空冷凝汽器工作原理

空冷凝汽器工作原理1凝汽器冷却方式：1.1湿式冷却方式湿式冷却方式分直流冷却和冷却塔2种。湿式直流冷却一般是从江、河、湖、海等天然水体中汲取一定量的水作为冷却水，冷却工艺设备吸取废热使水温升高，再排入江、河、湖、海。当不具备直流冷却条件时，则需要用冷却塔来冷却。冷却塔的作用是将挟带废热的冷却水在塔内与空气进行热交换，使废热传输给空气并散入大气。1.2干式冷却方式在缺水地区，补充因在冷却过程中损失的水非常困难，采用空气冷却的方式能很好地解决这一问题。空气冷却过程中，空气与水(或排汽)的热交换，是通过由金属管组成的散热器表面传热，将管内的水(或排汽)的热量传输给散热器外流动的空气。当前，用于发电厂的空冷系统主要有3种，即直接空冷系统、带表面式凝汽器的间接空冷系统(哈蒙式空冷系统)和带喷射式(混合式)凝汽器的间接空冷系统(海勒式空冷系统)。直接空冷就是利用空气直接冷凝从汽轮机的排气，空气与排气通过散热器进行热交换。海勒式间接空冷系统主要由喷射式凝汽器和装有福哥型散热器的空冷塔构成，系统中的高纯度中性水进入凝汽器直接与凝汽器排汽混合并将加热后的冷凝水绝大部分送至空冷散热器，经过换热后的冷却水再送至喷射式凝汽器进行下一个循环。极少一部分中性水经过精处理后送回锅炉与汽机的水循环系统。哈蒙式间接空冷系统又称带表面式凝汽器的间接空冷系统，在该系统中冷却水与锅炉给水是分开，这样就保证了锅炉给水水质。哈蒙式空冷系统由表面式凝汽器与空冷塔组成，系统与常规的湿冷系统非常相似。据统计目前世界上空冷系统的装机容量中，直接空冷系统约占43%，表面式凝汽器间接空冷系统约占24%，混合式凝汽器间接空冷系统约占33%。2直接空冷系统的工作原理汽轮机排汽在空冷凝汽器中被空气冷却而凝结成水，排汽与空气之间的热交换是在表面式空冷凝汽器内完成。在直接空冷换热过程中，利用散热器翅片管外侧流过的冷空气，将凝汽器中从处于真空状态下的汽轮机排出的热介质饱和蒸汽冷凝，最后冷凝后的凝结水经处理后送回锅炉。3直接空冷凝汽器的发展现状3.1直接空冷凝汽器的作用直接空冷技术的发展主要是围绕直接空冷凝汽器管束进行的。空冷凝汽器是空冷机组冷端的主要部分，汽轮机排汽将几乎全部在凝汽器中冷凝成冷凝水。汽轮机排出的蒸汽在凝汽器翅片管束内流动，空气在凝汽器翅片管外流动对蒸汽直接冷却。从提高冷却效率角度出发，一般在管束下面装有风扇机组进行强制通风或将管束建在自然通风塔内，在现有运行的机组中，强制通风方式由于其可调控性能较好等优点而广泛应用。直接空冷凝汽器由于特点突出，已经逐渐在世界各国进行技术研究并逐步推广应用。由于间接空冷凝汽器系统相对于直接空冷凝汽器系统设备多、造价高、维修量大、运行难度大且可靠性较差，所以它将只是水冷凝汽器系统和直接空冷凝汽器系统之间的一个过渡，直接空冷凝汽器将是今后电厂冷却系统发展的重要方向。3.2直接空冷凝汽器的发展现状电厂空冷凝汽器技术的开发应用已有几十年的历史。德国早在1939年就建成了采用空气冷却的发电机组。1950年匈牙利的海勒教授首次提出电站间接空冷技术，电站空冷技术发展到现在已经经历了由不成熟到成熟的发展过程。空冷系统的翅片管散热器按材料分有：铝管铝翅、钢管铝翅以及钢管钢翅3种。按结构分，现在空冷系统普遍采用的有4种：圆形铝管镶铝翅片、热浸锌椭圆钢管套矩形翅片、大直径热浸锌椭圆钢管套矩形翅片、大直径扁管焊接蛇型铝翅片。直接空冷技术的发展主要是围绕直接空冷凝汽器管束进行的，目前空冷凝汽器所用的翅片管基本上是表面镀锌的椭圆形钢管加钢质翅片或圆形的钢管加铝翅片。20世纪60年代，直接空冷凝汽器技术的发展初期，由于受加工工艺的限制，翅片管的内径较小，单管长度短，管束排数多。由于多排组成的管束空气(蒸汽)流会产生死区，换热面积不能被充分利用，并且气流阻力大；在管束内死区现象易出现冬季运行时容易结冰。因此，直接空冷技术当时基本上都在单机容量比较小的发电机组上使用。20世纪80年代，翅片管设计及制造技术都有了很大的提高，管径和长度都已增加，其中翅片管基管直径已经扩大到50mm以上，因此，管排也相应地减少，出现了单排管。单排管具有：换热面积利用充分、空气侧流动阻力小、不容易冰冻、制造容易和造价低等优点，有利于促进空冷机组向大机组的方向发展。随着空冷凝汽器技术的不断发展及其技术和经济方面的优点，为直接空冷系统在大容量机组上的应用奠定了坚实基础，空冷技术已经在越来越多的国家得到认同和使用。4直接空冷系统的特点4.1直接空冷机组的优点4.1.1耗水量小在水冷凝汽器机组中，冷却塔的蒸发损失量很大，约占全厂耗水量的90%以上，直接空冷凝汽器采用空气冷却，减少中间的水冷过程。据统计，采用直接空冷凝汽器系统的机组比水冷凝汽器机组节水70%以上。由于直接空冷的节水特性，在富煤而干旱缺水地区电站建设开辟了一条新道路。4.1.2占地面积小直接空冷凝汽器系统没有水冷凝汽器系统中的循环冷却水塔和循环水泵房，建在厂房外，利用厂房与升压站空间，因此，占地面积减少。4.1.3较高的经济性在水资源日益紧张、水价不断提高、环保要求等问题的日益突出，直接空冷系统在经济性方面的优越性也就更加突出。从投资角度看，直接空冷系统机组造价高，而且运行期间的热耗率较高，但是从长远利益考虑在富煤贫水地区建造电厂及运行所需的费用远比水源充足地区的煤炭运输费用低，并且节约大量的用水。因此，直接空冷系统的整体经济性将高于水冷机组，同时在节约大量用水的同时创造了更高的社会价值。4.1.4运行安全可靠、防冻效果好直接空冷机组将整个系统划分为若干单元，如某电厂200MW机组凝汽器系统划分为24个凝汽单元，在运行期间可以将出现故障的单元与整体隔离进行维修；在降负荷运行及冬天，在满足冷却条件时可以将部分单元停运；可以对每台风机进行变速调节，以进行凝结水过冷度和汽轮机背压的调整。4.2直接空冷系统存在的缺陷4.2.1机组被压高、变化大汽轮机被压在超出设计范围时，汽轮机将被迫降低出力，影响机组效率。由于空气热容量远远小于水，冷却能力低，即使空冷系统具有很大的换热面积，但是机组的被压普遍比湿冷机组高，一般设计背压为15～35kPa。环境温度对机组被压影响也很大，一些地区机组由于环境温度影响，在冬季被压能降到设计被压的2/3以下，夏天却升到设计被压的200%以上，因此，汽轮机必须能适应较宽背压范围的需要。虽然直接空冷机组的汽轮机可以适应较大范围的背压变化，但在一年中的某段时间内，由于背压超出设计范围，汽轮机出力将被迫降低。4.2.2热空气再循环的影响在直接控冷系统中，由于采用了空冷强制通风，热气出口的空气可能被空气入口吸入进行再循环。在夏天机组运行中，热空气的再循环严重影响凝汽器的冷却效率。热空气的再循环与凝汽器的几何参数、外部风速及风向有关。在凝汽器周围设置挡热板能较好地解决这一问题。此外，风机群噪声对环境的影响、风机消耗动力、维护量大、系统的负压区域大等都是空冷机组存在的缺点。5直接空冷技术发展及其在建筑节能中的应用电厂直接空冷技术应用已经有几十年的历史，1938年世界上第1台空冷2.3MW机组在德国普尔地区自备电站投产，目前已运行的直接空冷机组超过800台，最大的直接空冷机组容量达665MW。在世界上已建成的100MW以上空冷机组的空冷系统，直接空冷系统约占43%，且直接空冷机组所占容量比例有逐年上升趋势。从世界范围讲，伊朗、美国和南非空冷机组应用最广泛，尤其是伊朗，新建火电机组的2/3采用空冷技术。从发展趋势上看，目前空冷机组单机容量越来越大，最大的间接空冷机组单机容量达到686MW，应用于南非肯达耳电站，最大的直冷机组单机容量达到665MW，应用于南非马丁电站。我国20世纪60年代开始了直接空冷系统研究工作。哈尔滨工业大学、哈尔滨空调机厂、西北电力设计院等进行了大量的试验工作。近几年投产运行的直接空冷机组有很多，例如大同平旺电厂2×200MW直接空冷机组、榆社电厂2×300MW直接空冷机组、长治山电厂2×300MW直接空冷机组、大同第二发电厂的我国首台600MW直接空冷机组及2007年7月试运行的邯郸龙山电厂2×600MW直接空冷机组等。目前在我国的华北、西北地区，人均淡水拥有量仅为全国平均水平的1/4，而煤炭资源却非常丰富，主要分布在山西、陕北、宁夏南部、甘肃的东部和南部、新疆的哈密和北疆地区，煤质好、储量丰富，同时接壤的哈萨克斯坦、外蒙都有廉价丰富的煤炭资源，这为发展火力发电产业确定了良好的外部资源。在北方地区，常年气温较低，年平均气温在15℃左右，特别在西北地区，常年平均气温不到10℃，并且许多地区属常年多风地区，空气流动性强，又属干旱地区，空气相对湿度小，空气的洁净程度也高，这为空冷机组的冷却系统优化.提高循环效率提供了良好的外界环境条件。另外，在北方地区由于气候寒冷的原因，冬季的家庭和工厂生产办公都需要采暖，且采暖期长达150～200d之久，需要用大量的热负荷，一些城市为了采暖建了许多燃煤锅炉房，该锅炉换热效率低.粉尘、烟尘污染大，给城市环境造成极大的污染，而采用集中热电联产供暖方式，则可极大的解决上述供热低效问题和环境污染问题，且供热稳定性好，同时也提高了电厂的循环效率，特别对空冷机组而言，可以弥补由于空冷形式机组热效率降低而造成电厂总体成本的上升，在达到了节水目的同时，减少了能源的消耗。北方城市供热依据，一般以室外气温为准，从设计角度来考虑，当室外气温降低至5℃时开始向热用户供热，供热水温度为55℃，当气温降低至-12℃时达到最高热用户供暖热水温度75℃，以后供暖温度将保持恒定，不在随室外温度变化，热网回水温度根据供水温度和热用户情况维持在35～55℃，以满足用户的采暖要求。上述供热系统为直接供热方式，对于采用二次换热和经过混水方式供热的采暖系统，供水温度相对要高一些，具体视采暖系统的设计而定，最高可达130℃，这在系统设计上通过增加尖峰加热器可得到解决，回水温度在这时为了保证机组的经济性需保持的低一些，以55℃以下为宜。从空冷机组运行参数表可看出，目前表面式空冷机组已运行的排气温度从设计上可达到59～82℃，若采用汽轮机排气加热热网采暖回水，考虑表面式换热器自身的端差3～5℃，则凝汽器的冷却水(即热网送水)的出水温度理论上是可以达到77.5～79.5℃，该温度水可直接供至热用户采暖，经散热冷却后可再回到凝汽器冷却汽轮机排气而被加热。为了进一步提高热网供水温度，从汽轮机的设计上可再适当提高机组的排气温度，使机组末级叶片运行在安全范围内即可。从机组的运行来看，夏季没有热用户的情况下，空冷水塔为冷却水散热器，在机组富裕、电力充沛的情况下，由于空冷机组设计背压运行范围宽，机组具有较强的调峰能力，可进行调峰，同时以降低由于排气压高造成的热损失；在冬季，热网系统投入运行，机组冷却水的散热主要由热用户完成，在热用户负荷比较低的情况下，空冷水塔可作为辅助散热器，当采暖热负荷较高时，空冷水塔可停用或部分停用，同时水塔散热器采取放空或隔断通风少量通水防冻的措施防止散热器冻坏。在排气热负荷不足时，可采用机组抽气通过尖峰换热器提高供水温度以满足热用户的采暖要求，同时保证机组的安全稳定运行。