空冷机组辅机冷却水冷却方式的优化探讨
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摘要: 论述了空冷机组辅机冷却水冷却方式的类型, 并以2×660MW燃煤空冷机组为例，对辅机冷却设施采用湿冷塔、蒸发式空冷器及空冷器进行了计算分析，同时通过技术经济比选提出推荐方案，以对其他相近工程的辅机冷却水设计提供参考。
关键词: 空冷机组；辅机冷却水；湿冷塔；蒸发式空冷器；空冷器。
Discussion on the Optimization of Auxiliary Water Cooling System in Air Cooling Power Plant
Zhao baiboWang Xin
（1.Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.,Ltd.,Jinan 250013,China）
（2. Shandong Guangsha Construction Group Co.,Ltd.,Jinan 250100,China）
Abstract: This article discusses on the cooling system styles of auxiliary water in air cooling power plant. Based on the 2×660MW coal-fired units, the article analyzes and calculates the wet cooling tower, the air cooling heat evaporative surface exchanger, and the air cooling heat exchanger adopted by the auxiliary, and recommend optimum scheme by contrast of technical economy.
Key words：air cooling unit；the cooling system of auxiliary water；wet cooling tower；the air cooling heat evaporative surface exchanger；the air cooling heat exchanger.
0前言
在能源日益紧张，水资源日益匮乏的新形势下，空冷发电机组因其卓越的节水性能在我国富煤缺水的三北地区得到了空前发展。容量为300MW、660MW的空冷机组相继投入商业运行，容量为1000MW的超超临界直接空冷机组也即将投运。而空冷机组辅助设备的冷却通常采用湿冷方案，其耗水所占比重较大；采用空冷方案时，虽可实现进一步节水,但静投资及运行费用增加。本文就空冷电厂的辅机冷却水冷却方式进行深入地总结比选，推荐合理方案。
1空冷机组辅机冷却水冷却方式选择
空冷机组辅机冷却水冷却方式的选择，通常根据电厂供水水源、布置场地、气象条件等经综合经济技术比较后确定。根据目前已投运及在建的空冷机组辅机冷却水的设计方案，电厂辅机冷却可以选用自然通风或机力通风湿冷塔、空冷器和蒸发式空冷器。
1.1湿冷塔的冷却原理
湿冷塔是目前空冷机组最常用的辅机冷却水冷却方式。其原理是在水由上而下喷淋在塔内填料上形成水膜,空气在塔筒或风机的抽吸下通过填料层和喷水层, 通过传热和传质过程水被空气冷却,湿热空气从塔筒口散失。
冷却水为开式系统,冷却塔内填料及配水管道、喷头通常为塑料材质,水质要求较低,补水可以采用常规的工业水。
1.2蒸发式空冷器的冷却原理
蒸发空冷器的工作原理是冷却介质在换热器管内流动,外部冷却水经泵提升后向下喷淋到水平放置的光管管束表面,使管外表面形成连续均匀的薄水膜；同时用风机将空气从设备下部空气吸入窗口吸入,使空气自下向上流动,横掠水平放置的传热管。此时传热管的管外换热除依靠水膜与空气流间的热传递外,还有管外表面水膜的迅速蒸发的散热,从而强化了管外传热。由于水具有较高的汽化潜热（水在一个大气压下的汽化潜热是570kcal/kg），因此管外水膜的蒸发大大强化了管外传热，使设备总体传热效率明显提高。管外表面水膜的蒸发使得空气穿过光管管束后湿度增加而接近饱和，风机将饱和湿空气从管束中抽出并使其穿过位于喷淋水分配器上方的收水器，除去饱和湿空气中夹带的水滴后从设备顶部风机出口排入大气中。由于风机位于设备上部向上抽吸空气，从而在风机下部空间形成负压区域，加速了管外表面水膜的蒸发，有利于强化管外传热。由于其可以利用空气冷却,随着环境气温逐步降低,冷却需要喷淋水量也逐步降低,甚至在冬季寒冷期可以仅靠风冷（一般认为在气温-5℃以下时）,从而可以节约用水。
外部冷却水循环使用,宜采用软化水或除盐水,冷却器内循环水应采用除盐水。
1.3空冷器的冷却原理
空气冷却器基本原理类似于汽轮机的带表面式凝汽器的间接空冷系统,工艺流程为：冷却水进入辅机换热器进行换热，受热后的冷却水由循环水泵送至空冷器内，通过空冷散热器与空气进行表面换热（冷空气被抽吸流过空冷器外侧,从而冷却冷却器内的热水），冷却水被空气冷却后再返回辅机换热器去冷却，构成了密闭循环，闭式循环水采用除盐水。该系统空冷散热器多立式布置在冷却塔进风口外侧，空冷冷却元件为铝管/铝翅片的Forgo型空冷管束或者钢管/钢翅片的空冷管束。
由于辅机冷却水温一般要求低于38℃,因此辅机空冷器通常配有一套喷雾设备，在夏季高温炎热期(一般环境温度在31℃以上), 可采用外喷冷水的方法降温达到辅机冷却要求。
2空冷机组辅机冷却水方案设计
某2×660MW直接空冷机组工程处于我国西北地区，该地区地处中纬度西风气流带内，属中温带半干旱大陆性气候。主要特点：冷暖剧变，昼夜温差大，冬季寒冷漫长，夏季温凉短促。降水量少，蒸发量大，多大风干旱。
2.1湿冷塔方案
湿冷塔根据通风动力的不同可分为自然通风冷却塔和机械通风冷却塔。由于目前机械通风冷却塔在空冷机组辅机冷却水系统中被应用最广，且其包络性强，因此本文湿冷塔方案以机械通风冷却塔为基本方案。
以两台660MW空冷机组为例(配电动锅炉给水泵，湿法脱硫方案，以下各方案采用同样机型),辅机冷却水量约7000m3/h，共需配备一座三格组合逆流式机力通风冷却塔。机械通风冷却塔工艺参数见表2-1。
表2-1单台机组机械通风冷却塔工艺设计参数
2.2蒸发式空冷器方案
蒸发式空冷器传热管管束为多排无缝碳素钢管排列组成, 冷却器采用型钢和钢板支撑维护。目前厂家生产的冷却器排数可达20多排,光管直径为25~30mm,宽度多为3m,长度3～15m。本设计采用冷却器参数如下：换热光管外径25mm，内径21mm，长度为9m，每程管6排，共4程。
单台660MW空冷机组辅机冷却循环水量~3500m3/h,设计进水温度41℃,出水温度33℃。经计算,单台660MW机组辅机冷却需配备10个冷却器, 每个冷却器配三台直径2.4m低噪音轴流风机构成,单台蒸发空冷器工艺参数见表2-2。
表2-2单台蒸发式空冷器工艺设计参数
2.2空冷器方案
空冷器冷却元件按照Forgo型空冷管束设计,该种管束基本参数如下：基管横截面直径：25.4mm，基管壁厚：1mm，翅片管外形尺寸：133mm×2666mm，翅片厚度：~0.3mm，翅片间距：~3.2mm，四排管束,双流程, 管束尺寸：133mm×2666mm×~6000mm, 翅化比（散热面积/迎风面积）：~73。每两片管束连成A型结构，依次组合排列一组冷却器,分别垂直布置于空气冷却器的两侧，每台空冷器配一台轴流风机,采用型钢支撑架和维护结构。
由于采用空气冷却,因此设计冷却水温比湿冷略高,否则所需空冷散热器面积太大,投资太高。对于本文所列举的2台660MW空冷机组设计进水温度46℃, 出水温度38℃，当夏季环境温度超过31℃,采用外喷冷水（除盐水）的方法降温达到辅机冷却要求。
为了能有效储存该冷却系统所有冷却管、散热器内水量，在冷却塔内设有储（排）水箱，每个冷却三角都有一个向储（排）水箱排水的排放系统。每个排水箱都有通气口和人孔。储（排）水箱的冷却水可通过2×50%的潜水泵再升压到冷却水系统中。同时为了保持循环水系统的稳定，维持正常的水循环，空冷塔内需设置稳压补水系统。每台机组各设置一套，该系统由补水泵、高位水箱及连接管道组成，稳压泵布置在底下储水箱中，水泵根据高位水箱的水位自动控制补水。同时为了保持散热器良好的换热性能，考虑每年应清洗散热器1~2次。
经热力计算,两台660MW机组辅机冷却需配备12个冷却器,每个冷却器由4个冷却三角和一台直径9.754m轴流风机组成,每个冷却三角由6片空冷管束构成。单台660MW机组辅机空冷器工艺参数见表2-3。
表2-3 单台机组辅机空冷器工艺设计参数
注：
（1）空冷器炎热期按照环境温度超过31℃考虑，全年约200h。
（2）空冷器清洗，按照每年每台机组各清洗1次，每次1天，每天8小时，清洗水量10m3/h。
（3）空冷系统泄漏率按照0.01%考虑。
3各冷却方式的技术经济比较
对辅机湿冷方式采用各方案的技术对比如表3-1，经济对比如表3-2。
表3-1各方案技术对比表
表3-2 各方案经济对比表（两台机组）
注：
1、 年固定分摊率按12.5%。
2、 水价按1.5元/m3。
3、 电价采用成本电价0.15元/kW.h。
4、 占地费用所占比例很小不计入总费用。
5、 各方案年耗电费用包含循环水泵的运行费用。
4结论
湿冷塔方案优点是初投资少,运行费用低,而且冷却效率高, 适应能力强等，缺点是耗水量大；空冷器方案优点是高度节水,缺点是投资最大,运行费用最高,而且冷却效率相对较低,适应能力一般，维护工作量也大；蒸发式空冷器方案的耗水量和静态投资等主要指标处于湿冷塔、空冷器方案的中间水平。
通过以上优化对比可以看出，在电厂冷却水源允许的条件下，采用电动给水泵、湿法脱硫方案的的600MW级空冷机组辅机冷却水宜采用年费用较优的带机械通风冷却塔的湿冷方案，而且该方案的经济指标随着冷却水量的增大，优势将更加明显。
注：文章中所涉及的公式和图表请用PDF格式打开