積灰對直接空冷凝汽器性能影響的分析

陳俊麗

(華電重工股份有限公司，北京 100048)

0 引言

在我國富煤缺水的“三北”地區(qū)，建造直接空冷機(jī)組比濕冷機(jī)組會節(jié)約大量的水。空冷凝汽器的性能受環(huán)境(氣溫、風(fēng)向、風(fēng)速)及凝汽器表面積灰等因素的影響，會導(dǎo)致機(jī)組汽輪機(jī)背壓變化增大。設(shè)計背壓及運(yùn)行背壓范圍都要比濕冷機(jī)組大，在節(jié)水的同時也降低了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性［1］。對直接空冷電站而言，凝汽器性能決定了直接空冷機(jī)組能否安全高效運(yùn)行。當(dāng)直接空冷凝汽器表面發(fā)生局部積灰時，其換熱情況發(fā)生惡化，導(dǎo)致凝汽器的效率降低，影響機(jī)組的安全和經(jīng)濟(jì)性［2－3］。通過理論計算，在發(fā)生積灰后，得出凝汽器積灰單元和清潔單元各參數(shù)的變化，分析機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的變化趨勢。當(dāng)凝汽器的壓力增大到一定程度時，需要調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，加大進(jìn)風(fēng)量以達(dá)到提高換熱之目的。

1 積灰對凝汽器傳熱系數(shù)的影響

1．1 直接空冷凝汽器換熱模型

直接空冷是指汽輪機(jī)排汽在空冷凝汽器中由空氣冷卻而凝結(jié)成水，圖1為空冷凝汽器工作過程中飽和蒸汽的冷凝過程及空氣的溫度變化［4］。

汽輪機(jī)排汽在凝汽器的冷凝過程中釋放汽化潛熱，凝結(jié)溫度tn為一水平直線，初始溫度ta1的環(huán)境空氣被風(fēng)機(jī)吹向凝汽器管束吸收汽輪機(jī)排汽的凝結(jié)潛熱，溫度升高至t1排向大氣。

在凝結(jié)換熱過程中空氣的溫升

凝結(jié)水飽和溫度與出口空氣溫度之差為tδ

圖1 空冷凝汽器工作示意圖

titd為初始溫差，當(dāng)環(huán)境溫度一定時，若titd不同，則汽輪機(jī)的設(shè)計排汽壓力、熱耗、年發(fā)電量以及汽輪機(jī)設(shè)備費(fèi)用也不相同，空冷系統(tǒng)的投資和年運(yùn)行費(fèi)用也不同。因此，在設(shè)計時，需要對titd進(jìn)行優(yōu)化，考慮能量利用的完善程度與空冷系統(tǒng)投資的匹配關(guān)系，找出兩者之間的最佳匹配關(guān)系。對直接空冷系統(tǒng)而言，空冷凝汽器凝結(jié)水溫度與環(huán)境空氣溫度tn之差表示為

由式(1)、式(2)、式(3)可得凝汽器中凝結(jié)水的溫度tn

根據(jù)傳熱單元數(shù)法，由蒸汽、空氣的能量平衡方程以及空冷凝汽器的傳熱方程，可得空冷凝汽器的凝結(jié)溫度為［5－6］

當(dāng)機(jī)組容量一定時，迎風(fēng)面積Ay為定值，空氣密度ρa(bǔ)近似保持不變。凝結(jié)蒸汽流量qV0、迎面風(fēng)速νy以及翅片管傳熱系數(shù)k成為影響凝結(jié)溫度的主要原因。

1．2 積灰對直接空冷凝汽器的影響

由傳熱理論知識可知，凝汽器的總傳熱系數(shù)為

式中:hi，h0分別為管內(nèi)外的換熱系數(shù);λ為翅片管的導(dǎo)熱系數(shù);δ為翅片管道厚度;β，η0為翅片管的肋化系數(shù)和肋壁總效率。在凝汽器運(yùn)行過程中，暴露在空氣中的翅片管表面會集聚灰塵，影響凝汽器的換熱性能，傳熱系數(shù)減少，從而使汽輪機(jī)背壓升高［7］。

積灰之后以翅片管總傳熱面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)為［8］

式中:λd為灰塵的導(dǎo)熱系數(shù)，取0．4W/(m2·k);c為積灰系數(shù)，取0．4。

則有K'0與K0的關(guān)系為

2 夏季額定工況理想情況的理論計算

某600MW直接空冷電廠機(jī)組共有56個散熱單元，48個順流單元，8個逆流單元，其中順流散熱面積為13495m2，逆流散熱面積為1420m2，夏季額定工況下機(jī)組各參數(shù)見表1。

在理想情況下，假設(shè)每個單元的散熱流量相同，在夏季額定工況下每個單元參與的散熱流量為14．16 MW，散熱面積為266．34m2，運(yùn)用傳熱單元數(shù)法，計算得出空冷凝汽器初始傳熱系數(shù)為24．86W/(m2·K)。

以2個單元為研究對象，散熱流量為28．32 MW，假設(shè)一個單元翅片管保持潔凈，另一個單元翅片管表面積灰，由于積灰的原因，積灰單元的傳熱情況發(fā)生惡化，傳熱系數(shù)降低，散熱流量減少，凝結(jié)的蒸汽量也減少。在散熱流量一定的情況下，潔凈單元就要承擔(dān)原本由積灰單元承擔(dān)的散熱流量，打破了內(nèi)部蒸汽凝結(jié)的動態(tài)平衡，導(dǎo)致凝汽器整體背壓升高，端差增大，機(jī)組出力降低。

2．1 積灰單元理論計算

當(dāng)翅片管表面積灰后，傳熱單元數(shù)、散熱器效率、傳熱系數(shù)K發(fā)生變化，經(jīng)計算得出因積灰而導(dǎo)致的凝汽器各參數(shù)的變化，見表2。

表1 600MW直接空冷機(jī)組夏季額定工況各參數(shù)

表2 積灰單元參數(shù)變化

依次減小積灰單元的溫升，得出積灰厚度逐漸增加，引起凝汽器各參數(shù)發(fā)生變化，依據(jù)計算的結(jié)果，繪制凝汽器各參數(shù)與積灰厚度之間的關(guān)系，如圖2所示。

傳熱系數(shù)隨著翅片管表面積灰厚度的增加而減小，凝汽器壓力隨積灰厚度的增加而增大，當(dāng)積灰厚度增加時，空氣的溫升與凝結(jié)蒸汽量逐漸降低，說明翅片管表面積灰影響了凝汽器的換熱，降低了積灰單元的換熱能力。

當(dāng)翅片管表面積灰超過1．0mm時，凝汽器的壓力達(dá)到了32 kPa，此時機(jī)組背壓已經(jīng)超過警戒背壓(30 kPa)，將會嚴(yán)重影響機(jī)組的安全運(yùn)行。

2．2 潔凈單元理論計算

以一個積灰單元與一個潔凈單元為研究對象，當(dāng)凝汽器翅片管表面保持潔凈時，傳熱系數(shù)K與理想情況下計算一致，在某一積灰厚度下，積灰單元和潔凈單元同時參與換熱，積灰單元減少的那部分散熱流量轉(zhuǎn)移到了潔凈單元。積灰在影響積灰單元的換熱的同時也間接影響了潔凈單元，對潔凈單元而言，當(dāng)積灰單元積灰厚度逐漸增大時，潔凈單元各參數(shù)也發(fā)生變化，計算結(jié)果見表3。

圖2 積灰單元參數(shù)隨翅片管積灰厚度的變化曲線

表3 潔凈單元參數(shù)變化

表3中的計算數(shù)據(jù)與表2一一對應(yīng)，在積灰單元的溫升降低時，潔凈單元也隨之增大;在積灰導(dǎo)致積灰單元壓力升高時，潔凈單元的壓力也隨之升高。積灰單元凝結(jié)的蒸汽量減少，潔凈單元也隨之增多。依據(jù)計算結(jié)果，繪制積灰厚度與潔凈單元的各參數(shù)的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 清潔單元參數(shù)隨翅片管積灰厚度的變化曲線

由于積灰單元的翅片管表面有大量積灰，隨著積灰的增加潔凈單元的溫升也增加，影響了與蒸汽的換熱，所凝結(jié)的蒸汽量減少，從而使?jié)崈魡卧袚?dān)的散熱量增多，溫升也相應(yīng)增加。

3 結(jié)束語

在積灰單元與潔凈單元對比的情況下，在翅片管局部積灰以后，換熱情況發(fā)生惡化，散熱器效率減小，所能凝結(jié)的蒸汽量減少，空氣溫升相應(yīng)降低，凝汽器壓力升高。雖然潔凈單元換熱情況不變，但額外增加了積灰單元轉(zhuǎn)移來的散熱流量使空氣溫升增大，凝汽器壓力升高，最終影響機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)性，因此，對于直接空冷凝汽器來說，適時去除積灰是必須的。

電廠中處理積灰的方法一般是采用高壓水沖洗翅片管，這種方法雖然有效，但同時也消耗了大量的水，這與直接空冷機(jī)組節(jié)水的初衷相悖。當(dāng)積灰不是很嚴(yán)重時，一般的調(diào)節(jié)方法是調(diào)整風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速［9］，靠增加換熱的空氣量來達(dá)到強(qiáng)化換熱之目的，使轉(zhuǎn)移到潔凈單元的那部分蒸汽重新回到積灰單元，降低機(jī)組背壓。

［1］溫高．發(fā)電廠空冷技術(shù)［M］．北京:中國電力出版社，2008:15－35．

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［3］張鴻堅．關(guān)于空冷電廠汽輪機(jī)運(yùn)行特性的討論［J］．現(xiàn)代電力，2003，20(2):10 －15．

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［8］楊立軍，杜小澤，楊勇平，等．火電站直接空冷凝汽器積灰監(jiān)測［J］．熱能動力工程，2007，22(2):172 －175．

［9］楊立軍，杜小澤，楊勇平．風(fēng)機(jī)群分區(qū)調(diào)節(jié)對空冷島傳熱特性的影響［J］．工程熱物理學(xué)報，2010，31(1):146－148．