火电厂直接空冷节能技术分析
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2021 年第 6 期 （总第 189 期）
2021 年 6 月
节能减排
火电厂直接空冷节能技术分析
万华杰
（晋控电力同达热电山西有限公司，山西 大同 037000）
摘 要： 直接空冷节能技术是一种新型的节水技术，在中国煤炭资源丰富但水资源缺乏地区应用广泛。主要介绍了直
接空冷节能技术的工作原理及特点，分析了该技术在应用过程中存在的问题，并提出了建设性意见，以期能促.1 提高积灰监测及冲洗的研究 目前应对直接空冷凝汽器的积灰，最直接有效的
方法就是在夏季用电高峰期之前使用高压水枪对所有 的管路进行清洗，但清洗的位置、时间和次数没有科 学的指导。部分管路的积灰不会对机组运行造成影响， 对其进行冲洗的话会造成资源的浪费。可将 2 个空冷凝 汽器单元作为对象进行研究，其中 1 个绝对清洁，1个表 面积灰，通过积灰程度的不断提高形成积灰厚度的监控 模型，把握积灰厚度的实时情况，同时得到机组效率与 积灰厚度的关系，分析积灰对机组的影响程度。当机组 效率值下降较多时，即进行冲洗操作，冲洗过程中通过 单一变量法对清洗的时间和次数做出研究，确保在最 小的资源支出条件下达到最好的改良效果。 3.2 提高电厂建设前的方案评审
（下转 117 页）
·65·
2021 年第 6 期
王 瑞，等：集中充电模式下电动汽车充电负荷的计算
2021 年 6 月
2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2
0
50 100 150 200 250 300 350
时间/d
图 1 n'=3 000 辆时电动汽车平均日消耗电量
2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2
0
50 100 150 200 250 300 350
时间/d
图 2 n'=8 000 辆时电动汽车平均日消耗电量
表 1 n' 取不同值时的仿真结果
电动汽车数量 n'/辆 方差系数 茁 的区间 实际仿真方差系数 茁'
3 000
a) 节水量大。水资源的合理分配对于水资源较缺
收稿日期：2021-03-22 作者简介：万华杰，1989年生，男，山西盂县人，2012年毕业于山 西大学热能与动力工程专业，助理工程师。
·64·
乏的地区而言极其重要，而中国目前的能源结构中，火 力发电仍占比较高的比例。一般湿冷电厂的冷却用水在 整个工业用水中占比超过 40%。而直接空冷系统没有 排污蒸发的损失，因此在理论上是不存在水的蒸发损 失的，可带来至少 65%以上的节水量[2]。
术的发展。
关键词： 火电厂；直接空冷节能技术；节水
中图分类号： TK264.1
文献标识码： A
文章编号： 2095-0802-(2021)06-0064-02
Analysis on Direct Air Cooling Energy Saving Technology in Thermal Power Plant
f) 耗电量大，密封要求高。直接空冷系统采用机 械鼓风的方式将空气鼓入，这一过程耗电量极大，对 于火电厂而言，直接带来煤炭消耗量的增加。而粗大 的排汽管道带来维持真空较难的问题，对机械密封的 密封性能要求极其严苛。即使在使用高质量密封的前 提下，为保证更高效的性能，密封也需要每半年检修 1 次，确保无泄漏。
比较高，有较高的实用价值。
3 结语
利用概率论的知识，建立了电动汽车集中充电模 型，提出了通过计算电动汽车耗电量来计算电动汽车 充电负荷的方法，具有一定的实用性。 参考文献：
2021 年第 6 期
万华杰：火电厂直接空冷节能技术分析
2021 年 6 月
也没有淋水的噪声，能大大降低对环境的污染。但是 鼓风机叶轮高速转动会不可避免地带来巨大的风噪， 目前通过选择合理的冷风机工作参数，改良冷凝器热 交换管的结构，同时加设隔音罩，并在其内部贴附吸 音材料，达到降噪的目的。
e) 运行受环境因素影响大。因为直接空冷系统是 靠鼓风与蒸汽进行热交换来达到冷却目的的，所以外 界环境的风温、风速及风向对于冷却效果有很大的影 响。温度越低，风速越快，处于迎风面时，系统的运 行效果越佳。但是对于汽轮机而言，运行过程中背压 的范围大，必须在对抗背压的条件下完成整个工作过 程，导致设备工作效率降低。
在建设初期，提高对厂房及机组配置方案的评审 确认。有诸多因素会造成热风回流，可通过风洞模拟 试验来确定最优的方案。试验的评价指标一般为热风 的回流率，通过试验来确定环境风速、风向及空冷平 台的角度和高度对冷凝器换热效率的关系。同时模拟 不同挡风墙对热交换效率提升的作用。通过不断的数 据模拟，可以得到环境风速、风向、空冷平台角度和 高度及挡风墙高度与热风回流效率的关系，通过合理 的平台设计和采用该环境下最优的挡风墙高度范围， 减少热风回流现象发生的概率，同时为后续电厂建设 及优化提供有效的理论支持[4]。 3.3 提高真空严密性研究
真空严密性的衡量指标一般选择为空气的泄漏率， 它与真空系统的容积成反比。在正常的真空泄漏中， 泄漏率在 30耀60 Pa/min 之间。真空系统的严密性试验 是在保证主蒸汽参数、环境条件和负载载荷的条件下， 通过调整风机的操控方式来观测排气压力值的变化。一 般有以下 3 种操控方式：a) 手动调节，固定冷风机转 速，将凝结水温度控制在 2耀6 ℃；b) 自动调节，保证 排气压力稳定在设定值；c) 手动调节频率至额定，一 般为 50 Hz。此外，还可通过建立真空严密性模型，为 分析真空严密性的变化关系提供数据支撑。
随着中国经济的飞速发展，用电量急剧增加，大 量的高功率火力发电汽轮机组在中国华北、东北及西 北等富煤地区投入使用，但这些地区往往水资源相对 匮乏，成为中国经济进一步发展的一个桎梏。火电站 对直接空冷节能技术的引入则可以很好地解决这一难 题，为中国经济的再次腾飞提供助力。
1 直接空冷节能技术的工作原理及特点
蒸汽
1
4
去回热系统 3
2 5
1.汽轮机；2.凝汽器；3.凝结水泵；4.发电机；5.风机。
图 1 直接空冷系统原理图
b) 结构简单，操作便利。直接空冷系统的结构组 成相较于水冷技术系统简单，主要设备为凝汽器、汽轮 机、风机、凝结水泵、管道及动力系统，通过使用轴流 式汽轮机来调节冷却的风量，调节方式极其灵活。其他 设备的调节便利性也较高，带动了整个系统的可操作 性，同时，还规避了水冷技术冬天防冻的问题。
从国内外的实践中可发现，在夏季季风的作用下， 会出现热风回流的情况，造成冷却系统的冷却能力急 剧下降，同时带来汽轮机背压的骤增，严重时导致汽轮 机急停。造成这种严重热风回流的原因主要是空冷平台 建设在高大锅炉房的背风面，在环境风场的作用下，产 生了一系列无序的涡流，扰乱整个空冷系统的流场，使 得热交换后的热风再次回到了冷凝器中，入口温度提 升，影响了空冷系统的高效运行，增加了运营成本。 2.3 真空泄漏
凝结水会随之泄漏。由于强大的鼓风作用，其溶氧量 极高，对汽轮机和锅炉设备的腐蚀作用极大，会严重 影响机组的安全运行[3]。 2.4 风机群运行
风机群在运行过程中要进行变速的操作，一方面 是要强化空气与冷凝管的热交换，另一方面空冷机组所 处的工况条件是时刻变化的，必须将机组处于较优的工 况条件下。在环境风场的变化作用下，如果风机群运行 维持一致性，不同的空冷单元就会出现传热效率的差 异，甚至可能会出现换热死区，使得部分换热面积失 效，换热的比表面积下降，机组的运行效率降低。
2 直接空冷节能技术应用过程中存在的问题
2.1 管束积灰 直接空冷节能技术主要应用在中国的西北地区，
该地区存在丰富的矿藏，但气候较为恶劣，沙尘天气 多，空气质量较差。而直接空冷节能技术的热交换管 为提高比表面积，是管束结构，管的数量庞大且间隙 小，翅片结构复杂且间距小。一旦灰尘或沙土堆积在 其表面，就会造成空气的流动不畅，传热效果降低， 空冷效果不佳，严重影响整个机组的正常运转。 2.2 热风回流
c) 设备投资大，空间利用率高。直接空冷系统是 通过大面积的空冷散热器平铺来提高散热比表面积以 达到高效的冷却效果，而散热器的造价并不低廉，因 此，在这一方面的投入较大。虽然其面积大，但是主要 布置在汽轮机设备处的房顶，形成双层的利用空间，从 而有效提高空间的利用率，降低土地成本。
d) 环境污染性小。直接空冷系统没有水雾逸出，
[0.110，0.192]
0.151 8
5 000
[0.075，0.107]
0.092 0
8 000
[0.061，0.081]
0.072 0
10 000
[0.055，0.071]
0.059 4
以济南市为例，全市电车保有量为 24 000 辆，假 设每辆电车日均出行 20 km，每座充电站可以为 300 辆 电车充电，可得 茁 的区间为[0.093，0.147]；若 2022 年 全市电车保有量为 39 000 辆，可得 茁 的区间为[0.055， 0.071]。因 此，用 提 出 的 方法 建 设 电 动 汽 车 充 电 站 精 度
直接空冷节能技术是指利用汽轮机的排气作用将 蒸汽冷凝，空气和蒸汽在翅片管中进行热交换，蒸汽 冷凝成水，并通过水泵进行进一步循环的节能冷却技 术，对于水资源缺乏的地区具有重要意义[1]。 1.1 工作原理
图 1 为直接空冷系统原理图。汽轮机的排气经过 管道传输到室外空冷平台的凝汽器内，机械鼓风冷风 机产生的横向风吹向散热器的外表面，流动的空气将 排气冷凝成水，冷凝水通过水泵重新回到回热系统。 凝汽器是这个系统最主要的装置，它必须建设在一定 高度一定面积的平整台面上，直接利用其四周的空气 鼓风来冷却汽轮机。它的布置与布置地的风速、风向 及发电厂厂房的朝向有着密切关系。对于大型设备， 通常布置在靠近厂房的外侧，每个厂房对应 1 个单元， 单元由 1 个辅凝汽器和多个主凝汽器组成，设备排列 呈“人”字形，并在每一单元的设备下配备 1 台大直 径、大功率的轴向鼓风冷却风机。 1.2 特点
直接空冷系统一般采用大直径的排汽管道，这种 管道的焊接缝较长较大，接口也较多，密封难度极大， 因此很容易出现真空泄漏的问题。同时，随着空冷机 组的不断扩大，除了排汽管道及装置的真空容积外， 泄漏的真空还包括湿冷机组的真空效能，如疏水扩容 器、低压缸本体、凝汽器等的真空效能，这些真空容 积数值巨大。而作为汽轮机组运行经济性的决定性指 标之一，直接空冷系统的真空密封能力直接影响到整 个系统的工作效率，提高真空度及真空密封性已成为 提高机组效率、降低能耗的主要手段之一。然而，真 空泄漏不但会带来机组效率的下降，而且排汽管中的
WAN Huajie
(Jinneng Holding Electric Power Tongda Thermal Power Shanxi Co., Ltd., Datong 037000, Shanxi, China)
Abstract: Direct air cooling energy saving technology is a new type of water-saving technology, which is widely used in areas with rich coal resources but lack of water resources in China. This paper mainly introduced the working principle and characteristics of direct air cooling energy saving technology, analyzed the problems existing in the application process of the technology, and put forward constructive suggestions, in order to promote the development of the technology. Key words: thermal power plant; direct air cooling energy saving technology; water saving
2021 年 6 月
节能减排
火电厂直接空冷节能技术分析
万华杰
（晋控电力同达热电山西有限公司，山西 大同 037000）
摘 要： 直接空冷节能技术是一种新型的节水技术，在中国煤炭资源丰富但水资源缺乏地区应用广泛。主要介绍了直
接空冷节能技术的工作原理及特点，分析了该技术在应用过程中存在的问题，并提出了建设性意见，以期能促.1 提高积灰监测及冲洗的研究 目前应对直接空冷凝汽器的积灰，最直接有效的
方法就是在夏季用电高峰期之前使用高压水枪对所有 的管路进行清洗，但清洗的位置、时间和次数没有科 学的指导。部分管路的积灰不会对机组运行造成影响， 对其进行冲洗的话会造成资源的浪费。可将 2 个空冷凝 汽器单元作为对象进行研究，其中 1 个绝对清洁，1个表 面积灰，通过积灰程度的不断提高形成积灰厚度的监控 模型，把握积灰厚度的实时情况，同时得到机组效率与 积灰厚度的关系，分析积灰对机组的影响程度。当机组 效率值下降较多时，即进行冲洗操作，冲洗过程中通过 单一变量法对清洗的时间和次数做出研究，确保在最 小的资源支出条件下达到最好的改良效果。 3.2 提高电厂建设前的方案评审
（下转 117 页）
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2021 年第 6 期
王 瑞，等：集中充电模式下电动汽车充电负荷的计算
2021 年 6 月
2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2
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50 100 150 200 250 300 350
时间/d
图 1 n'=3 000 辆时电动汽车平均日消耗电量
2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2
0
50 100 150 200 250 300 350
时间/d
图 2 n'=8 000 辆时电动汽车平均日消耗电量
表 1 n' 取不同值时的仿真结果
电动汽车数量 n'/辆 方差系数 茁 的区间 实际仿真方差系数 茁'
3 000
a) 节水量大。水资源的合理分配对于水资源较缺
收稿日期：2021-03-22 作者简介：万华杰，1989年生，男，山西盂县人，2012年毕业于山 西大学热能与动力工程专业，助理工程师。
·64·
乏的地区而言极其重要，而中国目前的能源结构中，火 力发电仍占比较高的比例。一般湿冷电厂的冷却用水在 整个工业用水中占比超过 40%。而直接空冷系统没有 排污蒸发的损失，因此在理论上是不存在水的蒸发损 失的，可带来至少 65%以上的节水量[2]。
术的发展。
关键词： 火电厂；直接空冷节能技术；节水
中图分类号： TK264.1
文献标识码： A
文章编号： 2095-0802-(2021)06-0064-02
Analysis on Direct Air Cooling Energy Saving Technology in Thermal Power Plant
f) 耗电量大，密封要求高。直接空冷系统采用机 械鼓风的方式将空气鼓入，这一过程耗电量极大，对 于火电厂而言，直接带来煤炭消耗量的增加。而粗大 的排汽管道带来维持真空较难的问题，对机械密封的 密封性能要求极其严苛。即使在使用高质量密封的前 提下，为保证更高效的性能，密封也需要每半年检修 1 次，确保无泄漏。
比较高，有较高的实用价值。
3 结语
利用概率论的知识，建立了电动汽车集中充电模 型，提出了通过计算电动汽车耗电量来计算电动汽车 充电负荷的方法，具有一定的实用性。 参考文献：
2021 年第 6 期
万华杰：火电厂直接空冷节能技术分析
2021 年 6 月
也没有淋水的噪声，能大大降低对环境的污染。但是 鼓风机叶轮高速转动会不可避免地带来巨大的风噪， 目前通过选择合理的冷风机工作参数，改良冷凝器热 交换管的结构，同时加设隔音罩，并在其内部贴附吸 音材料，达到降噪的目的。
e) 运行受环境因素影响大。因为直接空冷系统是 靠鼓风与蒸汽进行热交换来达到冷却目的的，所以外 界环境的风温、风速及风向对于冷却效果有很大的影 响。温度越低，风速越快，处于迎风面时，系统的运 行效果越佳。但是对于汽轮机而言，运行过程中背压 的范围大，必须在对抗背压的条件下完成整个工作过 程，导致设备工作效率降低。
在建设初期，提高对厂房及机组配置方案的评审 确认。有诸多因素会造成热风回流，可通过风洞模拟 试验来确定最优的方案。试验的评价指标一般为热风 的回流率，通过试验来确定环境风速、风向及空冷平 台的角度和高度对冷凝器换热效率的关系。同时模拟 不同挡风墙对热交换效率提升的作用。通过不断的数 据模拟，可以得到环境风速、风向、空冷平台角度和 高度及挡风墙高度与热风回流效率的关系，通过合理 的平台设计和采用该环境下最优的挡风墙高度范围， 减少热风回流现象发生的概率，同时为后续电厂建设 及优化提供有效的理论支持[4]。 3.3 提高真空严密性研究
真空严密性的衡量指标一般选择为空气的泄漏率， 它与真空系统的容积成反比。在正常的真空泄漏中， 泄漏率在 30耀60 Pa/min 之间。真空系统的严密性试验 是在保证主蒸汽参数、环境条件和负载载荷的条件下， 通过调整风机的操控方式来观测排气压力值的变化。一 般有以下 3 种操控方式：a) 手动调节，固定冷风机转 速，将凝结水温度控制在 2耀6 ℃；b) 自动调节，保证 排气压力稳定在设定值；c) 手动调节频率至额定，一 般为 50 Hz。此外，还可通过建立真空严密性模型，为 分析真空严密性的变化关系提供数据支撑。
随着中国经济的飞速发展，用电量急剧增加，大 量的高功率火力发电汽轮机组在中国华北、东北及西 北等富煤地区投入使用，但这些地区往往水资源相对 匮乏，成为中国经济进一步发展的一个桎梏。火电站 对直接空冷节能技术的引入则可以很好地解决这一难 题，为中国经济的再次腾飞提供助力。
1 直接空冷节能技术的工作原理及特点
蒸汽
1
4
去回热系统 3
2 5
1.汽轮机；2.凝汽器；3.凝结水泵；4.发电机；5.风机。
图 1 直接空冷系统原理图
b) 结构简单，操作便利。直接空冷系统的结构组 成相较于水冷技术系统简单，主要设备为凝汽器、汽轮 机、风机、凝结水泵、管道及动力系统，通过使用轴流 式汽轮机来调节冷却的风量，调节方式极其灵活。其他 设备的调节便利性也较高，带动了整个系统的可操作 性，同时，还规避了水冷技术冬天防冻的问题。
从国内外的实践中可发现，在夏季季风的作用下， 会出现热风回流的情况，造成冷却系统的冷却能力急 剧下降，同时带来汽轮机背压的骤增，严重时导致汽轮 机急停。造成这种严重热风回流的原因主要是空冷平台 建设在高大锅炉房的背风面，在环境风场的作用下，产 生了一系列无序的涡流，扰乱整个空冷系统的流场，使 得热交换后的热风再次回到了冷凝器中，入口温度提 升，影响了空冷系统的高效运行，增加了运营成本。 2.3 真空泄漏
凝结水会随之泄漏。由于强大的鼓风作用，其溶氧量 极高，对汽轮机和锅炉设备的腐蚀作用极大，会严重 影响机组的安全运行[3]。 2.4 风机群运行
风机群在运行过程中要进行变速的操作，一方面 是要强化空气与冷凝管的热交换，另一方面空冷机组所 处的工况条件是时刻变化的，必须将机组处于较优的工 况条件下。在环境风场的变化作用下，如果风机群运行 维持一致性，不同的空冷单元就会出现传热效率的差 异，甚至可能会出现换热死区，使得部分换热面积失 效，换热的比表面积下降，机组的运行效率降低。
2 直接空冷节能技术应用过程中存在的问题
2.1 管束积灰 直接空冷节能技术主要应用在中国的西北地区，
该地区存在丰富的矿藏，但气候较为恶劣，沙尘天气 多，空气质量较差。而直接空冷节能技术的热交换管 为提高比表面积，是管束结构，管的数量庞大且间隙 小，翅片结构复杂且间距小。一旦灰尘或沙土堆积在 其表面，就会造成空气的流动不畅，传热效果降低， 空冷效果不佳，严重影响整个机组的正常运转。 2.2 热风回流
c) 设备投资大，空间利用率高。直接空冷系统是 通过大面积的空冷散热器平铺来提高散热比表面积以 达到高效的冷却效果，而散热器的造价并不低廉，因 此，在这一方面的投入较大。虽然其面积大，但是主要 布置在汽轮机设备处的房顶，形成双层的利用空间，从 而有效提高空间的利用率，降低土地成本。
d) 环境污染性小。直接空冷系统没有水雾逸出，
[0.110，0.192]
0.151 8
5 000
[0.075，0.107]
0.092 0
8 000
[0.061，0.081]
0.072 0
10 000
[0.055，0.071]
0.059 4
以济南市为例，全市电车保有量为 24 000 辆，假 设每辆电车日均出行 20 km，每座充电站可以为 300 辆 电车充电，可得 茁 的区间为[0.093，0.147]；若 2022 年 全市电车保有量为 39 000 辆，可得 茁 的区间为[0.055， 0.071]。因 此，用 提 出 的 方法 建 设 电 动 汽 车 充 电 站 精 度
直接空冷节能技术是指利用汽轮机的排气作用将 蒸汽冷凝，空气和蒸汽在翅片管中进行热交换，蒸汽 冷凝成水，并通过水泵进行进一步循环的节能冷却技 术，对于水资源缺乏的地区具有重要意义[1]。 1.1 工作原理
图 1 为直接空冷系统原理图。汽轮机的排气经过 管道传输到室外空冷平台的凝汽器内，机械鼓风冷风 机产生的横向风吹向散热器的外表面，流动的空气将 排气冷凝成水，冷凝水通过水泵重新回到回热系统。 凝汽器是这个系统最主要的装置，它必须建设在一定 高度一定面积的平整台面上，直接利用其四周的空气 鼓风来冷却汽轮机。它的布置与布置地的风速、风向 及发电厂厂房的朝向有着密切关系。对于大型设备， 通常布置在靠近厂房的外侧，每个厂房对应 1 个单元， 单元由 1 个辅凝汽器和多个主凝汽器组成，设备排列 呈“人”字形，并在每一单元的设备下配备 1 台大直 径、大功率的轴向鼓风冷却风机。 1.2 特点
直接空冷系统一般采用大直径的排汽管道，这种 管道的焊接缝较长较大，接口也较多，密封难度极大， 因此很容易出现真空泄漏的问题。同时，随着空冷机 组的不断扩大，除了排汽管道及装置的真空容积外， 泄漏的真空还包括湿冷机组的真空效能，如疏水扩容 器、低压缸本体、凝汽器等的真空效能，这些真空容 积数值巨大。而作为汽轮机组运行经济性的决定性指 标之一，直接空冷系统的真空密封能力直接影响到整 个系统的工作效率，提高真空度及真空密封性已成为 提高机组效率、降低能耗的主要手段之一。然而，真 空泄漏不但会带来机组效率的下降，而且排汽管中的
WAN Huajie
(Jinneng Holding Electric Power Tongda Thermal Power Shanxi Co., Ltd., Datong 037000, Shanxi, China)
Abstract: Direct air cooling energy saving technology is a new type of water-saving technology, which is widely used in areas with rich coal resources but lack of water resources in China. This paper mainly introduced the working principle and characteristics of direct air cooling energy saving technology, analyzed the problems existing in the application process of the technology, and put forward constructive suggestions, in order to promote the development of the technology. Key words: thermal power plant; direct air cooling energy saving technology; water saving