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蒸发式凝汽器的研究与应用

2015-07-03张莉冯宇

科技与创新 2015年13期
关键词:社会效益电力行业经济效益

张莉 冯宇

摘 要:凝汽器作为汽轮发电机组重要的辅机之一,其运行状态对机组运行的安全性、经济性有着非常重要的影响。因此,凝汽器技术显得尤为重要。主要对蒸发式凝汽器的技术特点和经济效益进行了分析,其广泛应用可有效提高发电系统的产能、节能减排的效率,具有较大的现实意义和工程价值。

关键词:蒸发式凝汽器;经济效益;社会效益;电力行业

中图分类号:TQ051.6+2 文献标识码:A DOI:10.15913/j.cnki.kjycx.2015.13.011

近年来,我国电力和化工行业发展迅猛。在电力行业采用直接空冷系统、夏季气温较高条件下,直接空冷效率低下,导致发电机组无法“满发”,发电量只为正常情况下的70%~85%,能耗浪费严重。在化工行业,有大量的乏汽需要凝结,传统工艺中采用水冷工艺凝结,造成了极大的水资源浪费,因此,急需对传统工艺进行改造。

蒸发式凝汽器具有先进的潜热换热机理,通过合理的结构设计和管道配置,并充分利用蒸发式冷凝设备节水、冷凝效率高、背压低等优点,可提高产能、降低耗能,可有效解决电力和化工领域乏汽凝结采用直接空冷冷凝的夏季“满发”不足、冬季防冻困难和采用水冷冷凝的水资源浪费严重等问题。目前,蒸发式冷凝器在制冷行业和煤化工行业的介质冷凝中得到了广泛应用,具有非常高的工程应用价值。

1 发展概述

蒸发式冷凝主要利用水蒸发吸收潜热进行换热,是一种高效、节能环保的换热设备。由于其传热效率高、节能环保、结构紧凑等优点,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,经10年左右的发展应用,在制冷装置和石油化工等行业获得了广泛应用。

进入21世纪,国外的蒸发式冷凝器在电厂冷却系统中得以应用,并具备了一定的规模,而我国在2008年前,蒸发式冷凝在电厂冷却系统中的使用几乎是空白。蒸发式凝汽方式与传统水冷却系统、空气冷却系统相比,在节电、节水、环保等方面都有较大的优势。加拿大“TransAlta”能源公司的75 MW联合发电系统采用美国巴尔的摩公司生产的V型蒸发式乏汽凝结器,可满足全年运行的需求;美国马萨诸塞州的MassPower240 MW燃气—蒸汽联合循环机组采用蒸发式凝汽系统,汽轮机排汽量为300 t/h,夏季干球温度为36 ℃,排汽压力为9.48 kPa,低于水冷系统的排汽压力。

国内方面,蒸发式冷却方式较国外发展缓慢。2008年,在自备电厂开始应用蒸发式冷却方式。河北文安县6 MW自备电厂机组采用蒸发式凝汽方式,用水量较水冷降低了40%以上,经过夏季高温和冬季防冻的考验,机组运行良好,节水、节能效果明显;山东潍坊55 MW自备电厂机组采用蒸发式凝汽方式,经调试运行,用水量比水冷降低了40%~50%,机组运行平稳、可靠。

2 主要技术指标和技术分析

2.1 工作原理

汽轮机排汽由蒸汽进口进入换热模块管内冷凝放热;管外喷淋水吸收管内蒸汽冷凝放热,蒸发变为水蒸气,并在风机的作用下排入大气中;未蒸发的水分经收水器下落到水箱中循环使用;凝结水经管道汇集于凝结水箱;不凝性气体由抽真空装置排出。

2.2 技术原理

采用直接空冷与蒸发式凝汽联合运行的方式,春、秋、冬季仅直接空冷运行即可满足机组运行的要求;夏季高温时,从直接空冷系统中分流出一部分蒸汽,通过蒸发式凝汽器直接将汽轮机排汽冷凝为凝结水。

蒸发式凝汽器以潜热换热为主要换热方式,通过换热管束表面水膜蒸发冷凝管内蒸汽,1 kg水蒸发带走的热量是1 kg水温升10 ℃带走热量的60倍,换热效率高。蒸发式凝汽器可将蒸汽在较低温度冷凝,夏季高温时采用尖峰冷却装置可降低空冷机组的运行背压5~15 kPa,降低发电煤耗6~16 gce/kW·h,从而可提高发电效率。

2.3 主要技术指标

与直接空冷系统相比:夏季温度超过30 ℃时,排汽背压可降低5~10 kPa;机组出力增加15%以上;煤耗降低2%以上;投资可降低10%以上。

2.4 关键技术和创新点

针对乏汽凝结进汽量大的特点,开发了异型管箱结构;采用V型结构,乏汽凝结后靠自身质量自流至冷凝管箱内,可有效减小压力降;采用钢制焊接阀门调节直接空冷逆流管束与蒸发式凝汽器内抽真空的比例,可有效解决乏汽凝结设备冬季防冻问题,保证了系统整体的严密性。

2.5 三维设计

三维设计效果如图1所示。

2.6 技术特点

将直接空冷的显热换热机理与蒸发式凝汽器的潜热换热机理有机结合,合理配置高效、节能的复合型空冷凝汽器,充分发挥直接空冷不耗水、蒸发冷综合节能效果好和背压低等优点,可有效提高发电系统的产能、降低能耗。

蒸发式冷凝器结构紧凑,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、传热温差小,所以,换热效果好、循环量少、效率高、投资低,具有节电、节水和运行费用低等特点,适合在水资源短缺、气候干燥的地区使用。该产品结构合理、技术先进,在采用蒸发冷、空冷复合冷却和结构优化方面具有创新性,其节能、节水效果居国内领先水平。

3 经济效益

采用蒸发式凝汽器对现有30万机组进行改造的经济效益分析如下。

3.1 计算原始数据

改造前,夏季满发背压为34 kPa(环境温度为32~41 ℃,实际运行背压为33~39 kPa);改造后,夏季机组满发背压降低了8~10 kPa,即运行背压为25~29 kPa。

夏季运行时间段为6月底至9月底(共3个月);蒸发式凝汽器(尖峰冷却装置)在夏季32 ℃以上时开启。

运行小时数:按3个月计算,即2 160 h。

煤耗差:机组背压每降低1 kPa,煤耗减少1.25 g/kW·h。

标煤价:800元/t(含税,仅仅为计算参考值,以当地煤价为准)。

单台机组

年煤耗降低约8 100 t、年煤耗费用降低648万元。

3.2 年操作费用计算

成本电价按0.4元/kW·h计算,水价按2.0元/t计算。

3.3 计算结果

年收益(节省煤耗费用)为648万元;年操作费用(电费+水费)为133.2万元;电费为69.9万元;水费为63.3万元;净收益为514.8万元。

通过计算可知,采用蒸发式凝汽器对现有机组改造后,夏季温度超过30 ℃时,排汽背压可降低5~10 kPa,煤耗可降低2%以上,机组出力可提高15%.

4 结束语

截至2010年,我国6 000 kW及以上火电发电设备容量为6.74×1010 kW。据此推测,预计到2016年,按15%的火电厂空冷系统采用蒸发式凝汽器作为尖峰冷却装置、年使用1 500 h计算,预期每年可节能1.592 5×108 tce。其作为电力系统节能、节水、安全、可靠、可提高机组发电效率的冷却系统,可实现国家“节能减排”的目标。综上所述,采用蒸发式凝汽系统后,无论是新电厂建设,还是旧电厂改造,采用空冷机组夏季出力的蒸发式换热装置——高效复合型空冷凝汽器的经济效益和社会效益巨大,市场前景广阔。

作者简介:张莉(1973—),女,本科,主要从事水工机械、升船机和电站机械设备的设计和研究。

〔编辑:张思楠〕

Abstract: As one of the important auxiliary condenser turbine generator, its operating state of the plant operation safety and economy has a very important impact. Therefore, the condenser technology is particularly important. Evaporative Condenser mainly technical characteristics and economic analyzes, which are widely used to improve the capacity of power generation systems, energy saving efficiency, has great practical significance and value of the works.

Key words: evaporative condenser; economic efficiency; social efficiency; the power industry

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