火力发电厂主要暖通空调系统方案技术对比分析

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  【摘 要】截至2013年12月底,我国内地火力发电厂总装机容量已达8.6亿kW,预计在2015年底将达到9.33亿kW,并且火力发电在我国发电总装机容量中所占的比重长期保持在70%以上,可见火力发电行业在我国经济发展中仍占有重要的地位,为了保证火力发电厂正常运行,合理的选择电厂暖通空调系统设计方案,可以保证电厂在一定的环境条件下稳定工作。本文重点对火力发电厂主要的暖通空调系统方案进行了技术对比分析,提供了相关方案选择的建议,供火力发电厂暖通空调设计人员参考。
  【关键词】火力发电厂;暖通空调;系统方案;对比分析
  一、前言
  火力发电厂暖通空调系统方案对比应包括技术对比和经济对比,对于设计者而言,其目的是设计一个优秀的系统,为电厂稳定运行提供良好的条件,相对之下,经济性的考虑往往比较欠缺,然而,随着当今设计手段和设计理念的不断发展、创新,系统设计的经济性也越来越被设计者所重视。本文由于篇幅限制,加之系统方案的经济比较涉及的因素繁多,过程复杂,不能在文中一一详述,因此本文仅作技术对比,经济比较只做宏观论述,在具体工程方案选择中,设计者应对备选方案的经济性做单独的对比,包括初投资,运行费用(能源消耗、维护维修、人员配备)等方面做详细讨论。
  二、集中采暖地区火力发电厂采暖热媒的选择
  大型火力发电厂采暖热媒一般有两种,一种是高温热水,一种是高压蒸汽。下面就两种热媒的优缺点进行对比分析。
  1.高温热水
  热水采暖换热站的凝结水品质较好,化验合格时可以直接回收至锅炉热力系统,节约了大量的除盐水,运行经济性较好;作为散热器系统的采暖热媒,室内温湿度控制较为适中,人员感觉较为舒适;散热器表面温度较蒸汽采暖系统低,人员烫伤危险性小;采暖系统使用年限长,便于调节,维护管理较为方便;但需要设置采暖换热站,采暖系统的管道及散热器数量较蒸汽系统大,初投资额较高;在输煤系统使用时,因高差较大,系统静压较高,对散热器耐压要求较高。
  2.高压蒸汽
  蒸汽温度较高,室内温度提升较快;散热设备数量使用较少,在主厂房、输煤系统等大热负荷大空间的建筑较容易布置,初投资费用较少;若全厂均采用蒸汽采暖,则无需建设采暖换热站,无换热站建设费用;但散热设备表面温度高,人员舒适度较差,烫伤危险性相对较大;采暖系统使用年限短,散热设备易腐蚀,不易调节,维护管理较为复杂;采暖凝结水因含铁量高,不能直接回收至锅炉热力系统,直接造成锅炉热力系统汽水损失增大,化学除盐水补水量增加;余热浪费严重,蒸汽采暖系统能耗较高。
  3.对比分析结论
  高温热水作为采暖热媒舒适性好,运行管理方便,运行费用低,因此在最冷月平均温度为0~-10℃的寒冷地区和最冷月平均温度为0~10℃的夏热冬冷地区推荐使用高温热水作为全厂采暖热媒。高压蒸汽作为采暖热媒除投资小,升温快的特点,但其安全性差,运行费用高,能耗高,不适合现代大型火力发电厂节能、节水的建设理念,只有在最冷月平均温度低于或等于-10℃的严寒地区,大空间高热负荷的建筑采用热水采暖,散热设备布置困难时,部分建筑可以采用0.2~0.4MPa表压的高压蒸汽作为采暖热媒。
  三、主厂房通风方案选择
  根据通风设备的动力可将主厂房的通风分为自然通风和机械通风系统。
  1.自然进风、自然排风
  该系统属于自然通风系统,靠室内、外的空气温度差而产生的热压来诱导空气流动,室外空气从厂房底部进入室内,被室内余热加热成热空气,然后从上部排风口(屋顶通风装置,如天窗、高侧窗或屋顶通风器)排到室外。
  2.自然进风、机械排风
  该系统属于负压机械通风系统,靠屋顶通风机或轴流风机的动力排除厂房内热空气,并自然地导致从厂房底层、运转层进风。排风装置一般选用屋顶风机或高位轴流风机,具有效率高、噪声低、运转平稳、外形美观、防腐防爆的优点。
  3.机械进风、自然排风
  该系统属正压机械通风系统,室外空气经过机械进风装置进入主厂房的工作地带,吸收设备和管道散发的余热、余湿后的热空气经过厂房顶部的屋顶排风装置排至室外。
  4.机械进风、机械排风
  该系统属于全面机械通风系统。室外空气通过机械进风装置处理后送入厂房,吸收室内设备和管道散热量后,变成热湿空气后通过机械排风装置排除室外。这种通风系统与其他通风系统相比,能有效地保证进、排风量,提高排热排湿能力,改善通风气流组织,但由于大量使用电动设备,既不经济也不节能。
  5.主厂房通风方式的技术经济比较(百万级电厂)见表1
  6.对比分析结论
  主厂房采用自然进风、自然排风具有明显的技术经济优势,该方案不论在初投资、运行费用方面还是节能方面都是最佳的选择,它符合充分利用的自然能源的节约型社会的宗旨,因此,在我国南方新建火力发电厂中,推荐自然通风方案,但在我国北方严寒和寒冷地区,由于冬季主厂房内需采暖保温,如采用自然排风设备,如屋顶通风器,其在主厂房屋面开孔面积大,容易造成冷风渗透,室内热量散失,加之由于冰冻造成的阀板关闭不严等问题,不适合在集中采暖地区使用,在这种情况下,推荐使用屋顶风机排风,屋顶风机开孔面积小,阀板面积小,开关灵活,可有效防止冬季冷风渗透和热量散失。
  四、集中空调系统选择
  大型火力发电厂集中空调方案一般有两种,一种是制冷机组+组合式空气处理机组方案;一种是屋顶空调机+分散空调器方案。
  1.制冷机组+组合式空气处理机组方案
  制冷机房的冷水机组,制出7-12℃冷水,供给空调机房(一般设在集控楼顶层,需要封闭)的空气处理机组;空气处理机组将空气处理后送入集控室。制冷机房内设备有:制冷机(一般为溴化锂冷水机组或水冷螺杆冷水机组)、冷却塔、空调换热机组、冷却水循环泵、冷冻水循环泵、定压装置等。   该方案的优缺点为:是传统空调方式,运行可靠;单一冷源,便于集中管理;可以预留一定的新增空调负荷,满足公共建筑扩建的空调要求;制冷站规模较大后,大冷量制冷机能效比较高;但该系统设备多,系统庞大,控制系统复杂;需要设置专用的制冷机房、空调机房;需要空调的建筑如分散布置,空调冷水管网线路较长,冷量消耗大,施工管理困难。
  2.屋顶空调机+分散空调器方案
  屋顶式空调机是一种单元整体式风冷空调机组,直接放置在控制楼屋顶,房间不需要封闭,用空气冷却代替了冷却塔的水冷却,用直通冷媒的直接膨胀蒸发器取代了间接的冷水系统,使机组集直接制冷、空气处理、电气控制于一体化,其它需要空调的房间则根据情况设置风冷立柜式空调器或其它分体空调器。
  该方案的优缺点为:不需要设置制冷机房和空调机房,节省占地和投资;空调系统简化,空调布置方式更趋灵活;系统完全不用水,节省宝贵的水资源;但该方案中空调机组所处位置一般为磨煤机后,空气较脏,存在冷凝器积尘问题,需要定期冲洗,否则影响效率。
  3.对比分析结论
  随着现代大型火力发电厂设计思想的变化,考虑节能、节水的建设理念并综合考虑运行维护的实际,屋顶空调机组+分散空调器方案具有初投资少、运行费用低、运行方便灵活等特点,推荐作为新建火电工程方案,如果是扩建工程,前期已经有冷冻水系统或业主有特殊要求需使用冷水系统的,应根据实际情况选用合理方案。
  五、输煤系统除尘设备选择
  目前,国内外电厂常用的除尘设备为冲击式水浴除尘器、布袋除尘器和静电除尘器三大类。
  1.冲击式水浴除尘器
  其原理是将含尘气体冲入水中,让粉尘颗粒与水接触,浸润后,沉积到水中。该除尘器具有除尘的同时可以湿法净化有害气体;结构简单,一次投资低;占地面积小,比较容易布置等优点;同时也具有除尘效率不高;耗水和用电量较大;易造成二次污染;风量不稳定,易造成管道积灰;自动化和程序控制程度不高等不足之处。
  2.布袋除尘器
  其工作原理是将含尘气体通过滤袋,使粉尘被阻挡在滤袋中,通过脉冲振打或反吹风将布袋上粉尘清除。主要优点有:除尘效率高,最高可以达到99.99%,对细微粉尘也有较高效率;适应能力强,可以捕集不同性质的粉尘,适用高比电阻粉尘。
  入口含尘浓度在相当大的范围内变化时,对除尘效率和阻力影响都不大;使用灵活,处理风量的范围较大。其主要缺点有:不适宜黏性强及吸湿性强的煤尘,易出现堵袋现象,但目前出现了在除尘器布袋上覆聚四氟乙烯薄膜的方式,使布袋不再怕水,很好地解决了“堵袋”问题;运行费用较高,所需能耗大,有一定的运行和管理工作量;初始浓度有一定范围,一般不高于25g/m3。
  3.静电除尘器
  其工作原理是将含尘气体通过带高压的静电场,粉尘荷电后被收附在集尘板上,再通过振打集尘板将粉尘收集。该除尘器具有除尘效率高,一般可达99.7%;所需能耗低;日常维护量小,能长期稳定运行等优点;也具有初投资高;对粉尘的敏感度大(煤尘的比电阻应为104-1012Ω.cm, 煤尘可燃基挥发分应小于46%;煤的初始浓度不应大于30g/m3);制造安装要求严格;占地面积大等不足之处。
  4.各除尘器的技术经济比较运行经济性一般(见表2)
  综合对比后,推荐在新建电厂中使用性价比较高的布袋除尘器作为输煤系统除尘设备。水浴除尘器相对耗水耗能,但在布置困难,地方较小的场合可适当选用。静电除尘器对煤种要求较高,占地面积大,价格昂贵,除特殊情况外,不建议选用。
  六、行政办公楼空调方案
  行政办公楼是电厂内相对人员比较密集的建筑,对环境舒适度和室内美观要求较高,常见的空调方案有:分体空调;风冷热泵冷水机组+末端;风冷热泵变冷媒多联空调。
  1.分体空调
  分体式空调分为室内机和室外机,从其空调机的形式上又可以分为柜式机和挂式机。该种形式的空调器具有摆放位置灵活的特点,但随着中央空调的迅猛发展。
  其优点逐步消失,缺点日益凸显,主要缺点有:送风不均匀;较难引入新风,难以确保空调房间空气的新鲜度;室外机安装较为分散,制冷压缩机不仅数量多而且悬挂于外墙上,影响外装修效果,而室内机则须挂在内墙上或安放在地面,又占用了室内空间;凝结水排放较分散,不易集中处理。
  2.风冷热泵冷水机组+末端
  该方案主机为风冷热泵机组,空调末端为风机盘管。冬季机组直接从空气中吸取热量来供暖,夏季向空气中散热来制冷。是一种便捷的空调采暖机组,近年来在国内应用越来越广。
  其优点是:不用建换热站,设备利用率高,一机冬夏两用;机组可置于屋顶,不占用建筑有效面积;采用变频技术,设备出力无级调节,在部分负荷时能效比较高,但也具有如下缺点,如空气源热泵体型较大,占地面积大,同时室外机噪声较高,并存在热岛效应,使得外界局部空间环境条件恶化;机组的运行受室外气候的变化影响较大,存在实际工况不稳定的情况;
  夏季温度较高、冬季室外温度低时,运转效率大大降低。当空气温度低于零度时,机组效率下降,并且当温度低于-10℃时,机组效率极低,甚至无法开机,需要附加辅助热源;冬季室外机组需要除霜,浪费能源;有冷冻水系统,系统相对比较复杂。
  3.风冷热泵变冷媒多联空调
  风冷热泵变冷媒多联空调是指控制冷媒流量并且通过冷媒的直接蒸发或直接凝缩来实现制冷或制热的空调系统。冬季机组直接从空气中吸取热量来供暖,夏季向空气中散热来制冷。
  其主要优点表现在以下几个方面:节能效果好。由室外主机的变频器和室内机的电子膨胀阀实现双向的能量调节,能很好的控制室内温度场的波动,营造舒适的办公环境,也节省了能源;安装方便,节省空间。由于采用了模块化的组合方式,在安装施工方面有了很大的简化。
  同时由于室外机的小型化设计使得系统的设置很灵活,可以把它放在天面或是挂在比较掩蔽的侧墙上;运营灵活,管理方便。由于整个系统是由多个单元组成,各单元之间要是相互独立的,一台室外主机只负责一定数量的室内机,如果出现故障不会相互影响,极大减小了故障的影响范围。其缺点主要表现在:机组的运行受室外气候的变化影响较大,存在实际工况不稳定的情况;夏季温度较高、冬季室外温度低时,运转效率大大降低。当空气温度低于零度时,机组效率下降;价格较高。
  4.对比分析结论
  按15年寿命期考虑,分体空调虽然总运行费用最低,但是考虑其寿命远远达不到15年,在电厂运行过程中如更换一批分体空调,终投资将与风冷热泵多联空调相差无几了,又考虑到分体空调系统无新风,空气品质差,室内机布置占用空间,室外机布置影响建筑美观,所以不推荐分体空调方案。
  风冷热泵冷水机组末端是经济性最差的方案,而风冷热泵多联空调系统经过多年的研究,在技术上已经比较成熟,而且经过多次的示范与实践,肯定了其具有节约能源、舒适、美观、使用灵活等优点,而且电厂的位置比较偏僻,建筑相对比较分散(和民用建筑相比),更可适用这种灵活的空调布置方式。建议选用风冷热泵多联空调作为行政办公楼空调系统最优方案。
  七、结束语
  我国电力事业经过多年的发展,特别是近些年的快速壮大,保证了全国的电力需求,为国民经济发展起到了至关重要的作用,因此,保证火力发电厂健康稳定的运行更是不可或缺的工作,而火力发电厂暖通空调系统方案的合理选择,不仅是为电厂运行人员提供良好的工作环境,重要的是为电厂的安全稳定运行创造了良好的条件,是值得每个火力发电厂暖通空调设计人员重视的前提工作。
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