直接空冷機(jī)組冷端傳熱特性研究

【摘要】由于直接空冷機(jī)組在實(shí)際的運(yùn)行過程中，夏季汽輪機(jī)在運(yùn)行時(shí)背壓較高，對直接空冷系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來較大的影響。本文針對接空冷機(jī)組冷端傳熱的特性，提出了冷端傳熱改進(jìn)的方案，并對其安全經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】直接空冷機(jī)組；冷端傳熱特性；尖峰冷卻系統(tǒng)

引言

在煤炭資源較為豐富而水資源相對較為稀少的地區(qū)，電廠新投入的機(jī)組凝氣設(shè)備多采用直接空冷系統(tǒng)。由于機(jī)組在實(shí)際的運(yùn)行過程中，夏季的汽輪機(jī)在運(yùn)行時(shí)背壓較高，對直接空冷系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來較大的影響。在機(jī)組中加裝噴水系統(tǒng)，通過噴水系統(tǒng)降溫雖然具有一定的效果，但是因噴水量有限，對機(jī)組高溫下高背壓的情況無法從根本上解決，而且噴水降溫還會導(dǎo)致散熱器表面出現(xiàn)水垢現(xiàn)象，影響散熱器本身的換熱能力。為了使直接空冷機(jī)組夏季背壓高的情況得到解決，就需要對汽輪機(jī)冷端的散熱能力進(jìn)行改進(jìn)，提升機(jī)組冷端傳熱性能。

1、直接冷空機(jī)組的概述

直接冷空機(jī)組是利用環(huán)境空氣來冷卻汽輪機(jī)排汽的汽輪發(fā)電機(jī)組，在冷卻部分上，直接冷空機(jī)組與濕冷機(jī)組有著很大的不同。直接空冷機(jī)組主要由排汽管道、空冷凝汽器、真空抽氣系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)和沖洗系統(tǒng)五部分組成。[1]直接冷空機(jī)組這五個(gè)組成部分中，空冷凝汽器在系統(tǒng)中具有重要作用，占據(jù)核心部分，分主凝汽器和輔凝汽器，主要通過外接空氣來使汽輪機(jī)排汽冷卻，因此，直接空冷機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與空冷凝汽器所處的外在條件和運(yùn)行的好壞密切相關(guān)。汽機(jī)排汽通過排汽管道，通過軸流冷卻風(fēng)機(jī)加強(qiáng)與空冷凝汽器換熱，冷卻風(fēng)機(jī)帶來的空氣不斷與空冷換熱器換熱冷凝成凝結(jié)水，冷凝成的水通過除氧、收集，最終由凝結(jié)水泵打入汽輪機(jī)的回?zé)嵯到y(tǒng)。在空冷凝汽器中，主凝汽器和輔凝汽器分別設(shè)計(jì)成氣水順流式和汽水逆流式。汽輪機(jī)的排汽大部分都是通過主凝汽器被冷卻形成凝結(jié)水，另外一部分則通過輔凝汽器被冷卻，而為了保證系統(tǒng)的真空度，在輔凝汽器的逆流管頂部設(shè)有真空系統(tǒng)以保證系統(tǒng)的真空度，避免不凝結(jié)氣體導(dǎo)致冬季管束凍結(jié)的情況發(fā)生，或影響空冷凝汽器的換熱效果[2]。

2、直接空冷機(jī)組增容改造

我國在早期生產(chǎn)的300MW級亞臨界直接空冷機(jī)組，由于在設(shè)計(jì)方面存在含有許多缺陷的地方，所以這就引起了空冷系統(tǒng)散熱面積不足夠能滿足實(shí)際需求和導(dǎo)致汽輪機(jī)與空冷散熱系統(tǒng)不能夠充分的匹配，從而使夏季汽輪機(jī)在運(yùn)作時(shí)會有背壓較高的問題。針對在夏季高溫運(yùn)行時(shí)汽輪機(jī)背壓較高這一情況，電廠采取在空冷系統(tǒng)散熱器表面噴水降溫這一措施?？墒羌词箛娝禍鼐哂幸欢ǖ男Ч?，但是由于噴水量有限的原因，這種方法對機(jī)組高背壓的這種情況不能從根本上解決這個(gè)問題。與此同時(shí)，噴水降溫還會引起一些另外的問題。例如：導(dǎo)致散熱器表面出現(xiàn)水垢，從而影響散熱器本身的換熱能力等等。為了解決直接空冷機(jī)組在夏季背壓高這種問題，我們就必須改進(jìn)汽輪機(jī)冷端的散熱能力，以此來把汽輪機(jī)冷端的損失降到最低[3]。到目前為止，我們所能使用的增加汽輪機(jī)冷端散熱能力的方式主要有：（1）直接空冷改造方案（2）面式間接空冷改造方案（3）蒸發(fā)式尖峰冷卻器系統(tǒng)方案。

2.1直接冷空改造方案

直接冷空改造方案，是指通過增加一列或者多列風(fēng)機(jī)單元，從而使直接空冷系統(tǒng)的散熱面積得到擴(kuò)大，再實(shí)現(xiàn)降溫的目的。直接空冷系統(tǒng)中的空冷凝汽器可以通過排汽管道接受汽輪機(jī)排汽，汽輪機(jī)排汽在環(huán)境空氣的作用下可以直接冷卻凝結(jié)成水，從而使常規(guī)二次換熱所需要的中間冷卻介質(zhì)，然后增加散熱面的面積，從而使得夏季滿發(fā)被限降低，同時(shí)可以減少對煤耗量。要讓直接空冷系統(tǒng)的改造來實(shí)現(xiàn)降低夏季滿發(fā)，我們就需要對空冷大排汽管道、凝結(jié)水管道、以及抽真空管道等一系列進(jìn)行再設(shè)計(jì)和改造。[4]這套方案是在不增加新系統(tǒng)的情況下對原系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，這就需要對大排汽管道流量和管系的結(jié)構(gòu)應(yīng)力以及空冷平臺結(jié)構(gòu)再次核算，并且這對發(fā)電機(jī)出線和空冷平臺下設(shè)備的布置等問題都會造成一定的影響。

2.2表面式間接空冷改造方案

表面式間接空冷改造方案就是通過分流一部分蒸汽經(jīng)表面式凝汽器的循環(huán)冷卻水冷凝成為凝結(jié)水，再將凝結(jié)水經(jīng)凝結(jié)水泵送入汽輪機(jī)的回?zé)嵯到y(tǒng)。由于表面式凝汽器冷卻水在運(yùn)行過程中溫度升高，而循環(huán)水泵會將溫度升高的冷卻水送到通風(fēng)塔，冷卻水冷卻后會再次進(jìn)入表面式凝汽器中對汽輪機(jī)排汽進(jìn)行冷卻，如此往復(fù)。[5]在實(shí)行表面式間接空冷改造方案時(shí)，我們需要增加凝汽器、循環(huán)水泵和間冷塔等一些的基礎(chǔ)設(shè)施以及設(shè)備，然后對管道流量和管系結(jié)構(gòu)應(yīng)力也需要重新核算，與此同時(shí)，在布置循環(huán)水管道時(shí)，也需要對地下管線和設(shè)備進(jìn)行全面考慮，并且間冷塔需要占據(jù)比較大的一塊土地面積，而且資金投入會相對來說比較大。

2.3蒸發(fā)式尖峰冷卻器系統(tǒng)改造方案

蒸發(fā)式尖峰冷卻器系統(tǒng)方案就是以潛熱換熱為主，根據(jù)傳熱學(xué)理論，主要利用水蒸發(fā)潛熱換熱替代顯熱換熱，由于水的蒸發(fā)潛熱大，故用較少的循環(huán)水量即可滿足換熱需要，換熱效率高。系統(tǒng)主要由換熱模塊、水循環(huán)系統(tǒng)及風(fēng)機(jī)等部分組成。系統(tǒng)在原空冷島主排汽管道上接出另接出蒸汽分配管蒸汽送至蒸發(fā)式冷卻器進(jìn)行冷凝，凝結(jié)水通過凝結(jié)水管道并入原空冷島凝結(jié)水母管或送回至排汽裝置，管外噴淋水吸收管內(nèi)蒸汽冷凝放熱蒸發(fā)變成水蒸氣，在風(fēng)機(jī)的作用下排到大氣中，冷卻水經(jīng)噴嘴噴淋后，沿?fù)Q熱模塊冷凝管的表面形成水膜層下流，通過水循環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)噴淋水的循環(huán)使用。蒸發(fā)式冷卻器設(shè)置有抽真空管線，并入原空冷島抽真空母管。在蒸汽分配管道上設(shè)有膨脹節(jié)和電動蝶閥，膨脹節(jié)用以吸收管道的橫向和軸向等位移；電動蝶閥，在夏季機(jī)組運(yùn)行背壓高時(shí)，打開閥門使一部分蒸汽流至凝汽器進(jìn)行冷卻，緩解直接空冷散熱器的壓力，達(dá)到降低背壓的目的。春、秋、冬季機(jī)組運(yùn)行背壓較低時(shí)，關(guān)閉閥門，僅直接空冷運(yùn)行，達(dá)到節(jié)水節(jié)能之目的。這種方案和表面式間接空冷改造方案相似，同樣需要增加換熱模塊、噴淋水泵和冷卻風(fēng)機(jī)等基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備，對管道流量和管系結(jié)構(gòu)應(yīng)力需要重新進(jìn)行核算，同時(shí)在布置循環(huán)水管道時(shí)，需要對地下管線和設(shè)備進(jìn)行綜合考慮，且需要增加用水量。增加汽輪機(jī)冷端散熱能力的方式有直接空冷改造方案、表面式間接空冷改造方案和蒸發(fā)式尖峰冷卻器系統(tǒng)方案，但在綜合考慮改造方案所需要的場地和資源的情況下，采用蒸發(fā)式尖峰冷卻系統(tǒng)方案是一種較為理想的方案。通過裝設(shè)尖峰冷卻系統(tǒng)，能對空冷系統(tǒng)的換熱條件進(jìn)行有效改善，使空冷散熱器入口的溫度得到有效降低，對直接空冷系統(tǒng)夏季真空度的提高具有重要作用。

3、蒸發(fā)式濕尖峰冷卻器系統(tǒng)

3.1尖峰冷卻器系統(tǒng)的降背壓能力

尖峰冷卻器系統(tǒng)的換熱系統(tǒng)噴淋量，以及系統(tǒng)都對空冷散熱器入口的空氣溫度具有決策性作用。噴淋能力和換熱系統(tǒng)的噴水量則取決于空氣的濕球溫度與干球溫度的差值。然而尖峰冷卻器系統(tǒng)的降背壓能力計(jì)算方法就是根據(jù)空氣中的干球溫度與濕球溫度的差值來計(jì)算的。其算法為△T=[d2（hv2-hf）-d1（hv1-hf）]/Cpa，d1=0.622Φ1pa1/（pa-pa1），d2=0.622Φ2pa2/（pa-pa2）。在上述關(guān)系中，hv1和hv2代表干球溫度和濕球溫度對應(yīng)的蒸汽焓，d1，d2代表濕空氣及飽和濕空氣對應(yīng)的比濕度，hf代表濕球溫度下的飽和水焓，Φ1，Φ2代表相對濕度（Φ2=1），pa1，pa2代表干球溫度對應(yīng)的蒸汽飽和壓力和濕球溫度對應(yīng)的蒸汽飽和壓力，pa代表空氣壓力。[6]由關(guān)系式可知，空氣吸水能力和空氣濕度以及干球溫度有密切聯(lián)系，并且空氣干球濕度與濕球溫度差對其具有重要的決定作用。如，當(dāng)干球溫度為10℃時(shí)，空氣濕度變化與干球溫度比值在空氣濕度為0時(shí)，其比值為4.015，當(dāng)空氣濕度為0.5時(shí)，其比值為4.072；當(dāng)干起溫度為28攝氏度時(shí)，空氣濕度變化與干球溫度比值在空氣濕度為0時(shí)，其比值為4.052，當(dāng)空氣濕度為0.5時(shí)，其比值為4.183；當(dāng)干起溫度為40攝氏度時(shí)，空氣濕度變化與干球溫度比值在空氣濕度為0時(shí)，其比值為4.072，當(dāng)空氣濕度為0.5時(shí)，其比值為4.309。而當(dāng)空氣濕度增加且干球溫度降低時(shí)，那么空氣的干球溫度與濕球溫度之間的差值當(dāng)然會減少，空氣的吸水的能力也就降低，并且降溫能力減弱。當(dāng)一般環(huán)境溫度在30℃時(shí)，我們就需要噴淋系統(tǒng)發(fā)揮降溫作用。在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定的情況下，風(fēng)機(jī)的風(fēng)溫增加，那么風(fēng)機(jī)的風(fēng)量就會減少，而且噴淋系統(tǒng)在不同的溫度下，空氣冷卻幅度將會持平。所以通過關(guān)系式計(jì)算可知，當(dāng)環(huán)境溫度處于30℃至40℃之間時(shí)，對應(yīng)濕度下的干球和濕球差值處于8℃至10℃之間，但是因?yàn)槔碚撔Чc實(shí)際效果有一定不同，所以系統(tǒng)實(shí)際的冷卻幅度一般會達(dá)到8℃左右。

3.2某660MW機(jī)組蒸發(fā)式尖峰冷卻系統(tǒng)投運(yùn)前后性能比較

蒸發(fā)式尖峰冷卻系統(tǒng)在夏季高背壓工況下，當(dāng)最大冷卻水量達(dá)304t/h，低于缸排汽壓力降低11.64kpa，達(dá)到設(shè)計(jì)值，機(jī)組功率增加16.9MW；當(dāng)環(huán)境溫度在20-25℃時(shí)，負(fù)荷小于500MW時(shí)，排汽壓力降低1.55kPa，機(jī)組功率增加3.94MW。當(dāng)機(jī)組功率大于600MW時(shí)，環(huán)境溫度小于20-25℃時(shí)，排汽壓力降低4.07kpa，機(jī)組功率增加6.36MW。當(dāng)運(yùn)行機(jī)組背壓小于15kPa，不需投入尖峰冷卻裝置。當(dāng)環(huán)境溫度在大于25℃時(shí)，負(fù)荷653MW，背壓23.65kPa時(shí)，投入后排汽壓力降低7.55 kPa，機(jī)組功率增加13.84MW；負(fù)荷644MW，背壓32kPa時(shí)，投入后排汽壓力降低11.63kPa，機(jī)組功率增加16.89MW；機(jī)組排汽壓力的降低值和功率增加值受機(jī)組運(yùn)行背壓的影響，機(jī)組運(yùn)行背壓越高，投入尖峰冷卻系統(tǒng)后。低壓缸排汽壓力降低值和發(fā)電機(jī)功率增加值越大。由直接冷空機(jī)組的尖峰冷卻系統(tǒng)投用前后相關(guān)數(shù)據(jù)比較結(jié)果可知，先鋒冷卻系統(tǒng)夏季高背壓投入以后，直接空冷機(jī)組運(yùn)行背壓顯著降低，機(jī)組電功率明顯增加。

4、設(shè)備改造投運(yùn)后的經(jīng)濟(jì)分析

4.1用煤消耗情況

蒸發(fā)式尖峰冷卻器投入使用以后，在額定負(fù)荷工況下，運(yùn)行背壓32kPa時(shí)，投入后背壓下降幅度達(dá)到11.63KPa，降幅較大，汽機(jī)效率同比升高了4.42%。在鍋爐效率一定的情況下，蒸發(fā)式尖峰冷卻器投入使用以后，除廠用電率的影響因素，供電用煤消耗每千瓦時(shí)減少了14克。在運(yùn)行背壓23.65kPa時(shí)，投入后背壓下降幅度達(dá)到7.55KPa，供電用煤消耗每千瓦時(shí)減少了9克。如果按這種標(biāo)準(zhǔn)算，由于每噸煤價(jià)為700元，設(shè)備于6、7、8月（共3月）運(yùn)行，夏季運(yùn)行小時(shí)數(shù)：3×30×24×5500/8760=1244小時(shí)。TRL工況，汽輪機(jī)滿發(fā)背壓為40kPa以上，環(huán)境溫度25℃以上的實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷率為92%，改造后在環(huán)境溫度為25℃至35℃以上全部滿發(fā)，累計(jì)小時(shí)數(shù)1224h。增加發(fā)電收益為60×104kW×（1-92%）×1224h×5500h/8760h×0.386元/kwh =1423.86萬元/年；每年節(jié)約用煤消耗達(dá)到7389.3---11494.5噸，為電廠節(jié)約燃料費(fèi)用達(dá)到515.9----804.6萬元。

4.2廠用電率

從目前計(jì)算情況來看，蒸發(fā)式尖峰冷卻器投入使用以后，電廠機(jī)組用電功率增加了1600千瓦，在額定負(fù)荷工況一定的情況下，使廠用電率增加了0.12-0.24%左右。但是由于機(jī)組在尖峰冷卻系統(tǒng)的投入使用后效率得到較大幅度的提高，而且用煤消耗量減少，使輸煤系統(tǒng)、送風(fēng)機(jī)、電泵等一系列設(shè)備和設(shè)施的用電消耗量大為減少，使尖峰冷卻系統(tǒng)所增加的用電量得到有效的填補(bǔ)。目前輸煤系統(tǒng)、送風(fēng)機(jī)、電泵等一系列設(shè)備和設(shè)施的用電消耗量大為減少值與尖峰冷卻系統(tǒng)所增加的用電量基本保持平衡，如果在對機(jī)組進(jìn)行精細(xì)化調(diào)整，在運(yùn)行方式上進(jìn)行合理優(yōu)化，廠用電量將進(jìn)一步減少，而且對機(jī)組運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的降低具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

4.3發(fā)電水耗

蒸發(fā)式凝汽器循環(huán)水僅需保證換熱管表面布水均勻即可，循環(huán)水量僅為水冷循環(huán)水量1/5。蒸發(fā)式凝汽器設(shè)備全封閉，在風(fēng)機(jī)作用下形成微負(fù)壓狀態(tài)，蒸發(fā)溫度低潛熱大，降低蒸發(fā)用水。蒸發(fā)式凝汽器采用高效收水器，可保證風(fēng)吹損失在0.01%以下，大大降低風(fēng)吹損失。加利佛尼亞州能源委員會收錄的文獻(xiàn)指出蒸發(fā)式凝汽系統(tǒng)與帶冷卻塔的水冷凝汽系統(tǒng)相比，蒸發(fā)式凝汽系統(tǒng)的全年耗水量可降到水冷凝汽系統(tǒng)的50%。

按照目前尖峰冷卻器機(jī)力塔實(shí)際補(bǔ)水量的計(jì)算分析，尖峰機(jī)力塔的按最大蒸發(fā)量為每小時(shí)220噸，每年補(bǔ)水量為37.8萬噸，除開噴淋系統(tǒng)減少的補(bǔ)水量，在尖峰冷卻系統(tǒng)投入使用以后，發(fā)電用水年增加中水補(bǔ)水量為37.8萬噸。補(bǔ)水量的增加將使廠發(fā)電水耗預(yù)算增加，增加費(fèi)用約為94.5萬元。

4.4機(jī)組安全性

由于尖峰冷卻系統(tǒng)的投入使用，使廠用煤消耗降低，而用煤消耗的減少，則會使鍋爐磨損或者爆炸的幾率進(jìn)一步降低，而且由于制粉系統(tǒng)、電除塵、尾部煙道等系統(tǒng)的磨損也大大減少，從而使機(jī)組的整體運(yùn)行安全性得到進(jìn)一步提高。

4.5節(jié)能效果分析

由于直接冷空系統(tǒng)中的凝汽器運(yùn)行背壓，直接影響到排汽壓力的降低和功率的增加，當(dāng)凝汽器背壓越高，低壓缸排汽壓力降低值就越大，且機(jī)組的發(fā)電功率也會相應(yīng)增加。夏季尖峰冷卻系統(tǒng)的投入使用時(shí)，凝汽器的背壓狀況得到改變，低壓缸排汽壓力降低，熱耗率降低，減少了供電煤耗率，機(jī)組節(jié)能效果顯著。

5、結(jié)語

然而直接空冷系統(tǒng)增加的蒸發(fā)式尖峰冷卻系統(tǒng)，雖然節(jié)能效果強(qiáng)，但是隨著增容量的增加量節(jié)能效果也將會逐漸趨于平緩，特別是在一些環(huán)境溫度中、低的時(shí)段，由于系統(tǒng)增容過大，運(yùn)行就會進(jìn)入機(jī)組阻塞背壓區(qū)域，系統(tǒng)增容就起不到太多的實(shí)際作用，而且還會增加系統(tǒng)的防凍壓力。所以，合理確定系統(tǒng)的改造方法，增加容量，充分具體的考慮機(jī)組實(shí)際運(yùn)行狀況，并且控制運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行方式等綜合因素，才能獲得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。增加蒸發(fā)式尖峰冷卻系統(tǒng)，對于直接空冷機(jī)組在過夏安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中的問題的解決具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，并且對直接空冷機(jī)組夏季背壓高的情況下所出現(xiàn)的問題，使其可以得到根本性的解決，并同時(shí)可以大大提高機(jī)組運(yùn)行的安全可靠性。并且尖峰冷卻系統(tǒng)在直接空冷機(jī)組中的應(yīng)用中，表現(xiàn)出了較為顯著的效果，并且其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較強(qiáng)，是值得我們廣泛推廣的應(yīng)用。