組相繼完成168h試運行并移交生產；山西華能榆社電廠2×300MW直接空冷機組于2004年投產；大同第二發電廠2×600MW直接空冷機組于2005年4月投產；同時山西、內蒙古、東北等地還有許多空冷機組在建設中。上述的2×200MW、2×300MW、2×600MW機組添補了我國大型直接空冷機組的空白，標志著我國發電

22、廠空冷技術已經跟上了世界的腳步，為我國大型直接空冷機組的發展取得了寶貴的經驗。表1-4給出了我國空冷機組應用情況。三、直接空冷技術的發展趨勢 直接空冷機組朝著高參數、大容量方向發展 由于空冷凝汽器制造技術不斷發展，直接空冷機組的參數和容量也在不斷增大，由原來的超高壓、亞臨界向超臨界、超超臨界發展。我國哈爾濱汽輪機制造XXX已和大同第二電廠簽署了制造2臺600MW超臨界直接空冷汽輪發電機組的協議。不就的將來，超超臨界直接空冷汽輪機發電機組也會問世。 空冷散熱器向“大而少”方向發展 即空冷凝汽器的管排數減少，長度增加。 通風方式趨向“多樣化” 針對機械通風冷卻方式的部分缺點，目前已經開發出采用自然

23、通風塔的直接空冷系統，自然通風由于通風塔的存在，消除了熱風再循環的影響，另外，由于取消了風機，減少了廠用電，不再有風機噪聲危害。 應用范圍擴大 隨著水資源的日益匱乏，直接空冷汽輪機的應用范圍不斷擴大，不但用于干燥地區，而且用于水資源相對比較充沛的地區；不但用在火電機組，而且用于核電廠、燃氣-蒸汽聯合循環電站。第三節 空冷電廠的總體特點 當發電廠采用空冷系統后，對整個發電廠的生產工藝流程有重大影響。現將空冷電廠的總體特點簡述如下。 改變廠址選擇條件。 空冷電廠全廠耗水量按設計裝機容量計算約為0.30.35m3/（GW·s），因而廠址的選擇基本上不受水源的限制，避免以水定廠址、以水定容量

24、規模等問題，在缺水的煤礦坑口和靠近負荷中心區建造大容量發電廠成為可能。 空冷設備地位重要。 空冷電廠所需的散熱器體積龐大，價格昂貴，已成為電廠的主要設備之一。 節約用水。 當今，濕冷電廠的全部耗水量約為1m3/（GW·s），空冷電廠可以節約濕冷電廠全廠耗水量的65%以上，是火電廠節水量最多的一項技術。同時縮小了電廠水資源工程建設規模，降低了水資源工程的投資費用。 減輕了對環境的污染。由于空冷電廠沒有逸出水霧汽團，不發生淋水噪聲，更沒有冷卻水對天然水體的排放，減輕對環境的污染。 大幅度的減少發電廠的占地面積成為可能。 當采用直接空冷系統時，不僅可以取消濕冷系統的大型濕冷塔、水泵房、深埋地下管線等占地面積，還可以在空冷凝汽器平臺下面布置電氣變壓器，充分利用主廠房A列外側空間。當采用海勒式間接空冷系統時，有可能將主廠房或濕法煙氣脫硫系統、煙囪布置在空冷塔內。 空冷裝置需要較大的施工組裝場地和較為復雜的調試措施。 空冷電廠的帶負荷能力受到環境風向、風速、風溫的影響大。 空冷發電廠的全場熱效率較低，發電標準煤耗率大。 第二章 發電廠空冷系統設備 第一節 直接空冷系統設備 直接空冷系統，又稱空氣冷卻系統，是指汽輪機的排汽直接用空