600MW间接空冷机组的设计及应用

600 MW间接空冷机组的设计及应用
Design Features And Applications Of 600 MW Indirect Air-Cooling
Steam Units
(Datang Yangcheng Power Generation Co.,Ltd Yangcheng 048102 China)
摘要：介绍了大唐阳城发电有限责任公司600 MW间接空冷机组的结构设计特点及其与传统水冷机组的主要
结构差异。

详细分析了间接空冷机组在工程应用中出现的问题：凝结水水质差，含盐量大，导电度超标，树脂过滤
器失效快；冬季空冷岛散热器易冻裂问题；夏季凝结水温高、背压高，机组运行安全性、经济性差；空冷机组厂用
电率高。

针对出现的问题，采取了相应的措施，取得良好的效果。

关键词：600 MW间接空冷机组；结构特点；应用情况
Abstract：The paper introduced the features on the design-structure of Datang Yangcheng Power Generation Co.,Ltd 600MW Indirect Air-Cooling Steam Units and its difference to the Water-Cooling Steam Units. Analyzing the operating of Indirect Air-Cooling Steam Units, the paper found the following problems: The poor quality of the condensation water; the high salt content, the standard exceeding of electric conductivity; the faster invalidating of Powder Filters；the vulnerability to frost cracking of the air cooling island units in winter; the high temperature and high back pressure of the condensation water in summer; the lack of safety and economy; the high-consuming of electricity. To deal with these problems, the paper hereafter introduced several measures that have been proved to be effective.
Key words: Indirect Air-Cooling Steam Units of 600 MW; Design Features;Application.
0 引言
我国是一个淡水资源严重匮乏的国家。

我国淡水资源总量为2.8×1012 m3，人均2300 m3，仅为世界平均水平的1／4、美国的1／5，在世界上名列121 位，是全球13 个人均水资源最贫乏的国家之一。

我国在运火电机组平均耗水率1 m3／GW·S，300 MW 及以上机组为0.9 m3／GW·S，大大高于发达国家0.7 m3／GW·S 的水平。

因此，不论从现实出发，还是从长远考虑，在“富煤缺水”的华北、西北、东北地区发展电力工业，采用空冷技术，建设节水型电厂是非常有效的节水途径。

由于空冷电站的耗水量仅为水冷电站的三分之一，特别适合在我国缺水而煤炭资源丰富的三北地区建设大型的空冷电站。

大唐阳城发电有限责任公司扩建工程是国内首例600 MW间接空冷发电技术项目工程。

工程总规模为1200 MW，安装两台600 MW间接空冷燃煤发电机组。

工程选用的汽轮机为哈尔滨汽轮机厂生产的亚临界、一次中间再热、单轴、三缸、四排汽、间接空冷凝汽式汽轮机，机组型号为NJK600-16.7/538/538。

空冷岛采用自然通风冷却塔，外挂德国基伊哀（GEA）公司生产的全铝制六排管冷却三角散热器，垂直布置在空冷塔的周围。

工程选配的锅炉为东方锅炉厂引进美国福斯特-惠勒公司（F&W）技术设计制造的燃用无烟煤的“W”型火焰锅炉。

考虑到空冷机组夏季带高负荷的需求，其设计最大蒸发量较同类传统湿冷机组有所增加，最大连续蒸发量可达2060t/h。

锅炉机组的型号为：DG2060/17.6-II3型。

该工程位于山西省晋城地区，处于华北地区的最南部，平均海拔674 m，多年平均气温11.8℃，是我国最南部的空冷机组。

两台机组于2007年9月完成168 h 试运，移交商业运行。

该工程的设计与
应用为我国今后同类电厂的建设积累了宝贵的设计和运行经验。

1 600 MW空冷汽轮机的结构设计特点[1]
阳城电厂600 MW间接空冷汽轮机组采用引进技术、合作制造的方式。

高中压缸为日本东芝公司成熟的设计技术，并根据电厂的特殊要求以及与低压缸的接配要求作适当调整；低压缸采用哈汽成熟的600 MW机组加以改进设计，采用620 mm末级叶片，整个低压通流部分进行优化设计并适当调整了通流面积，保证机组效率达到当代国际先进水平。

1.1 高中压缸
由日本东芝公司设计制造的汽轮机高、中压汽缸采用合缸结构，可以很好的平衡轴向推力，减少机组的总长度。

高中压合缸设计成内、外双层汽缸结构，分流对称布置，以减少蒸汽泄漏、内外缸体的应力和温度梯度值。

高压通流部分由一个单列冲动式调节级和八个冲动式压力级组成，置于高压汽缸内；中压部分有六个冲动式压力级，置于中压汽缸内。

1.2低压缸
低压缸设计以湿冷机组低压缸为基础，保留其主要特点，通过调整其级数为6级；对通流部分优化设计并适当调整通流面积，以保证机组效率达到最优。

适当加大轴承跨距和减少低压外缸尺寸，使低压轴承箱全部落地，以增加轴系的稳定性。

采用“层次组合部件”结构设计思想将低压缸作为一个整体在径向分成多层缸结构，即外缸、内缸、隔板套。

在轴向分成多个段，即把内缸按通流汽道分成1号内缸和2号内缸，以减少整个缸的绝对膨胀量。

在内刚与内缸之间的进汽口处、内缸与外缸之间的进汽口处采用弹性节的连接方式。

采用这种结构设计，使低压缸进汽到排汽的温度差离散成各层壳体的较低的温度梯度；同样，压力载荷也可分布在不同的区域，防止任何一个单一部件产生过大的应力和变形。

此外，采用“层次组合部件”的结构设计，使隔板支撑在松装的隔板套上，而隔板和隔板套因结构对称，其热膨胀也对称，且沿周向均匀，因而可以采用较小的汽封间隙，提高机组效率。

采用了分开的、独立的内缸，使低压外缸和高温区隔开，仅承受排汽温度的影响；设置喷水减温装置，使低压外缸受排汽温度过高的影响减弱。

松装的隔板套和加强的内缸支撑与滑销系统各自独立，变工况时汽缸的膨胀性能良好。

各种工况下，隔板和内缸被允许沿着规定的方向热膨胀，使动、静间隙保持在允许值。

低压缸设计时，沿整个圆周分别设计了较大的集汽区，让蒸汽先在集汽区内平稳后，再从圆周方向流入叶片通道，或让蒸汽从圆周方向同时流入集汽区，经集汽后再由抽汽管抽出，避免了进汽、抽汽口布置不对称，从叶片通道流进、流出的气流分布不均匀。

一般湿冷机组的低压轴承箱都座落在低压外缸下半涡壳上，低压缸排汽温度的变化直接影响轴承座标高的变化，这种设计对背压和排汽温度变化较小的湿冷机组是可行的。

但对空冷机组而言，排汽温度受环境温度的影响较大，对轴承座标高的影响相对较大，这将对空冷机组的轴系稳定性产生严重影响，因此，空冷汽轮机均将低压缸轴承座脱离汽缸落地布置。

低压轴承座落地，在运行中会产生动、静间不同心的问题。

为解决这一问题采取了以下措施：在低压缸排汽温度超过70℃时，投入喷水减温装置，防止低压缸产生过大的热应力和热变形；加强内缸支撑刚度，减少运行中内缸的位移。

选取适当的排汽面积对空冷机组十分重要。

如果设计较大的排汽面积，则可以使蒸汽在汽轮机通流部分的焓降增加，排汽压力降低、焓值降低。

同时，末级叶片可以略高些，余速损失减小。

相反，如果当地气候多变，昼夜温差大，高温天气时间长，为了保证汽轮机的安全，必须设计较小的
排汽面积。

这样末级叶片高度略小，末级余速损失略大，排汽背压较高，有较大的背压安全裕度，可以适应较长时间的高背压或背压大幅度频繁变化的运行特点。

通过优化，阳城电厂600 MW空冷机组排汽背压设计值为13.8KPa，相应的排汽面积为4.51887 m3。

对于末级叶片，根据国内外设计经验，除叶型加厚加宽外，采用自带围带连接成整圈形式，可增加机械阻尼、提高耗散振动能量的能力，减小动应力，确保叶片安全可靠运行。

根据空冷机组末级叶片的运行特点和设计要求，阳城电厂600 MW空冷机组末级选用的620 mm 叶片，是哈尔滨汽轮机厂专门开发的、适应600 MW空冷机组的高负荷、高强度、气动、振动性能优良的末级叶片。

该叶片是利用600 MW湿冷机组末级1000 mm叶片的成功经验，模化派生得到，适应于大功率空冷机组的末级长叶片。

该叶片采用加强型结构，自带围带整圈连接，在运行状态下可有效防止颤振，渐少动应力。

2 600 MW间接空冷机组的应用
大唐阳城发电有限责任公司两台600 MW间接空冷机组分别于2007年7月和9月完成168 h 试运行，移交生产。

经过近3a的运行实践证明：该机组运行稳定、性能良好，各项指标均能达到或超过设计值。

两台机组在2009年同时获得“全国火电空冷机组能效指标标杆机组”称号。

同时间接空冷机组在运行也出现了一些问题，通过技术人员和运行人员的努力，采取了相应的措施，使问题得到较好的解决。

2.1 凝结水水质超标
该厂精处理系统每台机组设有3台50％粉末树脂覆盖过滤器。

正常时2台运行1台备用，每台处理全部凝结水量的50%。

运行失效终点由进出口压差、氢电导率、硅含量、周期制水量控制。

当1台过滤器到失效状态，则系统投入备用过滤器，失效过滤器退出运行，进入爆膜、清洗及铺膜程序。

每台机组设有一套粉末树脂覆盖过滤器爆膜、清洗及铺膜系统，采用压缩空气爆膜，水反洗、水加空气合洗并反复多次的方法。

2台机组自2007年9月投产以来，凝结水品质一直较差：含盐量大，导电度超标（>0.2mS/cm）；粉末树脂覆盖过滤器失效快，铺膜、爆膜频繁。

由于汽水品质差，锅炉排污量较大，机组补水率相应较大。

机组的安全经济运行存在几个主要问题：
a)蒸汽品质差，汽轮机通流部分积盐。

b)再热器管壁结垢，部分管壁有超温现象。

c)锅炉排污量大，机组补水率高。

d)粉末树脂的消耗量大，费用高。

e)过滤器频繁铺膜、爆膜，人力消耗大，耗时长，除盐水消耗量大。

综合分析以上问题，关键还是凝结水品质差、粉末树脂覆盖过滤器的除盐能力低。

由于循环水系统太过庞大（两台机组总容量超过30000 m3）。

虽然系统经过多次冲洗、换水，水质仍然不太理想。

加之间接空冷机组的特点决定了循环水的水压较高（循环水通过间接空冷塔内的冷却三角与空气自然换热，循环水的上升高度达30 m，静压0.3~0.4MPa，加上循环水泵的增压，循环水压达0.4~0.5MPa。

（同类湿冷机组循环水压大约0.2~0.3MPa。

）在凝汽器内和汽侧的压差大，循环水向汽侧的渗漏机率比湿冷机组更大，从而导致凝结水的品质较差。

因此，针对国内大型间接空空冷机组，应该采用除盐能力较强，运行耐受温度较高的精处理装置。

该厂综合比较各种精处理方案的特点，充分考虑到现有粉末树脂覆盖过滤器虽然除盐能力低，但有较强的除铁能力，决定保留现有的设备系统不变，另外加装一套高速混床设备，与现有系统串联，对凝结水进行两级处理。

改造后系统如图1。

系统经过改造，机组的汽水品质明显提高。

（表1为系统改造前后机组汽水品质对比表，统计时段为相同工况下分别选取一个月的数据）通过对比可以看到，系统改造后机组的主蒸汽电导率和给水电导率合格率大大提高，分别由原来的22.52%和37.97%均提高到100%；凝结水的电导率由原来的78.03%提高到100%。

电导率合格率的大幅提高，说明机组工质中盐类物质的含量大大降低，改造后系统的除盐能力大大提高。

另外，其它各项指标合格率也都有一定的提高，均达到100%。

由于机组的汽水品质得到保证，粉末树脂覆盖过滤器的运行周期相应延长，平均1个月爆膜、铺膜1-2次。

树脂粉的消耗量大幅下降，不到原来的20%；机组的汽水品质提高，锅炉的排污量减少，有时甚至运行数日不用排污；相同工况下机组的补水率由原来的1.6%下降到1.2%，节水效果明显，真正体现了空冷机组的优势。

由于机组汽水品质的提高，锅炉和汽机设备的积盐、结垢情况得到明显改善，延长了机组的运行寿命，节省了设备的检修维护费用，收到良好的社会效益和经济效益。

经过2年的运行实践表明，虽然夏季极端炎热天气高速混床系统每日将退出运行5小时左右，但对汽水品质影响很小，可以忽略。

粉末M
AA403LDK30M AA703
M
AA701
AA702
AA703 AA703
至轴加凝结水泵出口M AA101 加药LDK03LDK02LDK01M
AA401
LDK30M
AA402
LDK30高混 高混
过滤器 粉末过滤器 粉末过滤器
图-1精处理系统改造后系统图
表-1 系统改造前后汽水品质对比统计
2.2 空冷塔冷却三角（散热器）冬季防冻问题
阳城电厂地处晋东南地区，平均海拔674 m，年平均气温11.8℃。

冬季有两个月气温在-10℃～20℃。

机组投运初期，空冷岛冷却三角冬季运行时多次出现冻裂现象，严重影响机组运行的安全性和经济性。

经过生产技术人员不断总结经验，调查分析，对空冷岛进行了一系列的防冻改造，主要有：
a)对相邻空冷塔冷却三角之间的空隙进行密封，阻止冷空气的漏入，防止部分散热器管过冷冻
结。

b)在空冷岛附近加装风力、风向测量装置，便于运行人员随时掌握外界风力、风向情况，及时
对相应百叶窗开度进行调整。

c)在冷却三角上部、水温较低部位加装测温装置，便于运行人员随时了解循环水在冷却三角内
的温度变化情况，一旦温度低于10℃，运行人员应该引起警觉，及时调整此处百叶窗开度。

d)对百叶窗开关逻辑进行优化，分冬季、夏季两种运行模式，综合环境温度、循环水温度及凝
汽器真空，对百叶窗开度进行优化调整，确保冷却三角的安全，同时又兼顾机组的经济性。

在运行调整上，同样制定了一系列的规章制度，规范运行人员的操作，避免出现操作失误导致散热器冻结、损坏。

主要有：
a)环境温度低于 2℃空冷系统进入冬季运行期。

机组在遇有启动和停机操作时，必须提前了解
并监视环境气象条件的变化。

b)冬季机组启动，当循环水热水温度大于40℃时，才能投入扇区运行。

c)保持两台循环泵运行，环境温度低于-10℃时，启动第三台循环泵，必要时退出一至两个扇
区运行，以提高止循环水流速，防止冷却三角结冻。

d)冬季环境温度低，风力大时尽量不要进行投、退冷却三角扇区的操作。

e)冬季空冷系统运行，扇区出水温度不低于22℃，系统总压力不低0.22MPa。

f)当扇区发生泄漏时，应及时退出该段运行，防止结冰冻坏散热器。

g)机组负荷降低后，应及时调整关闭迎风面的百叶窗。

随后再逐渐关小其它方面百叶窗。

当百
叶窗全部关闭后。

扇区出水温度仍低至20℃时，应退出部分扇区运行，直到出水温度上升
到22℃为止。

h)不能远方关闭的百叶窗，运行中不能开启。

扇区有6个及以上三角形百叶窗不能远方关闭时，
该段不能投入运行。

系统经过改造以及一系列防冻措施的实施，空冷塔防冻问题得到很好的解决，近两年没有出现空冷扇区冻裂现象。

2.3夏季凝结水温度高
夏季，空冷机组散热能力较传统湿冷机组低很多，特别是环境温度大于35℃时，机组凝结
水温度超过了70℃，威胁精处理系统的运行，同时，机组凝汽器压力超过40Kpa。

机组的安全性、经济性大大降低，同时机组出力受到限制。

为保证机组的安全运行，主要采取以下措施：
a)严格控制机组背压，必要时通过限制机组负荷，留出约20KPa的背压裕度，防止在高温环境
条件下，由于气候等干扰因素背压严重恶化掉机。

b)大风天气要加强对扇区出水温度的监视，一旦由于风向、风力的原因使得迎风面扇区出水温
度异常，应立即关小该扇区对应的百叶窗的开度，必要时要提前降低机组负荷。

c)在夏季来到之前，要对所有扇区冷却三角进行1至2次清洗，以保证冷却三角的清洁，提高
其散热效果，必要时可采取连续冲洗扇区冷却三角的方式提高空冷塔的散热能力。

2.4 空冷机组厂用电率居高不下
空冷机组由于背压高，变化幅度达，变化频繁，对汽动给水泵运行可靠性造成严重影响；若给水泵汽轮机设置单独的冷却系统，则投资大，系统布置复杂。

因此，空冷机组大都采用电动给水泵，导致厂用电率较采用汽泵的同类机组升高2.4%左右。

为降低厂用电率，分别进行了设备改造和运行方式优化，收到较好的效果：
2.4.1进行凝结水泵变频改造
凝结水泵变频改造采用一拖二的方式，变频改造目的是通过改变凝结水泵转速控制凝汽器水位，以降低系统的节流损失，达到节能的目的。

同时在控制逻辑方面进行相应改进：
a)保持原有的工频状态的所有控制逻辑，增加相应凝结水泵变频操作监视画面，包括变频器的
启停、转速设定，及相关状态参数的监视。

b)凝结水泵联锁改为：在变频运行方式、联锁投入、高压开关合闸、变频器准备就绪时，发出
启动变频器脉冲信号自动启动变频器。

c)凝结水泵最小流量采用凝结水再循环调节阀闭环控制，工频方式下，最小流量设定值为定值；
变频方式下根据凝结水泵的上限特性曲线控制最小给水流量，保证了凝结水泵在工作区内安
全运行，提高了凝结水泵的工作效率。

d)凝结水泵在变频方式运行，且凝汽器水位由凝结水泵变频控制时，用凝结水主调节阀来控制
凝结水母管压力。

e)在机组启动时凝汽器水位由凝结水大、小调节阀同时参与控制，并进行切换；当启动结束且
凝结水小流量调节阀退出运行后，凝结水泵变频器可投入自动运行控制凝汽器水位。

2.4.2 采用单台电泵带低负荷运行方式
每年10月至第2年5月份之间，机组负荷通常较低，在机组全天负荷低于375MW且低负荷时间不小于15天的情况下，选择单台电泵运行。

同时对电泵逻辑修改和优化：
a)电泵允许启动条件：电泵子回路投入或者电泵出口电动门关闭，或者任意一台电泵运行，
允许启动。

b)单台电泵运行中跳闸，联启备用泵，不触发RB。

c)单台电泵运行中汽包水位调节响应加快，增益由两台泵运行时的“1”修改为“1.2”。

d)在ASD画面增加报警块，当运行泵压力低、流量大等工况接近工作区边缘时发“FWP P LOW
LIMT”的“W”报警。

e)在单元主控画面，单台电泵运行时最大负荷限制“MAX CAP LOAD”修改为450 MW。

即：锅
炉负荷指令“BOLIER DMD”接近450 MW时发“接近最大负荷报警”，闭锁增。

2.4.3 采用降压振打优化电除尘运行方式
对电除尘器进行节能改造，设置A\B两种运行方式：机组负荷高，烟气飞灰大时采用A方式，保证除尘率。

烟气飞灰较少时，采用B方式，降压振打，既节约厂用电，又保证了除尘效率，满足环保要求。

3 结束语
国务院《国民经济和社会发展“十一五”规划任务分工》将大型空冷电站列为能源工业重点工程；国家发改委《关于燃煤电站项目规划和建设的有关要求的通知》明确要求，在煤炭资源丰富的地区，规划建设煤矿坑口或矿区电站项目；在北方缺水地区，新建、扩建电厂禁止取用地下水，严格控制使用地表水，原则上应建设大型空冷机组。

在政府的强力节水政策下，空冷几乎成了中国北方火力电站冷却方式的唯一选择。

虽然，近几年我国的空冷电站发展速度很快，相继建成投运了一批大型的空冷机组，但总的来说，相对于国外，我们的空冷技术发展较晚，建设、运营经验不足，效率较低的问题依然存在。

总结我厂空冷机组的运行经验和教训，针对出现的问题采取积极地应对措施，收到了良好的效果，希望对同类电厂的运行有所参考。

参考文献
[1] 杨其国，朱家驹，胡六逸等. 600 MW空冷汽轮机技术特点[A].\\中国电机工程学会. 空冷汽轮机技术研讨会论文集
[C].北京：中国电机工程学会，2001，8：6~12
Abstract：The paper introduced the features on the design-structure of Datang Yangcheng Power Generation Co.,Ltd 600MW Indirect Air-Cooling Steam Units and its difference to the Water-Cooling Steam Units. Analyzing the operating of Indirect Air-Cooling Steam Units, the paper found the following problems: The poor quality of the condensation water; the high salt content, the standard exceeding of electric conductivity; the faster invalidating of Powder Filters；the vulnerability to frost cracking of the air cooling island units in winter; the high temperature and high back pressure of the condensation water in summer; the lack of safety and economy; the high-consuming of electricity. To deal with these problems, the paper hereafter introduced several measures that have been proved to be effective.
Key words: Indirect Air-Cooling Steam Units of 600 MW, Design Features,Application。