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蒸发式冷凝器用于火电厂冷却系统中的可行性分析


蒸发式冷凝器用于火电厂冷却系统中的可行性分析

作者:郭胜江,… 文章来源:本站原创 点击数:

171 更新时间:2007-10-25 23:06:22 【字体:小 大】

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要:概述了

火电厂冷却系统的特点,介绍了蒸发式冷凝器的工作原理,基于朗肯循环详细

分析了蒸发式冷凝器用在火电厂冷却系统中所具有的优点, 从而提出了在我国运用这项技术的必 要性,并通过两个实例说明蒸发式冷凝器用于火电厂的冷却系统是可行的。 关键词: 关键词:蒸发式冷凝器;冷却系统;朗肯循环;必要性;可行性

Feasibility analysis of the application of evaporative condensers to cooling system in thermal power plant GUO Shengjiang1, CHEN Guobang1, DONG Xingjie2 (1. Institute of Refrigeration and Cryogenics, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China; 2. Hangzhou HuadianHuayuan Environment Engineering Co.,Ltd Hangzhou 310012, China)

Abstract:This paper summarizes the characteristics of cooling system in Abstract: thermalpower plant and introduces the running principles of evaporative condensers. Theadvantages of evaporative condenser applied to cooling system in thermal power plant are analyzed based on Rankinecycle. The necessity. the feasibility of applying this

technology to cooling system of thermal power plant in China are discussed. Keywords:evaporative condenser; cooling system; Rankinecycle; necessity; Keywords: feasibility

0 引言 随着国民经济的发展, 节约用水用电已越来越重要。 目前我国火电厂采用的水冷却系统需要 的冷却水量较大,因此,研究节能节水的冷却系统非常必要。 蒸发式冷凝器主要利用水蒸发时吸收潜热进行传热, 是一种高效节能的换热设备, 由于其传

热效率高、节能、结构紧凑等优点,在制冷装置和石油化工等行业有广泛的应用[1]。20 世纪 80 年代中期,我国开始从国外引进蒸发式冷凝器技术,主要应用于制冷装置和石油化工等行业,但 在电厂中还没得到应用。而在国外,蒸发式冷凝器已在电厂冷却系统中得到了应用,并且取得了 不错的效果[2][3]。 火电厂冷却系 厂冷却系统简介 1 火电厂冷却系统简介 火电厂冷却系统主要是指汽轮机排汽端凝汽器冷却系统, 它将汽轮机排出的、 已做过功的乏 汽冷凝成冷凝水,冷凝水再送回锅炉中继续循环。它是发电系统中的一个重要组成部分,其工作 性能的优劣直接影响到整个电力系统的热经济性和运行可靠性。 目前火电厂的冷却系统有水冷却 系统和空气冷却系统。 1.1 水冷却系统 水冷却系统是一种由冷却水来冷却冷凝汽轮机排汽的系统。目前电厂大多采用水冷却系统, 它主要应用在水源充足的地方。按供水方式可分为开式直流冷却水系统和闭式循环冷却水系统。 在开式直流冷却水系统中,水自水源的上游引入,通过火力发电厂的冷却设备,使用后排至 水源的下游。 在闭式循环冷却水系统中, 温度升高了的冷却水在专设的冷却设备中冷却, 降低温度后供再 次使用,构成一个封闭的循环。按冷却水的冷却方式又分为冷却水池循环供水系统、冷却水塔循 环供水系统及喷水池冷却循环供水系统。 1.2 空冷系统 空冷系统是一种用空气来冷却冷凝汽轮机排气的系统, 它不需要冷却水或只需要很少量的冷 却水。它也可以分为直接空冷系统和间接空冷系统,它有如下特点: (1)耗水量小,厂址选择不受水源及长距离输电线路的限制。 (2)热经济性较低。空气凝汽器属于表面式换热器,它通过换热表面向大气排放热量,故 设计时必须采用较高的干球温度,且为了减少空气凝汽器的尺寸,在空气和放热介质(排汽或冷 却水)之间应采用较大的温差。这将会导致汽轮机的背压升高,循环热效率降低。 (3)投资高。整个空冷系统的造价及占地面积均较大,其造价约为湿式冷却塔的 2 倍。 (4)空冷系统工作时对当地的气候条件的波动十分敏感。这将会对汽轮机组的运行状态带 来许多不利影响,引起机组振动、末级叶片冲刷等。 关于水冷系统和空冷系统的详细介绍请参阅文献[4]。

2 蒸发式冷凝器的工作原理 蒸发式冷凝器技术是一种“风”冷和“水”冷相结合的技术, 这种设备直接将冷凝器放在冷 却塔中,使两者紧密地结合起来。蒸发式冷凝器运用的是蒸发冷却原理,主要利用水蒸发吸收潜 热而使制冷剂蒸汽或汽轮机乏汽凝结。它特别适用于缺水地区,在气候干燥处更为有效。蒸发式 冷凝器的结构如图 1 所示。它主要由换热器、水循环系统及风机三部分组成,在箱体内装有蛇形 冷却管,管组上面为喷水装置。制冷剂蒸汽或汽轮机乏汽从蛇形冷却管上面进入管内,冷凝液体 则经集液管流入储液器中(在火电厂中冷凝液将流入热井中),管内介质冷凝冷却时放出的热量 使喷淋水蒸发。空气在风机作用下从箱体下部进入,上部排出,当空气温度低于水温时风机还可 以起到一定的冷却作用。冷却水用循环水泵压送到蛇形冷却管的上方,经喷嘴喷淋后,沿蛇形冷 却管的表面形成水膜层下流。 水受热后一部分变成蒸汽由空气带走, 未蒸发的喷淋水落入下面的 水池中,经水泵再送至喷嘴循环使用。水池中有浮球阀调节补充水量,使之保持一定的水位。 喷嘴上面一般装有挡水板,阻挡被空气带出的水滴。有时在挡水板上设有预冷管组,这样可 使进入淋水管的蒸汽温度降低,有利于减少外表面结垢,增强传热效果。蒸发式冷凝器用软水或 经软化处理的水。吸风机的优点是使箱内保持负压,水的蒸发温度低;缺点是潮湿和带有水滴的 空气流经风机,使风机的零件易于腐蚀损坏。 由此可见,蒸发式冷凝器的传热、传质过程由两步组成:①管内蒸汽凝结时放出的热量通过 管壁及污垢传给管外的水膜, 传热的驱动力来自于管内蒸汽和水膜的温差; ②热量再通过水膜与 空气的热质交换传给空气,传热的驱动力取决于两者的焓差。 3 蒸发式冷凝器与水冷却系统的热力性能比较 火力发电厂热力系统是基于朗肯循环, 简单的火力发电厂热力系统图和朗肯循环示意如图 2 所示。

在 T-s 图中,原冷却系统采用水冷式的朗肯循环为 1—2—3—4—5—6—1,改用蒸发式冷凝 器的郎肯循环为 1—2′—3′—4′—5—6—1。由于水泵耗功远小于汽轮机所做出的功,所以 T-s\%图上 3 点和 4 点、3′点和 4′点几乎重合。 本文以乌鲁木齐地区电厂的朗肯循环为例,阐述改用蒸发式冷凝器的优点。机组容量为 12 MW,水蒸汽初参数为 p1=3.5 MPa,t1=435℃ 。 当采用水冷却方式时,冷凝温度 t =45.8℃,相应的冷凝压力 p =0.01 MPa。 当采用蒸发式冷凝器冷却时, 工质的冷凝温度直接与环境的气象参数有关, 根据热湿交换的 完善程度,冷凝温度一般比空气的湿球温度高 5~10℃ 。乌鲁木齐地区夏季室外计算湿球温度 为 18.5℃, 所以采用蒸发式冷凝器的冷凝温度为 23.5~28.5℃。 这里取冷凝温度 相应的冷凝压力 由水蒸汽的 T-s 图可得各状态点的参数, 如表 1 所示。 2 为采用两种冷却系统时朗肯循环 表 的热力计算与评价循环的重要指标及对比结果, 其中的对比结果是蒸发式冷凝器系统相对于水冷 却系统而言。 ,
[6] 2 2 [5]



从以上比较可看出,在电厂的冷却系统中,相对于空冷系统及水冷系统,采用蒸发式冷凝器 具有如下优点: (1)节约能量。蒸发式冷凝器的传热量是空气湿球温度的函数,而空冷式冷凝器的传热量 是干球温度的函数。 因为湿球温度通常比干球温度低, 加上水膜与金属壁面的传热系数大和风机 产生的局部负压作用,因此采用蒸发式冷凝器的冷凝温度远低于空冷式。 蒸发式冷凝器同带冷却水塔的水冷式冷却系统相比, 它把汽轮机乏汽的热量直接传到周围空 气中去,而在水冷式冷却系统中,热量必须先在凝汽器中传递给冷却水,然后再由循环水带到冷 却塔中,最后传到周围空气中去。因为只有一次传热,所以采用蒸发式冷凝器的冷凝温度较低。 冷凝温度的降低, 导致蒸汽冷凝压力降低, 这样机组的能耗降低, 整个火电厂的热经济性可提高。 从表 2 中可以看出,当采用蒸发式冷凝器时,郎肯循环的热效率相对于水冷却式提高了 8.6%, 同时其循环净功和汽耗率都有所降低。 (2)节水。蒸发式冷凝器充分利用水的汽化潜热,这与空冷式和水冷式利用空气或水的显 热来吸收热量完全不同。空冷式冷凝器虽然不用水源,但需要消耗更多的机组和冷凝功耗。一般 水冷式冷凝器中每千克冷却水能带走 16.7~25.1 kJ 的热量,而 1 kg 水在常压下蒸发能带走约 2400 kJ 的热量,因而蒸发式冷凝器的理论耗水量只为一般水冷式冷凝器的 1%,实际上由于吹散

损失、排污换水等原因,耗水量约为一般水冷式冷凝器的 5%~10 。通常补充的水量仅为水冷式 的 1/25~1/50。蒸发式冷凝器特别适用于缺水地区,在气候干燥处更为有效。 (3)运行费用减少。和传统的冷却水塔循环供水冷却系统相比较,蒸发式冷凝器使用较少 的循环水,且循环水的处理较简单。同时又因为风机和水泵的耗能减小,维护较容易,所以其运 行费用大大降低。 正是考虑到节水和系统的能耗低这些优点, 所以在我国, 把蒸发式冷凝器运用在火电厂的冷 却系统中有其必要性,尤其在水源缺乏的西部地区更是如此。 下面两个实例说明国外把蒸发式冷凝器应用在电厂冷却系统中的情况。
[2][3] 4 两个实例 [2][3]

[7]

(1) 加拿大“TransAlta”能源公司的联合发电系统采用了蒸汽轮机和燃气轮机联合循环发 电,蒸发式冷凝器作为电力系统的一部分,用来冷却汽轮机排出的蒸汽。电厂发出的 75MW 电力 供“Ontario Hydro”使用。另外,来自系统的热蒸汽供附近的一家汽车制造商使用。因为两家 用户不同的需求, 导致蒸汽冷负荷产生较大的波动, 而美国巴尔的摩公司生产的 V 型蒸发式冷凝 器(如图 3)在全年运行条件下可以适用于这种情况。 空气和喷淋水以逆流的方式流过蛇形冷却管表面, 这样可使较少量的水蒸发到空气中去。 蒸 汽冷凝为液体由下部流出, 直接排入电力系统的热井中, 再由凝结水泵送入锅炉中参加下一次循 环。

冷凝参数:进口空气的湿球温度 22.8℃,蒸汽流量 31.5kg/s,冷凝绝对压力 10.16kPa。设 备:两台电机功率为 1.23kW 的风机,两台电机功率为 1kW 的喷淋水泵(其中一台备用),混凝土 逆流式冷却塔,带有组合式空气排出器系统。

(2)在美国弗吉尼亚“Tradewinds”公司锯木场的发电系统中,锅炉产生的水蒸汽送到一 台干燥炉中使用。由于干燥炉所需要的蒸汽在很大范围内变化,给充分利用蒸汽提供了可能。干 燥炉使用有余的蒸汽以低压力送给蒸汽发电系统, 蒸发式冷凝器用来冷凝汽轮机排出的蒸汽。 电 厂容量为 900kW,发出的电供锯木场使用。冷却设备采用的是美国巴尔的摩生产的 CXV-449 型蒸 发式冷凝器(如图 4)。

喷淋水泵以 0.407 m /(minm )的速率把冷却水送到蒸发式冷凝器的上部。空气和水以顺流 的形式流过冷却盘管,这样可以减小“干区”的空间。蒸汽冷凝为液体由下部流出,直接排入电 力系统的热井中, 再由凝结水泵送入锅炉中参加下一次循环, 未凝结的蒸汽被组合式空气排出器 带走。热水流到湿板面和吸入的冷空气进行热质传递,从而被预冷,最后流回水池。预冷增大了 水和工质间的温差,这样可以减小冷却盘管的尺寸,提高冷却效果。 冷凝参数:进口空气的湿球温度 26℃,蒸汽流量 2.27 kg/s,冷凝绝对压力 13.54kPa,冷 凝温度 51.8℃。 风机和水泵的耗功为 25.7 kW。 5 对几个问题的探讨 上述分析说明, 把蒸发式冷凝器用在电厂冷却系统中有其必要性和可行性, 但在中国推广使 用应注意以下几个问题: (1)蒸发式冷凝器的发展首先应注意理论创新和完善,寻求新理论的突破。高效传热管的 研制、管型的改进和管表面性质的改造是蒸发式冷凝器发展的一个重要方面 。特别是当电厂凝 汽器由管外冷凝改用管内冷凝后, 其传热性能和结构发生了很大的变化, 在这些方面更需要有理 论的指导和创新。 (2)火电厂中蒸发式冷凝器要冷却的工质是水蒸气或天然气,而我国目前用在石油化工和
[7]

3

2

制冷装置上的蒸发式冷凝器所冷却的工质是氨、 氟里昂或碳氢化合物。 要使蒸发式冷凝器在火电 厂中得到应用,就必须根据水蒸气或天然气本身的性质特点,要求冷却系统在流程安排、结构设 计及运行操作等方面与之相适应。 (3)由于我国幅员辽阔,各地气候条件有很大差异,而蒸发式冷凝器的冷凝效果受气候条 件影响较大,所以应结合中国当地实情来设计蒸发式冷凝器。 6 结论 蒸发式冷凝器具有节约能量、节水和运行费用低等特点,其性能受气候条件的影响很大。对 节约能源已迫在眉睫的我国来说, 把蒸发式冷凝器用在火电厂的冷却系统中有其必要性, 尤其是 在气候干燥地区。国外成功的应用实例说明,蒸发式冷凝器用在火电厂的冷却系统中是可行的。


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