电厂空冷增装喷淋装置节能改造的经济效益分析

李 斌

(晋控电力同达热电山西有限公司，大同 037001)

空冷系统是指将环境空气作为冷却介质，为特定设备进行降温的设备系统。比如在发电厂中，一些压力设备处于运行状态时，内部温度会升高，如果长时间处于高温状态，必定会影响设备运行质量。此时需要对设备进行降温处理，可行性方法便是空冷。常规的空冷实现方式为，通过喷淋装置，将冷却水喷洒在设备的外表面上，通过水遇热(吸热)蒸发这一过程，实现对设备的冷却降温。此种模式虽然能够达到冷却的目的，但环保性存疑，由此产生的成本支出也偏高。基于此，需要围绕电厂空冷增装喷淋装置进行节能改造，以提高经济效益。

某火力发电厂位于我国北方某城市，原有的空冷系统构成如下：两台当量达到330 MW、具有亚临界警示功能，能够实现一次中间再热、单轴及双缸双排汽、直接空冷凝的汽轮机发电机组[1]。在投入运营共计3年时间内，设备运转日志记录内容显示：上述空冷系统的冷却性能极其容易受到环境因素的影响，特别是对自然风的敏感性极强，风向、风力强度、自然温度一旦出现变化，则空冷系统的冷却效果均会发生超出预期的变化，不利于发电计划的制定。此外，如果到了夏天，一点环境温度达到28 ℃以上，则机组的运行工况整体陷入下滑状态，机组的真空度和冷却效果均不同程度降低；
如果环境温度进一步升高至35 ℃之上，则冷却系统的性能会进一步降低。在汽轮机无法被充分冷却的情况下，发电机组长时间处于超负荷运行状态。该发电公司党组成员组织专家、一线工作人员进行多次讨论后得出一致结论——若要提升空冷系统的运转效率以及发电机组的综合发电效率，在增加经济收益的同时，降低煤炭等化石能源的消耗量，贯彻落实可持续发展理念，决定开展空冷增装喷淋节能装置改造工程。

2.1 改造前空冷系统相关参数

该火力发电厂空冷系统改造前的状态为：两台330 MW的汽轮机均采用机械通风直接空冷系统，相关技术参数如下：其一，管束方面。顺流型号为单排管，管束尺寸为9 500 mm×1 858 mm；
具体数量为290个；
基管的横截面尺寸为219 mm×19 mm；
翅片管的外形尺寸在长度方面与基管的横截面相同，也为219 mm，宽度为57 mm；
翅片管的排数为1排；
机组设备生产商提供的设备参数说明书中显示，顺流翅片管总散热面积达到658 027 m2；
散热面积除以迎风面积得到的翅化比参数为129。逆流管型号同样为单排管，尺寸方面，宽度值与顺流管相同，同样为1 858 mm，长度相较于顺流管低1 000 mm，为8 500 mm。数量方面，逆流管共72个；
基管横截面尺寸、翅片管外形尺寸、翅片管排数、翅化比均与顺流管完全相同。逆流翅片管的散热总面积相较于顺流管极低，仅为147 190 m2。其二，A型冷却单元段方面。顺流的迎风面面积为17.651 m2；
散热系数为31.7 W/m2·K；
每个冷却段的尺寸均为11.1 m×11.1 m；
A型夹角为60°。逆流迎风面面积为15.793 m2；
散热系数、每个冷却段尺寸、A型夹角均与顺流相应参数完全相同。其三，风机方面。顺流方面：风机台数为18台，风机直径为9.022 m，风机转数为90转/min，风机工作全压为87 Pa，风机轴功率(对应的TMNCR工况)为57 kW，电动机功率为90 kW；
逆流方面，风机台数为12台，风机直径、风机转数、风机工作全压、风机轴功率、电动机功率均与顺流完全相同。其四，空冷凝汽器方面，总空冷凝汽器散热面积共计达到805 217 m2[2]。

2.2 改造前空冷系统的运行效果评估

空冷系统日常运行情况为：整个系统被设置在高度达到50 m的半高空平台中，两台汽轮机各自配备的30台(总计60台)轴流风机沿着自北向南的方向排布[3]。此外，同走向还布置了共计12拍到的三角形管束散热器。上文提到，该空冷系统在出力方面特别容易受环境温度变化的影响，特别是夏季自然温度超过30 ℃的情况下，由于冷却效果常常达不到预期，故会增加发电原材料——煤炭化石能源的消耗量。测量结果显示，凝结水精处理入口处的最高温度一度达到甚至超过75 ℃，严重时(如遭遇极端炎热天气，天气预报温度为37 ℃以上，但机械设备表面在非运转状态下便可能达到至少40 ℃以上)甚至完全无法处理，冷却效果全无。如果出现极端大风天气，则冷却系统的运行效果会进一步降低，运行记录不止一次显示发生了高背压跳闸事故。该单位技术人员在前往兄弟单位考察时发现，兄弟单位针对上述情况采用的方法为：首先，在布置不知方面，应提高科学性，保证管路布置密度处于合理范围内。其次，调整喷水压力，需保证喷出的水能够形成一定规模的雾化效果，即冷却水落下率不应过高，不能出现“粗壮水柱直接并排喷洒在空冷系统表面”的情况。兄弟单位对空冷系统优化后的运行结果显示，背压降低程度达到至少5 kPa，最高记录为8 kPa，冷却效果得到了进一步提升[4]。该考察结果显示，通过对直接空冷装置进行冷却，实现对空冷机组被压的降低在一定程度上具备可行性，可参考。

结合该发电厂空冷系统改造前的实际情况以及上文提到的可行性改造思路，最终拟定的改造方案如下：第一，基于节约用水方面的考量，决定将喷雾冷却和蒸发冷却两种冷却模式相结合。第二，将不锈钢的喷嘴布置成三角形形态，整体与顺逆流管束保持平行状态。第三，进行管束布置时，相邻两条管束之间的间距应该控制在1 m左右。第四，为实现“喷雾冷却和蒸发冷却两种冷却模式相结合”，需要将喷淋装置喷出的水雾与散热器入口处的空气充分混合。性此种操作转移后，空气温度会在一定程度上降低、对应的空气湿度会增加。此外，一部分雾珠在吸收热量之后会迅速汽化，而一部分尚未完成汽化的雾珠会被喷到管束外表面，在接触管束壁的高温之后会蒸发，最终剩余的雾珠会通过管束翅片，并在这个过程中充分吸收热量，同样会企划。如此一来，管束入口、管束外壁、管束内部的温度均会降低、湿度会增高，便可实现利用空冷管束换热原理，实现对机组设备降温的目的。

根据上文所述的空冷增装喷淋装置节能改造方案，理论上能够产生的其他良好效果为：其一，自然环境温度升高带动的空气温度升高原本会在不同程度上(自然环境的具体温度差异)对空冷系统管束散热造成影响，经过改进之后，此种影响已经微乎其微(但在一些极端炎热天气下，对管束散热造成的影响依然存在，不可完全消除)。其二，改进之前，随着风力强度、风向的不同，散热装置入口处会形成一种“热风回流”现象。此种现象改进后会得到有效控制，连带着会使冷却设备背压升高的情况小时，能够在很大程度上解决在自然温度较高的情况下，空冷系统入口处受空气温度影响较高的问题。

基于上述方法进行空冷增装喷淋装置节能改造时，核心改造区域为雾化喷淋装置。该处的改造原理为：如果保证“水流量输出”这一条件不变，那么对水施加的雾化压力越大，则产生的雾化水珠颗粒便会越小，整体雾化效果便会越好。基于上述考量，最终决定在A性塔内额外均匀增设大量高压雾化喷嘴。经过此种改造，除盐水转化成水蒸气的效率明显提升；
通过调整雾化压力，最终可以使喷淋出的雾化颗粒度降低到20 μm以下。如果自然环境中出现一定的风力，则水珠可悬浮在空气中，令冷却系统附近区域的空气温度、湿度不间断地处于理想冷却范围。

机组设备运行日志显示，在过往连续运行的三年时间内，每逢夏季炎热时节，机组的背压最大值超过35 kPa。按照上述方案进行空冷增装喷淋装置节能改造后，背压降低达到兄弟单位的标准，介于5～8 kPa之间，大幅度降低了发电机组、冷却机组在整个夏天的运行压力，并使得煤炭化石能源的消耗量得到了明显降低。一组数据显示，机组设备的背压每降低1 kPa，则每千瓦时发电量对应的煤炭化石能源消耗量会降低2 g。仅仅从上述文字表达结果无法直观显示发电厂节省的成本支出，故需进行详细计算。具体而言：设定冷却系统每小时消耗的冷却除盐水用量达到70 t，且当前环境温度控制在33℃，有效降低的背压仅仅以最低值5 kPa为准，那么改造完成之后，冷却系统每小时产生的运行成本为：①除盐冷却水每小时的消耗量为70吨，按照每吨水10元的单价进行计算，水部分的成本为70×10=700元。②冷却系统维持稳定运行状态，每小时消耗的电能为110 kW。按照我国2021年发布的工业用电价格新标准(峰时段1.025元/kw·h；
平均时段0.725元/kW·h；
谷时段0.425元/kW·h，取中位数用电标准0.5元/kW·h)，则电能消耗成本为110×0.5=55元。因此，改造后的冷却系统每小时水电成本为700+55=755元。冷却系统改造之后，对比改造之前节省的成本支出计算过程如下：在保证环境等基本条件不变的情况下，设备背压每降低1 kPa，煤炭消耗量降低2 g/kW·h，那么取每年夏天温度超过33 ℃的天数为60天，每天喷淋冷却时间共计7小时，那么总冷却时间为60×7=420 h。忽略近两年的煤炭价格变动情况，仍然按照300元一吨的标准值进行计算，结合两台汽轮机330 MW的参数，每一年节约的煤炭购入量2×330×420×0.002×5=2 772 t，金额为2 772×300=831 600元。减去上文所述的每小时产生的费用755×420=317 100元，最终剩余514 600元。由此可见，经过改造，发电厂每年在冷却方面节约的成本支出超过50余万元，经济效益得到了明显的提升。

综上述所，经过空冷增装喷淋装置节能改造之后，发电厂每年在冷却方面的成本并不是全部下降。成本产生供包含两个部分。其一，冷却系统运行期间，消耗的电能和除盐冷却用水。事实上，由于应用这些物品，对应方面的成本支出处于增加状态；
其二，通过改造后的冷却工艺，机组设备的发电效率会大幅度增加，同等发电量消耗的煤炭化石能源量会降低。一出一进之下，每一年能够节省50多万元，故整体经济效益切实得到了提升。