直接空冷島換熱量與機組背壓關(guān)系的探討

丁振宇，梁晉麗，王 鵬，田永興

（1.寧夏電力公司能源科技有限公司，寧夏 銀川 750011；

2.寧夏水利電力工程學(xué)校，寧夏 銀川 750006）

熱動技術(shù)

直接空冷島換熱量與機組背壓關(guān)系的探討

丁振宇1，梁晉麗2，王 鵬1，田永興1

（1.寧夏電力公司能源科技有限公司，寧夏 銀川 750011；

2.寧夏水利電力工程學(xué)校，寧夏 銀川 750006）

針對600 MW直接空冷機組運行期間背壓不穩(wěn)定且較高，影響機組負荷輸出穩(wěn)定性及滿負荷發(fā)電的問題，基于空冷凝汽器η-NTU算法，對直接空冷島換熱量與機組背壓的關(guān)系進行分析論證。結(jié)果表明：空冷島換熱量與機組的背壓成反向變動關(guān)系,為同類型機組安全運行及背壓預(yù)判提供理論依據(jù)。

空冷島換熱量；空冷凝汽器；機組背壓；直接空冷

隨著我國電力工業(yè)的快速發(fā)展，以及“西電東送”工程的加快建設(shè)，為了緩解用水緊張的局面，在我國西北地區(qū)陸續(xù)建設(shè)了一批大容量、高參數(shù)的直接空冷機組。近年來直接空冷技術(shù)蓬勃發(fā)展，該技術(shù)的使用使得機組耗水量較傳統(tǒng)濕冷機組節(jié)省80%以上，以2×600 MW機組為例，年節(jié)約水資源將達到13×106t，可見其節(jié)水效果相當(dāng)顯著［1］。直接空冷機組的運行特點決定了其運行過程必然受到外界環(huán)境的影響，尤其是夏季炎熱氣候會導(dǎo)致機組不能滿發(fā)電，甚至有跳機的風(fēng)險［2］。外界環(huán)境對直接空冷機組的經(jīng)濟性及安全性的影響，有可能制約直接空冷機組在我國的發(fā)展。本文以國內(nèi)某600 MW直接空冷機組為例，分析直接空冷機組在受到外界環(huán)境溫度影響時，空冷島換熱量變化對機組背壓的影響，從而為直接空冷機組的安全穩(wěn)定運行提供參考。

1 直接空冷系統(tǒng)介紹及空冷機組運行特點

1.1 直接空冷系統(tǒng)

直接空冷系統(tǒng)［3］又稱空氣冷凝系統(tǒng)，是指汽輪機的排汽直接用空氣來冷凝，空氣與蒸汽間進行熱交換的封閉系統(tǒng)。所需冷卻空氣，通常由軸流風(fēng)機供應(yīng)。直接空冷系統(tǒng)主要由空冷凝汽器、排汽管道系統(tǒng)、凝結(jié)水收集系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和空冷凝汽器清洗裝置等6個子系統(tǒng)組成（見圖1）。

圖1 直接空冷系統(tǒng)組成

1.2 直接空冷機組

直接空冷機組是指裝有直接空冷系統(tǒng)的發(fā)電機組。直接空冷機組的工作流程如圖2所示。蒸汽由汽輪機低壓缸排出，通過粗大的排汽管道送到室外的空冷凝汽器內(nèi)，軸流冷卻風(fēng)機使空氣流過空冷凝汽器散熱器的外表面，將排汽冷凝成水，凝結(jié)水再經(jīng)泵送回到汽輪機的回?zé)嵯到y(tǒng)。

圖2 直接空冷機組的工作流程

1.3 直接空冷機組運行特點及問題

1.3.1 直接空冷機組運行特點

（1）用水量少

據(jù)理論計算與實測結(jié)果[4]可知，同等容量的濕冷機組與直接空冷機組相比，空冷系統(tǒng)本身可以節(jié)水97%以上，全廠性節(jié)水約65%，因此直接空冷機組在富煤缺水地區(qū)很受歡迎，直接空冷機組的規(guī)模也在不斷壯大。

（2）排汽管道長，真空系統(tǒng)龐大

空冷凝汽器本身容積很大，而且位于主廠房外，再加上排汽管道長、直徑大，所以直接空冷系統(tǒng)真空容積遠遠大于濕冷機組。大多數(shù)電廠因此設(shè)置有3臺100%容量的真空泵，從而滿足機組的啟動需求。

（3）機組背壓高、變化大

空氣熱容量遠遠小于水，因此空冷機組的冷卻能力較小，雖然空冷凝汽器有很大的換熱面積，但機組背壓還是比濕冷機組高很多，一般設(shè)計背壓為15 kPa或35 kPa，因而供電煤耗比濕冷機組高約3%～5%。氣溫變化和環(huán)境風(fēng)對機組背壓有很大影響，如某電廠一臺直接空冷機組夏季背壓達50 kPa，冬季背壓可達10 kPa［4］。此外風(fēng)機運行方式也直接影響機組背壓的變化。

1.3.2 直接空冷機組運行中存在的問題

由直接空冷機組凝汽器結(jié)構(gòu)和換熱特性知，直接空冷機組在運行中存在不少的問題。例如直接空冷機組易受環(huán)境風(fēng)、夏季高溫限負荷、冬季防凍、凝結(jié)水含氧量及過冷度等問題的影響，其中前2個問題至今都沒有一個很好的辦法徹底解決，成為制約直接空冷機組發(fā)展的直接因素。

2 直接空冷島換熱量與機組背壓的關(guān)系

由于受到外界環(huán)境溫度及環(huán)境風(fēng)的影響，使得空冷機組在運行期間背壓不穩(wěn)定且較高。直接影響到了空冷機組的滿發(fā)電及負荷輸出的穩(wěn)定性，從而造成電網(wǎng)整體負荷受到限制及機組經(jīng)濟性較差。而環(huán)境因素的影響及變化直接導(dǎo)致空冷島換熱量的變化，因此有必要對空冷島換熱量與機組背壓的關(guān)系進行深入研究。

2.1 直接空冷凝汽器熱力計算

工業(yè)換熱器的熱力計算有平均溫差法與η-NTU法2種。在設(shè)計計算和校核計算時，直接空冷凝汽器的熱力計算多采用η-NTU法［5］，因為它計算方便，不用試算空氣溫升，直接利用迎風(fēng)面積和基管面積的關(guān)系就可求得所需數(shù)據(jù)。

2.1.1 NTU的基本概念

NTU是表示散熱器換熱能力大小的一個無量綱量，也是反映空冷散熱器綜合技術(shù)經(jīng)濟性能的指標(biāo)。其定義為流體中熱容量較小的流體溫度變化△ta與傳熱平均溫差△tm之比，即

式中：K—總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；

A—傳熱總面積，m2；

L—空氣量，kg/s；

Ca——空氣的比熱容，J/(kg·k)。

2.1.2 散熱器的效率η

η是指空冷凝汽器的實際散熱量Qr與最大散熱量Qmax之比，即

式中：ITD—直接空冷凝汽裝置的初始溫差，℃；

ta—環(huán)境溫度，即直接空冷凝汽裝置的進口空氣溫度，℃；

ta2—直接空冷凝汽器裝置的出口空氣溫度，℃；

t1—直接空冷凝汽器裝置進口蒸汽溫度，℃；

E—空氣溫升率。

2.2 直接空冷島換熱量計算

空冷島換熱量是指在空冷凝汽器設(shè)計完成后，機組在實際運行中空冷凝汽器系統(tǒng)的整體換熱量?？绽鋶u換熱量的計算公式如下：

式中：Qd—空冷島換熱量，MW；

Qn—單個空冷凝汽器的換熱量，MW；

n—空冷島所含凝汽器的個數(shù)；

D—單個空冷凝汽器的空氣流量，kg/s；

Td—凝汽器內(nèi)蒸汽溫度，℃；

Ta—環(huán)境溫度，℃；

η—凝汽器換熱效率；

Cp—空氣定壓比熱，J/(kg·℃)。

假設(shè)空氣經(jīng)過散熱器后溫度與凝結(jié)水溫度相同，即假設(shè) η=1。其計算還需假設(shè)條件［5］：

（1）傳熱系數(shù)不變；

（2）各流體的流量不變；

（3）各流體比熱不變；

（4）各流體不發(fā)生相變；

（5）散熱損失不計。

2.3 空冷島換熱量與排汽質(zhì)量流量的關(guān)系

式（5）為空冷島換熱量與排汽質(zhì)量流量之間的關(guān)系，凝結(jié)過程為等溫凝結(jié),無熱量損失。

式中：△mAV——排汽質(zhì)量流量變化量，kg/s；

mAVs——設(shè)計換熱量下排汽質(zhì)量流量，kg/s；

mAVn——實際凝結(jié)質(zhì)量流量，kg/s；

Qs—空冷島設(shè)計散熱量，kJ；

Qn—空冷島換熱量，kJ；

Hp—汽輪機排汽焓，kJ/kg；Hn—凝結(jié)水焓，kJ/kg。

2.4 排汽質(zhì)量流量與排汽背壓的關(guān)系

排汽質(zhì)量流量與排汽背壓的關(guān)系［5］如式（6）、式（7）、式（8）所示。

式中：ΦG—等溫凝結(jié)工作特性；

NTUG—凝結(jié)傳熱單元數(shù)。

式中：?DG—設(shè)計狀態(tài)下的凝汽器入口溫度，16℃；

?L1G—設(shè)計入口空氣溫度；

?L2G—設(shè)計出口空氣溫度。

式中：a—常數(shù)，a=23.308 417；

b—常數(shù)，b=3 888.11；

c—常數(shù)，c=229.95；

pDG—設(shè)計狀態(tài)下的凝汽器入口壓力，Pa。

式中：pAG—設(shè)計狀態(tài)下的排汽壓力，Pa。

式中：pAV—由排汽質(zhì)量流量換算出的排汽壓力，Pa；

mAG—設(shè)計狀態(tài)下的排汽質(zhì)量流量，kg/s；

mAV—排汽質(zhì)量流量，根據(jù)試驗實測的排汽壓力和入口空氣溫度在供貨商提供的空冷凝汽器性能特性曲線上查得，kg/s。

3 實例分析

利用以上公式，以國內(nèi)某600 MW直接空冷機組為例，探討THA工況機組背壓隨空冷凝汽器入口空氣溫度變化的關(guān)系。機組相關(guān)參數(shù)如下：THA工況下，汽輪機背壓，13.2 kPa；機組功率，600.274 MW；汽輪機排汽焓，2 423.7 kJ/kg；空冷島設(shè)計散熱量，680 MW；凝結(jié)水焓，214.96 kJ/kg；環(huán)境溫度，16℃；排汽溫度，51℃。假設(shè)空冷凝汽器換熱效率為1，空冷島換熱量與機組背壓的變化量，見表1。

表1 計算結(jié)果

4 效果評價

通過實例計算，由表1可以看出，凝汽器入口空氣溫度每升高1℃，空冷島換熱量減少近20 MJ，機組的背壓就要升高近0.8 kPa。以東方600 MW空冷機組為例：汽輪機真空每提高1 kPa,供電煤耗下降2.103 g/（kW·h）；廠用電率下降1%，供電煤耗下降3.662 g/（kW·h），機組背壓與空冷島換熱量二者呈反向變動關(guān)系，該結(jié)果可為同類型機組的背壓預(yù)判及安全運行提供理論依據(jù)。

5 結(jié)論

（1）通過分析發(fā)現(xiàn)空冷島換熱量直接影響機組背壓的變化，并且二者呈反向變動關(guān)系，以600 MW直接空冷機組為例，空冷島換熱量減少20 MJ，機組的背壓就要升高近0.8 kPa。

（2）在不考慮其他因素影響的前提下，得到環(huán)境溫度與機組背壓的關(guān)系，可以利用氣象預(yù)報提前預(yù)判機組背壓，從而提早做好負荷調(diào)度及事故預(yù)想，提高機組的安全性及經(jīng)濟性。

［1］ 北京龍源冷卻技術(shù)有限公司.電站直接空冷技術(shù)發(fā)展趨勢[C].全國火電空冷機組技術(shù)交流論文.呼和浩特：2007.

［2］ 高增寶，柴靖宇.關(guān)于空冷機組在夏季炎熱期滿發(fā)的問題.電力建設(shè)[J].1998,9:28-31.

［3］ 胡漢波，李隆鍵，張義華，等.直接空冷凝汽器三維流場特性的數(shù)值分析[J].動力工程，2007，27(4):592-595.

［4］ 王軍孝.直接空冷技術(shù)幾個問題的探討[C].中國電機工程學(xué)會火電分會空冷專委會第四屆學(xué)術(shù)年會論文集.杭州：2007.

［5］ 邱麗霞，郝艷紅，李潤林，等.直接空冷汽輪機及其熱力系統(tǒng)[M].北京:中國電力出版社，2006：75-134.

Relationship between direct air cooled island heat exchange capacity and unit back pressure

DING Zhenyu1，LIANG Jinli2,WANG Peng1,TIAN Yongxing1
(1.Ningxia Electric Power Energy Science&Technology Co.,Ltd.,Yinchuan Ningxia 750011,China;
2.Ningxia Hydraulic and Electric Engineering School,Yinchuan,Ningxia 750006,China)

Aiming at the problems of higher and unstable backpressure affecting the full load generation and the load output stability in 600 MW direct air-cooling units operation,based on η-NTU algorithm of the air-cooled steam condenser,analyzes and expounds the relationship between direct air cooled island heat exchange capacity and unit back pressure.The result shows that the direct air cooled island heat exchange capacity and unit back pressure is the contrary change relation. it can provide theoretical basis for safe operation and back pressure forecasting of same type unit.

air cooled island heat exchange capacity;air-cooled steam condenser;back pressure of the unit;direct air cooling

TK264.1

A

1672-3643（2017）01-0063-04

10.3969/j.issn.1672-3643.2017.01.013

2016-11-13

丁振宇（1984），男，工程師，主要從事汽輪機及輔機節(jié)能方面的技術(shù)研究工作。

有效訪問地址：http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-3643.2017.01.013