直接空冷火电机组乏汽余热利用技术

徐怀德

（神华神东电力山西河曲发电有限公司，朔州 036500）

火力发电厂是利用化石燃料燃烧释放的热能来发电的动力设施，包括燃料燃烧释放热能、热能电能转化以及电能输送等所有设备系统。火电厂中锅炉加热给水产生的高压蒸汽经过汽轮机发电时，压力降低直至变成负压水蒸气，称为乏汽。乏汽冷凝是为了产生真空，降低汽轮机排汽压力。为了维持正常循环，乏汽需要散热变成液态水，再回到锅炉形成高压蒸汽。乏汽散热是火电厂最大的热损失，占总热量的20%～50%，造成了严重的能量浪费[1-2]。乏汽余热利用可以提高电厂热效率，增加经济收益。

1 乏汽冷却方式

冷凝汽轮机排汽（乏汽）冷却系统大体分为湿冷机组和空冷机组两类。湿冷机组的汽轮机排汽由循环水冷却凝结成水，再由凝结水泵送至除氧器。受热后的循环水送至湿冷塔，被空气冷却后（混合式换热）由循环水泵送往凝汽器。虽然具有背压低的优点，但是耗水量大。空冷机组包括直接空冷和间接空冷系统，两种系统在技术上都比较成熟，在国内外电站都得到广泛的应用。直接空冷机组因投资少、占地面积小、节水、防冻和夏季运行方式灵活可靠等特点得到快速发展，并逐渐占据领先地位。

直接空冷系统又称空气冷凝器系统，是一种通过鼓风机与引风机冷却汽轮机乏汽的系统。负压的汽轮机乏汽引出至冷凝器，冷凝器在室外布置，其下侧布置冷却风机。冷却风机开启后形成高速气流，通过凝汽器表面对流换热，降低冷凝器内的蒸汽温度，将乏汽凝结成水，再经过凝结水泵和回热系统后进入除氧器，最终进入锅炉进行水汽循环。直接空冷系统工作流程，如图1 所示。

图1 直接空冷系统工作流程

直接空冷系统的基本单元由一台风机与数组翅片管束组成，风机顺流段、逆流段、翅片管束布置的顶角约为60°。风机安装在翅片管束下侧，与翅片管束组成一个三角冷却。直接空冷系统还设置了顺流与逆流凝汽器、抽真空、疏水等系统[3-4]。正常运行中，蒸汽在顺流凝汽器内冷凝，少量蒸汽在逆流段冷凝。抽真空系统设置在逆流凝汽器顶部，用于抽出系统中的空气及不凝结的气体，保证系统稳定运行。直接空冷技术采用流速较高的空气直接冷却汽轮机乏汽，换热效率较高。直接空冷系统架空布置在汽机房平台外，平台下可以设置变压器等电气设备，综合占地较小，如图2 所示。

图2 直接空冷机组

另外，直接空冷系统背压变化幅度较大，需要高背压运行，整体热效率低于湿冷机组。风机电耗较大，用电率高于湿冷机组。在相同气象条件下，北方地区空冷机组的设计背压远远大于湿冷机组。直接空冷机组正常运行背压范围在8.5 ～45.0 kPa，而湿冷机组背压值维持在8 ～9 kPa，可见直接空冷机组汽轮机乏汽热量较高。

2 余热回收利用技术

汽轮机乏汽的特点是蒸汽品质低，虽然具备热量但是为负压，一般无法直接供热，通常采用提高汽轮机背压的方式提高温度，或者采用热泵技术提高供热温度。

2.1 汽轮机高背压技术

汽轮机高背压改造后，高背压机组可以有效利用汽轮机释放的汽化潜热，也可以利用汽轮机高压段抽汽提高汇合加热后的温度。高背压改造后，真空度降低，发电效率会有所下降，但是由于余热利用降低了整体冷源损失，整体的热效率会提高。高背压改造需要对排汽缸、轴向推力轴承、叶片等改造进行计算、校核，避免影响汽轮机的整体性能。

2.2 热泵余热利用技术

吸收式热泵通过乏汽余热回收技术，将较低品质的余热转变为高品质的热能。通常需要以汽轮机高压段抽汽为驱动，消耗驱动用蒸汽进入热泵系统，将低品质的乏汽热量一并带入热网系统，从而达到将低温热源提取到热网的目的[5-6]。热泵技术常以溴化锂溶液作为工质，对环境没有污染，不会破坏大气臭氧层，但是需要消耗汽轮机高压段抽汽，对系统有一定的影响。

2.3 乏汽冷凝换热技术

乏汽冷凝换热技术是利用汽水换热器将汽轮机乏汽冷凝用于加热水侧温度的装置，适用于北方地区的直接空冷机组。乏汽温度超过40 ℃，可用于加热生水，将其温度提升为25 ～30 ℃，满足膜处理系统的温度要求。为了使汽轮机乏汽温度达到供热需要，对于温升较高的工业和供热等领域，更多采用压缩式热泵和吸收式热泵技术。对于加热温升较低，采用直接冷凝换热即可达到温升要求的系统。热泵技术系统复杂，需要消耗驱动蒸汽，而驱动高温蒸汽的量大于乏汽，投资相对较高，经济效益欠佳。

3 乏汽冷凝技术项目应用

根据不同余热回收技术的特点，在对热电厂进行乏汽余热回收节能时，需要根据实际需求选择合适的技术改造方式。北方某电厂为300 MW 机组，利用乏汽换热技术将汽轮机乏汽经汽水换热器冷凝后加热生水，应用效果良好。

目前，该热电厂安装2 套工业水系统。一套由1 ～3#工业水泵组成，水泵扬程40 m、流量200 t·h-1，经布置在锅炉12.6 m 高度处的1#、2#生水加热器加热后，送至旧水处理制水系统。另一套由4#、5#工业水泵组成，水泵功率110 kW、扬程60 m、流量480 t·h-1，经布置在0 m 处的3 ～5#生水加热器加热后，送至新水处理制水系统。工业水全年平均温度为10 ～15 ℃，化学制水需要的温度为25 ～30 ℃（反渗透允许的最高温度为28 ℃）。

3.1 项目概况

目前，工业水系统运行方式为4#、5# 工业水泵出水，经0 m 处的3 ～5# 生水加热器将水加热至25 ℃后，供新水处理系统制水。工业水流量为300 ～700 t·h-1，最大可达到800 t·h-1。由于生水加热器需要采用辅助蒸汽加热，会消耗大量高品质蒸汽，特别是水流量较大时，所需的蒸汽更多。

生水加热器的加热汽源来自1#机组辅汽联箱，汽源压强约1.3 MPa，温度300 ℃。由于蒸汽参数较高，直接加热生水一方面会导致部分蒸汽不能在汽轮机中做功，机组的经济性降低；另一方面，工业水压强约0.3 MPa，平均温度10 ℃左右，两者温差和压差均较大，加热器工作环境恶劣，易发生管束泄漏和堵塞问题，检修维护工作量大。冬季汽轮机最低排气压强为9 kPa，排汽温度为43 ℃，工业水温度为5 ℃，流量为300 ～800 t·h-1，需要通过汽轮机排汽将上述流量、温度下的工业水加热至25 ℃，以满足化学制水的要求。

3.2 系统设置

本项目新安装一台汽水换热器，换热面积为530 m2，替代现有工业水生水加热器，汽源为1#汽轮机排汽，排气压强为15 kPa，饱和温度为54 ℃，排汽管道为负压管道。冷却水为工业水，工业水经新汽水换热器加热后，温度由10 ℃升至25 ℃，满足化学制水需要。汽水换热器蒸汽凝结水设置2 台疏水泵排至空冷凝汽器回水管，汽水换热器抽真空管道接至现有真空泵前的真空管道，从电厂3 台真空泵附近引接。汽水换热器设计参数如下：工业水流量700 t·h-1，最大流量800 t·h-1；进口温度10 ℃；出口温度25 ℃；排气压强15 kPa；饱和温度54 ℃。

3.2.1 抽汽系统

本项目接入汽水换热器排气流量为19.5 t·h-1，蒸汽管道管径为DN1200，管道采用螺旋缝电焊钢管，材质为Q235B。引接的DN1200 新蒸汽管道安装一件DN1200 电动焊接真空蝶阀。为避免漏气，电动蝶阀与管道采用焊接形式，蝶阀出口焊接短管并封口。排汽管道系统要满足流体动力特性，因此排汽管道支管在各工况下的流量分配比例偏差最大不宜超过5%。

3.2.2 汽水换热器

汽水换热器采用卧式布置，换热面积满足本工程需要，且留有1.15 倍的换热余量，如图3 所示。换热器总长度约7 m，布置在1#机组汽机房和空冷岛之间的室外空地，空冷凝汽器室外钢梯东侧。换热器配套安装自动疏水器，疏水器回水进入凝汽器热井。凝结水回水及凝结水补水的水质要求除氧，水中含氧量不大于20 μg·L-1，保证冬季不超过30 μg·L-1。汽水换热器凝结水DN100 管道接至1#机组空冷凝汽器凝结水DN125 回水管道上，并预留DN100 管道短管和一件2.5 MPa 的真空焊接闸阀。管道采用无缝钢管，材质为20#钢。

图3 汽水换热器

3.2.3 抽真空管路

汽水换热器顶部增加DN100 抽真空管路，需要保证真空严密性。排汽管道和整个空冷系统需要进行真空严密性试验和真空衰减试验，考核整个系统的气密性和真空衰减情况。试验要求的合格标准：严密性试验24 h 平均压降控制在5 kPa 以内；真空泄漏试验真空泄漏率控制在0.2 kPa·min-1以内。

3.2.4 工业水引接方案

工为水主管道为DN300，引至距离地面2 m 处。由此处引接工业水进出口管道，并在原管道安装旁路门1 台，进口及旁路门采用电动驱动。

3.3 物料平衡计算

水的比热容为4.2 kJ·kg-1·℃-1，经计算生水加热热量为4.41×107kJ·h-1。原设计采用辅助蒸汽加热，蒸汽压强1 MPa，温度300 ℃，焓值3 051.7 kJ·kg-1；疏水温度95 ℃，焓值398.1 kJ·kg-1。由此，计算得到辅助蒸汽流量为16.6 t·h-1。

改造方案为新增一台汽水换热器，汽轮机乏汽设计绝对压强9 kPa，温度43.7 ℃，蒸汽干度0.925，焓值2 400 kJ·kg-1；疏水温度43.7 ℃，焓值183.2 kJ·kg-1。因此，乏汽流量为19.8 t·h-1。

3.4 经济效益及社会效益

本次改造完成后，可利用汽轮机乏汽流量为19.8 t·h-1，减少了进入直接空冷系统的乏汽量，降低了空冷系统电耗，同时可节约辅助蒸汽量16.6 t·h-1。辅助蒸汽可用于发电或供热，用于发电时每小时收益900 元，日收益2.16 万元，按照供暖季5 个月来算，收益可达324 万元。辅助蒸汽用于供热时，每小时收益2 988 元，日收益7.2 万元，按照供暖季5 个月可收益1 075.7 万元。可见，乏汽余热利用装置的成功应用增加了电厂收益，在年发电量不变的情况下增强了供热能力，降低了生水加热用辅助蒸汽量。同时，电厂乏汽余热供热减少了冷源损失，降低了发电煤耗，也相应减少了大气污染排放量。该技术具有明显的经济效益、社会效益和环保效益，为国家节能减排政策的推行奠定了良好的基础。

4 结语

乏汽作为发电和生产工艺的余热，能量密度大、温度高，是优质的余热资源。采用汽水换热系统可以实现对乏汽的高效利用，不但能够节约能源，而且提高了电厂收益，具有极大的推广价值。