蒸發(fā)式冷凝器在12 MW凝汽發(fā)電機(jī)組中的應(yīng)用

景玉國(guó)

(河北凱躍化工集團(tuán)有限公司 河北文安065801)

1 凝汽器的種類及其優(yōu)缺點(diǎn)

1.1 水冷凝汽器

1.1.1 水流程

由循環(huán)水泵從涼水塔送來(lái)的具有一定壓力的冷卻水流經(jīng)換熱器冷卻水管，把蒸汽在換熱器內(nèi)凝結(jié)為水時(shí)放出的熱量帶走，凝結(jié)水從凝汽器底部通過(guò)凝結(jié)水泵抽出，回收到鍋爐或蒸汽發(fā)生器使用；吸收熱量的冷卻水返回到?jīng)鏊禍?循環(huán)使用。

1.1.2 結(jié)構(gòu)形式

大型水冷凝汽發(fā)電機(jī)組一般配置自然通風(fēng)涼水塔，涼水塔不設(shè)冷卻風(fēng)機(jī)。因自然通風(fēng)涼水塔占地面積及投資都很大，小型水冷凝汽發(fā)電機(jī)組一般配置強(qiáng)制通風(fēng)涼水塔，涼水塔設(shè)置冷卻風(fēng)機(jī)。凝汽換熱器的結(jié)構(gòu)形式一般采用列管式，冷卻水用量一般占發(fā)電機(jī)組總循環(huán)冷卻水量的80%左右。

1.1.3 優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟、發(fā)電負(fù)荷穩(wěn)定、故障率較低。

缺點(diǎn)：冷卻水循環(huán)量大、冷卻水消耗量高。大型自然通風(fēng)涼水塔冷卻水消耗量在0.005～0.007 t/(kW·h)；小型機(jī)組設(shè)置強(qiáng)制風(fēng)冷涼水塔，因飄水率高，導(dǎo)致冷卻水消耗量較高(一般在0.007～0.012 t/(kW·h)；循環(huán)水泵揚(yáng)程高、能耗高；列管式凝汽換熱器容易出現(xiàn)結(jié)垢、堵塞、腐蝕、泄漏等問題，使用壽命短；對(duì)循環(huán)水質(zhì)的管理要求嚴(yán)格。

1.1.4 12 MW水冷凝汽發(fā)電機(jī)組主要配置及運(yùn)行指標(biāo)

12 MW水冷凝汽發(fā)電機(jī)組循環(huán)冷卻水量3 200～3 600 m3/h，循環(huán)水泵揚(yáng)程40～60 m，循環(huán)水泵功率400～500 kW，凝汽換熱器換熱面積1 000～1 200 m2。若采用強(qiáng)制通風(fēng)涼水塔，還需增加冷卻風(fēng)機(jī)的功率100～150 kW；設(shè)計(jì)乏汽壓力5～6 kPa，實(shí)際運(yùn)行壓力10～15 kPa，實(shí)際發(fā)電汽耗4.7～4.9 kg/(kW·h)。按年運(yùn)行300 d、發(fā)電負(fù)荷10 MW，機(jī)組耗電量(包括循環(huán)水泵、冷卻風(fēng)機(jī)、凝結(jié)水泵及抽氣器)為自發(fā)電量的4.5%～5.5%，年耗水量500～850 kt。

1.2 空冷凝汽器

1.2.1 結(jié)構(gòu)形式

空冷凝汽器的結(jié)構(gòu)形式主要分為直接空冷、間接空冷、干濕聯(lián)合空冷等，其中以直接空冷技術(shù)發(fā)展最為迅速。

1.2.2 優(yōu)缺點(diǎn)

直接空冷結(jié)構(gòu)的空冷凝汽器具有投資小、占地面積小，且不受水資源限制的優(yōu)點(diǎn)。我國(guó)北方地區(qū)四季分明，部分地區(qū)富煤缺水，冬季氣溫通常在-10～-40 ℃，有利于空冷發(fā)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，但夏季氣溫也在30 ℃以上，空冷發(fā)電機(jī)組很難實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷運(yùn)行。

缺點(diǎn)：①換熱效率低；②運(yùn)行的穩(wěn)定性及安全性較差；③操作及管理難度大，空冷發(fā)電機(jī)組真空系統(tǒng)龐大，操作及管理復(fù)雜，冬季防凍性能差，易發(fā)生凍結(jié)事故；④投資大，運(yùn)行費(fèi)用高；⑤發(fā)電能耗較高。

1.2.3 12 MW空冷凝汽發(fā)電機(jī)組主要配置及運(yùn)行指標(biāo)

12 MW空冷凝汽發(fā)電機(jī)組配置的空冷換熱器的換熱面積60 000～70 000 m2，空冷冷卻風(fēng)機(jī)功率300～500 kW，循環(huán)冷卻水量400～600 m3/h，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)功率100～150 kW；設(shè)計(jì)乏汽壓力15～17 kPa，冬季運(yùn)行時(shí)可達(dá)到設(shè)計(jì)值，夏季氣溫高時(shí)，實(shí)際乏汽壓力40～50 kPa；實(shí)際發(fā)電汽耗5.0～5.5 kg/(kW·h)。按年運(yùn)行300 d、發(fā)電負(fù)荷10 MW、機(jī)組耗電量(包括空冷風(fēng)機(jī)、循環(huán)水系統(tǒng)、凝結(jié)水泵及抽氣器等)為自發(fā)電量5.0%～6.0%計(jì)，年耗水量100～200 kt。

2 蒸發(fā)式冷凝器的引入及應(yīng)用

河北凱躍化工集團(tuán)有限公司(以下簡(jiǎn)稱凱躍公司)是以生產(chǎn)合成氨、甲醇、甲醛、二甲醚等產(chǎn)品為主的綜合性化工企業(yè)，將廢熱綜合利用、熱電聯(lián)產(chǎn)作為主要改造措施。2009年之前，凱躍公司先后增加了2臺(tái)6 MW背壓發(fā)電機(jī)組。背壓發(fā)電機(jī)組只能根據(jù)用汽裝置的蒸汽用量來(lái)調(diào)節(jié)，在產(chǎn)汽量大于用汽量時(shí)，背壓發(fā)電機(jī)組無(wú)法調(diào)節(jié)，只能將背壓后多余的蒸汽排空處理，造成了極大的浪費(fèi)。為了解決多余蒸汽排空和電力不足的問題，凱躍公司于2010年至2012年間新增了6 MW和12 MW 凝汽及抽凝發(fā)電機(jī)組各1臺(tái)。

2.1 蒸發(fā)式冷凝器應(yīng)用于凝汽發(fā)電的背景

凱躍公司地處河北中北部，年平均氣溫12～15 ℃、四季分明，極端最高氣溫40～42 ℃、最低氣溫-15～-20 ℃，屬于水資源較為缺乏的地區(qū)。根據(jù)需要，新增機(jī)組需采用凝汽或抽凝發(fā)電機(jī)組，解決生產(chǎn)上多余蒸汽排空的問題，同時(shí)增加電力供應(yīng)；凝汽必然要涉及乏汽冷凝的問題。

經(jīng)對(duì)現(xiàn)有的水冷和空冷發(fā)電機(jī)組進(jìn)行分析、比較，得出的結(jié)論：這2種類型機(jī)組都存在一定的問題和缺陷，均不適合凱躍公司的實(shí)際狀況。水冷發(fā)電機(jī)組冷卻水消耗太多、需新建涼水塔等設(shè)施，占地面積太大，而凱躍公司水資源較為緊張，同時(shí)還受到場(chǎng)地限制，沒有建設(shè)涼水塔的空間；空冷發(fā)電機(jī)組雖然冷卻水消耗低、占地面積小，但夏季氣溫高時(shí)發(fā)電效率太低、經(jīng)濟(jì)性太差，同時(shí)投資又太高。故以選擇耗水量較低、發(fā)電效率較高、占地面積不大、投資較低的凝汽設(shè)備較為理想。

2.2 蒸發(fā)式冷凝器的選用

凱躍公司自2007年起先后在合成氨、甲醇、甲醛、二甲醚等裝置上使用蒸發(fā)式冷凝器設(shè)備50余臺(tái)(套)代替原有的涼水塔。蒸發(fā)式冷凝器具有換熱效率高、耗水量低、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小的特點(diǎn)，適用于清潔介質(zhì)的冷卻和冷凝，汽輪機(jī)出口的乏汽非常清潔、不會(huì)堵塞蒸發(fā)式冷凝器的換熱管道。

2009年底開始籌備新增發(fā)電機(jī)組事宜。經(jīng)分析認(rèn)為：蒸發(fā)式冷凝器與現(xiàn)有的水冷和空冷凝汽器相比具有一定的優(yōu)勢(shì)，決定購(gòu)買1臺(tái)6 MW二手凝汽發(fā)電機(jī)組，利用閑置的1臺(tái)6 MW背壓發(fā)電機(jī)組，用蒸發(fā)式冷凝器代替凝汽器，進(jìn)行一次試驗(yàn)性嘗試。洛陽(yáng)隆華傳熱科技股份有限公司承擔(dān)了蒸發(fā)式冷凝器的設(shè)計(jì)制造，項(xiàng)目總投資約700萬(wàn)元。2010年初開工。2011年初投入試運(yùn)行，因舊發(fā)電機(jī)組故障率較高，運(yùn)行不太穩(wěn)定，但獲得了一些有益的數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，2011年初，又新增1臺(tái)12 MW抽凝發(fā)電機(jī)組，同樣采用蒸發(fā)式冷凝器代替凝汽器。項(xiàng)目于2011年1月29日開工；2012年3月23日調(diào)試合格投入試運(yùn)行。項(xiàng)目總投資約1 900萬(wàn)元，包括發(fā)電機(jī)組、土建廠房、配套蒸發(fā)式冷凝器及設(shè)計(jì)、安裝、電器儀表等費(fèi)用。

2.3 配置情況

蒸發(fā)式冷凝器分2組配置(4臺(tái)1組)，每組設(shè)12臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)，單臺(tái)風(fēng)機(jī)功率18.5 kW；設(shè)置3臺(tái)循環(huán)冷卻水泵(開2備1)，單臺(tái)水泵功率55 kW、流量984 m3/h、揚(yáng)程14 m。

蒸發(fā)式冷凝器位置緊靠汽輪機(jī)廠房布置，2組蒸發(fā)式冷凝器之間留6 m左右的空間，布置3臺(tái)循環(huán)水泵，蒸發(fā)式冷凝器及循環(huán)水泵總占地面積720 m2。

2.4 裝置運(yùn)行情況

2012年3月投入試運(yùn)行，自2012年4月至今已累計(jì)運(yùn)行1年多，運(yùn)行穩(wěn)定；2013年1月至2月，因后續(xù)用電裝置停產(chǎn)而停運(yùn)；2012年4月至2013年6月共運(yùn)行13個(gè)月，全部按全凝模式運(yùn)行。

2.4.1 主要運(yùn)行指標(biāo)

(1)主要運(yùn)行工藝指標(biāo)：汽輪機(jī)的進(jìn)汽壓力3.4～3.5 MPa，乏汽溫度52～60 ℃，乏汽壓力 8～12 kPa(絕壓)，凝水溫度45～48 ℃。

(2)冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)量：根據(jù)環(huán)境溫度變化以滿足排氣(乏汽)壓力、凝水溫度指標(biāo)為前提，增減冷卻風(fēng)機(jī)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)。機(jī)組發(fā)電負(fù)荷80%左右、冬季環(huán)境溫度0 ℃以下，開8～12臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)；春、秋季環(huán)境溫度20 ℃以下，開12～17臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)；夏季環(huán)境溫度30 ℃以上，需開19～22臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)。

(3)循環(huán)水泵的運(yùn)行：常開2臺(tái)循環(huán)水泵，運(yùn)行負(fù)荷80%左右，循環(huán)水泵的運(yùn)行負(fù)荷一般固定不變，主要調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)機(jī)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)。

2.4.2 發(fā)電量及主要消耗指標(biāo)(2012年4月至2013年6月)

(1)發(fā)電量：累計(jì)發(fā)電量7 770 000 kW·h，月有效運(yùn)行28 d，平均小時(shí)發(fā)電負(fù)荷8 900 kW，發(fā)電負(fù)荷以滿足后續(xù)用電設(shè)備的需要為主，發(fā)電量受環(huán)境氣溫的影響很小。

(2)發(fā)電汽耗：累計(jì)耗蒸汽量357 467 t，平均發(fā)電汽耗4.599 kg/(kW·h)；冬季和夏季發(fā)電汽耗沒有明顯差異。

(3)冷卻水消耗量：累計(jì)耗冷卻水量約300 kt，單耗約0.003 9 t/(kW·h)，冬季和夏季冷卻水消耗量相差很大(夏季約為冬季的1.5～2.0倍)。

(4)機(jī)組自耗電量：機(jī)組自耗累計(jì)耗電量沒有單獨(dú)計(jì)量，估計(jì)為自發(fā)電量的4%～5%；2013年 5月開始單獨(dú)計(jì)量，計(jì)量結(jié)果約為自發(fā)電量的5%。冬季和夏季自耗電量相差也很大，冬季自耗電量為夏季的60%～70%，主要原因?yàn)槎纠鋮s風(fēng)機(jī)開的臺(tái)數(shù)較少。

(5)夏季運(yùn)行情況：進(jìn)入2013年6月中、下旬，氣溫明顯升高；2013年6月14日至30日，環(huán)境溫度24～37 ℃，累計(jì)17 d發(fā)電量3 781 500 kW·h，平均小時(shí)發(fā)電負(fù)荷9 268 kW；累計(jì)耗蒸汽量17 178 t、平均發(fā)電汽耗4.543 kg/(kW·h)；累計(jì)耗水量17 174 t，平均單耗0.004 54 t/(kW·h)；累計(jì)自耗電量199 100 kW·h，占自發(fā)電量的5.27%。

3 蒸發(fā)式冷凝器使用注意事項(xiàng)

蒸發(fā)式冷凝器對(duì)水質(zhì)的管理要求相對(duì)于水冷機(jī)組來(lái)說(shuō)不是很嚴(yán)格，但根據(jù)蒸發(fā)式冷凝器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，換熱管一般橫向布置，且排布得較為密集，換熱管間的縫隙較小，在使用過(guò)程中，以下幾個(gè)方面的問題需要引起重視。

(1)蒸發(fā)式冷凝器的制造應(yīng)選擇可靠的廠家承攬，材料的選取、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及制造質(zhì)量的控制對(duì)蒸發(fā)式冷凝器的使用壽命和使用效果起著決定性作用。

(2)循環(huán)冷卻水的管理仍需加強(qiáng)，主要在防止腐蝕、結(jié)垢和堵塞等方面。循環(huán)冷卻水中的Cl-質(zhì)量濃度應(yīng)嚴(yán)格控制在<700 mg/L，以減輕對(duì)設(shè)備的腐蝕；冷卻水及冷卻空氣的分布應(yīng)均勻，杜絕局部死區(qū)，以減輕換熱管的氧腐蝕。

(3)系統(tǒng)應(yīng)盡可能相對(duì)封閉運(yùn)行，避免雜物進(jìn)入循環(huán)水中或通過(guò)風(fēng)機(jī)帶入一些雜物堵塞噴頭或換熱管縫隙，造成冷卻空氣或冷卻水偏流；同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)檢查，出現(xiàn)堵塞、偏流等問題應(yīng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理。

(4)應(yīng)注意飄水問題，飄水會(huì)導(dǎo)致冷卻水消耗大幅度上升、收水器錯(cuò)位及變形等都會(huì)導(dǎo)致飄水率提高。

4 結(jié)語(yǔ)

蒸發(fā)式冷凝器用于凝汽發(fā)電機(jī)組，與水冷、空冷技術(shù)相比，都具有明顯的優(yōu)勢(shì)。與水冷機(jī)組相比，具有顯著的節(jié)水效果；與空冷機(jī)組相比，具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，適宜在我國(guó)中北部及以南地區(qū)的大、中、小型凝汽發(fā)電機(jī)組推廣應(yīng)用；因蒸發(fā)式冷凝器投資較低、占地面積小，特別適用于老企業(yè)中、小型凝汽機(jī)組節(jié)能改造；但在高寒及嚴(yán)重缺水地區(qū)不宜選用。