空冷風(fēng)機經(jīng)濟運行頻率試驗研究

張艷輝

(大唐東北電力試驗研究所,吉林 長春 130012)

空冷機組具有耗水量小、占地面積小、社會經(jīng)濟性高、運行靈活簡便的優(yōu)點，使空冷技術(shù)得到了較為廣泛的應(yīng)用[1]。但同時空冷機組也存在一些缺點，例如機組的運行背壓高、背壓受環(huán)境影響大，廠用電率大、熱耗高等問題。環(huán)境溫度、風(fēng)速大小、運行方式等因素都對背壓有重要的影響[2]。直接空冷機組空冷風(fēng)機的耗電量是影響機組經(jīng)濟性的主要因素之一,在有些文獻中通過對直接空冷機組變工況時的風(fēng)機運行問題進行了研究,分析了風(fēng)機風(fēng)量和凝汽器壓力之間的相互變化關(guān)系,給出不同凝汽器壓力下所需風(fēng)量的確定方法,為直接空冷風(fēng)機的運行提供參考[3]。應(yīng)用等效熱降理論分析了背壓變化對機組煤耗率的影響,通過廠用電轉(zhuǎn)換系數(shù)建立了直接空冷系統(tǒng)的背壓和供電煤耗率之間的關(guān)系;為直接空冷機組的安全經(jīng)濟運行和經(jīng)濟性分析提供了依據(jù)[4]。凝汽器熱負(fù)荷不變的情況下,環(huán)境氣溫越高,空冷凝汽器進口空氣溫度就越高,凝汽器壓力就越高。環(huán)境風(fēng)速越大,空冷器進口空氣溫度就越高,迎面風(fēng)速就越小,從而凝汽器內(nèi)冷凝溫度和壓力就越高[5]。

以前的相關(guān)研究對影響空冷島經(jīng)濟運行的因素進行了理論系統(tǒng)的研究。但影響空冷運行背壓的因素太多，而且理論性較強，對運行指導(dǎo)性不強，很難在實際運行中得到應(yīng)用。本文集中研究風(fēng)機運行頻率和背壓間的關(guān)系，在不同的工況條件和環(huán)境溫度下，分析經(jīng)濟性，并對背壓調(diào)整的條件和范圍給予界定，運行人員學(xué)習(xí)操作。

1 機組概況

某300 MW機組汽輪機為哈爾濱汽輪機廠生產(chǎn)的NZK300-16.7/537/537型亞臨界、一次中間再熱、單軸、雙缸、雙排汽、直接空冷凝汽式汽輪機。配套鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)的1 056 t/h亞臨界一次中間再熱、燃煤自然循環(huán)汽包鍋爐，發(fā)電機為哈爾濱電機廠生產(chǎn)的QFSN-300-20型水、氫、氫冷，機端自并勵發(fā)電機,機組熱力系統(tǒng)采用單元制布置。汽輪機設(shè)有七段不調(diào)整抽汽，高壓缸設(shè)有二段抽汽，分別供1號、2號高加；中壓缸設(shè)有二段抽汽，分別供3號高壓加熱器及除氧器；低壓缸設(shè)有三段抽汽， 分別供5號、6號及7號低壓加熱器。該系統(tǒng)采用數(shù)字計算機作為控制器，電液轉(zhuǎn)換機構(gòu)、高壓抗燃油供油系統(tǒng)(EH)和油動機作為執(zhí)行器，對汽輪機實行自動控制。空冷島工程ACC系統(tǒng)由6列總共300片換熱管束和6×5=30臺風(fēng)機組成，每臺風(fēng)機向10片管束供風(fēng)，Pfc管束=“冷凝器”=42×6=252，Cfc管束=“分凝器”=4×2×6=48。風(fēng)機由變頻電機經(jīng)減速機驅(qū)動，風(fēng)機驅(qū)動齒輪帶機械油泵，其轉(zhuǎn)速與風(fēng)機電機轉(zhuǎn)速成比例。風(fēng)機葉片設(shè)計采用寬厚機翼形，材料為玻璃鋼，具有強度高、重量輕、耐腐蝕等優(yōu)點。迎氣流看風(fēng)機時，葉輪應(yīng)順時針方向旋轉(zhuǎn)。冷空氣的流速依靠改變電機的頻率來改變，所有的風(fēng)機和電動機在30%～110%的額定風(fēng)機轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運行，風(fēng)機電機最小轉(zhuǎn)速為30%(即15 Hz)，因此風(fēng)機以30%轉(zhuǎn)速啟動。每列2、4單元的風(fēng)機應(yīng)可以反轉(zhuǎn)，其它風(fēng)機不能反轉(zhuǎn)。機組第1、5、6列裝有蒸汽隔離閥、凝結(jié)水閥和抽真空閥。在布置為冷凝器的管子內(nèi)，冷凝液按蒸汽流動方向流動，在布置為分凝器的管子內(nèi)，冷凝液按蒸汽流動相反方向流動，則產(chǎn)生的凝結(jié)水受重力作用通過凝結(jié)水管道流入凝結(jié)水箱，每列2、4單元為順逆流混合單元。空冷島自投產(chǎn)以來設(shè)備運行良好，沒有發(fā)現(xiàn)重大問題。

由于空冷島在冬、夏季背壓運行情況和春、秋有較大差別，在冬季運行由于環(huán)境溫度低考慮到內(nèi)部結(jié)凍等原因有一個安全運行背壓所以優(yōu)化空間較小；夏季運行時又由于環(huán)境溫度過高風(fēng)機大多滿負(fù)荷運行，在優(yōu)化方面也有條件限制。所以本文主要是針對于春秋季節(jié)的運行情況來進行試驗研究，把廠用電率、運行背壓、風(fēng)機運行頻率等影響空冷島運行因素控制在合理范圍內(nèi)，以減小空冷島在實際運行中所帶來的耗能現(xiàn)象。

2 試驗工況和方法

試驗主要是通過在不同工況和環(huán)境溫度下，改變空冷島風(fēng)機的運行頻率，從而改變機組運行背壓，觀察背壓變化趨勢。從機組功率變化和廠用電率變化上，分析風(fēng)機運行方式對機組經(jīng)濟性的影響。同一試驗工況下，不改變鍋爐的燃燒和其他運行條件。改變風(fēng)機運行頻率，來做不同工況的比較。

在以下工況下調(diào)整風(fēng)機運行頻率，觀察風(fēng)機電流和運行背壓的變化趨勢。

表1 不同工況下的風(fēng)機運行頻率與環(huán)境溫度

2.1 背壓變化對經(jīng)濟性的影響

試驗機組為坑口電站，煤質(zhì)單一穩(wěn)定，所以在燃燒條件不變的情況下,背壓變化對機組經(jīng)濟性的影響直觀的反映在發(fā)電功率的變化上。所以可以由發(fā)電功率的變化來計算背壓變化對機組煤耗的影響。背壓變化對發(fā)電煤耗的影響為

(1)

式中 Δbb——發(fā)電煤耗變化量/g·(kWh)-1；

ΔP——背壓變化引起的功率變化/MW；

P——背壓變化前的機組的功率/MW；

bg——機組在當(dāng)前負(fù)荷下的運行發(fā)電煤耗/g·(kWh)-1。

2.2 風(fēng)機運行頻率變化對經(jīng)濟性的影響

風(fēng)機運行功率為

(2)

式中P——試驗期間風(fēng)機總運行功率/kW；

Wi2——試驗結(jié)束后風(fēng)機功/kJ；

Wi1——實驗開始前風(fēng)機功/kJ；

t2——試驗結(jié)束時間/h；

t1——實驗開始時間/h；

n——風(fēng)機總臺數(shù)。

廠用電率為

(3)

式中ηe——廠用電率/[%]；

P——試驗期間空冷風(fēng)機廠用電功率/kW；

Pe——試驗期間發(fā)電平均功率/kW。

機組供電煤耗率

廠用電率變化引起煤耗變化為

Δbi=Δηe×bg

(4)

式中 Δbi——發(fā)電煤耗變化量/g·(kWh)-1；

Δηe——廠用電率的變化率/[%]；

bg——機組在當(dāng)前負(fù)荷下的運行發(fā)電煤耗/g·(kWh)-1。

3 試驗結(jié)果與分析

圖1中給出了風(fēng)機平均運行電流和風(fēng)機運行頻率之間的關(guān)系，可以看出，風(fēng)機運行頻率在43～50 Hz之間變化，風(fēng)機電流下降得比較快。風(fēng)機頻率下降到35 Hz以后，風(fēng)機電流隨運行頻率減小下降得就比較慢了。

圖1 運行頻率和風(fēng)機平均運行電流的關(guān)系

圖2中給出了不同負(fù)荷和不同環(huán)境溫度下，背壓變化對機組熱耗的影響。從圖中可以看出，在相同的環(huán)境溫度下，負(fù)荷越低，背壓變化對機組的熱耗影響越大。且隨著負(fù)荷降低，背壓對機組熱耗的影響變大，特別是到160 MW以下負(fù)荷。

圖2 機組熱耗相對變化量同運行背壓之間的關(guān)系

圖3給出了廠用電率在不同負(fù)荷下隨風(fēng)機運行頻率之間的變化規(guī)律。從圖中可分析出隨著風(fēng)機運行頻率的變大廠用電率也是在不斷變高的。

圖3 廠用電率同運行頻率之間的關(guān)系

圖4給出不同負(fù)荷和環(huán)境溫度下，機組背壓隨風(fēng)機運行頻率之間的變化規(guī)律。由圖可以看出，當(dāng)風(fēng)機運行頻率低于40 Hz時，再降低風(fēng)機運行頻率，機組的背壓下得很快。當(dāng)機組背壓大于14 kPa，再降低風(fēng)機頻率，機組的背壓下的比較快。

圖4 機組背壓同運行頻率之間的關(guān)系

由試驗綜合分析，在同時滿足機組背壓在14 kPa以下，風(fēng)機運行頻率在40 Hz以上時(見圖5中陰影部分)，可以降低風(fēng)機運行頻率，調(diào)整后也不可以超出圖中陰影部分區(qū)域，方可提高機組運行。

圖5 風(fēng)機運行頻率可以調(diào)整的區(qū)域

通過表2的經(jīng)濟性分析，可以看出：在180 MW工況下，風(fēng)機運行頻率從50 Hz降到45 Hz，由電和煤的差降比較，可以降低機組供電煤耗0.43 g/kWh；在160 MW，降低風(fēng)機頻率到45 Hz，可以降低機組煤耗1.02 g/kWh；在240 MW，降低風(fēng)機頻率到41 Hz，機組供電煤耗下降0.06 g/kWh。

4 結(jié)論

通過對某熱電廠空冷機組運行的大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，以及對空冷機組空冷島的一系列試驗，得出了空冷機組較為經(jīng)濟的空冷島運行方式。風(fēng)機頻率在40～50 Hz之間變化，風(fēng)機電流波動比較快。風(fēng)機運行頻率低于40 Hz時，降低風(fēng)機運行頻率時背壓下得很快。當(dāng)機組背壓在14 kPa以上時，風(fēng)機頻率的變化對機組的背壓影響更大。

由試驗綜合分析得出結(jié)論，在同時滿足機組背壓在14 kPa以下，風(fēng)機運行頻率在40 Hz以上時(見圖5中陰影部分)，通過降低風(fēng)機運行頻率，且調(diào)整后又在其圖中陰影部分區(qū)域，可以提高機組的運行經(jīng)濟性。

表2 變背壓試驗經(jīng)濟性分析

[1]馬義偉.發(fā)電廠空冷技術(shù)的現(xiàn)狀與進展[J].電力設(shè)備，2006,7(3):5-7.

[2]趙麗萍.空冷機組經(jīng)濟性的分析[D].北京:華北電力大學(xué),2002.

[3]席新銘,楊勇平,杜小澤,等.電站直接空冷系統(tǒng)風(fēng)機運行研究[J].現(xiàn)代電力,2007(2):52-55.

[4]席新銘.電站直接空冷系統(tǒng)對機組經(jīng)濟性影響的研究[D].北京:華北電力大學(xué)，2007.

[5]楊立軍,郭躍年,杜小澤,等.環(huán)境影響下的直接空冷系統(tǒng)運行特性研究[J].現(xiàn)代電力,2005,22(6):39-42.