直接空冷凝汽器尖峰冷却系统在垃圾焚烧发电厂中的应用分析
一、引言
北方缺水地区发电厂多采用空冷凝汽器，利用空气直接冷却汽轮机排汽。考虑到投资、冬季防冻等因素，空冷凝汽器在设计时，一般不会按照夏季极端天气最高温度设计，多依据平均温度来设计。而北方地区冬季、夏季温度差极大，这就造成了机组在夏季运行时往往真空较低，导致机组热经济性较差，严重时甚至需要被迫降负荷运行，影响机组发电量。而且随着空冷凝汽器积灰、结垢等影响，使上述恶劣影响加剧。
垃圾焚烧发电厂与传统的火电厂有所差别，其生产任务以焚烧垃圾为主、发电为辅。在夏季工况下，当机组背压满足不了机组运行要求而被迫降低机组负荷时，为保证垃圾焚烧量不变，只能将部分多余蒸汽外排，不但产生较大的噪声污染，而且造成极大的汽水工质和热能浪费。
二、空冷技术介绍 2.1 直接空冷技术
直接空冷系统是蒸汽与空气两者之间直接实现热交换，所需的冷却空气由机械通风方式供应。直接空冷系统流程：汽轮机排出的乏汽通过排汽管道送到主厂房外空冷凝汽器内，轴流冷却风机使空气流过散热器外表面，将乏汽冷凝成水，凝结水由于重力自流回到汽轮机排汽缸底部的排汽装置热井内（排汽装置上部与汽轮机低压缸连接，下部侧面与排汽管道项链 ）。
2.2 尖峰冷却技术
蒸发换热是利用喷淋到换热管外表面的水膜蒸发（由引风机产生的强制对流空气将其吸纳、排出）吸收管内流体热量。蒸发式凝汽器主要由换热模块、水循环系统、风路系统及构架四部分组成。汽轮机排汽从蒸汽进口进入换热模块内，靠管外表面的水膜蒸发吸收热量得以冷凝，凝结水由管道汇集于凝结水箱。不凝性气体由抽真空系统排出。管内蒸汽冷凝时放出的热量使管外喷淋水蒸发。空气在风机作用下从凝汽器下部进入，上部排入大气，依靠喷淋水蒸发时吸收大量的潜热以及空气和水温度升高时的显热实现换热。未蒸发的水流入下部水箱，经水泵送到换热模块上方，经喷嘴喷淋后，沿换热模块冷凝管的表面形成水膜层下流，实现喷淋水的循环使用。喷嘴上面设有收水器，避免水滴被湿空气带出。
采用吸风机可使蒸发式凝汽器内部保持一定的负压，水的蒸发温度低，可进一步降低耗水量。利用循环水蒸发潜热换热，是一种高效、先进的换热机理，其换热效果取决于当地的湿球温度，不受环境干球温度的影响，由于水的蒸发潜热大，故较少的循环量即可满足需要，效率高、投资低。
将传统空冷凝汽器中的部分管束由空冷换热改为蒸发换热，以空冷换热为主，蒸发换热为保证背压的补充措施。部分乏汽由分配管进入空冷凝汽器中进行空冷换热，部分乏汽被分配到蒸发换热管束中进行蒸发换热。不凝结性气体由抽真空系统排出，凝结水汇集于凝结水联箱，通过管道流入排汽装置热井内，由凝结水泵送入回热系统循环利用。
冬季、春秋气温较低时，乏汽主要由空冷换热冷却，蒸发换热系统关闭；夏季气温较高时，空冷凝汽器不能满足乏汽冷却要求，将蒸发换热系统投运，使蒸汽完全冷凝，保证发电出力。
具有尖峰冷却装置的空冷凝汽器将空冷换热和蒸发换热进行优化组合，以空冷换热为主，蒸发换热为尖峰冷却装置，以保证机组出力和较低背压经济运行。
图1 尖峰冷却系统示意图
三、直接空冷系统与尖峰冷却系统优缺点分析
3.1 直接空冷技术
直接空冷技术较常规水冷技术，耗水量小，能够节约大量的水资源，在缺水严重的地区有很强的节水优势；另外直接空冷系统简单，易于控制。但是空冷岛体积庞大，占地面积很大；受季节气温的变化，冬季和夏季的冷凝背压差异很大，容易使得夏季汽轮机出力不足；耗电量较高，占发电总量的2%-5%；轴流风机噪声较大；此外，一次投资成本高，较水冷高1-2倍。
3.2 尖峰冷却技术
尖峰冷却技术将空冷换热和蒸发换热进行优化组合，以空冷换热为主，蒸发换热做补充。其优点：
（1）既有空冷凝汽器换热节水的优点，又有蒸发式凝汽器换热效率高、节能、凝汽背压低等优点；优势互补，适用性抢，可联合使用，也可独立运行。且系统运行稳定，安全可靠。
（2）冬季或当环境温度较低，空冷凝汽器可以满足系统需求时，蒸发式凝汽器可以处以关闭状态，凝汽器完全不耗水。
（3）夏季或当环境温度高于某一温度，空冷凝汽器不能满足需要时，开启蒸发式凝汽器，因蒸发式凝汽器采用潜热换热机理，换热效果好，凝汽背压低，且总耗水量小。
（4）与空冷系统相比，可将系统运行背压降低5~15kPa。 （5）与空冷系统相比，机组满发可提高15%以上。
（6）投资低、运行费用低、占地小，操作、维护方便。 缺点：（1）系统复杂，所需设备较多。 （2）系统自动控制难度大。 四、应用案例
太原市循环经济环卫产业示范基地生活垃圾焚烧发电 PPP 项目拟采用直接空冷凝汽器+尖峰冷却系统的冷却方式。每一台汽轮机设置一座空冷凝汽器（空冷岛），全厂共设置 2 座空冷岛，共 8 列 2 行。每台汽轮机对应 4 列共 8 个风机单元。每台机组 40 片换热管束，每台空冷凝汽器单元管束以接近 60°角组成等腰三角“Ａ”型结构 。空冷凝汽器的换热元件采用单排管，每列空冷凝汽器中 80%换热管束采用顺流设计，20%换热管束采用逆流设计。
排汽管道采用高位布置，钢平台初步采用桁架形式，支撑柱由土建柱生根。钢平台的高度初定 18.0m。每台汽轮机排汽经 DN2400 主排汽管道接至室外后分为 2 个 DN1600 蒸汽分配管进入 4 列空冷换热翅片管冷却为凝结水。
在不投运尖峰冷却装置时，直接空冷系统可满足当外界环境风速≤3m/s，气温不高于 22℃，汽轮机排汽流量为 67t/h，排汽焓值 2380kJ/kg，风机 100%转速时，汽轮机排汽背压不大于 15kPa，保证汽轮机发电机组经济运行。
取最高满发气温为 33℃，直接空冷系统结合尖峰冷却装置可满足当外界环境风速≤3m/s，汽轮机排汽流量为 67t/h，排汽焓值 2421kJ/kg，风机100%转速时，汽轮机排汽背压不大于 25kPa，保证汽轮机发电机组夏季安全、经济运行。
设备参数如下：
（1）空冷系统的主要数据：
冷凝汽器总散热面积： 108753m2 迎面风速： 2.4m/s 冷却单元数： 2 个 风机直径： 6096m
风机配套电机功率： 455kW；(IP55) 空冷凝汽器平台高度： 18.0m （2）尖峰冷却装置 散热面积： 2540m2 台数： 2 台
单台尖峰装置参数 ： 迎面风速： 4m/s 风机直径： 2.4m 风机个数： 2 个
风机配套电机功率： 55×2kW；(IP55) 配套水泵功率： 15×1kw (IP55)
表1 尖峰冷却技术与水冷技术所需耗水量比较 序号 1 2 3 4 5 项目 循环水量 循环水补水量 蒸发损失水量 风吹损失水量 排污水量 水量/（m3/h） 夏季用水（括号内为冬季用水） 尖峰冷却技术 1200 22.98（11.52） 15.3（7.68） 2.7 4.98（1.14） 水冷技术 12000 306（153） 204（102） 36 66（15） 由表1可以看出，尖峰冷却技术的循环水量仅为水冷技术的十分之一，其耗水量约为水冷技术的7.5%。显然，尖峰冷却技术在消耗少量水资源的基础上，保证了系统的出力。
表2 几种冷凝技术的投资与运行成本的对比分析 序号 1 2 3 类型 水冷技术 直接空冷技术 尖峰冷却技术 投资成本系数 1.0 1.6~1.8 1.3~1.5 运行成本系数 1.0 1.8 1.3 效果 严重耗水 严重耗电，夏季不能满足 工艺要求，节约水 用水量极少 由表2可以看出，尖峰冷却技术在综合性能比较上具有明显的优势。
五、结束语
尖峰冷却技术是将空冷换热和蒸发换热进行优化组合，以空冷换热为主，蒸发换热做补充。既有空冷凝汽器节水的有点，又有蒸发式凝汽器换热效率高、节能、凝汽背压地等有点；且系统运行稳定，安全可靠。尖峰冷却技术越来越多的应用到火电厂当中。
垃圾焚烧发电作为当前快速发展的绿色环保产业，在其发展过程中及时引进先进的、成熟的、可靠的相关辅助技术，对其行业的发展兴盛有着极其重要的意义。
参考文献：
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直接空冷凝汽器尖峰冷却系统在垃圾焚烧发电厂中的应用分析
