超（超）臨界直接空冷機組空冷系統(tǒng)模型建立

盧日時，趙云云

（哈爾濱汽輪機廠輔機工程有限公司，哈爾濱 150090）

1 引言

我國的能源結構決定了在未來很長一段時間內燃煤火力發(fā)電廠會占據電力行業(yè)中的較大份額?；鹆Πl(fā)電需要消耗大量的水資源，而我國又是一個貧水國家，人均占有水量僅有世界人均水平的1/4，是世界上人均占有水資源最貧乏的13個國家之一。近年來，日益凸顯的缺水問題限制了部分地區(qū)火力發(fā)電廠建設和發(fā)展。所以空冷機組在水資源缺乏的地區(qū)得到了廣泛應用，并具有廣闊的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

國內先后引進投產了200MW、300MW、600MW 和1000WM 等級的空冷機組，這些大型空冷機組的投運，提升了國內空冷機組的應用水平。尤其是世界上首臺1000WM 超超臨界直接空冷機組2010 年在靈武電廠的成功引進投產，標志著我國在直接空冷機組應用技術方面走在了世界前列。由于1000MW 超超臨界機組在發(fā)電煤耗、減少污染物排放、節(jié)約水資源等方面具有明顯的優(yōu)勢，將是我國未來空冷機組建設的優(yōu)選。直接空冷機組的整體性能體現(xiàn)在設計和運行兩個方面，針對直接空冷系統(tǒng)的運行特點，在直接空冷機組設計和運行必須考慮空冷凝汽器的背壓、散熱面積、風機電耗、環(huán)境因素等方面的相互關系，以期使直接空冷機組的安全性、經濟性得到保證和優(yōu)化。

本文著眼于1000MW 超超臨界直接空冷機組空冷系統(tǒng)主要參數(shù)關系模型建立，其研究成果對發(fā)展我國超（超）臨界直接空冷機組自主設計與生產技術具有重要意義。

2 研究內容

直接空冷系統(tǒng)又稱空氣冷凝凝汽器（ACC）系統(tǒng)，是指汽輪機的排汽直接用環(huán)境空氣通過散熱器蒸汽冷凝成凝結水。直接空冷系統(tǒng)凝汽器由散熱器組成，根據散熱器管束內部蒸汽和凝結水的相對流動方向，又分順流空冷和逆流空冷。其中順流空冷冷卻大部分（約75%～80%）的汽輪機排汽，未凝結的蒸汽進入到逆流空冷系統(tǒng)中凝結，最后由逆流凝汽器上部的真空抽吸設備抽出不凝結氣體，避免在運行過程中空冷系統(tǒng)內部的形成死區(qū)，導致?lián)Q熱惡化。

研究直接空冷系統(tǒng)的變工況特性就是要確定空冷凝汽器壓力的影響因素，找出各因素對空冷凝汽器壓力的影響規(guī)律。通過對空冷凝汽器全工況運行性能研究，分析汽輪機背壓在各個不同工況下隨初始溫差等因素的變化規(guī)律，為優(yōu)化運行直接空冷系統(tǒng)和提高空冷系統(tǒng)的經濟性提供了理論依據。

3 直接空冷系統(tǒng)數(shù)學模型

3.1 空冷凝汽器傳熱計算

式中，Qs為管內蒸汽凝結放熱量，kJ；Gs為汽輪機排汽量，kg/s；hs為汽輪機排汽焓，kJ/kg；hc為凝結水焓，kJ/kg。

式中，Qa為管外空氣吸熱量，J；vF-空冷凝汽器迎面風速，m/s；ta1為空氣進口溫度，℃；ta2為空氣出口溫度，℃；AF為空冷凝汽器迎風面積，m2；ρa為空冷凝汽器入口空氣密度，kg/m3；ca為空氣比熱，J/（kg·K）。（3）空冷凝汽器總換熱量不考慮空冷凝汽器的散熱損失，根據熱平衡原理有：

式中，Q為空冷凝汽器總換熱量，J；A為空冷凝汽器總換熱表面積，m2；k為空冷凝汽器總換熱系數(shù)，W/（m2·K）；Δtm為對數(shù)換熱溫差，℃。

（4）空冷凝汽器的傳熱單元數(shù)NTU 及效率η

式中，AF為散熱器的迎風面積，m2；AG為散熱器光管外表面積，m2；kG為光管換熱系數(shù)，W/（m2·K）；Z為光管面積與迎風面積之比Z=AG/AF。

（5）空氣通過散熱器溫升Δta

（6）空冷凝汽器蒸汽的凝結溫度ts及排汽溫度

通過對空冷凝汽器傳熱方程、能量平衡方程、空冷凝汽器效能、傳熱單元數(shù)的推導，可計算出空冷凝汽器內凝結溫度：

排汽管道的散熱損失，一般慣例都是采用對溫度取溫降的方法處理。溫降的取值由管道直徑、保溫厚度、管道走向、長度決定，通常數(shù)值基本相同，為2℃～3℃。

空冷凝汽器壓力查水蒸氣性質表可得。

3.2 汽輪機末級排汽壓力

汽輪機末級排汽壓力(汽輪機背壓)或者凝汽器壓力一般被理解為冷端壓力，如果嚴格一點來說，二者卻是兩個完全不同的壓力。一般來說低壓缸末級動葉片出口截面處的靜壓力是汽輪機背壓，以pk表示。而空冷凝汽器內部靜壓力稱為凝汽器排汽壓力，以pc表示。

由于空冷機組的凝汽器壓力和背壓在數(shù)值上是有很大差別的，考慮壓損，存在以下計算模型：

式中，pk為汽輪機末級排汽壓力，kPa；pc為空冷凝汽器的壓力，kPa；Δp1為排汽管道中的壓力損失，kPa；Δp2為水蒸汽柱引起的壓差，kPa。

式中，D0表示末級排汽流量；下角標od 代表變工況。

電站直接空冷系統(tǒng)是在額定工況下設計的（簡稱設計工況），各設計參數(shù)如設計背壓、冷卻面積、設計汽溫是通過多種經濟技術方案的比較優(yōu)化得到的，直接空冷系統(tǒng)在設計工況下運行，理論上應該能達到最佳運行狀態(tài)。

排汽壓損與空冷系統(tǒng)的結構有關，目前沒有統(tǒng)一的數(shù)值和計算方法，如給定空冷系統(tǒng)的結構尺寸，可以通過理論計算和數(shù)值模擬方法進行計算，作為設計參考依據。目前通常采用如下方法，初設時采用經驗數(shù)值設計，待設計院提供管道設計結果后，對管道內流動通過數(shù)值軟件進行核算，根據計算結果修訂取值。

3.3 ITD的優(yōu)化

直接空冷系統(tǒng)初始溫差（ITD），即汽輪機排汽飽和溫度與進入空冷凝汽器的空氣溫度之差。當確定了環(huán)境溫度和ITD 值后，汽輪機的排汽的相關參數(shù)（飽和溫度、壓力、出力和排放的熱量）也隨之確定。因此，ITD 值的高低影響到機組發(fā)電量和空冷凝汽器面積。ITD 值直接反映了空冷系統(tǒng)初投資和運行費用的關系。ITD 值高，空冷凝汽器可利用的傳熱溫差就大，根據傳熱學公式，那么所需散熱面積相對就小，那么空冷系統(tǒng)初投資就少，但汽輪機熱效率降低，機組煤耗上升，運行費用上升；ITD 值低，則反之。所以，需要綜合考慮多種因素確定ITD 值。

直接空冷系統(tǒng)的優(yōu)化最常用的方法就是年費用最小法，即計算某工程多種可能實施方案的一次性投資，以及在經濟服務年限內逐年支付的運行費用；然后按動態(tài)經濟規(guī)律將投資與運行費用換算到指定年，再在經濟服務年內等額均攤，最后比較各方案的年總費用，最佳方案為年最少費用的方案。所以選取空冷系統(tǒng)的年總費用作為尋優(yōu)過程的目標函數(shù)。計算過程：首先假設一系列ITD值，根據假設值計算出的各個ITD 對應的年總費用，其中最小的年總費用對應的ITD 值為最佳ITD。

4 模型建立及應用實例

本模型使用Excel 表結合VB 程序實現(xiàn)，輸入界面如圖1。分別以某電廠1000MW 空冷機組為例驗證模型計算的準確性。

（1）散熱面積設計結果

電廠所處環(huán)境夏季溫度為29.3℃，排汽壓力為33kPa，考核工況設計結果1971780m2小于設計工況結果2132278.225m2，最終結果取值為設計工況設計結果80個散熱單元，2132278.225m2，結果輸出見表1、表2。

圖1 模型輸入界面

表1 1000MW 空冷機組不同設計溫度下散熱面積輸出結果

表2 空冷凝汽器系統(tǒng)考核工況計算及要求

表3 不同ITD 值輸出結果

電力設計院設計結果為2133220m2，數(shù)值差別為（2133220-2132278.225）/2133220=0.04%。散熱單元數(shù)相同。

（2）設計背壓計算

散熱面積為2133220m2（電力設計院結果），散熱器迎面風速2.1m/s，環(huán)境溫度為14.00℃時機組背壓為12.8kPa（設計工況）。環(huán)境溫度33.00℃時機組背壓為25.75kPa（考核工況）。

（3）ITD 優(yōu)化結果

受上網電價、煤價、水價、空冷凝汽器單價、風機單價等數(shù)據限制，本設計實例ITD 優(yōu)化結果為估算。ITD 優(yōu)化結果前5 名為38、37、39、36、40。受夏季考核工況的限制，為滿足機組夏季運行背壓要求，設計ITD應小于：43.7℃。不同ITD值輸出結果見表3。

5 結論

針對直接空冷系統(tǒng)的運行特點，在直接空冷機組設計和運行必須考慮空冷凝汽器的背壓、散熱面積、風機電耗、環(huán)境因素等方面的相互關系，通過建立空冷系統(tǒng)主要參數(shù)相互關系的模型，根據模型的計算結果選擇ITD 最佳值，分析直接空冷機組的運行的安全性、經濟性，從而為直接空冷系統(tǒng)的優(yōu)化運行和提高經濟性提供理論依據。

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