1、电 力 建 设 第 30 卷1 000 MW超超临界机组空冷系统选型设计探讨柴靖宇（中国电力工程顾问集团公司 ，北京市 ，100011）摘 要 文章以山西某工程为例 ，针对 1 000 MW 超超临界空冷机组的特点 ，介绍了直接空冷和间接空冷方案 ，并对 2 种设计方案的特点 、经济性等进行了分析 ，供 1000MW 机组空冷系统选型设计参考 。关键词 1000MW 机组 ；超超临界机组 ；直接空冷 ；间接空冷 ；选型设计中图分类号 ： TM621 文献标志码 ： B 文章编号 ： 1000-7229 （2009） 06-0062-04收稿日期 ： 2008-12-24作者简介 ： 柴靖宇 （
2、1973），男 ，高级工程师 ，从事火力发电厂设计 、研发 、咨询和评审工作 。0 引言国家 “建设环境友好型 、资源节约型社会 ”的战略目标 ，要求空冷机组向大型化 、更节能和环保等方面发展 。 我国三北地区有一批 1 000 MW 超超临界空冷机组正在规划建设中 ，如山西古城电厂 、河津电厂和沁源电厂等 。 本文以山西某工程为例 ，探讨1 000 MW 超超临界机组空冷系统的选型设计 。1 1 000 MW 空冷机组特点与湿冷机组相比 ，空冷机组具有设计背压高 、受环境气象条件影响变化幅度大的特点 。 为充分发挥空冷机组在全年多数气象条件下的出力潜能 ， 降低机组的年平均煤耗率 ， 同时有
3、利于机组的安全经济运行 ， 空冷机组工况可参照 IEC60045-1 标准的相关规定定义 ， 即空冷机组铭牌功率采用设计背压对应的出力 （TMCR 工况 ），这一建议已被 大中型火力发电厂设计规范 （征求意见稿 ）采纳 。对于 1 000 MW 级空冷机组 ，采用成熟的 1 000MW 湿冷汽轮机高 、中压缸模块 ，高 、中压缸结构和通流能力不做调整 ， 低压缸模块结合工程情况优化设计1。 目前 600 MW 级两排汽空冷机组正在建设 ，如上汽 910 mm 叶片 ，哈汽 940 mm 叶片 ，东汽 762mm 叶片等 ， 这种叶片已通过成型设计和强度 、振动等计算 ，理论上没有问题 ，在 6
4、00 MW 双排汽机组上验证后可以应用到 1 000 MW 空冷机组2。 成熟的 1 000 MW 湿冷汽轮机高 、 中压缸模块配置600 MW 两缸两排汽空冷机组末级和次末级叶片的低压缸模块 ， 可形成四缸四排汽的 1 000 MW 超超临界空冷汽轮机 。关于 1 000 MW 超超临界空冷机组辅机配置方面 ，锅炉给水泵若采用电动泵 ，电动机容量过大 ，目前调速装置配套受到限制 ，设定每台机组配 45 台电动泵 ，又会带来主厂房布置困难 ，运行调节方式复杂等不利影响 。 目前已投运的 1 000 MW 湿冷机组或正在建设的 1 000 MW 空冷机组 ， 锅炉给水泵均采用 2 台 50%容量
5、汽动给水泵配置 。 根据国家节水产业政策 ， 空冷机组配置的汽动给水泵冷却方式也应采用空冷 。针对超临界空冷机组 ，有关科研单位将汽动给水泵排汽接入主机直接空冷系统进行了仿真研究 ，结果表明在高背压工况下 ，当环境气象条件不利时维持汽动给水泵的流量有一定风险 ， 机组降负荷运行则趋于安全 。 因此 ，建议 1 000 MW 超超临界空冷机组汽动给水泵配置采用受大风影响相对较小的间接空冷系统 。2 1 000 MW 机组直接空冷方案2.1 主机直接空冷系统直接空冷系统是指汽轮机的排汽直接用空气来冷凝 ，空气与蒸汽进行热交换 。冷却空气通过机械通风方式供应 ， 空冷凝汽器由钢基管钎接铝翅片的单排管
6、组成 。1 000 MW 机组直接空冷系统优化设计参数如表 1。1 000 MW 空冷汽轮机采用四缸四排汽方案 ，从低压缸下部 2 个排汽装置接出的乏汽通过 2 根DN7800 的管道引到主厂房外 ， 空冷凝汽器总体布置有 2 个方案可供选择 。 方案 1：布置型式与传统的600 MW 级机组相同 ， 每根排汽管沿横向分 5 根DN3400 的蒸汽分配管向空冷凝汽器管束分配乏汽 。 每台机组空冷凝汽器由 10 列组成 ，每列 8 个冷电 力 建 设Electric Power Construction第 30 卷 第 6 期2009 年 6 月Vol 30 No 6Jun, 200962第 6
7、 期 却单元 ，包括顺流和逆流空冷凝汽器 。每个冷却单元两侧约有 400 根空冷凝汽器单排管 ， 每根 DN3400蒸汽分配管向 3 200 根空冷凝汽器单排管配汽 ，所有顺流管束并联运行 ，15%左右的逆流管束与顺流管束串联运行 。 方案 2：布置型式为每根 DN7800 排汽管道沿纵向分 8 根 DN2800 蒸汽分配管向空冷凝汽器管束分配乏汽 。每台机组空冷凝汽器由 16 列组成 ， 每列 5 个冷却单元 ， 包括顺流和逆流空冷凝汽器 。 每根 DN2800 蒸汽分配管向 2 000 根空冷凝汽器单排管配汽 。空冷凝汽器外部流场均匀性是影响其冷却能力的重要因素 ， 国内开展了很多外流场的
8、数模和物模研究工作 ， 但对空冷凝汽器内流场均匀性的研究很少 ， 已运行的空冷机组不同冷却单元凝结水温度差异反应出内流场的不均匀 。 方案 2 提出的空冷凝汽器布置方案汽侧分配更均匀 ，初步数模计算表明 ：布置方式从传统 58 改为 85， 减少每列分配管上冷却单元数量 ，从而减少了蒸汽的流程和压降 ，使每列支管内的流动状态得到改善 ， 促使整个系统排汽流量分配更均匀 ，充分发挥每个冷却单元的冷却能力 。对 1 000 MW 超超临界直接空冷机组 ， 建议开展空冷凝汽器内 、 外流场同时影响空冷系统性能的试验研究 ，使试验结果和实际运行工况更接近 ，以便合理确定 1 000 MW 机组空冷凝汽
9、器的总体布置 。2.2 汽动给水泵间接空冷系统汽动泵间接空冷系统采用表面式凝汽器和垂直布置的空冷散热器系统 ，优化设计参数如表 2。汽动泵间接空冷系统需设置独立的表面式凝汽器 、凝结水系统和抽真空系统 。每台机配置 1 座自然通风空冷塔 ， 冷却三角垂直布置在空冷塔四周 ， 共 88 个 10 m 高冷却三角分别安装在 4 个冷却段 ， 每台机循环水量 9 200 m3/h，配 2 台立式循环水泵 。 空冷塔底部直径 82 m，进风口高 12 m， 空冷塔高 125 m。 如果冷却三角水平布置 ，空冷塔底部直径为 95 m。2.3 辅机冷却水系统辅机冷却水采用湿冷系统 ，主要为冷油器 、氢冷器
10、和空压机等设备提供冷却水 ，21 000 MW 机组辅机冷却水量约 7 400 m3/h，2 台机组共配置 3 个机械通风湿式冷却塔 ，3 台冷却水泵 ，2 用 1 备 。3 1 000 MW 间接空冷方案3.1 间接空冷系统选择间接空冷系统根据凝汽器类型的不同 ， 有表面式凝汽器间接空冷系统和混合式凝汽器间接空冷系统 。混合式间接空冷系统具有传热效率高 、端差小等优点 ，但循环水和凝结水混合在一起 ，对循环水水质要求高 ，循环水泵要具有大型凝泵的性能 ，其设计 、制造 、运行及维护较困难 ，循环水泵和水轮机组需进口或依赖国外技术制造 。 表面式间接空冷系统虽然端差稍高于混合式间接空冷系统 ，
11、 但循环水和凝结水分为 2 个独立系统 ，各自构成独立回路 ，2 种水质按不同要求进行处理 ， 水处理系统简单 、 水质易控制 ，可采用常规的循环水泵 。 该系统具有扬程低 、节省厂用电的优点 。1 000 MW 超超临界机组对水质要求较高 ，采用表面式间接空冷系统具有系统简单 、 运行维护方便等优点 。 表面式间接空冷系统根据散热器布置型式的不同 ， 有水平布置在空冷塔内和垂直布置在空冷塔外进风口处 2 种 。 根据 600 MW 机组工程经验和1 000 MW 机组的空冷塔布置设计 ，散热器安装在空冷塔外进风口处具有空冷塔体型小 、 占地面积小等优点 。本文探讨的间接空冷方案采用表面式凝汽
12、器和垂直布置空冷散热器组成的 SCAL （SurfaceCondenser Aluminium exchangers）间接空冷系统 ，主机和汽动给水泵排汽合并接入同一个间接空冷系统3。表 1 1 000 MW 机组直接空冷系统优化设计参数项目 数值年平均气温 / 10设计气温 / 16设计背压 /kPa 13.5夏季气温 / 30夏季背压 /kPa 26.8汽轮机排汽量 /（th-1） 1 738.2空冷系统设计散热量 /MW 1 088.5空冷凝汽器迎面风速 /（ms-1） 2.2空冷凝汽器总散热面积 /m2(220230)104冷却单元数 /个 80空冷平台高度 /m 50表 2 汽动泵间
13、接空冷系统优化设计参数项目 数值设计气温 / 16设计背压 /kPa 9夏季背压 /kPa 20小汽轮机排汽量 /（th-1） 290.5空冷塔设计散热量 /MW 122空冷散热器总面积 /m2(3234)1041 000 MW 超超临界机组空冷系统选型设计探讨63电 力 建 设 第 30 卷3.2 SCAL 间接空冷系统优化的设计参数 （表 3）3.3 间接空冷系统设计特点3.3.1 表面式凝汽器采用不锈钢管 ， 冷却面积为60 000 m2，比 1 000 MW 湿冷机组凝汽器面积略大 。3.3.2 空冷散热器采用铝管 、铝片散热器 ，具有传热效率高 、加工制造简单 、重量轻 、运输方便
14、、防腐效果好等优点 。 该散热器为圆型铝基管 、铝板翅片 ，基管管径为 18 mm， 铝管壁厚 0.75 mm， 板翅片尺寸为600 mm150 mm，翅片间距 2.88 mm，翅片厚度 0.33mm，6 排管 。冷却三角高 27 m，由 2 个 6 m 长冷却段和 3 个 5 m 长冷却段组成 ， 冷却三角进风口一侧安装垂直轴调节的百叶窗 ，控制进风量 。3.3.3 每台机配 1 座空冷塔 ，底部直径约 180 m，散热器外缘直径 188 m， 塔高约 180 m， 进风口高 28m。 若采用钢管钢片散热器水平布置在空冷塔内 ，冷却塔底部直径将达到 200 m 以上 。3.3.4 单元制供水
15、系统 。 每台机配 34 台立式蜗壳泵 ，夏季循环水泵同时运行 ，其他季节根据需要调节运行台数 。3.3.5 若采用混合式间接空冷系统 ， 其端差比表面式凝汽器小 2 左右 ，相同的冷却效果条件下 ，混合式间接空冷系统空冷散热器面积可减少 8%左右 ，空冷塔直径可减少至 170 m。但 1 000 MW 机组配置的喷射式凝汽器设计制造经验少 ， 每台机需配 45台大型类似凝泵性能的循环水泵和水轮机 ， 循环水泵组需进口或依靠国外技术制造 。3.4 空冷塔结构设计可行性分析1 000 MW 超超临界机组 ， 每台机配 1 座空冷塔 ，底部直径和高度约 180 m。 大型间接空冷塔设计研究表明 ：
16、经过风洞试验和数模计算分析 ，采取相应措施建造大型间接空冷塔是可行的 。 国内外大型冷却塔概况见表 4。针对本文的依托工程 ，参照 电力工程项目建设用地指标 （国标报批稿 ），2 座间接空冷塔占地约 13hm2，比直接空冷方案多占地 8 hm2左右 ，比二次循环湿冷方案多占地 5 hm2。4 直接空冷和间接空冷技术经济比较4.1 外界大风的影响直接空冷系统对大风的敏感性远大于间接空冷系统 。 国外研究资料表明 ：在风速为 58 m/s 时 ，直接空冷系统冷却能力下降 20%30%，间接空冷系统冷却能力下降 10%以内 。 国内既有直接空冷系统 、又有间接空冷系统的电厂运行经验表明 ： 在较高风
17、速条件下 ， 间接空冷机组背压升高值仅为直接空冷机组升高值的 1/51/3。4.2 最低运行背压在真空泵最低极限压力下 ， 直接空冷系统从逆流凝汽器出口抽真空 ， 间接空冷系统从表面式凝汽器处抽真空 ，由于系统型式和管道压降的不同 ，直接空冷系统设计最低运行背压 89 kPa， 间接空冷系表 3 SCAL 间接空冷系统优化设计参数项目 数值设计气温 / 16设计背压 / kPa 12夏季背压 / kPa 24汽轮机排汽量 /（th-1） 1 728.2小汽轮机排汽量 /（th-1） 290.5空冷塔设计散热量 / MW 1 192.8表面式凝汽器面积 /m260 000循环水量 /（m3h-1
18、） 99 000空冷散热器面积 /m2(245255)104冷却三角数 /个 236240表 4 国内外大型冷却塔概况电厂装机容量 /MW冷却塔面积 /m2冷却塔底部直径 /m冷却塔高度 /m出口直径 /m 进风口高度 /m 投产时间 备注南非 K 厂 6686 163 165 104.2 25 1989 年阳城电厂 2600 137/144（散热器外 ） 150 87 24 2007 年宝鸡电厂 2600 145/153（散热器外 ） 170 84 26 在建Niederaue 电厂 11 000 14 520 152.5 200 88.4 2002 年 排烟冷却塔ISAR 核电厂 11 3
19、50 15 000 153 165 1982 年邹县电厂 21 000 12 000 133 165 80 11.64 2007 年 淡水冷却塔宁海电厂 21 000 13 000 136 177.2 82 12 已建成 海水冷却塔北疆电厂 21 000 12 000 132.5 165 80 11.6 在建 海水冷却塔依托工程电厂 21 000 180 180 98 28 设计中 间接空冷塔64第 6 期 Inquisition into 1 000 MW USC Unit Air-cooling System Model Selection DesignCHAIJing-yu(China
20、Power Engineering Consulting (Groups) Corporation, Beijing 100011, China)Abstract Relying on a certain project in Shanxi and according to 1 000 MW USC air-cooled unit features the paper introduces direct and indirectair-coolingschemes,analyzestheirpropertiesandeconomyforareferenceof1000MWair-cooling
21、systemdesign.Keywords 1 000 MW unit; ultra supercritical (USC) unit; direct-air-cooling; indirect-air-cooling; model selection design1 000 MW 超超临界机组空冷系统选型设计探讨统设计最低运行背压 67 kPa。4.3 系统可靠性和检修维护间接空冷系统只有循环水泵为转动机械 ， 系统阀门动作几率低 。直接空冷系统有 160 台轴流风机 、齿轮箱和电动机 ，故障率稍高 ，检修维护工作量大 。4.4 防冻能力直接空冷系统采用机械通风形式 ， 防冻手段灵活 ，防冻
22、能力强 。 间接空冷系统采用自然通风形式 ，虽然有百叶窗调节开度控制通风量 ， 但循环水热容量小 ，防冻能力稍差 ，需更多的防冻措施实现安全运行 。 防冻措施有 ：调节百叶窗的开度 、退出部分冷却段 、设置紧急排水阀等 。4.5 噪音和占地间接空冷系统采用自然通风型式 ，厂区占地大 ，无噪音污染 。直接空冷系统采用机械通风型式 ，厂区占地小 ，噪音大 ，有些电厂需要设置噪音防护带 。4.6 经济性分析直接空冷和间接空冷系统经济性分析见表 5。从表 5 可以看出 ， 间接空冷方案比直接空冷方案投资增加 11 440 万元 ， 但年运行费用可减少2 035 万元 ，静态回收期 5.6 年 。 由此
23、可见 ，采用间接空冷系统具有一定的优势 。5 结论5.1 1 000 MW 超超临界机组采用直接空冷系统 ，冷却单元模块多 、风机群数量多 ，空冷凝汽器管内蒸汽侧和管外空气侧流场不均匀 ， 开展空冷凝汽器内 、 外流场影响系统性能的试验研究工作十分必要 ， 以便合理确定 1 000 MW 机组空冷凝汽器总体布置 。 1 000 MW 超超临界机组主机采用直接空冷 ，汽动给水泵采用间接空冷 ， 辅机冷却水采用湿冷系统 ，全厂采用 3 种冷却系统 ，运行维护管理复杂 。5.2 1 000 MW 超超临界机组配置汽动给水泵 ，其乏汽排入主机直接空冷系统有风险的情况下 ， 主机和小机采用间接空冷系统合
24、并设置 ，可简化系统 ，场地条件合适时可采用间接空冷方案 。 该系统同时具有受环境风影响较小 ，运行背压低的特点 ，具有较好的社会效益和经济效益 。5.3 间接空冷系统在我国大同 、 丰镇有近 20 年的运行业绩 ，通过经验积累和系统的不断完善 ，可以有效控制循环水冻结 。对于最低气温高于大同的地区 ，间接空冷系统的防冻问题应重视而不必担心 。5.4 SCAL 间接空冷系统 ， 为脱硫装置内置空冷塔提供了可能 ，采用烟塔合一方案可以取消烟囱 ，节省投资 ，减少占地 ，使电厂整体建筑美观 ，也是 1 000MW 超超临界间接空冷电厂的重要研究课题 。5.5 大容量电动给水泵研发成功后 ， 在风环
25、境好 、煤价较低的地区 1 000 MW 超超临界机组采用直接空冷系统也是一种理想的选择 。致 谢感谢电力规划设计总院原院长汤蕴琳先生的指点 ！6 参考文献1 李润森 ，张昌斌 .1 000 MW 级空冷机组设计技术及经济性研究J.电力建设 ,2008,29(12):63-66.2 汤蕴琳 .探索我国火力发电技术进一步升级之路 J.电力建设 ,2008,29(3):1-5.3 柴靖宇 ,詹扬 ,刘全壮 .间接空冷技术在 600 MW 机组的应用实践J.电力工程技术 ,2007，(9):29-33.注 ：（1）年利用小时为 5 500 h；（2）依托工程煤价 500 元 /t。表 5 21 000 MW 机组空冷系统经济性分析项目主机直接空冷 ，小汽机间接空冷主机小机合并采用间接空冷主机冷却系统 /万元 58 100 81 640小机间冷系统 /万元 12 100 与大机合并投资费用合计 /万元 70 200 81 640年加权平均煤耗 /g(kWh)-1 298 294.3耗煤量 /（万 t年-1） 327.8 323.73年耗煤费用差值 /万元 0 -2 035（责任编辑：何 鹏）65
