空冷与水冷、间冷
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、概述
空冷系统主要指汽轮机的排汽通过一定的装置被空气冷却为凝结水的系统，它与常规湿式冷却方式(简称湿冷系统)的主要区别是避免了循环冷却水在湿塔中直接与空气接触所带来的蒸发、风吹损失以及开式循环的排污损失，消除了蒸发热、水雾及排污水等对环境造成的污染。
由于空冷方式用空气直接冷却汽轮机排汽或用空气冷却循环水再间接冷却汽轮机排汽构成了密闭的系统，所以在理论上它没有循环冷却水的上述各种损失，从而使电厂的全厂总耗水量降低80%左右。
用于电厂机组末端冷却的空冷系统主要有直接空冷系统和间接空冷系统，间接空冷系统又分为带表面式凝汽器和带混合式凝汽器的两种系统。
三种空冷方式在国际上都得到广泛的应用，技术均成熟可靠，在国际上三种空冷方式单机容量均已达到600MW。
我国目前己有60OMW直冷机组投运，两种间冷方式在国内运行机组均为200MW。
采用空冷机组大大减少了电厂耗水，为水源的落实和项目的成立提供了便利条件。
特别对缺水地区，有着重要的意义。
内蒙古地区煤资源丰富，近几年投产的机组，基本都采用了空冷系统，而且大部分为直接空冷系统。
二、空冷系统
2.1直接空冷系统
电厂直接空冷系统是汽机的排汽直接用空气冷却，汽机排出的饱和蒸汽经排汽管道排至安置在室外的空冷凝汽器中，冷凝后的凝结水，经凝结水泵升压后送至汽机回热系统，最后送至锅炉。
电厂直接空冷系统主要包括以下系统:空冷凝汽器(ACC，Aircoo ledco ndens er)，空气供给系统、汽轮机排汽管道系统、抽真空系统、空冷凝汽器清洗系统、空冷凝汽器平台及土建支撑。
蒸汽从汽轮机出来，经过蒸汽管道流向空冷凝汽器，由蒸汽分配管道间空冷冷凝器分配蒸汽。
目前直接空冷凝汽器大多采用矩形翅片椭圆管芯管的双排、三排管和大口径蛇形翅片的单排
管。
空冷凝汽器由顺流管束一和逆流管束两部分组成。
顺流管柬是冷
凝蒸汽的主要部分，可冷凝75%一80%的蒸汽，在顺流管束中，蒸汽和凝结水是同方向移动的。
设置逆流管束主要是为了能够比较顺畅地将系统内的空气和不凝结气体排出，避免运行中在空冷凝汽器内的某些部位形成死区、冬季形成冻结的情况，在逆流管束中，气体和凝结水是反方向移动的。
冷凝所需要的冷空气由轴流冷却风机从大气中吸入，并吹间换热器翅片。
风机采用变频控制，系统可通过控制启停风机台数和对风机转速进行调整来控制进风量，能灵活的适应机组变工况运行，并且起到很好的防冻作用。
抽真空系统由3×1O0%水环真空泵组成。
泵连接逆流管束的顶部和主
排汽管道。
在启动的时候，不凝气体在抽真空系统中被压缩，并排到大气中。
在部分排汽支路管道上设置蒸汽隔离阀，当冬季汽轮机低负荷运行或启动时，切断某几个散热端的阀门，将热量集中在剩余的散热端中，增加热负荷达到防冻目的。
为防止灰尘附着凝汽器翅片影响系统散热效果，设立冲洗系统，冲洗系统由冲洗水泵以及管道阀门组成。
为减少系统容积，大型机组的空冷凝汽器一般布置在紧靠汽机房A列柱外的平台上。
为适应机组变工况运行相维护，空冷凝汽器被分为几组，每组由相同冷却单元组成，每个冷却单元由"人"型的冷却器排架构成，每个冷却单元下面设一台轴流风机。
直接空冷系统为一次冷却，直接空冷系统的主要优点有:不需中间换热介质，换热温差大，冷凝效果好;冬季防冻措施比较灵活可靠; 占地少;节省投资。
不足之处是:汽轮机背压变幅大;真空系统庞大;风机群噪声大;厂用电高。
直接空冷机组原则性汽水系统见图1。
1、锅炉;
2、过热器;
3、汽轮机;
4、发电机:
5、凝结水泵;
6、凝结水精处理装置:
7、凝结水升压泵:
8、低压加热器;
9、除氧器:10、给水泵:11、高压加热器:12、汽轮机排汽管道;13、轴流冷却风机;14、凝结水箱;15、空冷凝汽器;
2×300MW直接空冷机组共两套空冷凝汽器(ACC)，每台机组AC C共有6排冷凝器，每排冷凝器包括4个顺流管束和1个逆流管束以及5个单元空气供应系统(包括变频风机)。
共计24个顺流管束、6个逆流
管束和30台风机。
2.2 间接空冷系统
间接空冷系统又分为带棍合式凝汽器(海勒式)和带表面式凝汽器(哈蒙式)的两种系统。
2.2.1 混合式间接空冷系统(海勒式)
混合式间接空冷系统工艺流程是汽轮机尾部排汽排至安装在汽机房内的辊合式凝汽器内与喷射咸水膜的循环水直接接触冷却，混合的冷凝水一小部分经精处理后送至再热系统，其余的经循环水泵升压后回至室外的空冷塔，进入安装在塔底部的表面式空冷凝汽器内与空气进行表面式换热冷却，冷却后的循环水通过水轮机或节流阀调压后回至混合式凝汽器循环使用。
混合式凝汽器的间接空冷系统主要由喷射式凝汽器相空冷塔构成。
系统中的冷却水是高纯度的中性水，中性冷却水进入凝汽器直接与汽轮机排汽混合并将其冷凝，受热后的冷却水绝大部分由冷却水循环泵送至空冷却塔散热器，经与空气对流换热冷却后通过调压水轮机将冷却水再送至喷射式凝汽器进入下一个循环。
空冷塔散热器外侧装有百叶窗，百叶窗的开度可调，可控制通风量，从而控制冷却性能。
当环境温度较低时，关闭百叶窗，防止散热器冻坏。
系统特点:两次换热、凝结水与循环水棍合冷却、运行分正压和微正压两部分，因此，需要设大规模的精处理设备，与其它空冷方式相比增设了水轮机和调节阀这样的大型设备，系统复杂，循环水泵必须紧靠凝汽器布置，为防止水泵汽蚀需设大型泵坑，需设大型冷却塔，因
此，基建投资高，优点是年平均背压低。
带混合式凝汽器的间接空冷系统的优点是以微正压的低压水系统运行，较易掌握。
缺点是设备多、系统复杂、需要凝结水精处理装置、自动控制系统复杂、全铝制散热器的防冻性能差。
混合式间接空冷机组原则性汽水系统见图2。
1、锅炉:
2、过热器;
3、汽轮机;
4、喷射式凝汽器;
5、凝结水泵;
6、凝结水精处理装置:
7、凝结水升压泵;
8、低压加热器;
9、除氧器:10、给水泵;11、高压加热器:12、冷却水循坏泵;13、调压水轮机;14、全铝制散热器;15、空冷塔;16、旁路截流阀;17、发电机
2.2.2 表面式间接空冷系统(哈蒙式)
表面式间接空冷系统与常规湿冷系统基本相同，不同的是空冷塔代替湿冷塔。
工艺流程为汽轮机尾部排汽排至安装在汽机房内的表面式凝汽器内，经与循环水换热后，由凝结水泵升压回至再热系统，换热后的循环水回至安装在室外空冷塔内的表面凝汽器内，与空气换热后经循环水泵升压，送回至汽机房内的表面式凝汽器循环使用。
该系统由表面式凝汽器与空冷塔构成。
与常规的湿冷系统基本相仿，不同之处是用表面式对流换热的空冷塔代替混合式蒸发冷却换热的湿冷塔，通常用不锈钢管凝汽器代替铜管瘫汽器，用碱性除盐水代替循环水，用密闭式循环冷却水系统代替开敞式循环冷却水系统。
该系统采用自然通风方式冷却，将散热器装在自然通风冷却塔中。
系统特点:循环水与凝结水分为两个系统，两水质可按各自的要求分
别处理，系统简单、设备少，缺点是因两次换热，热效率相对较低，需要大量的冷却面积、设大型冷却塔，因此基建投资高。
带表面式凝汽器的间接空冷系统类似于湿冷系统，其优点是节约厂用电，设备少，冷却水系统与汽水系统分开，两者水质可按各自要求控制。
缺点是空冷塔占地大，基建投资多，系统中需进行两次换热，且都属表面式换热，使全厂热效率有所降低。
表面式间接空冷机组原则性汽水系统见图3。
1、锅炉:
2、过热器;
3、汽轮机:
4、表面式凝汽器;
5、凝结水泵;
6、凝结水精处理装置:
7、凝结水升压泵;
8、低压加热器;
9、除氧器;10、给水泵:11、高压加热器;12、循环水泵;13、膨胀水箱; 14、全钢制散热器h5、空冷塔;16、发电机
三、空冷控制系统
目前建设的电厂空冷控制系统大多直接纳入机组DCS系统，空冷系统采用独立的冗余CPU。
控制系统功能包括数据采集和处理系统(DAS)、顺序控制系统(SCS)、模拟量控制系统(MCS)。
空冷系统在集中控制室实现集中监控，由DCS的操作员站完成对其工艺系统的程序启/停、中断控制及单个设备的操作。
3.1 直接空冷控制系统
本文以2×3OOMW空冷机组为例，介绍直接空冷系统的控制。
3.1.1 主要监控测点:
(1)排汽压力(2)环境温度(3)大气压力(4)风速风向
(5)凝结水温度(6)抽气温度(7)抽气压力
(8)排汽管道凝结水收集装置液位(9)阀门位置显示和控制
(10)空冷风机变频控制(11)抽真空系统(12)ACC清洗系统
3.1.2 主要监控内容:
控制系统通过控制启停风机台数和改变风机转速来改变通过冷凝器换热片的空气流量，从而控制AC C性能。
三个压力传感器测量排汽管道压力。
在正常运行时，排汽压力是主控制变量。
控制系统通过排汽压力控制变频风机，当排汽压力改变时，风机转速也改变，以确保提前设定的运行工况。
ACC的压力控制器和抽气温度控制器/凝结水温度控制器联合工作。
如果压力是主控变量，温度控制器最小选择器被启动。
一旦实际测得
的温度降到设定值以下，这一排的温度控制器会覆盖压力控制器的信号，转为温度控制。
其他排只要是凝结水/抽气温度还没有到达设定值之下，仍然是压力控制。
每个覆盖行为都会显示在人机界面上。
当排汽压力是主控制变量时，只要其在设定值范围内，控制系统就能正常运行。
为了避免单个单元凝结水过冷，控制变量排汽压力能自动被凝结水温度/抽气温度取代。
在温度控制模式下，依据抽气温度和凝结水管道的凝结水温度来调节风机转速。
检测环境温度可以保护A CC不被冻结。
在更差的工况，风机全部关闭，然后关闭个别的蒸汽隔离阀以减少换热面积。
为了加强系统监控，在冬季寒冷期，系统运行必须为自动控制。
在冬季运行中如出现异常，控制系统及时发出指令，调整运行，同时发出
警报，提请运行人员注意。
3.1.3 风机变频控制
每台300M W机组共30台变频控制柜，负责控制空冷机组30台风机的启停和转速调节。
其中控制逆流管束单元风机变频柜6台，控制顺流管束单元风机变频柜24台。
该控制装置具有调节风机转速的功能，并具有自动、手动两种控制方式。
当在手动工作状态时，可以通过空冷平台的就地按钮对风机手动启停。
也可以通过控制柜上变频器操作面板对风机的运行进行控制以及变频器参数的设定。
当在自动工作状态时，变频器投入运行，在集中控制室可以自动控制风机的最佳运行状态。
由集中控制室输出频率控制信号对风机的转速进行控制，变频控制柜反馈电流和频率信号送入集中控制室。
变频控制柜与集中控制室交换的相关信号:风机远方/就地、风机变频器故障、风机己运行、风机已停止、启动风机、停止风机、风机速度给定、风机频率输出、风机电流输出。
3.2 间接空冷控制系统
本文以2×200MW空冷机组为例，介绍海勒式间接空冷系统的控制。
3.2.1 主要监控测点:
(1)补水流量
(2)凝汽器水位
(3)凝汽器真空
(4)贮水箱水位
(5)凝汽器喷咀前后差压
(6)循环水泵出口压力
(7)水轮机人口、出口压力
(8)扇形段顶部压力
(9)扇形段出口水温
(10)扇形段百叶窗开度
(11)塔内温度
(l2)排汽温度
3.2.2 主要监控内容:
凝汽器水位控制:热力系统中的汽水损失，系统泄漏，均可引起凝汽器水位的变化。
运行中共中要维持凝汽器水位在一定范围内。
系统总压力(或竖管压力)控制:海勒式间接空冷系统的特点是系统处于微正压运行状杰。
在每一扇形段的顶部安装一根竖管。
正常运行时竖管的水位是通过水轮机(或节流阀)的调节来完成。
在调节水轮机(或节流阀)的同时，相应控制了凝汽器喷咀前后差压，即控制了进入凝汽器的冷却水量。
循环水泵的控制:循环水泵及其出口阀按照程序启停。
正常时两台循环水泵同时运行水轮机(或节流阀)的控制:水轮机的作用，一是回收能量，二是调节系统总压力(或竖管压力)及凝汽器喷咀前后差压。
节流阀作为备用，水轮机故障时切换至节流阀。
百叶窗控制:控制百叶窗的目的是改变其开度，从而调节散热器的通风量，达到调节冷却水温的作用。
在冬季，关闭百叶窗可以保护散热
器免遭冻坏。
空冷塔扇形段控制:整个空冷塔中的散热器分成六个扇形段，运行中根据大气温度调整扇形段投入的数量，获得在不同负荷时的较好的冷却效果。
贮水箱水位控制:在空冷系统停运或凝汽器水位过高时，将扇形段冷却水排至贮水箱。
补水阀控制:当凝汽器水位低于设定值时，开启补水阀向凝汽器补水。
四、结束语
随着电厂直接空冷技术的发展，电厂直接空冷技术在我国北方地区的应用越越多，也积累了丰富的运行经验，特别是严寒季节的防冻问题也得到了很好的解决。
直接空冷可通过改变风机转速或停运风机或使风机反转来调节空冷凝汽器的进风量或直至吸热风采防止空冷凝汽器冻结，调节相对灵活，效果好，并己有成熟的运行经验。
随着空冷设备的国产化，空冷技术在我国的应用将越来越广泛。
发电机组直接空冷系统简介
1．电站空冷系统
1．1空冷系统的单机容量
目前国内外电站空冷是二大类：一是间接空气冷却系统，
二是直接空气冷却系统。
其中间接空气冷却系统又分为混合式空气冷却系统和表面式空气冷却系统。
世界上第一台1500KW直接空冷机组，于1938年在德国一个坑口电站投运，
已有60多年的历史，几个典型空冷机组是：1958年意大利空冷电站2X36MW机组投运、1968年西班牙160MW电站空冷机组投运、1978年美国怀俄明州Wodok电站365MW空冷机组投运、1987年南非Matimba电站6X665MW直接空冷机组投运。
当今采用表面式冷凝器间接空冷系统的最大单机容量为南非肯达尔电站6X686MW；采用混合式凝汽器间接空冷系统的最大单机容量为300MW级，目前在伊朗投运的325MW(哈尔滨空调股份有限公司供货)运行良好。
全世界空冷机组的装机容量中，直接空冷机组的装机容量占60％，间接空冷机组约占40％。
1．2直接空冷系统的特点
无论是直接空冷，还是间接空冷电厂，经过几十年的运行实践，证明均是可*的。
但不排除空冷系统在运行中，存在种种原因引发的问题，如严寒、酷暑、大风、系统设计不够合理、运行管理不当等。
这些问题有的已得到解决，从国内已投运的200MW空冷机组运行实践证明了这一点。
从运行电站空冷系统比较，直接空冷系统具有主要特点：
(1)背压高；
(2)由于强制通风的风机，使电耗大；
(3)强制通风的风机产生噪声大；
(4)钢平台占地，要比钢筋混凝土塔为小；
(5)效益要比间接冷却系统大30％左右，散热面积要比间冷少30％左右；
(6)造价相比经济。
2．直接空冷系统的组成和范围
2．1直接空冷系统的热力系统
直接空冷系统，即汽轮机排汽直接进入空冷凝汽器，其冷凝水由凝结水泵排入汽轮机组的回热系统。
2．2直接空冷系统的组成和范围
自汽轮机低压缸排汽口至凝结水泵入口范围内的设备和管道，主要包括：
(1)汽轮机低压缸排汽管道；
(2)空冷凝汽器管束；
(3)凝结水系统；
(4)抽气系统；
(5)疏水系统；
(6)通风系统；
(7)直接空冷支撑结构；
(8)自控系统；
(9)清洗装置。
3．直接空冷系统各组成部分的作用和特点
3．1排汽管道
对大容量空冷机组，排汽管道直径比较粗，南非Matimba电站665MW直接空冷机组为2缸4排汽，采用2XDN5000左右直径管道排汽，目前国内几个空冷电站设计情况来看，300MW 机组排汽管道直径在DN5000多，600MW机组排汽管道在DN6000左右。
排汽管道从汽机房A列引出后，横向排汽母管布置，目前有两种方式，一种为低位布置、一种为高位布置。
大直径管道的壁厚优化和制造是难点，同时也是影响工程造价的重点之一。
3．2空冷凝汽器的冷却装置
(1)A一型架构：
一般双排管束由钢管钢翅片所组成，为防腐表面渡锌。
单排管为钢管铝翅片，钎焊在大直径矩形椭园管上。
它上端同蒸汽配管焊接，下端与凝结水联箱联结。
每8片或10片构成一个散热单元，每个单元的管束为59.50—60.50角组成A一型架构。
(2)冷却元件：
冷却元件即翅片管，它是空冷系统的核心，其性能直接影响空冷系统的冷却效果。
对翅片管的性能基本要求：
a．良好的传热性能；b.良好的耐温性能；c.良好的耐热冲击力；d．良好的耐大气腐蚀能力；e．易于清洗尘垢：f.足够的
耐压能力，较低的管内压降：g.较小的空气侧阻力；h．良好的抗机械振动能力；i.较低的制造成本。
空冷凝汽器冷却元件，采用园管外绕翅片为多排管，如福哥式冷却元件。
后发展为大口径椭园管套矩形翅片为双排管，近期发展出大口径扁管翅片管，又称之为单排管。
应当说此三种冷却元件在直接空冷系统中都得到了成功的应用。
目前生产钢制多排管的主要是德国巴克杜尔(BDT)公司，国内生产基地位于张家口市；生产双排管的主要是德国基伊埃(GEA)公司，国内生产基地在太原市捷益公司、哈尔滨空调股份有限公司；原比利时哈蒙(HAMON)公司生产单排管，国内没有生产线，去年被BDT公司总部购并后，与BDT合并为同一家公司，于今年在天津上了两条生产线，到目前为至，三种管型均在国内有了合资生产线，或独立生产。
(3)双排管的构成
椭园钢管钢翅片，管径是100X20mm的椭园钢管，缠绕式套焊矩形翅片，管两端呈半园，中间呈矩形。
首先接受空气侧的内侧管翅片距为4mm，外侧管翅片距为2．5mm。
管距为50mm，根据散热面积大小，可以变化管子根数，多根管数组成一个管束，每8片或10片管束构成一个散热单元，两个管束约成60度角构成“A”字形结构。
单排管的构成：椭园钢管钢翅片，管径是200×20mm，两端呈半园，中间呈矩形。
蛇形翅片，钎焊在椭园钢管上。
翅片管的下端同收集凝结水的集水箱联结。
集水箱同逆流
单元相结。
在逆流单元管根部留有排汽口。
(3)散热单元布置
每台机组布置成垂直、平行汽机房方向有列、行之分。
300MW
机组布置6列4行或5行单元数，单元总数为24或30；600MW 机组布置8列6行、7行或8行单元数，单元总数有48、56、64散热单元。
ko结构散热单元有顺流和逆流单元之分。
其顺流是指明蒸汽自上而下，凝结水也是自上而下，当顺流单元内蒸汽不能完全冷凝，而剩余蒸汽在逆流单元冷凝，在这里蒸汽与冷凝水相反方向流动，即蒸汽由下而上，水自上而下相反方向流动。
众所周知，机组运行蒸汽内总是有不可凝汽体随蒸汽运动，设置逆流单元主要是排除不可凝汽体和在寒冷地区也可以防冻。
在寒冷地区，顺、逆流单元面积比，约5：1，单元数相比约2．5：1。
在600MW机组的散热器每列是2组逆流单元，而在300MW机组的散热器每列是1组逆流单元。
每台机组顺、逆流单元散热面积之和，为散热总面积。
这面积为渡
夏要求有一定裕量，因为管束翅片上实际污染要比试验值大、大风地区瞬间风速高于4．0m／s、管束机械加工质量缺陷，尤其电厂投产后温度场变化，其温度要比气象站所测
温度高出2．0〃C以上，丰镇间冷是3．0〃C。
这些问题应引
起重视。
3．3抽气系统
在逆流单元管束的上端装置排气口，与设置的抽汽泵相联。
抽气泵是抽气，分运行和启动，启动抽气时间短，300MW 机组的系统容积大约5300m3，抽气同时在降背压，使之接近运行背压。
时间约40分钟。
在抽气时注意，蒸汽和不凝气体的分压力，抽气不可抽出蒸汽。
抽气系统也是保证系统背压的。
3．4凝结水系统
冷却单元下端集水箱，从翅片管束收集的凝结水自流至平台地面或以下的热井，通过凝结泵再将凝结水送往凝结水
箱并送回热力系统。
3．5通风系统
直接空冷系统散热目前均采用强制通风，大型空冷机组宜采用大直径轴流风机，风可为单速、双速、变频调速三种。
根据工程条件可选择任一种或几种优化组合方案。
就目前国内外设计和运行经验，在寒冷地区或昼夜温差变化较大的地区，采用变频调速使风机有利于变工况运行，同时也可降低厂用电耗。
为减少风机台数，通常采用大直径轴流风机，直径达9．14m、10．36m；减速齿轮箱易发生漏油和磨损，目前以采用进口设备比较安全；变频调速器国内已有合资公司，比进口设备造价有较大幅度的降低；为降低噪音
，风机叶片的选型很重要，叶片材质为玻璃钢，耐久性强，不宜破损。
近年来，国内直接空冷电站对风机所产生的噪音日益严格，按照环保标准工业区三类标准要求在距空冷凝汽器平台150m处的风机噪音声压水平，白天不得超过65dB(A)，夜间不得超过55dB(A)，风机选型一般是低噪音或超低噪音风机。
此类风机国内目前生产水平难以满足噪音标准要求，通常采用的进口风机有意大利COFIMCO公司和波兰HOWDEN公司生产的轴流风机在直接空冷系统的运行受环境在温度、机组负荷等因素变化影响较敏感，并且变化频次也较多，自控系统对空冷凝汽器的安全、经济运行为达到上述三项任务，必须对空气流量和蒸汽流量进行控制。
为散热器单元都要装配清洗泵，用以翅片管上的污垢，如大风产生的杂物、平时积累的灰尘等。
清洗有高压空气或高压水，后者优于前者，高压水泵的压力在130ram(大气压)，每小时10吨。
一般每年清支撑结构是直接空冷装置的主要承重设备，上部为钢桁架结构，下部为钢筋混凝土支柱和基础，结构体系庞大，受各种荷载作用复杂。
国外对此已经有了成熟的设计制造经验，同国际先进水平相比，国内目前针对大型直接空冷机组支撑结构方面的研究工作较晚，对支撑结构设计及力学计算属于需要开发。
目前国内在建的几个空冷电站支撑结构钢桁架均由国外公司设计完成。