高效复合凝汽器在电站冷凝系统的可行性分析

高效复合凝汽器在电站冷凝系统的可行性分析吴佳菲，朱冬生，郑伟业(华东理工大学承压系统与安全教育部重点实验室，上海 200237)摘 要： 目前国内电站用凝汽器均采用水冷、空冷的凝气方式，其耗能耗水量过大，与国家十二五”规划的节能、节水政策不符。基于此，本文提出-种电站用高效复合凝汽器，介绍了其凝汽技术及相对传统凝汽技术的优势；并结合国内外最新研究成果和具体案例做了应用研究和可行性分析。最终结果表明：将高效复合凝汽器引入电站冷凝系统是技术可行，并能立即带来显著节能节水优势和节虱济开支的。

关键词： 高效复合凝汽器；蒸发冷技术；电站凝汽系统；节能节水中图分类号： TH137.8；TK264.1 文献标识码： A doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2012.02.008Feasibility Analysis of High Efi ciency and Hybrid Condenserin Power Plant Steam Condensing SystemWU Jia-fei，ZHU Dong-sheng，ZHENG Wei-ye(Key Laboratory of Pressure Systems and Safety，Ministry of Education，East China Universityof Science and Technology，Shanghai 200237，China)Abstract： Recently，majority of steam condensers applied in power plant are belonging to the type of water-cooled and air·cooled condenser，which has a large energy and water consumption.In order to solve this problem，a scheme of introducing higheficiency and hybrid condenser(HEHC)into power plant cooling system is put forward.Condensing technology of the HEHCand its advantages compared with traditional ones are introduced.Meanwhile，the latest domestic and foreign researches and spe-cifc applications of HEHC are analyzed.In conclusion，using HEHC to take place of traditional water-cooled condenser to savemore water，or using one as supplement of air-cooled condenser at the peak power moments in summer to complete condensationtask is not only feasible，but also have practical and economic signifcances。

Key words：steam condenser；evaporative cooling；power plant coling system；energy-and-water-saving1 前言在电站，凝汽器的主要功能是将汽轮机尾端乏汽冷凝成具有-定压力的冷凝水后循环使用，是电站冷凝系统的核心设备；其工作性能的好坏将直接影响整个机组的发电和安全性能。

目前，国内绝大多数凝汽器均采用水冷、空冷的凝气方式，其虽然能满足-定的制冷要求，但耗能和耗水量过大，与国家十二五”规划的节能、收稿日期 ： 2012-07-09基金项目： 教育部交叉学科与重大项 目培育基金(WG10t3009)节水政策不符。基于此，本文提出-种电站用高效复合凝汽器(HEHC)，其核心技术为蒸发冷技术，由国外引进，发展、研究至今已有 3O多年的历史。如今，国内基于蒸发冷技术的 HEHC在生产、制造和冷凝传热等方面的研究已逐步完善成熟，在化工、空调、制冷等领域的节能、传热效果也非常突出L-3]；同时，国外电站用 HEHC在近 l0年也积累了丰富的经验可供借鉴。于此，本文提出将 HEHC引人电站冷凝系统取代传统电站凝FLUID MACHINERY Vo1.41，No.2，2013汽器，既发挥其在节能、节水上的巨大优势，也可弥补国内电站的应用空白。

本文将首先阐述目前国内电站凝汽器的应用现状，包括其应用优劣和适用范围；以及基于蒸发冷技术的HEHC工作特点及应用优势；最后，本文将首次介绍 HEHC在国外电站的应用状况 ，包括美国传热巨头 NBC公司在大功率发电机组的测试结果，同时，介绍近 10年国内对 HEHC在理论和实验方面的研究成果。

2 国内凝汽器应用现状2.1 水冷式凝汽器根据冷却水供应方式分为：开式和闭式-式耗水量极大，常用于富水、沿水地区，冷却水由水泵打入凝汽器换热后直接排出，不循环使用。

对于单机容量 1000MW的汽轮机，开式需要的冷却水量在 140000-180000t/h。因其耗水量过大，排放后又对环境造成热污染，已逐渐被闭式所取代。闭式的冷却水换热升温后流人冷水塔冷却后循环使用。

水冷式凝汽器的主要优点是：背压低、满发率高、用电率低、循环效率高、加工及制造工艺相对简单、运行工况基本不受环境影响，广泛应用于富水地区。主要缺点是耗水量大、极度依赖水源。

即使是闭式凝汽器，处理 1000MW 机组所消耗的冷却水补水量也在5000-6000t/h，按年运行时间8000h计算，年耗水量高达4000万吨。

2.2 空冷式凝汽器空冷式凝汽器可分为：直接式、哈蒙式和海勒式 3种。直接式，又称空冷岛(ACC)，冷源为空气，汽轮机排气通过粗大排气管送到室外 ACC中，通过轴流冷却风机强制对流换热使管内排气冷凝。海勒式先向汽轮机排气喷射高纯度的中性水混合冷凝，后将受热的冷却水送至 ACC冷却。

哈蒙式由表面式冷凝器和ACC组成，其系统与水冷系统类似，但用ACC替代了冷水塔，用不锈钢管替代了铜管，用除盐水替代了循环水。海勒式与哈蒙式设备多且复杂，海勒式更需精密水处理系统获得高纯度中性水，造成设备采购成本高、占地面积大和性价比低。因此，国内电站凝汽器大多选用造价偏低的ACC。

ACC的特点泾渭分明，最大的优点是基本不耗水，尤其适用于西北部缺水地区。但其背压高、满发率低、用电率高、循环效率低、能耗高。-般，ACC的能耗为水冷式的 4-6倍，空气远小于水的传热系数决定其永远也无法达到水冷式那么低的涡轮背压，因而其循环热效率比水冷式低5%左右，热耗率高6% ～9%，且在夏季尖峰时刻难以完成冷凝任务，造成机组安全隐患。另外，也决定了相同冷量下 ACC需更大的散热面积和耗材量，致使其基建投资和年运行费用持续标高。同时，将空气作为冷源也决定其运行工况必然受环境温度、风力、降雨等的影响，导致设备初运行调试复杂、自控难度高、运行可靠性下降。

综上所述，为解决富水地区水冷式凝汽器的高耗水问题 ，贫水地区 ACC热效率低且在夏季尖峰时刻难以完成冷凝任务的问题，有必要引进在节能、节水方面更突出的 HEHC以解决这些实际应用问题。

3 高效复合凝汽器的工作特点和应用优势常温下 lkg水每升高 1 c吸收的热量大约在4.5kJ，lkg水蒸发吸收的热量大约在 2501kJ，可见水的潜热传热量远远大于显热传热量。因此，基于蒸发冷技术的HEHC才具备高效冷凝和低耗水量的运行特点。高效复合凝汽器结构如图 1所示。

图 1 高效复合凝汽器结构3.1 工作特点在结构上，将冷凝器和冷却塔合二为-，直接实现了水的重复利用，缩短了冷却水的输送距离、节省了水泵消耗。

在传热方式上，汽轮机乏汽沿冷却盘管冷凝，2013年第4l卷第2期 流 体 机 械 41冷却水通过循环水泵、喷嘴均匀喷洒至盘管表面形成水膜，乏汽热量从管内传至管外水膜，水膜非饱和蒸发后热量由从下至上掠过管束的空气带走，空气经除水处理后通过风机强制排出，同时机体底部的冷却水通过水泵循环使用。

在传热技术与性能上，改变了单相冷却流体用显热温升冷却流体的方式，主要用水的潜热带走热量，显著提高了传热系数，达到了高效传热的目的。

在运行模式上，提供了复合的运行模式，即可根据季节和冷凝要求的不同选用不同的运行模式，在冬季制冷量要求不大时关闭循环水泵只利用空气进行冷却，在夏季制冷任务严峻时同时开启风机和水泵进行冷却，这种灵活的调节方式不仅增加了其在不同地区的适用性，也可节省水泵和风机的电能消耗。

3.2 应用优势HEHC相比空冷、水冷凝汽器，优势如下 ：(1)更高的循环热效率。循环热效率同背压和乏汽凝汽温度成反比。水冷式乏汽最低凝汽温度同湿球温度的差值在5.6-8.3℃间，HEHC同湿球温度的差值在4.4～5.6℃间。ACC利用空气显热传热，因此最低凝汽温度撒于空气干球温度，同其的差值在 11.1～13.9℃间。如 ：环境干湿球温度分别为 38%/30C，水冷系统乏汽最低凝汽温度可达35.6clC，空冷系统高达49.1℃，而蒸发冷系统则为 32.8C J。

(2)显著的节能节水性。HEHC利用水的潜热传热，理论上只要水冷式冷却水量的1%左右，实际水量由于要保证布水效果和循环水温的恢复，-般为水冷式的10～30%，水泵功率因而减少为水冷式的 12.5% -25% 5 ；相比空冷式在相同换热量情况下风机马力减少约 60%，占地面积减少约25%。

(3)清洗维护便捷。HEHC换热管多为光管，相比空冷翅片管，管外不易积灰，清洗方便且不用停机，管内外的双闭式环路又保障了工质的清洁，大幅减少了维修次数。

(4)换热管冬季不易结冰冻坏。HEHC运行时水膜包覆在换热管表面提供-定的温度，避免寒冷季节的冰冻影响。

4 高效复合式凝汽设备的国内外应用4.1 国外案例HEHC的技术核心是蒸发冷技术，最早 由Chuklin提出，随后，Poppe、Webb先后给出了比较完善的蒸发冷凝模型。

电站应用方面，始于 20世纪 90年代初 ；1993年 NBC公司研发的 HEHC产品湿表面空冷器”(WSAC)，首次应用于马萨诸塞州 的Mass Power240MW燃气 -蒸汽联合循环机组，风机和水泵功耗在 600～730kW 间，夏季补水量约为 290m。/h，冬 季补水量在 200 1TI /h之内；1996年弗吉尼亚州的Tra-dewinds木材公司燃烧废木屑联合发电机组 ，采用美国 BAC的HEHC成功冷却小功率 900KW 火力发 电机组 ；1996年 ，加拿大 Trans Alta能源公 司燃气 -蒸 汽联合循环机组，成功冷却小功率75MW火力发电机组 J。

最新测试研究方面，行业先驱的 NBC公司2005年在新墨西哥州圣胡阿电站作了运行测试，WSAC作为 1500MW 大功率机组中的 3号机(550MW)冷却系统，测试结果表明：(1)风机频率和凝汽进口温度不变时，综合传热系数数值稳定波动小；(2)运行半年后，换热管表面干净、光滑、无可见尘积和化学积垢；(3)循环水浓缩倍 10(基于-次水)，大于水冷的2.5-4，节水性能好；(4)cu-Ni管传热性略好于316碳钢管和Ti管，cu-Ni管外无明显腐蚀，管内轻微腐蚀；(5)底盘无大颗粒沉积物 J。

鉴此证实 HEHC换热稳定、易于自控、使用周期长、运行清洁易于维护、浓缩倍率高节水性能好、换热管腐蚀性小使用寿命长。

同时，NBC公司通过与 GE、Shel、ExxonMo-bil、ConocoPhilips等用户的合作进-步拓宽了HEHC的电站应用范围，包括 。。：(1)透平机辅助冷却系统；(2)乏汽端冷凝系统(配套风机和水泵节电最多达50%)；(3)透平机进口端蒸汽冷却系统；(4)对于现有电站空冷凝汽器的补充；将HEHC如图2所示接入系统承担部分乏汽的冷凝任务，当乏汽出口温度超过安全指标时开启 HE。

HC进行冷凝，乏汽出口温度处于正常范围时作42 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.2，2013为乏汽的调温冷却器”使用；另外，在新建电站冷却系统时，引入 HEHC作为空冷系统的补充，可以在并联系统完成冷凝任务的同时减少空冷设计冷凝量达到减少空冷系统体积、节约成本和用地的目的。

现有电站空冷凝汽器汽轮机尾端乏汽进入管道引入HEHC作为空冷系统的补充图 2 WSAC-ACC并联冷却系统4.2 国内研究与探索近 10年，国内对基于蒸发冷技术的 HEHC在理论、实验和模拟方面取得了诸多成果，为 HE-HC在电站冷凝系统的应用奠定了可靠的基石。

试验和模拟研究方面，朱冬生等试验研究逆流式蒸发冷凝器中喷淋水量、布水效果对凝气特性的影响 。宋印玺试验研究蒸发冷凝器在余热发电冷凝系统中的节能节水性 ；吴治将试验研究了立式蒸发冷凝器的凝汽特性 ；郭常青通过模拟与实验研究，提出在电站余热系统采用新型板式蒸发冷凝器可提高机组的发电效率 。

孙荷静、汪南比较分析了不同管型对蒸发冷凝器传热性能的影响，为新型 HEHC的开发提供了理论与实验依据 5， J。

实际应用方面，洛阳陋作为第-个实践者将其HEHC产品应用于新疆某小型电站，节能效果显著，目前已将目光放在更大的发电机组上。

5 结语技术分析了 HEHC相比传统凝汽器的突出优势，研究了HEHC在国外电站的成功应 日案例以及在国内的理论、试验和模拟研究成果，可以得出结论：将 HEHC引入电站冷凝系统是技术可行的，并具有显著的节能节水优势，可以产生显著的经济效益。