電廠深度調(diào)峰狀態(tài)下的間接空冷塔水溫分布特性研究

姜平 趙保國 王珂 張海偉 印江 孟宏君

摘 要：為緩解熱電機組供熱和供電的矛盾，國家出臺了鼓勵火電廠開展靈活性改造的若干政策，各地方政府根據(jù)各自區(qū)域的實際情況也出臺了火電機組深度調(diào)峰階梯電價政策。熱電機組受汽輪機低壓缸最小冷卻蒸汽流量的限制，機組在不做任何改造的情況下，維持低壓缸進(jìn)汽最小流量（最大供熱工況下對應(yīng)流量），實現(xiàn)深度調(diào)峰要求。低背壓運行改造后，低壓缸排汽流量大幅下降，研究間接空冷塔水溫分布特性，制定較為合理的運行方式，既保證機組安全運行，同時對提高機組運行的經(jīng)濟(jì)性具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：自然通風(fēng)間接空冷塔；水溫分布；不平衡溫差；數(shù)值模擬；防凍

中圖分類號：TK264.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)、能源和環(huán)保行業(yè)的發(fā)展，燃煤火力發(fā)電企業(yè)的發(fā)展進(jìn)入了新的階段，新能源的大規(guī)模投入進(jìn)一步壓縮了火電機組在發(fā)電市場中的份額，電能過?，F(xiàn)象將是今后一段時間內(nèi)的主旋律，火力發(fā)電設(shè)備年利用小時數(shù)持續(xù)走低，使燃煤電廠的經(jīng)營形勢變得日益嚴(yán)峻；但同時國家能源政策決定了火電機組必須承擔(dān)深度調(diào)峰的重要任務(wù)。

火電機組供熱改造是實現(xiàn)“節(jié)能減排”的重要措施，更是“雙降雙低”電力新常態(tài)下火電能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要方向，具有節(jié)能減排、改善企業(yè)生存環(huán)境等優(yōu)勢；隨著居民和工業(yè)用戶對供熱負(fù)荷需求的不斷增加，電網(wǎng)對機組中低負(fù)荷率下的供熱能力提出了更高的要求，必須提高供熱機組的熱電解耦運行能力，要求機組在保證供熱能力的同時，最大程度地提高機組的寬幅調(diào)峰能力。

實現(xiàn)深度調(diào)峰、提高機組運行的靈活性，已成為決定火電企業(yè)生存的必要條件。但是，深度調(diào)峰后，特別是在冬季空冷塔散熱翅片容易發(fā)生溫度不均勻的情況，這樣會使翅片局部凍結(jié)、凍裂，從而導(dǎo)致空冷塔翅片損壞發(fā)生停機事故。因此研究空冷塔水溫分布特性的已經(jīng)成了提高空冷塔工作可靠性的重要研究方向。深度調(diào)峰狀態(tài)下的間接空冷塔水溫分布特性研究，可以為電廠冬季深度調(diào)峰后，制定防凍措施提供理論依據(jù)，對提高空冷系統(tǒng)冬季的安全運行具有重要意義。

1 深度調(diào)峰狀況下表面式間接空冷系統(tǒng)特性

1.1 電廠供熱期低背壓運行

機組在抽凝狀態(tài)運行，當(dāng)?shù)蛪焊走M(jìn)汽壓力降低至低壓缸最小冷卻流量時，需要繼續(xù)降低機組負(fù)荷或增大抽汽量，背壓與低壓缸最小進(jìn)氣壓力關(guān)系曲線，如圖1所示。

1.2 表面式（哈蒙式）間冷系統(tǒng)原理

循環(huán)冷卻水進(jìn)入凝汽器，經(jīng)過凝汽器的表面散熱，冷卻凝汽器汽側(cè)的汽輪機排汽口排汽，經(jīng)過表面凝汽器受熱后的水通過高壓水泵輸送到間冷塔，然后經(jīng)過金屬空冷散熱器與外界空氣換熱，高溫循環(huán)水被低溫空氣冷卻后再返回凝汽器去冷卻汽輪機排汽，這樣間接空冷系統(tǒng)的冷卻水就構(gòu)成了一個封閉的循環(huán)系統(tǒng)，間冷系統(tǒng)原理示意圖如圖2所示。

1.3 山西河坡電廠大型自然通風(fēng)間接空冷塔及其冷卻三角

圖3為山西河坡電廠350 MW機組自然通風(fēng)間接空冷塔示意圖，塔出口直徑為100 m，塔高為178 m，塔殼底部標(biāo)高為27.5 m，散熱器外圍直徑為154 m，金屬冷卻三角在塔進(jìn)風(fēng)口外部沿軸向均勻排列，分為10個部分。如圖4所示，金屬冷卻三角由2個相同的長度的冷卻柱呈46.58°的夾角組成。所用的冷卻柱長2.67 m、高24 m、厚0.133 m，由鋁管和鋁翅片散熱管束構(gòu)成。冷卻柱管數(shù)量為4個，即塔內(nèi)部2排金屬為上水管束，塔外部2排金屬管為下水管束。

如圖4所示，高溫循環(huán)水由空冷塔內(nèi)部冷卻柱進(jìn)水口進(jìn)入上水側(cè)2排管束，然后通過鋁翅片散熱管束與空氣進(jìn)行換熱，在冷卻柱上集箱混合，換熱后的高溫水進(jìn)入下水側(cè)2排管束，最后經(jīng)過下水側(cè)管束排水口流出。下水側(cè)金屬管束內(nèi)循環(huán)水溫經(jīng)過換熱后相對較低，且與外界沒有換熱的空氣相接觸，所以下水側(cè)管束里的低溫水相對更易凍結(jié)。

1.4 間冷塔在線監(jiān)測系統(tǒng)

為方便運行人員準(zhǔn)確、直觀地監(jiān)測間冷塔出風(fēng)側(cè)壁溫的運行情況，及時發(fā)現(xiàn)并制定間冷塔防凍措施，對冷卻扇區(qū)進(jìn)行封堵后，可在未封堵區(qū)域表面增加測溫電纜，測溫點電纜分3層布置，測溫點電纜與控制柜、監(jiān)控臺相連接，如圖5所示。

2 ANSYS仿真

幾何模型及網(wǎng)格劃分：空冷塔散熱器冷卻三角沿塔周向均勻排列，SolidWorks三維模型圖如圖6所示。然后導(dǎo)入ANSYS做溫度云圖仿真。

空冷塔散熱器做ANSYS溫度云圖仿真之前要進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖7所示?？紤]到空冷塔散熱器尺寸巨大，做溫度云圖，網(wǎng)格畫得太大，誤差就非常大；網(wǎng)格畫的太小，計算時間數(shù)據(jù)量太大，計算時間太長?？绽渌崞骶哂袑ΨQ性，所以取其中一個冷卻三角進(jìn)行仿真，如圖8所示。

將間冷塔在線監(jiān)測系統(tǒng)測得的幾個點的溫度輸入后，如格盟集團(tuán)山西河坡發(fā)電有限責(zé)任公司，根據(jù)陽泉市氣象站1959年實測采集到的年最低氣溫數(shù)據(jù)，其采用P-Ⅲ型頻率曲線進(jìn)行統(tǒng)計，得到60年一遇最低氣溫為-19.0 ℃。輸入氣溫數(shù)據(jù)后，從而得到空冷塔散熱器冷卻三角與周圍空氣的溫度云圖，如圖9所示。

3 結(jié)論

該文針對山西河坡電廠散熱器間接空冷塔外垂直布置的間接空冷塔金屬散熱器進(jìn)行研究，設(shè)計了間冷塔在線監(jiān)測系統(tǒng)采集溫度信息，然后建立ANSYS仿真模型，結(jié)合60年一遇的最低氣溫為-19.0 ℃工況下，冷卻三角、冷卻扇段及空冷塔出口水溫分布特性的影響機制，明確了環(huán)境氣溫對空冷塔出口水溫分布特性。低背壓運行改造后，低壓缸排汽流量大幅下降，為在不同工況下制定較為合理的運行方式提供理論依據(jù)，這樣既保證了機組安全運行，同時提高了機組運行經(jīng)濟(jì)性。

參考文獻(xiàn)

[1]邢照凱，高麗紅.低溫天氣下間接空冷系統(tǒng)控制策略研究[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2016，6（23）：69-70.

[2]賀亞楠.大型間接空冷塔優(yōu)化設(shè)計研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2014.

[3]劉君.SCAL型間接空冷系統(tǒng)的運行特性研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2016.

[4]宮婷婷.側(cè)風(fēng)對于間接空冷塔性能影響的實驗研究及數(shù)值模擬[D].山東：山東大學(xué)，2012.

[5]王亞雯.自然通風(fēng)空冷塔流場及溫度場的實驗研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2018.

[6]李巖.間接空冷塔三維熱力性能評價及控風(fēng)策略的試驗研究[D].山東：山東大學(xué)，2018.

[7]趙元賓，孫奉仲.環(huán)境側(cè)風(fēng)下間接空冷塔水溫分布特性的研究[J].中國電機工程學(xué)報，2017（18）：163-172，332.

[8]王晗昀.大型火電機組間接空冷塔防凍策略研究[D].南京：東南大學(xué)，2017.