直接空冷機(jī)組空冷島地下進(jìn)風(fēng)技術(shù)研究

周蘭欣，王 喆，吳紅杰

(華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引言

直接空冷機(jī)組凝汽器是用空氣來(lái)冷卻汽輪機(jī)排汽的，其換熱性能受環(huán)境參數(shù)影響很大，空氣溫度每降低1℃，凝汽器壓力降低1 kPa左右，發(fā)電煤耗降低約2.5 g/kW·h。

目前，直接空冷機(jī)組凝汽器布置于標(biāo)高40余m的空冷平臺(tái)上。因?yàn)檫M(jìn)風(fēng)口高位布置，受環(huán)境條件影響大[1～3]，容易出現(xiàn)熱風(fēng)回流[4]、倒灌，凝汽器翅片表面不清潔，凝結(jié)水含氧量高和冬季設(shè)備凍結(jié)等問(wèn)題[5];其中，夏季排汽壓力高和傳熱管傳熱系數(shù)低的問(wèn)題尤為突出。

已有學(xué)者針對(duì)空冷島的結(jié)構(gòu)做了優(yōu)化研究工作[6，7]。本文提出空冷凝汽器采取地下進(jìn)風(fēng)的布置方式，可緩解上述諸多問(wèn)題，為空冷島結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一個(gè)新思路。

1 空冷島地下進(jìn)風(fēng)技術(shù)方案

1.1 結(jié)構(gòu)布置

所謂空冷島地下進(jìn)風(fēng)，是將空冷平臺(tái)高度由目前的40余m，降低到如圖1所示的接近地面布置圖，環(huán)境空氣通過(guò)地下通道進(jìn)入到風(fēng)機(jī)的入口，如圖2。

空冷平臺(tái)低位放置后，除汽機(jī)房一側(cè)外，其他三側(cè)各布置一個(gè)地下進(jìn)風(fēng)通道。在進(jìn)風(fēng)口處加裝空氣濾網(wǎng)，在地下風(fēng)道里布置除鹽水噴霧裝置，對(duì)進(jìn)入的空氣進(jìn)行冷卻降溫和凈化，風(fēng)道的內(nèi)壁裝設(shè)不銹鋼板，以方便回收除鹽水。

圖1 當(dāng)前空冷島高位布置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Fig．1 Structure diagram of air-cooled island of high altitude layout

圖2 空冷島地下進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of air-cooled island with underground ventilation

1.2 通流面積計(jì)算

某600 MW直接空冷機(jī)組有56個(gè)空冷單元，每個(gè)單元的凝汽器迎風(fēng)面面積約為220 m2，空冷島56臺(tái)風(fēng)機(jī)的總通流面積約為2 710 m2。

夏季額定工況下，維持凝汽器壓力與熱負(fù)荷不變，計(jì)算得到地下風(fēng)道內(nèi)空氣流速不同時(shí)，所需風(fēng)道通流面積與空氣溫度的關(guān)系，如圖3。

圖3 風(fēng)道通流面積與空氣溫度關(guān)系Fig.3 Relationship between the flow area of wind channel and air temperature

2 地下進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)分析

空冷島地下進(jìn)風(fēng)布置方式，主要有以下優(yōu)勢(shì):

(1)避免了熱風(fēng)回流和倒灌?？绽鋶u地下進(jìn)風(fēng)方式中，冷空氣經(jīng)過(guò)地下風(fēng)室進(jìn)入散熱器，風(fēng)室內(nèi)空氣流場(chǎng)相對(duì)均勻穩(wěn)定。風(fēng)機(jī)入口沒(méi)有橫向風(fēng)的影響，進(jìn)入空冷單元的空氣分布均勻，通風(fēng)量穩(wěn)定，可有效防止“熱風(fēng)回流”和“倒灌”現(xiàn)象的發(fā)生，減少環(huán)境大風(fēng)對(duì)凝汽器通風(fēng)量的影響。

(2)地下土壤層是一個(gè)大的蓄熱體，溫度較為恒定，地下室冬暖夏涼。在高溫的夏季，經(jīng)由地下風(fēng)道進(jìn)入風(fēng)室的空氣，會(huì)得到一定程度的冷卻，溫度有所降低;冬季，空氣得到壁面的加熱，有利于凝汽器防凍。

(3)凈化空氣，提高傳熱效果。在地下風(fēng)道入口處加設(shè)篩型濾網(wǎng)，通道內(nèi)部設(shè)噴霧裝置，不但對(duì)空氣有增濕降溫的作用，而且還可以對(duì)流動(dòng)空氣中的雜物及灰塵進(jìn)行過(guò)濾，避免了對(duì)換熱器翅片的污染，有利于傳熱。

(4)回收除鹽水。為了保證夏季凝汽器真空，直接空冷機(jī)組都采用除鹽水進(jìn)行“噴霧增濕”。600 MW機(jī)組在夏季高溫時(shí)段噴水量約200 t/h，而每年由于噴霧損失掉的除鹽水量近80 000 t，經(jīng)濟(jì)損失約200萬(wàn)元。空冷島地下進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)，在地下風(fēng)道的內(nèi)壁面裝設(shè)不銹鋼板，以回收過(guò)量的除鹽水，沉淀、凈化處理后循環(huán)使用，節(jié)約用水。

(5)減小排汽阻力，提高凝汽器真空。空冷平臺(tái)高度降低以后，通往凝汽器的粗大排汽管道長(zhǎng)度大大縮短，管道阻力損失降低，且垂直排汽管里的蒸汽柱壓降減小，使汽輪機(jī)背壓降低。經(jīng)計(jì)算，600 MW空冷機(jī)組在額定負(fù)荷工況下，由于標(biāo)高降低而縮短的管道的沿程阻力損失[8]約為0.033 kPa，蒸汽柱產(chǎn)生的壓降約為0.063 kPa，上述兩項(xiàng)損失之和為0.096 kPa。

(6)減少投資。排汽管道隨空冷平臺(tái)高度的降低而變短，減少了管道鋼材使用量;同時(shí)，空冷平臺(tái)鋼筋混凝土支柱及其它管線變短，降低了空冷島的整體造價(jià)。

3 凝汽器壓力計(jì)算

600 MW空冷機(jī)組額定工況下排汽熱負(fù)荷為773 MW，下面分別從翅片表面積灰以及環(huán)境風(fēng)溫、風(fēng)速三方面，對(duì)空冷島地上進(jìn)風(fēng)和地下進(jìn)風(fēng)方式下的凝汽器壓力進(jìn)行計(jì)算和比較分析。

3.1 凝汽器傳熱計(jì)算

空氣在翅片間流動(dòng)處于層流狀態(tài)，采用Sieder-Tate公式[9]計(jì)算其對(duì)流傳熱系數(shù):

式中:l為沿空氣流動(dòng)方向上翅片長(zhǎng)度，m;d為翅片間隙當(dāng)量直徑，m;λ為空氣導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K);ηf和ηw分別為平均溫度和壁面溫度下的空氣動(dòng)力粘度，Pa·s。

空氣側(cè)對(duì)流傳熱熱阻是凝汽器散熱的主要熱阻，翅片管內(nèi)蒸汽凝結(jié)熱阻以及管壁導(dǎo)熱熱阻數(shù)量級(jí)很小[10]，在此計(jì)算中忽略不計(jì)，同時(shí)不考慮管內(nèi)污垢熱阻，近似認(rèn)為空氣側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)即為凝汽器傳熱系數(shù)。

考慮到翅片表面積灰對(duì)傳熱的影響，凝汽器傳熱系數(shù)[11]:

式中:k0和k'0分別為翅片表面清潔和積灰條件下的傳熱系數(shù)，W/(m2·K);δd為積灰厚度，m;λd為灰導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K);c為積灰系數(shù)，取為0.4;β為翅片管肋化系數(shù)，取14.88。

由效能—傳熱單元數(shù)法[12]，計(jì)算凝汽器內(nèi)的蒸汽溫度t1。凝汽器壓力與蒸汽溫度的關(guān)系[13]:

3.2 積灰對(duì)凝汽器的影響

在地下通道內(nèi)，經(jīng)過(guò)用除鹽水噴霧，進(jìn)入風(fēng)機(jī)的空氣變得干凈，使空冷單元內(nèi)側(cè)的翅片表面積灰減少(裸露在空冷單元外側(cè)的翅片積灰情況沒(méi)有變化)。翅片表面積灰的變化會(huì)影響到散熱器的傳熱系數(shù)和通風(fēng)量。

3.2.1 凝汽器傳熱系數(shù)

根據(jù)凝汽器翅片管束的特征尺寸，考慮迎面風(fēng)速以及翅片表面積灰的影響，計(jì)算得出不同條件下的凝汽器傳熱系數(shù)，如圖4。

3.2.2 通風(fēng)量對(duì)凝汽器壓力的影響

凝汽器翅片表面積灰和其它雜質(zhì)沉積，不僅使凝汽器傳熱系數(shù)降低，而且使翅片間通流面積減少，通風(fēng)量降低[14]。本算例中凝汽器翅片間距為2.3 mm，翅片表面積灰厚度每增加0.1 mm，翅片間隙的通風(fēng)面積降低4.35%，通風(fēng)量也相應(yīng)減小。

圖4 不同條件下的凝汽器傳熱系數(shù)Fig.4 Condenser heat transfer coefficients under different conditions

考慮空冷單元內(nèi)側(cè)翅片表面積灰減少，對(duì)通風(fēng)量產(chǎn)生的影響，得到凝汽器壓力與通風(fēng)量的關(guān)系，如圖5。

圖5 凝汽器壓力與通風(fēng)量的關(guān)系Fig.5 Relationship between condenser pressure and air volume flow rate

由圖5可知，在環(huán)境溫度30℃時(shí)，翅片表面積灰厚度每增加0.046 mm，使凝汽器通風(fēng)量減少2%，壓力升高1 kPa左右。空冷島采用地下進(jìn)風(fēng)的方式，使空冷單元內(nèi)側(cè)翅片表面潔凈，傳熱系數(shù)增加，且空氣流通順暢。與地上進(jìn)風(fēng)方式相比，若翅片表面積灰厚度減少0.138 mm，通風(fēng)量由此增加6%，可使凝汽器壓力降低3～3.5 kPa。

3.3 風(fēng)溫不同時(shí)的凝汽器壓力比較

空氣溫度對(duì)凝汽器壓力的影響十分明顯。不考慮翅片表面積灰變化，散熱器的迎面風(fēng)速為2 m/s，計(jì)算不同環(huán)境溫度下的凝汽器壓力，結(jié)果如圖6。

地上進(jìn)風(fēng)方式，由于熱風(fēng)回流使凝汽器入口空氣溫度高于環(huán)境大氣溫度約0.6℃?？绽鋶u采用地下進(jìn)風(fēng)方式后，避免了空冷單元入口空氣溫度升高;相反，由于地下風(fēng)道的噴淋作用，可使凝汽器入口的空氣溫度降低5～6℃，達(dá)到對(duì)應(yīng)狀態(tài)下的濕球溫度[15]。由圖6可知，隨著風(fēng)溫的降低，凝汽器壓力降低;在相同環(huán)境溫度下，空冷島地下進(jìn)風(fēng)方式相比于地上進(jìn)風(fēng)，可使凝汽器壓力降低5～7 kPa。

圖6 風(fēng)溫對(duì)凝汽器壓力的影響Fig.6 Effect of wind temperature on condenser pressure

3.4 風(fēng)速不同時(shí)的凝汽器壓力比較

環(huán)境風(fēng)會(huì)影響空冷島的通風(fēng)量，尤其當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，會(huì)使部分空冷單元發(fā)生倒灌，嚴(yán)重影響凝汽器的正常通風(fēng)與換熱。在風(fēng)溫為30℃的工況下，不考慮翅片表面積灰變化，計(jì)算不同環(huán)境風(fēng)速時(shí)的凝汽器壓力，如圖7。

圖7 風(fēng)速對(duì)凝汽器壓力的影響Fig.7 Effect of wind velocity on condenser pressure

由圖7可知，地上進(jìn)風(fēng)時(shí)，隨著環(huán)境風(fēng)速的增大，凝汽器壓力明顯升高，且當(dāng)風(fēng)速大于8 m/s時(shí)，凝汽器壓力將超過(guò)35 kPa的極限值;采用地下進(jìn)風(fēng)方式時(shí)，其通風(fēng)量受環(huán)境因素影響很小，環(huán)境平均風(fēng)速3 m/s時(shí)，凝汽器壓力比地上進(jìn)風(fēng)低2.04 kPa，并且，其差別隨風(fēng)速的增大而增大。

3.5 兩種凝汽器布置方式綜合比較

夏季工況，空氣相對(duì)濕度為65%，環(huán)境風(fēng)速為3 m/s。與地上進(jìn)風(fēng)方式相比，在地下風(fēng)道內(nèi)對(duì)空氣進(jìn)行噴水降溫，使凝汽器入口空氣溫度降低6～7℃，翅片表面平均積灰厚度減少0.2 mm，傳熱系數(shù)由25.66 W/(m2·K)增大為28.88 W/(m2?K)。

根據(jù)上述條件，兩種進(jìn)風(fēng)方式下的凝汽器壓力差別，如圖8。

圖8 凝汽器壓力綜合比較Fig.8 Comprehensive comparison of condenser pressure

由圖8看出，環(huán)境溫度為30℃時(shí)，地上進(jìn)風(fēng)的凝汽器壓力將達(dá)到33.29 kPa;采用地下進(jìn)風(fēng)的方式，壓力會(huì)下降到 20.48 kPa，降低了 12.81 kPa。與目前地上進(jìn)風(fēng)方式相比，空冷島地下進(jìn)風(fēng)可使凝汽器壓力降低10～14 kPa，且環(huán)境溫度越高，壓力降低幅度越大。

4 結(jié)論

本文提出了空冷島地下進(jìn)風(fēng)方式，討論了空冷島地下進(jìn)風(fēng)在節(jié)約用水、降低排汽壓力等方面的優(yōu)越性，對(duì)比分析了環(huán)境風(fēng)溫、風(fēng)速等因素對(duì)兩種進(jìn)風(fēng)方式凝汽器壓力的影響，結(jié)論如下:

(1)空冷島采取地下進(jìn)風(fēng)布置方式后，每年可回收利用噴霧增濕除鹽水約80 000 t，減少噴水費(fèi)用約200萬(wàn)元;

(2)空冷島高度降低以后，由于豎直排汽管道變短而使排汽阻力損失降低約0.096 kPa。

(3)空冷島地下進(jìn)風(fēng)方式，能顯著改善空冷單元的工作性能。在夏季同一工況下，可使凝汽器壓力降低10～14 kPa。

(4)空冷平臺(tái)下方需設(shè)置一定通流面積的地下風(fēng)室和風(fēng)道，其內(nèi)部空氣流場(chǎng)分布以及凝汽器換熱效果，需通過(guò)實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬進(jìn)一步驗(yàn)證。

[1]何緯峰，戴義平，馬慶中．環(huán)境風(fēng)對(duì)空冷單元運(yùn)行性能影響的數(shù)值研究[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31(20):13－18．

[2]楊立軍，杜小澤，楊勇平．環(huán)境風(fēng)影響下的空冷島運(yùn)行特性[J]．工程熱物理學(xué)報(bào)，2009，30(2):325－328．

[3]Yang Liyong，Du Xiaoze，Yang Yongping．Wind effect on the thermo-flow performances and its decay characteristics for air-cooled condensers in a power plant[J]．InternationalJournalofThermal Sciences， 2012，(53):175－187．

[4]段會(huì)申，劉沛清，趙萬(wàn)里．電廠直接空冷系統(tǒng)熱風(fēng)回流的數(shù)值模擬[J]．動(dòng)力工程．2008，28(3):395－399．

[5]石維柱．直接空冷機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)研究[D]．北京:華北電力大學(xué)，2010．

[6]周蘭欣，李建波，李衛(wèi)華，等．600MW機(jī)組空冷島外部流場(chǎng)的數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29(17):38－42．

[7]周蘭欣，白中華，李衛(wèi)華．直接空冷機(jī)組空冷島結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J]．汽輪機(jī)技術(shù)，2008，50(2):95－97．

[8]孔瓏，杜廣生，趙蘭水．流體力學(xué)[M]．北京:等教育出版社，2004．

[9]楊世銘，陶文銓．傳熱學(xué) (第四版)[M]．北京:高等教育出版社，2006．

[10]周蘭欣，楊靖，楊祥良．300MW直接空冷機(jī)組變工況特性[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27(17):78－82．

[11]郭民臣，任德斐，李鵬．空冷凝汽器積灰對(duì)運(yùn)行調(diào)節(jié)影響的計(jì)算分析[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32(11):60－65．

[12]邱麗霞，郝艷紅，李潤(rùn)林，等．直接空冷汽輪機(jī)及其熱力系統(tǒng)[M]．北京:中國(guó)電力出版社，2006．

[13]趙靜．直接空冷機(jī)組冷端熱力特性仿真與節(jié)能研究[D]．唐山:河北聯(lián)合大學(xué)，2010．