直接空冷系统在煤化工项目中的应用简介

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摘要：本文主要介绍空冷系统的原理及特点，分析了在北方缺水地区发展直接空冷技术的优势。文章概括性的介绍了空冷系统的关键技术，如冷却元件、翅片管束结构、风机、设计技术的最新发展情况，以及存在的问题。由于具有节能、节水等主要特点直接空冷系统在化工石化领域发展前景会越来越广阔。

关键词：冷却 直接空冷 应用 乏汽 管束 节水 节电

一、概述

我国是一个严重缺水的国家，淡水资源总量为28000亿立方米，占全球水资源的6%，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第四位，但人均只有2300立方米，仅为世界平均水平的1/4、美国的1/5，在世界上名列121位，是全球13个人均水资源最贫乏的国家之一。 扣除难以利用的洪水泾流和散布在偏远地区的地下水资源后，我国现实可利用的淡水资源量则更少，仅为11000亿立方米左右，人均可利用水资源量约为900立方米，并且其分布极不均衡。到20世纪末，全国600多座城市中，已有400多个城市存在供水不足问题，其中比较严重的缺水城市达110个，全国城市缺水总量为60亿立方米。水环境恶化又进一步加剧了水资源紧缺的矛盾。随着我国人口的增加，经济的发展和城市化进程的加快，我国水资源形势将更为严峻，以水资源紧张、水污染严重和洪涝灾害为特征的水危机已经成为我国可持续发展的重要制约因素，成为实现新时期经济社会发展目标具有基础性、全局性和战略性的重大问题。

工业生产中消耗的水量很大，化工、火力发电都是我国取水量最大的行业。节水工作的开展与否直接影响工业企业的生产经营和持续发展。近些年来，大型化工行业持续升温，装置规模越上越大，循环水的消耗规模也变得十分庞大。尽管直接空冷较一般水冷的一次性投资高，但由于其节水性能优越，在富煤缺水地区采用直接空冷技术已逐渐成为一种趋势。在大型煤化工装置中有多台驱动用的汽轮机，若将汽轮机的表面冷却器由水冷改为空冷，节水效果相当明显。推广空冷技术，不仅有利于我国西北、东北以及黄河以北的许多富煤少水地区发展电力及化工事业，而且对调整我们现有能源结构，提升民族制造工业水平，都有现实意义。

本文结合神华包头煤制烯烃项目4x60000Nm3/h空分装置蒸汽透平配套直接空冷器（以下简称“神华空分ACC”）为例简单介绍一下应用于化工行业的大型直接空冷系统。

二、直接空冷技术的原理及特点

冷却系统是化工生产过程中的一个重要环节，由于工业装置需要循环水作为冷却介质带走装置中无用的余热，高温高压的蒸汽在汽轮机中做过功后成为无用的乏汽，乏汽释放掉多余的热量冷却成凝结水后回收，再开始新的循环。而升温后的循环水在敞开的冷却塔中靠蒸发一部分水量来给自身降温。由于循环水流量很大，所以这个过程会蒸发大量的循环水而消耗一次水补水。直接空冷就是以空气取代水为冷却介质的一种冷却方式。直接空冷过程基本没有水的参与，汽轮机排出的乏汽直接进入空冷凝汽器，在密闭的管束中通过风机的作用强制空气传热来实现冷凝，空气直接与管束中的乏汽进行热交换。

与水冷比较，直接空冷系统具有如下主要特点：

1.节水

神华空分ACC单套消耗的循环水仅为160m3/h，如果采用水冷型的表冷器单套水耗则为8000m3/h.仅此一项采用直接空冷系统年节约循环水就达2.3亿 m3.循环水补水按总水量的2.5%计，每年可节省一次水576万m3，节水效果显著。

2.节电

采用水冷的循环水也是在循环水站中用风机引风冷却，用泵输送管网的，这个过程消耗的电能不妨以神华空分ACC为例和空冷风机消耗的电能作一下简单的比较。

神华空分ACC为4套空分对应4套空冷器，每套空冷器9个110kw风机。按照此全厂循环水站的设计，循环水站的一个5000m3的凉水塔引风机电机为200kw，水泵单台流量9600m3/h，扬程50m，配套的电机功率1600kw。

a.采用水冷

风扇电机：8000*4/5000*200=1280kw

水泵电机：8000*4/9600*1600=5333kw

一次水补水水泵、加药泵电机：～100kw

b. 采用直接空冷

风机风扇电机：110*9*4=3960kw

风扇电机：160*4/5000*200=26kw

水泵电机：160*4/9600*1600=107kw

采用空冷可比水冷每小时节能：

（1280+5333+100）-（3960+26+107）=2620 kwh

每年节约电能：2620x7200=1886.4万kwh

节约电能39%.

一年可节约运行费用：

5760000*5 +2620*0.43*7200 =3691.2万元

（一次水按5元/ m3，电按0.43元/kwh，年操作时间7200h计）

3.一次性投资高

空冷系统的一次性投资较高，一般约为相同能力水冷表面冷却器价格的10倍以上。

从以上的比较可以看出，直接空冷系统在运行能耗上比水冷要节能很多，预计装置运行3～4年左右即可收回空冷系统投资。

4.占地面积大

大型直接空冷器的占地面积比水冷表面冷却器大很多。神华空分ACC 占地（4套共计）225*35=7200m2。

三、直接空冷系统的组成和各部分的作用

1.直接空冷系统的组成

直接空冷系统的组成包括自汽轮机低压缸排汽出口至凝结水泵入口范围内的设备和管道，主要包括：

（1）汽轮机低压缸排汽管道；（2）管束；（3）支撑结构；（4）风机；（5）抽气系统；（6）凝结水系统； （7）控制和仪表系统；（8）清洗装置。

2.直接空冷系统各组成部分的作用和特点

2.1排汽管道

排汽管道始于汽轮机低压缸出口，与空冷器相连接。对大容量空冷机组，排汽管道直径比较大，神华空分汽轮机的乏汽排气母管直径到达DN2900，管道上设置不锈钢补偿器，用于减少由于管道的热膨胀导致的汽轮机排气装置的应力和位移，且设置了弹簧支座、导向支架等，转弯处的弯管内设置导流板。配汽管道直径的设计确保相同的蒸汽流量进入到各翅片管中。大直径管道的壁厚优化和制造是难点，同时也是影响工程造价的重点之一。

2.2 管束

管束是空冷器最主要的换热设备，是空冷系统的核心。其性能直接影响空冷系统的冷却效果。对翅片管的性能基本要求：

a.良好的传热性能；b.良好的耐温性能；c.良好的耐热冲击力；d.良好的耐大气腐蚀能力；e.易于清洗尘垢：f.足够的耐压能力，较低的管内压降：g.较小的空气侧阻力；h.良好的抗机械振动能力；i.较低的制造成本。

用于蒸汽乏汽冷却换热元件的发展经历了三个阶段，从圆管圆翅片双金属四排管发展到钢制椭圆管套矩形翅片的双排管和大扁管蛇形翅片的单排管。

2.2.1 钢圆管绕铝翅片管

在上世纪50年代，蒸汽透平直接空冷发展的起始阶段，圆管圆翅片的四排管得到了应用。此种翅片管由钢制基管和外部轧制的铝翅片组成。该管型制造简单、制造成本低，管内能够承受较高的工作压力。该管型由于管排数多，底部管排先接触冷空气，最底部管排的管内蒸汽温度和管外空气温度差（换热温差）最大，顶部管排内外温差最小。下面的管排的冷却能力比上面的强，下部管排的蒸汽冷凝过程往往在管子中间的某点结束，形成了一段过冷却区，此区域压力低，上部的管内蒸汽可能回流到下部管排中。由于蒸汽中总含有少量的空气等不凝性气体，不凝性气体易在此处聚集，形成一段不流动的“死区”，当环境气温低时冷凝水在此会冻结，防冻效果差。四排管的管内流通截面小，蒸汽压降大，造成凝结水过冷度大，是易冻结的另一个原因。

四排管采用铝制翅片和钢制基管的双金属结构，使用过程中在热应力的作用下，由于金属热膨胀系数不同而产生翅片和基管间的间隙热阻，使换热性能下降。四排管采用铝质翅片，耐腐蚀性差，使用寿命短，一般使用寿命为6～10年。同时铝翅片强度低，在高压水的冲洗中易变形，且管排多，不宜冲洗干净，在我国北方风沙大的地区不宜应用。

2.2.2 全钢椭圆管矩形翅片的双排管

国外在70年代开始应用了全钢制椭圆管套矩形翅片的双排管。我国在90年代初也引进了此项制造技术。椭圆管的尺寸为100（长轴）×20（短轴）mm，翅片外形为119×49mm。两端呈半圆，中间呈矩形。制造时先将矩形翅片套在椭圆管上，再进行热浸锌处理，浸锌时锌液通过毛细作用进入翅片与基管的间隙，使翅片与基管焊接成一整体。双排管是在四排管的基础上发展起来的，在防冻性能上有了很大的提高。首先，双排管的管排数量仅为二排，最上部管排的换热温差和最下部管排的换热温差的差值减小了很多；其次，为了确保上下管排的换热均匀，采用下部管排翅片间距大、上部管排的翅片间距小的设计，保证冬季寒冷环境下，上下管排的换热能力相当，避免了上部管排管内蒸汽向下部排管内的回流，管内不存在流动的“死区”，因此具有良好的防冻性能。

双排管具有流通截面大，水利半径小，管内换热系数大的特点。比相同截面圆管的翅片面积大15%，管外换热系数提高25%。不存在双金属翅片管因热应力产生的间隙热阻。由于双排管事经过热浸锌处理，耐腐蚀性能好，使用寿命长达30年以上。双排管的刚度和强度高，在管束现场安装中踩踏和在高压水清洗时翅片不变形，容易清洗干净。

双排管制造过程复杂，成本较高，现在主要用于蒸汽透平空冷和电站空冷，神华空分ACC就采用了100（长轴）×20（短轴）mm双排管。

2.2.3 单排管

单排管是在90年代开发并应用的，基管为扁管，尺寸为220（长轴）×20（短轴）mm外部铝翅片，蛇形铝翅片与基管钎焊结合。单排管通径大，抗冻能力强，耐腐蚀，寿命长，制造成本高，目前主要在30万KW以上的大型电站空冷中使用。

2.2.4 散热单元布置

每台机组布置成垂直、平行汽机房方向有列、行之分。神华空分ACC根据现场位置情况采用单套3列3行的正方形布置，单元总数有9个散热单元（见附图）。散热单元有顺流和逆流单元之分。其顺流是指明蒸汽自上而下，凝结水也是自上而下，当顺流单元内蒸汽不能完全冷凝，而剩余蒸汽在逆流单元冷凝，在这里蒸汽与冷凝水相反方向流动，即蒸汽由下而上，水自上而下相反方向流动。由于机组运行蒸汽内总是有不可凝汽体随蒸汽运动，设置逆流单元主要是为了排除不可凝汽体和在寒冷地区可以防冻。神华空分ACC地处寒冷地区，顺、逆流单元面积比，约2：1，单元数相比约3：1。

2.3支撑结构

支撑结构由管束支撑构架（A型架构）见附图、风机装置起吊梁、风机桥架、钢桁架部分、楼梯和挡风墙维修平台等组成一个整体框架结构。支撑结构是直接空冷装置的主要承重设备，上部为钢桁架结构，下部为钢筋混凝土支柱和基础，结构体系庞大，受各种荷载作用复杂。该结构位于钢筋混凝土支撑柱之上，神华空分ACC的混凝土支撑柱顶标高达+26m，是为了避免来自其南侧大风经压缩厂房后对空冷器产生影响。支撑结构由可组装的全钢支撑梁及其加强拉条形成一个整体框架结构。钢结构平台用于支撑a.圆形风机座平台构成的凝汽器平台；b.换热器管束的屋顶结构（A型框架）c.风机桥架；d.风墙（用于防止热空气回流和自然风影响）。在屋顶型结构的顶部可配备吊车，用于安装或拆卸风机，电机以及其他设备。

2.机

直接空冷系统散热目前均采用强制通风，大型空冷机组宜采用大直径轴流风机，风可为单速、双速、变频调速三种。根据工程条件可选择任一种或几种优化组合方案。就目前国内外设计和运行经验，在寒冷地区或昼夜温差变化较大的地区，采用变频调速使风机有利于变工况运行，同时也可降低厂用电耗。为减少风机台数，通常采用大直径轴流风机。为降低噪音，风机叶片的选型很重要，叶片材质为玻璃钢，耐久性强，不宜破损。

2.5抽气系统

在逆流单元管束的上端装置排气口，与设置的两极射汽抽气装置相联。抽气同时在降背压，使之接近运行背压。在抽气时注意，蒸汽和不凝气体的分压力，抽气不可抽出蒸汽。抽气系统也是保证系统背压的。

2.6 凝结水系统

汽轮机低压缸排汽经排汽管进入空冷凝汽器，所有从翅片管束收集凝结水的管道将在空冷平台范围内合并成一根汇总管后进入自流至平台地面或以下的凝结水箱，通过冷凝液泵再将凝结水送回热力系统。

2.7控制和仪表系统

直接空冷系统透过集散控制系统（DCS）进行控制，在DCS中设独立的控制器对直接空冷系统进行监控。

2.8清洗系统

由清洗水泵、高压软管、喷嘴、导轨、连接件控制盘等组成。用于对管束等进行清洗。

为散热器单元都要装配清洗泵，用以翅片管上的污垢，如大风产生的杂物、平时积累的灰尘等。清洗有高压空气或高压水，后者优于前者，高压水泵的压力在130ram（大气压），每小时10吨。

四、直接空冷系统有待研究的几个问题

在国内煤化工项目中，直接空冷系统应用处于起步阶段，在设计和运行上均缺乏更多经验，尤其是在北方风沙较大环境恶劣的地区。对直接空冷系统影响较大的主要是a.热风再回流；b.冬季的防冻保护。

1.热风再回流

直接空冷系统受不同风向和不同风速影响比较敏感，空冷器运行时，冷空气通过散热器排出的热气上升，呈现羽流状况。风速超过3.0m/s以上时，对空冷系统散热效果就有一定影响，当大风吹向平台散热器，风速度超出8m/s，羽流状况要被破坏而出现热风再回流。热气上升气流被来风压下至钢平台以下，这样的热风又被风机吸入，形成热风再循环。不同的风向会对空冷系统形成热回流，甚至降低风机效率。严重时可能造成汽轮机背压过高停车。在工程上通过增设挡风墙来克服热风再循环，挡风墙高度要由设计而确定。

2.冬季的防冻保护

直接空冷系统的防冻是影响其安全运行的一个重要问题，尤其是在内蒙及西北一些省份，冬季的最低气温可达-30℃以下，在冬季开车尤其是汽轮机低负荷暖机时极易造成管束结冰冻裂的情况，设计时应考虑增加额外的措施，如增加辅助蒸汽管线等，来保证冬季开车的正常进行。

五、结语

大型直接空冷系统在国内应用较晚，近几年在内蒙的一些电站才有一些应用，在石化、煤化工领域的工业透平中应用较少，但由于北方缺水的现状，及直接空冷的节能性，相信大型直接空冷系统在石化、煤化工领域会有广阔的应用前景。

参考文献

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作者简介：段强，作者：职称：工程师，1980年生。在中国天辰工程有限公司长期从事工程设计工作。