第1章 发电厂空冷技术
第2.1节 空冷技术概述
随着电力工业的迅速发展，火力发电厂中的大容量高参数汽轮发电机组不断增加。这些机组在燃用大量煤炭的同时，也耗用大量水资源。电力工业的发展速度，建设规模，规划布局本应与国民经济的发展相适应，但由于受到煤和水资源的制约而不能合理安排。在富煤地区，往往由于缺水而不能就地兴建电厂，因此丰富的煤炭资源不能尽早开发与利用，这在宏观经济上无疑是极大的损失。发电厂汽轮机凝汽设备系统采用的空气冷却系统（简称发电厂空冷系统），就是为解决在“富煤缺水”地区或干旱地区建设火力发电厂而逐步发展起来的。
发电厂空冷技术从提出到现在，约有50年的历史，并在国际上有了迅速发展。目前已出现单机容量686MW的空冷机组。在干旱地区，空冷机组发展极为迅速，并出现了多种类型，如直接空冷，间接空冷，干湿联合冷却机组等。发电厂空技术已经成为当前发电厂建设中的一个热门课题。
国内的空冷技术研究工作始于60年代中期，而大容量空冷机组的建设只是近几年的事。山西省第二发电厂的两台200MW空冷机组相继于1987年，1988年投产，两台机组均采用引进的匈牙利海勒式空冷系统，于国产汽轮机发电机组配合使用。投产以来，运行稳定，节水效果显著。据理论计算机实测结果，于同容量湿冷机组相比，空冷机组冷却系统本身可节水97%以上，全长性节水约65%。一般，1
m3/s的水可建设1000MW湿冷机组，而建设
1000MW空冷机组只需0.35m3/s的水。因此相同数量的水可建设的空冷机组规模比湿冷机组的规模达三倍，这充分显示了空冷技术节水的优越性及其推广使用的广口前景。
我国水资源相对贫乏。有关统计数字表明，人均占有水量只及世界人均占有量的1/4，居于贫水国家之列，而且全国水资源的时空分布极不平衡，随着工农业生产的发展，许多城市及地区相继出现生产与生活用水日益紧张的局面，水已成为制约国民经济发展的主要因素之一。特别是我国的“三北”（华北，东北，西北）地区，煤炭资源丰富，但水资源十
分贫乏，特别是华北和西北地区，其年平均水产模数尚不足全国平均数的1/3。水资源的贫乏增加了将丰富的煤炭就地转化成为电力的困难，采用空冷机组正式解决上述矛盾的有效途径。
第2.2节 空冷技术发展简介
2． 1.1技术简介
兴建大容量火力发电厂需要充足的冷却水源，而在缺水地区兴建大容量火力发电厂，就需要采用新的冷却方式来排除废热。
发电厂采用翅片管式的空冷散热器，直接或间接用环境空气来冷凝汽轮机排气，称为发电厂空冷。研究空冷新装置及其使用的一系列技术，称作发电厂空冷技术。采用空冷技术的冷却系统称为空冷系统。采用空冷系统的汽轮发电机组简称空冷机组。采用空冷系统的发电厂称为空冷电厂。
发电厂空冷技术也是一种节水型火力发电技术。
空冷系统具有以下特点：
（1） 空冷系统的传热学特点是低温位、小温差、特大散热量的空气冷却热交换。 （2） 空冷系统属密闭式循环冷却系统，它对水质的要求很严格。如间接空冷系统要
求的水质为高纯度的除盐水。
（3） 空冷系统需配置高、中背压的空冷汽轮机。在条件不具备时可对现有低背压汽
轮机加以技术改造，以满足使用要求。
（4） 空冷系统的冷却性能受环境（气温、风向、风速）影响很大，导致汽轮机背压
蝙蝠增大，汽轮机设计背压比湿冷机组提高很多，运行背压范围也比后者大些。
（5） 空冷系统的自动化程度比湿冷系统有大幅度提高。
（6） 空冷系统的基建投资和年运行费用都高于湿冷系统。因此空冷系统的采用受到
一定条件的限制。
发电厂空冷系统也称干冷系统。它是相对常规发电厂是冷系统而言的。常规发电厂的湿式冷却塔是把塔内的循环水以“淋雨”方式与空气直接接触进行热交换的，其整个过程处于“湿”的状态，其冷却系统称为是冷系统。空冷发电厂的空冷塔，其循环水与空气是通过散热器间接进行交换的，整个冷却过程处于“干”的状态，所以空冷塔又称为干式冷却塔或干冷塔。因为大多数发电厂的冷却系统都采用常规的湿冷系统，所以在不需要与空冷系统区别时，前者的冷却系统不必特别指出是“湿冷系统”。 2.1.2空冷技术发展概况 （1） 外空冷技术发展概况
早在30年代末，德国首先在鲁尔矿区的1.5MW汽轮机组应用了直接空冷系统。50年代，卢森堡的杜德兰格钢厂自备电站13MW机组和意大利的罗马电厂36MW机组分别投运了直接空冷系统。进入60年代后，英国拉格莱电厂于1962年在一台120在一台120MW机组上投运了间接空冷系统，采用喷射式凝汽器及自然通风型空冷塔。这个系统是由匈牙利的海勒教授在1950年世界动力会议上首先提出的，亦称为海勒式空冷系统。1968年西班牙的乌特里拉斯坑口电厂投运了尖屋顶式布置的机械通风型直接空冷系统。至此，形成了直接和间接两种空冷系统并存的局面。
(2)我国空冷技术发展概况
我国电厂空冷技术起步并不太晚。1966年在哈尔滨工业大学试验电站50KW机组上首次进行了直接空冷系统的试验。1967年在山西侯马电厂的1.5MW机组上又进行了工业性直接空冷系统的试验。进入80年代后，庆阳石化总厂自备电站3MW机组投运了直接空冷系统。1987年1988年，山西大同第二发电厂的两台200MW机组首次引进了匈牙利的海勒式间接空冷系统，是我国火电厂空冷技术的发展进入一个新的阶段。目前，国产200MW机组海勒式间接空冷系统和表面是凝漆汽间接空冷系统的电厂正在建设中，这将有助于电厂空冷技术的推广使用。
第2.3节 直接空冷技术
直接空冷系统，又称空气冷凝系统。直接空冷是指汽轮机的排汽直接用空起来冷凝，空气与蒸汽间进行热交换。所需冷却空气，通常由机械通风方式供应。直接空冷的凝汽设备称为空冷凝汽器。它是由外表面镀锌的椭圆形钢管外套矩形钢翅片的若干个管束组成的，这些管束亦成为散热器。
直接空冷机组原则性汽水系统
直接空冷的流程图如下图所示。汽轮机排气通过粗大的排气管道送到室外的空冷凝器汽内，轴流冷却风机使空气流过散热器外表面，将排气冷凝成水，凝结水再经泵送回汽轮机的回
热系统。
空冷凝汽器分主凝器和分凝器两部分。主凝器多设计成汽水顺流]式，它是空冷凝汽器的主体；分凝器则设计成汽水逆流式，可造成空冷凝汽器的抽空气区。
真空抽气系统是直接空冷的关键。在汽轮机启动和正常运行时，要使汽轮机抵压缸尾部、空冷凝汽器、排气管道及凝节水箱等设备内部形成真空。通常采用的抽空气设备是蒸汽抽汽器。在汽轮机启动时，投入出力大的 一级蒸汽抽汽器，以缩短抽真空时间，加快启
动速度。在汽轮机正常运行时，采用出力较小的二级蒸汽抽汽器，以维持排汽系统真空。空冷凝汽器的所有元件和排汽管道采用两层焊接结构，焊接质量要求十分严格，以保证整
个空冷系统的严密型。
直接空冷系统中，空冷凝汽器的布置与风向、风速及发电厂主厂房朝向都有密切关系。中小型机组可直接在汽机房屋顶布置空冷凝汽器。大型机组的空冷凝汽器通常在紧靠汽机房A列柱外侧，与主厂房平行的纵向平台上布置若干单元组，其总长度与主厂房长度基本一致。每个单元组由多个主凝器与一个辅凝器组成“人”字形排列结构，并在每个单元祖下部设置一台大直径轴流风机。
直接空冷系统的优点是设备少，系统简单，基建投资少，占地少，空气量的调节灵活。该系统一般与高背压汽轮机配套。这种系统的缺点是运行时粗大的排汽管道密封困难，维持排汽管内的真空困难，启动时为造成真空需要的时间较长。
第3章 空冷散热器设计及变工况计算
第3.1节 空冷散热器设计
3.1.1.已知条件：
（1） 设计温度为：15.6℃； （2） 设计背压为：13Kpa； （3） 传热端差ITD值为：36.8℃； （4） 汽轮机热负荷为：854MW； （5） 电厂海拔为：1500m；
（6） 翅片类型为：多尔公司产品（圆形翅片椭圆管）；
①椭圆钢管长短外径为：72mm?20mm,壁厚1.5mm;
②椭圆翅片为：94.5mm?46mm,片厚0.3mm,片距5mm(冷空气侧)，3mm（热空气
侧）；
③翅化比为：9.94；
④管束尺寸为：9.8m?2.7m?0.5m； ⑤煤
A迎?25.68m2
⑥光管面积为：A光?173.42m2/片;
（7） 散热器传热系数为：K翅=35.6W/(m2*K)； （8） 进口空气速度为：V迎?2.9m/s。 （9） 总传热系数K光?353.9W/(m2?K) 3.1.2.计算公式：
9.8?a0(1)密度公式：??T0?a0?0KsT(1?Kss) （3.1）
a T0,P0,?a0——气温为15℃条件下的物理参数；
T0?273.16?15?288.16K； P0?101325Pa; ?a0?1.226Kg/m3；
Ta——当地环境气温，Ta?273.16?ta，K； Ks——海拔高度修正系数，Ks?2.26?10?5； S——当地海拔高度，m。 2）传热单元数NTU
NTU?K光A光K光Z（LC?? a)3600V迎Caa式中 ?a——冷热空气的平均密度； Ca——空气比热，Ca=1007J/(Kg*℃)
（3）散热器效率?
??1?e?NTU （4）空气通过散热器的温升Δta
Δta=(t1?td)? （5）所需全部迎风面积?A迎
?A?Q迎3600C a?tav迎?a（6）所需光管总面积?A光
?A光?z?A迎 （7）
片管总外表面积?A翅
?A翅?mA光 （8）
需散热器片数?N
3.2）3.3）3.4）（3.5）3.6）3.7） ?N??A翅A （3.8）
（9）
空冷凝汽器的单元组数n
n??N8 (3.9) 3.1.3
设计结果
（1）散热总外表面积：1290000m2； （2）主凝区散热外表面积：1128750m2；
（3）辅凝区散热外表面积：161250m2；
（4）主、辅凝区散热外表面积比：7：1； （5）单元组数：48；
（6）所需风机数为：48台。
第3.2节 散热器变工计算
电站直接空冷凝汽器是在额定工况下设计的,但是在运行中,空冷凝汽器的运行工况与设计工况差别很大。汽轮机负荷的变动、环境气温的变化、空气流量的变化均会导致汽轮机背压的波动,若处理不当,不仅会使汽轮机的真空偏离设计值以至引起汽轮机跳闸,在严寒的冬季还会引起凝结水的冻结,导致空冷器管束冻裂。特别是,直接空冷系统采用空气作为冷却介质,由于大气昼夜温差及一年间温差可达60～70℃,因而空冷凝汽器长期处于变工况运行。空冷凝汽器的变工况性能直接影响空冷电站的可靠性与经济性,同时空冷凝汽器变工况计算是进行风机群运行方式设计的基础。因而空冷凝汽器变工况计算与特性线的绘制对指导运行、制定风机运行方式、评价空冷凝汽器性能有着重要意义,是空冷凝汽器设计中不可缺少的内容之一。 3.2.1变工况计算公式：
（1） 影响空冷凝汽器背压的函数关系式为：
（（ （
（
（
（
