空冷機組的冷卻空氣流場優(yōu)化問題

楊洪濤

摘 要：直接空冷機組用環(huán)境空氣取代循環(huán)水直接冷卻汽輪機排汽，導(dǎo)致機組煤耗高于同容量濕冷機組；與濕冷機組相比，直接空冷機組用于輸送冷卻空氣的軸流風(fēng)機功耗達(dá)到機組發(fā)電功率的0.8%～1.5%。直接空冷機組能耗高的特點十分顯著。本文針對直接空冷電站空冷單元固有結(jié)構(gòu)缺陷和不足，提出流場優(yōu)化組織思想，對于改善空冷凝汽器流動傳熱特性，降低機組運行背壓，提高機組運行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，具有重要的理論意義。

關(guān)鍵詞：電廠 空冷機組 優(yōu)化

中圖分類號：TK264 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）10（a）-0042-02

1 目前空冷機組存在問題

直接空冷機組存在夏季高溫時出力受限，冬季低溫?fù)Q熱器管束局部凍裂，極端大風(fēng)天氣運行背壓快速升高，甚至導(dǎo)致停機，換熱器管束表面積灰、熱空氣回流及太陽輻射等因素影響機組安全運行等問題。我國北方普遍存在年度高溫和低溫差別大，環(huán)境風(fēng)向、風(fēng)力大小復(fù)雜多變的情況，僅考慮全年平均氣象條件的空冷系統(tǒng)設(shè)計不僅不能滿足機組夏季滿負(fù)荷運行的需求，還存在夏季運行背壓居高不下，以及極端高溫、不利大風(fēng)氣象條件下非正常停機的風(fēng)險。同時，我國北方地區(qū)頻繁的環(huán)境風(fēng)橫向流動導(dǎo)致空冷風(fēng)機進(jìn)口條件惡化，風(fēng)場上游風(fēng)機動力學(xué)性能急劇降低，對風(fēng)機葉片安全構(gòu)成影響，空冷凝汽器熱風(fēng)回流加劇，使冷卻能力進(jìn)一步受到限制。

直接空冷機組龐大的冷卻系統(tǒng)造成輸送冷卻空氣的大型軸流風(fēng)機數(shù)量眾多，目前尚無應(yīng)對惡劣氣象條件的風(fēng)機群合理調(diào)整運行方式的合理辦法，實際運行的空冷機組廠用電率高于設(shè)計水平。通過該廠和多家直接空冷電站電話調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，空冷單元內(nèi)普遍存在空氣流場紊亂、空氣流通不暢等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致空冷單元內(nèi)空氣產(chǎn)生旋渦，并在空冷單元低部形成空氣流動“死區(qū)”，嚴(yán)重影響了空冷凝汽器換熱性能，機組運行能耗增加。特別是夏季高溫時段，空冷電耗率可達(dá)1.5%以上，對機組出力和經(jīng)濟(jì)性有較大影響。

目前國內(nèi)直接空冷機組空冷系統(tǒng)的改造方面主要是增加冷卻風(fēng)機出力、采用局部換熱冷卻技術(shù)（噴（淋）霧冷卻技術(shù)）提高空冷凝汽器換熱性能。雖然對于提高凝汽器的散熱能力效果明顯，但這些技術(shù)措施均是以額外消耗能源或水資源為代價，增加風(fēng)機出力使得風(fēng)機電耗增加，提高了廠用電率，噴霧和頻繁清洗除增加電耗，還消耗了大量的水資源，從而削弱了空冷技術(shù)的節(jié)水效益。綜合考慮額外耗能因素，節(jié)能效果降低。

直接空冷系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)背壓與當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境條件、設(shè)備初期設(shè)計狀況、現(xiàn)場設(shè)備安裝、周邊相關(guān)建（構(gòu)）筑物、機組運行情況等因素息息相關(guān)。目前國內(nèi)在經(jīng)濟(jì)背壓的研究應(yīng)用方面較多的方案是進(jìn)行冷端優(yōu)化試驗，采用簡單控制邏輯應(yīng)用優(yōu)化結(jié)果。無實現(xiàn)不同季節(jié)、環(huán)境溫度下的最佳背壓連續(xù)運行和控制的實例。由于直接空冷風(fēng)機葉片直徑較長，該公司330MW機組空冷風(fēng)機葉片也在9m以上。外側(cè)橫向風(fēng)進(jìn)入風(fēng)機后局部靜壓升高，轉(zhuǎn)換為對葉片的作用力，使得葉片上的附加應(yīng)力增加，長期運行外側(cè)風(fēng)機葉片易產(chǎn)生疲勞損傷裂紋，對空冷島設(shè)備、下部電氣設(shè)備和人身安全有潛在影響。外側(cè)風(fēng)機占總風(fēng)機數(shù)的50%，部分電廠已經(jīng)出現(xiàn)葉片裂紋或裂紋跡象缺陷。

2 實施方案及措施

火電機組直接空冷系統(tǒng)由數(shù)十個呈A型結(jié)構(gòu)的空冷凝汽器單元組成，每個單元由其下部的軸流風(fēng)機輸運空氣冷卻翅片管束內(nèi)的蒸汽。直接空冷系統(tǒng)運行過程中軸流風(fēng)機產(chǎn)生的螺旋上升氣流在A型框架結(jié)構(gòu)內(nèi)呈現(xiàn)復(fù)雜的空氣動力學(xué)行為，特別是在空冷單元底部形成流動死區(qū)和渦流，在單元中心形成嚴(yán)重的回流，阻礙了風(fēng)機出口空氣向翅片管束方向的順利流動，并造成流經(jīng)翅片管束的空氣流量分配極不均勻，不同區(qū)域翅片管束的散熱能力呈現(xiàn)很大差異，以至于翅片管束傳熱面積利用率降低、流動傳熱性能變差、機組背壓和煤耗上升，并增加了冬季發(fā)生凍結(jié)事故的危險。

針對空冷單元固有結(jié)構(gòu)缺陷，空冷單元內(nèi)空氣動力學(xué)特性以及管束流量和熱負(fù)荷分配規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了風(fēng)機出口氣流不均勻、波動、速度雙峰分布特性，針對空冷單元A型結(jié)構(gòu)內(nèi)復(fù)雜空氣流場導(dǎo)致的對流換熱不均勻、傳熱惡化問題，在空冷單元冷卻空氣流動傳熱特性規(guī)律的基礎(chǔ)上，冷卻空氣氣流阻塞，渦流和回流的區(qū)域，提出“小范圍引導(dǎo)、多區(qū)域布置小尺寸導(dǎo)流裝置”的空氣流場優(yōu)化設(shè)計思想，安裝空冷單元內(nèi)冷卻空氣導(dǎo)流系列技術(shù)及裝置，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過在空冷單元內(nèi)部流動狀況較差的位置多區(qū)域安裝擋風(fēng)板和小尺寸導(dǎo)流板，實現(xiàn)了單元內(nèi)空氣流場的重新組織，并降低了導(dǎo)流板的額外流動阻力，避免了導(dǎo)流板下游的流動分離。利用CFD模擬，不斷優(yōu)化導(dǎo)流裝置的結(jié)構(gòu)、尺寸和空間位置，為空冷單元冷卻空氣導(dǎo)流技術(shù)的工程應(yīng)用提供了關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)。

在環(huán)境風(fēng)場作用下空冷島熱力性能變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出空冷島風(fēng)場誘導(dǎo)的原則，即將環(huán)境風(fēng)橫向流動的動能部分轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)機軸向流動的能量，以削弱環(huán)境風(fēng)場的不利影響，改善風(fēng)機進(jìn)口流動條件，提高直接空冷機組抵御環(huán)境大風(fēng)的能力，改進(jìn)機組熱力性能，并開發(fā)風(fēng)場誘導(dǎo)裝置。

最后針對優(yōu)化設(shè)計結(jié)果，進(jìn)行空氣導(dǎo)流裝置的加工與制造，并對1臺機組的空冷凝汽器單元進(jìn)行改造。通過熱力性能實驗，對改造前后的運行性能進(jìn)行對比分析，獲得導(dǎo)流裝置改善空冷機組運行性能的定量結(jié)果。

3 優(yōu)化過程中主要技術(shù)問題

（1）考慮凝汽器單元內(nèi)部的復(fù)雜支撐和橋架結(jié)構(gòu)，開發(fā)空冷單元冷卻空氣導(dǎo)流技術(shù)，研制空氣導(dǎo)流裝置及安裝結(jié)構(gòu)，解決導(dǎo)流裝置與空冷單元原有框架結(jié)構(gòu)和風(fēng)機橋架結(jié)構(gòu)的匹配問題。

（2）建立綜合考慮空冷單元復(fù)雜支撐和橋架結(jié)構(gòu)，以及噴霧冷卻裝置的三維物理模型。通過CFD數(shù)值手段，獲得不同結(jié)構(gòu)、尺寸和空間方位的導(dǎo)流裝置對空冷凝汽器性能的改善效果，確定最優(yōu)的導(dǎo)流裝置結(jié)構(gòu)。在空冷單元試驗臺上，進(jìn)行空氣導(dǎo)流裝置性能試驗，驗證并改進(jìn)數(shù)值模擬的結(jié)果。在660MW機組上進(jìn)行工程實施，通過現(xiàn)場熱力性能試驗，獲得導(dǎo)流技術(shù)實施前后的空冷機組熱力性能。endprint

（3）通過環(huán)境風(fēng)場作用下，空冷島熱力性能變化規(guī)律的CFD模擬，確定風(fēng)場誘導(dǎo)的措施。針對不同結(jié)構(gòu)形式的風(fēng)場誘導(dǎo)措施，通過CFD計算分析，獲得優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式，最終開發(fā)系列化的環(huán)境風(fēng)場誘導(dǎo)裝置。通過風(fēng)場誘導(dǎo)技術(shù)的開發(fā)，顯著提高空冷系統(tǒng)抵御環(huán)境風(fēng)場不利影響的能力。降低外側(cè)橫向風(fēng)對直接空冷風(fēng)機葉片的影響，降低外側(cè)橫向風(fēng)對直接空冷風(fēng)機葉片的影響，外側(cè)風(fēng)機葉片裂紋缺陷發(fā)生率降低50%以上，提高風(fēng)機葉片運行的安全性和使用壽命。

（4）綜合考慮空冷單元內(nèi)實際框架支撐結(jié)構(gòu)和風(fēng)機橋架結(jié)構(gòu)，以及其他設(shè)施，如霧化噴淋裝置等，設(shè)計導(dǎo)流板的框架和支撐結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)導(dǎo)流裝置的空間定位和緊固安裝，解決空氣導(dǎo)流裝置與空冷凝汽器單元原有框架結(jié)構(gòu)和風(fēng)機橋架結(jié)構(gòu)的匹配問題。

4 空冷島優(yōu)化后效果

我國相關(guān)研究機構(gòu)如華北電力大學(xué)等單位提出了流場優(yōu)化組織思想，開發(fā)了冷卻空氣導(dǎo)流技術(shù)和裝置，對于改善空冷凝汽器流動傳熱特性，降低機組運行背壓，提高機組運行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，并應(yīng)用于660MW空冷示范機組，使機組全年平均背壓降低1kPa以上。具體技術(shù)指標(biāo)為以下幾個方面。

（1）空冷單元導(dǎo)流裝置可改善翅片管束表面冷卻空氣流場、溫度場的均勻性，提高空冷凝汽器的散熱能力，使空冷機組全年平均背壓下降0.5kPa。

（2）空冷島風(fēng)場誘導(dǎo)裝置能顯著提高空冷機組抵御環(huán)境大風(fēng)的能力，改善空冷系統(tǒng)的運行特性，使機組全年平均背壓下降0.5kPa。

（3）對空冷單元空氣導(dǎo)流裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，獲得滿足流場優(yōu)化組織功能需求的最佳結(jié)構(gòu)，解決空氣導(dǎo)流裝置與空冷凝汽器單元原有支撐和橋架結(jié)構(gòu)的耦合匹配問題，在600MW等級機組上進(jìn)行應(yīng)用。對冷卻空氣流場進(jìn)行有效誘導(dǎo)的同時，導(dǎo)流裝置自身流阻同時下降，實現(xiàn)在不增加軸流風(fēng)機功耗和廠用電消耗的前提下，空冷單元散熱能力的提高。

（4）降低外側(cè)橫向風(fēng)對直接空冷風(fēng)機葉片的影響，外側(cè)風(fēng)機葉片裂紋缺陷發(fā)生率降低50%以上，提高風(fēng)機葉片運行的安全性和使用壽命。

（5）提高空冷凝汽器的風(fēng)機自動化控制水平。

（6）應(yīng)用空冷單元空氣導(dǎo)流裝置，消除單元流場內(nèi)部空氣的流動死區(qū)，增加冬季低溫運行條件下，凝汽器單元管束內(nèi)部蒸汽流動的均勻性，有效預(yù)防低溫運行凍結(jié)事故的發(fā)生，增加冬季低溫條件下運行的安全性。

（7）在不影響機組正常運行、原有支撐結(jié)構(gòu)強度和風(fēng)機能耗基本不變的前提下，實現(xiàn)空氣導(dǎo)流裝置的安裝與調(diào)試，不需要額外消耗能量和水資源，彌補國內(nèi)外其它提升空冷系統(tǒng)冷卻能力技術(shù)措施的不足。

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