空冷平臺提升換熱效率裝置的監(jiān)測實驗研究

趙耿彬

(山西尚風(fēng)科技股份有限公司，太原030006)

現(xiàn)今，火力發(fā)電在我國電力供應(yīng)中仍然占有很高的比重。空冷火電廠由于節(jié)水性能優(yōu)秀，在多煤少水的北方，更加適合當(dāng)?shù)氐奶攸c和經(jīng)濟發(fā)展，而被廣泛采用。

南非馬廷巴電廠直接空冷系統(tǒng)從1991年1月至1992年9月的20個月間，因環(huán)境風(fēng)的影響損失發(fā)電量約3.38億kW·h；2005年6月22日，漳山公司300 MW直接空冷系統(tǒng)受到15 m/s爐后風(fēng)影響，汽輪機背壓由44.2 kPa升高到64.9 kPa，機組自動保護跳閘停機。因此解決環(huán)境風(fēng)對直接空冷系統(tǒng)不利的影響成為世界上一個普遍性的難題[1]。

文獻[2-5]提出在空冷平臺加裝防風(fēng)網(wǎng)或?qū)Я骶W(wǎng)對空冷機組的影響進行了研究，防風(fēng)網(wǎng)的設(shè)置雖能夠在大風(fēng)工況條件下使風(fēng)速降低，保證風(fēng)機出風(fēng)量，卻在小風(fēng)工況條件下阻礙空冷凝汽器換熱[6]?？绽淦脚_提升換熱效率裝置旨在克服上述缺點，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟實用可改善各種環(huán)境風(fēng)工況下空冷平臺換熱能力的裝置，使得在不同的風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫組合的大多數(shù)工況條件下汽輪機背壓降低到預(yù)警背壓狀態(tài)以下或者穩(wěn)定在正常工作狀態(tài)。

1 物理模型

1.1 廠址概況

神華國神集團哈密電廠建設(shè)規(guī)模為4×660 MW 直接空冷燃煤發(fā)電機組，是新疆地區(qū)總裝機容量最大的火力發(fā)電廠，坐落在哈密市大南湖地區(qū)的南湖戈壁之中。受大風(fēng)影響異常嚴(yán)重。

1.2 空冷平臺提升換熱效率裝置模型

空冷平臺提升換熱效率裝置設(shè)置在空冷機組的空冷平臺下方，呈十字形狀布置，長200 m，寬100 m，高50 m，固定的風(fēng)障葉片單元約7 m，可旋轉(zhuǎn)的風(fēng)障葉片單元模塊約42 m，為軸流風(fēng)機風(fēng)筒下沿至地面，將空冷平臺下方全封閉。以哈密電廠1#、2# 660 MW直接空冷平臺為研究對象,詳見圖1。機組空冷平臺上布置64個空冷單元，8排8列布置，每個空冷單元下面布置1臺軸流風(fēng)機。

圖1 神華哈密電廠4×660 MW直接空冷機組平臺提升換熱效率裝置模型

1.3 裝置的組成

空冷平臺提升換熱效率裝置包括鋼架及網(wǎng)架支撐結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)風(fēng)障葉片單元模塊、智能控制風(fēng)障葉片單元模塊開啟系統(tǒng)以及環(huán)境風(fēng)速監(jiān)測、采集系統(tǒng)及傳感器等。

1.3.1 鋼架及網(wǎng)架支撐結(jié)構(gòu)

空冷平臺提升換熱效率裝置支架結(jié)構(gòu)設(shè)置在地面基礎(chǔ)和混凝土空心管柱側(cè)表面上。風(fēng)筒下沿至空冷鋼桁架下弦的空冷平臺上設(shè)置固定形式的空冷平臺提升換熱效率裝置?？绽淦脚_A1-A18軸線柱間距為22.65 m，AA-AI軸線柱間距為24.03 m，柱間自下而上通過H型鋼與圓管構(gòu)成的網(wǎng)架橫檁組件實現(xiàn)網(wǎng)格支架結(jié)構(gòu)。詳見圖2.在相鄰鋼筋混凝土空心管柱之間的網(wǎng)絡(luò)支架結(jié)構(gòu)上布置空冷平臺提升換熱效率裝置中可旋轉(zhuǎn)風(fēng)障葉片單元模塊。

圖2 空冷平臺提升換熱效率裝置安裝骨架

1.3.2 旋轉(zhuǎn)網(wǎng)板技術(shù)要求

空冷平臺提升換熱效率裝置的風(fēng)障葉片采用高分子復(fù)合板材，規(guī)格3 000 mm*250 mm*3 mm(長*寬*厚)，外形呈蝶形。旋轉(zhuǎn)風(fēng)障葉片本身具有一定開孔率。每5塊風(fēng)障葉片構(gòu)成一組標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)風(fēng)障模塊，由鎖緊裝置鎖緊，標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)風(fēng)障模塊長3 m，寬1.04 m?！傲小寥小睒?biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)風(fēng)障模塊作為一個大單元，詳見圖3.空冷平臺A1-A18軸線柱縱向布置共4組，橫向布置14組標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)風(fēng)障模塊大單元，AA-AI軸線柱縱向布置共5組，橫向布置8組標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)風(fēng)障模塊大單元。每豎列旋轉(zhuǎn)風(fēng)障模塊配套電動旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，詳見圖4。旋轉(zhuǎn)風(fēng)障葉片單元模塊能夠自水平向垂直可做-90°至90°旋轉(zhuǎn)或固定，垂直于地面時，旋轉(zhuǎn)風(fēng)障葉片單元模塊通風(fēng)量為0，網(wǎng)板旋轉(zhuǎn)至平行于地面時，旋轉(zhuǎn)風(fēng)障葉片單元模塊通風(fēng)量為100%.空冷平臺提升換熱效率裝置前后的壓差通過調(diào)節(jié)開度實現(xiàn)。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)障葉片模塊大單元正視圖

圖4 傳動機構(gòu)總圖

1.3.3 智能控制開啟裝置

所述智能控制開啟裝置包括動力裝置、傳動裝置、風(fēng)速、風(fēng)向傳感器、PLC控制柜等。整套裝置中，風(fēng)速、風(fēng)向傳感器主要對實時風(fēng)速、風(fēng)向進行監(jiān)測、采集；傳送到PLC控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，PLC控制系統(tǒng)隨即將數(shù)據(jù)傳回到工控機，經(jīng)過分析、計算、比對處理后將執(zhí)行指令傳輸給PLC控制器，PLC控制器通過給定信號線對角行程執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令使配備套角行程電動執(zhí)行器電動機轉(zhuǎn)動，通過聯(lián)軸器與變速箱帶動鋼絲繩卷筒使鏈輪與主傳動軸轉(zhuǎn)動，詳見圖5。使每個旋轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)障葉片模塊繞自己的中心軸做出相應(yīng)角度的轉(zhuǎn)動，以達到風(fēng)機組最佳工作狀態(tài)。電動機轉(zhuǎn)動方向決定葉片的開啟和關(guān)閉[7]。

圖5 開啟裝置主視圖

2 理論基礎(chǔ)

2.1 工作原理

空冷平臺直接空冷凝汽器布置在約50 m高的建筑平臺上，利用大型軸流風(fēng)機強制通風(fēng)，由于空氣冷凝器暴露在空氣中，直接與周圍空氣進行熱交換，以周圍空氣作為冷卻汽輪機乏汽的介質(zhì)，對不同風(fēng)向和風(fēng)速比較敏感。電廠運行，冷空氣通過散熱器排出的熱氣上升，呈現(xiàn)羽流狀況。當(dāng)風(fēng)速超過3 m/s以上時，對空冷系統(tǒng)散熱效果就有一定影響，當(dāng)大風(fēng)從爐后吹向平臺散熱器，風(fēng)速超出8 m/s時，形成的高速渦流會造成風(fēng)機出力降低，使得空冷凝汽器通過的空氣量減小，羽流狀況被破壞而出現(xiàn)熱風(fēng)再回流。熱氣上升氣流被爐后風(fēng)壓下至空冷平臺以下，這樣使熱風(fēng)又被風(fēng)機吸入，形成熱風(fēng)再循環(huán)。甚至最邊一行風(fēng)機出現(xiàn)反向轉(zhuǎn)動。出現(xiàn)熱空氣回流等不利現(xiàn)象[8]。導(dǎo)致空冷平臺的換熱效率降低，蒸汽的熱量不能及時與周圍空氣產(chǎn)生熱量交換，從而引起汽輪機背壓升高，電廠工作效率降低。如果該情況與夏季高溫等極端條件同時出現(xiàn)，會對電廠運行產(chǎn)生危險，甚至?xí)?dǎo)致停機?？绽淦脚_提升換熱效率裝置利用旋轉(zhuǎn)風(fēng)障葉片單元模塊導(dǎo)風(fēng)孔的抑風(fēng)特性,對大風(fēng)進行抑制，通過空冷平臺提升換熱效率裝置開啟系統(tǒng)傳感器迅速采集現(xiàn)場的風(fēng)向角、風(fēng)速和溫度等數(shù)據(jù),自動調(diào)節(jié)不同高度、區(qū)域旋轉(zhuǎn)風(fēng)障模塊的開度,調(diào)節(jié)進風(fēng)量和對氣流進行導(dǎo)流，從而獲得在大風(fēng)工況下更高的風(fēng)機送風(fēng)量,進而提高冷凝器與周圍空氣熱量交換,降低背壓,同時在小風(fēng)工況下系統(tǒng)根據(jù)傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)自動調(diào)節(jié)使旋轉(zhuǎn)風(fēng)障模塊的開度增大，保證在小風(fēng)工況下風(fēng)機的進風(fēng)量，保證冷凝器與周圍空氣換熱效率[9]，提高空冷系統(tǒng)運行的安全性和經(jīng)濟性，提高電廠運行性能。

3 影響因素確定

3.1 空冷平臺換熱效率影響因素變量控制

本次研究主要針對其他條件一定的情況下空冷平臺提升換熱效率裝置旋轉(zhuǎn)風(fēng)障葉片模塊在不同環(huán)境風(fēng)向、風(fēng)速風(fēng)況下開啟到最佳角度時，比較設(shè)置空冷平臺提升換熱效率裝置前后空冷機組風(fēng)機進風(fēng)量變化情況，以及空冷機組背壓變化情況。

由于影響空冷平臺換熱效率的因素眾多，例如機組的脫開距離、風(fēng)障葉片單元模塊布置形式、風(fēng)障葉片板型的選擇(開孔率、孔型及孔的排列形式)、所在環(huán)境的溫度、環(huán)境風(fēng)向、風(fēng)速及各風(fēng)況下風(fēng)障葉片單元模塊開啟的角度等等。

本次研究是以空冷機組脫開距離為50 m，所有結(jié)構(gòu)強度都符合要求，控制機構(gòu)正常運轉(zhuǎn)為前提下進行的CFD數(shù)值模擬分析。以下是幾項影響因素變量的控制：

1)由于出現(xiàn)電廠風(fēng)環(huán)境惡劣的情況主要在夏季，因此模擬針對夏季38 ℃的情況進行考察。夏季風(fēng)玫瑰如6所示。結(jié)合電廠朝向，由風(fēng)玫瑰可見，夏季平臺正前方來流較多，側(cè)向來流(E向)最多，另外鍋爐房后方ESE向來風(fēng)也較多。確定模擬的環(huán)境溫度是夏季38 ℃的情況。

圖6 廠址處風(fēng)玫瑰圖

2)確定風(fēng)障葉片的選型，在風(fēng)障葉片阻力特性模擬中，給出了三種板型，如圖7.按照旋轉(zhuǎn)風(fēng)障葉片模塊由高到低布置原則，通過模擬，最頂層固定風(fēng)障葉片采用風(fēng)障葉片板1，其他所有開度可控區(qū)域風(fēng)障葉片板3.

圖7 風(fēng)障葉片板型圖

3)對于空冷平臺提升換熱效率裝置A1-A18軸線最底層，通過模擬，對風(fēng)機送風(fēng)量影響不大，從有利于空冷平臺底部建筑設(shè)置及布線方面考慮，取消A1-A18軸線最底層旋轉(zhuǎn)風(fēng)障葉片模塊。

3.2 確定各風(fēng)向、風(fēng)速工況條件下旋轉(zhuǎn)風(fēng)障葉片模塊的最佳開啟角度

當(dāng)以上這些影響因素變量都確定之后，首先要確定在不同風(fēng)向角及不同風(fēng)速的組合工況下，空冷平臺提升換熱效率裝置旋轉(zhuǎn)風(fēng)障葉片模塊的最佳開啟角度。開度絕對值取0，15，45，75，90五種情況。此項數(shù)據(jù)通過數(shù)值模擬確定。

數(shù)值模擬使用計算流體力學(xué)方法：通過建立電廠周圍流場數(shù)值模型，將空間離散，生成網(wǎng)格，數(shù)值求解流場中的流體(空氣)連續(xù)性方程、動量方程、湍流方程(由于不考慮溫度影響，因此不用求解能量方程)。數(shù)值模擬采用的是定常計算，因此控制方程不包含非定常項。數(shù)值模擬控制方程如下。

連續(xù)性方程：

動量方程：

采用k-ε湍流模型，湍流方程包含湍動能(k)方程和湍動能耗散(ε)方程，分別為：

湍動能方程：

湍動能耗散方程：

模擬風(fēng)環(huán)境的計算域為大空間，邊界條件給定速度進口、壓力出口，地面及墻面均為無滑移壁面條件。冷凝器設(shè)定為具有阻力源項的多孔介質(zhì)，該多孔介質(zhì)阻力隨通過冷凝器的風(fēng)速而變化，阻力系數(shù)由TRL工況下的條件確定。風(fēng)機采用風(fēng)機PQ曲線。

通過數(shù)值模擬得出結(jié)論，本次只詳細列出當(dāng)?shù)厥⑿酗L(fēng)向?qū)绽錂C組影響較大的幾個來流方向?qū)?yīng)的空冷平臺提升換熱效率裝置旋轉(zhuǎn)風(fēng)障葉片模塊最佳開度隨風(fēng)速變化情況，具體見圖8-圖10.其中橫坐標(biāo)為環(huán)境風(fēng)速(m/s)，縱坐標(biāo)為開度絕對值。擬定其他幾個來流方向?qū)?yīng)的旋轉(zhuǎn)風(fēng)障葉片模塊已開啟到最佳開度。

圖8 E 向來流最佳開度隨風(fēng)速變化規(guī)律

圖9 ENE向來流最佳開度隨風(fēng)速變化規(guī)律

圖10 ESE向來流最佳開度隨風(fēng)速變化規(guī)律

4 監(jiān)測結(jié)果對比與分析

監(jiān)測1#、2#空冷機組風(fēng)機進風(fēng)量變化情況，監(jiān)測風(fēng)速范圍從0至24 m/s，風(fēng)向包含16個來流方向。采集數(shù)據(jù)如下，具體見圖11-圖13.

圖11 6 m/s風(fēng)速下1#、2#機組空冷平臺設(shè)置提升換熱效率裝置前后機組進風(fēng)量對比曲線

圖12 16 m/s風(fēng)速下1#、2#機組空冷平臺設(shè)置提升換熱效率裝置前后機組進風(fēng)量對比曲線

圖13 24 m/s風(fēng)速下1#、2#機組空冷平臺設(shè)置提升換熱效率裝置前后機組進風(fēng)量對比曲線

6 m/s風(fēng)速下1#、2#機組空冷平臺設(shè)置提升換熱效率裝置前后進風(fēng)量對比曲線如圖11。由圖11可以看出，設(shè)置旋轉(zhuǎn)風(fēng)障葉片開度根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)向變化的空冷平臺提升換熱效率裝置后比不設(shè)置前1#機組在各個方向上進氣量都有所增加，尤其在N-NE風(fēng)向下進風(fēng)量增加927～1 805 m3/s.2#機組在各個方向上進氣量都有所增加，尤其在N-NW風(fēng)向下進風(fēng)量增加1 503～2 532 m3/s.可見由于空冷平臺提升換熱效率裝置的作用對1#、2#機組在N-NE風(fēng)向、N-NW風(fēng)向下，進氣量有明顯的增大。

16 m/s風(fēng)速下1#、2#機組空冷平臺設(shè)置提升換熱效率裝置前后進風(fēng)量對比曲線如圖12。由圖12可以看出，設(shè)置旋轉(zhuǎn)風(fēng)障葉片開度根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)向變化的空冷平臺提升換熱效率裝置后比不設(shè)置前1#機組在各個方向上進氣量都明顯增加，尤其在SSE-NNW風(fēng)向下進風(fēng)量增加2 860～5 109 m3/s.2#機組在各個方向上進氣量都明顯增加，尤其在在NNE-NW風(fēng)向下進風(fēng)量增加3 150～7 390 m3/s.可見在16 m/s風(fēng)速下由于空冷平臺提升換熱效率裝置的作用對1#、2#機組在SSE-NNW風(fēng)向、NNE-NW風(fēng)向下，進氣量陡然增大，個別風(fēng)向下增加進氣量25%.

24 m/s風(fēng)速下1#、2#機組空冷平臺設(shè)置提升換熱效率裝置前后進風(fēng)量對比曲線如圖13。由圖13可以看出，設(shè)置旋轉(zhuǎn)風(fēng)障葉片開度根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)向變化的空冷平臺提升換熱效率裝置后比不設(shè)置前1#機組在各個方向上進氣量持續(xù)增加，尤其在在SSE-N風(fēng)向下進風(fēng)量增加4 337～10 932 m3/s.2#機組在在各個方向上進氣量都持續(xù)增加，尤其在NNE-NW風(fēng)向下進風(fēng)量增加3 645～8 981 m3/s.可見在24 m/s風(fēng)速下由于空冷平臺提升換熱效率裝置的作用對1#、2#機組在SSE-N風(fēng)向、NNE-NW風(fēng)向下，進氣量持續(xù)增加，個別風(fēng)向下甚至增加進氣量30%，但還有個別風(fēng)向上進氣量減少。

對比圖11-圖13，空冷平臺設(shè)置提升換熱效率裝置前后各個風(fēng)向風(fēng)機進氣量隨風(fēng)速的變化，進氣量隨風(fēng)速的增大而增大，但在風(fēng)速大于16 m/s之后，個別風(fēng)向上風(fēng)機進氣量降低，降低幅度不大，最大不超過8%.可見空冷平臺設(shè)置提升換熱效率裝置能夠在絕大多數(shù)情況下提高風(fēng)機的進風(fēng)量。

監(jiān)測1#、2#空冷機組背壓變化情況，監(jiān)測風(fēng)速范圍從0至24 m/s，風(fēng)向包含16個來流方向。采集數(shù)據(jù)如下，具體見圖14-圖16.

圖14 6 m/s風(fēng)速下1#、2#機組空冷平臺設(shè)置提升換熱效率裝置前后機組背壓對比曲線

圖15 16 m/s風(fēng)速下1#、2#機組空冷平臺設(shè)置提升換熱效率裝置前后機組背壓對比曲線

圖16 24 m/s風(fēng)速下1#、2#機組空冷平臺設(shè)置提升換熱效率裝置前后機組背壓對比曲線

6 m/s風(fēng)速下1#、2#機組空冷平臺設(shè)置提升換熱效率裝置前后機組背壓對比曲線如圖14.由圖14可以看出，設(shè)置旋轉(zhuǎn)風(fēng)障葉片開度根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)向變化的空冷平臺提升換熱效率裝置后比不設(shè)置前1#、2#機組在大多數(shù)風(fēng)向上機組背壓都有所降低，但在個別風(fēng)向上機組背壓都有所增大。在小風(fēng)風(fēng)況下，大多風(fēng)向下?lián)Q熱效果也能夠得到保證并稍有改善，個別風(fēng)向稍稍不利，但影響很小，最大背壓增加量沒超過4%.

16 m/s風(fēng)速下1#、2#機組空冷平臺設(shè)置提升換熱效率裝置前后機組背壓對比曲線如圖15.由圖15可以看出，設(shè)置旋轉(zhuǎn)風(fēng)障葉片開度根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)向變化的空冷平臺提升換熱效率裝置后比不設(shè)置前1#、2#機組在大多數(shù)風(fēng)向上機組背壓都明顯降低，1#機組在E-NNW風(fēng)向下，機組運行背壓在62.5 kPa附近，個別風(fēng)向下甚至超過停機背壓65 kPa,對于直接空冷機組而言，運行背壓在62.5 kPa將使汽輪機末級工作在及其惡劣的環(huán)境下，接近停機背壓65 kPa,此時背壓惡化的速率快，很快將停機，這是不允許的?？绽淦脚_提升換熱效率裝置能在風(fēng)速大時起到阻擋環(huán)境風(fēng)的作用，降低從中穿過的環(huán)境風(fēng)速度，使得邊緣空冷單元入口靜壓力升高，風(fēng)機流量增大，穩(wěn)定機組平均風(fēng)機流量，從而穩(wěn)定運行背壓。

24 m/s風(fēng)速下1#、2#機組空冷平臺設(shè)置提升換熱效率裝置前后機組背壓對比曲線如圖16。由圖16可以看出，設(shè)置旋轉(zhuǎn)風(fēng)障葉片開度根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)向變化的空冷平臺提升換熱效率裝置后比不設(shè)置前1#、2#機組在大多數(shù)風(fēng)向上機組背壓都明顯降低，E向、NNE向、N向機組背壓降低11～20 kPa，將機組運行背壓控制在停機背壓以下。最大背壓降低超過27%.

5 結(jié)論

(1)空冷平臺下設(shè)置空冷平臺提升換熱效率裝置，在小風(fēng)工況條件下傳感器根據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)自動調(diào)節(jié)不同高度、區(qū)域風(fēng)障葉片單元模塊的開度,使開度增大，保證空冷平臺下空氣流動，小風(fēng)條件6 m/s風(fēng)速工況條件下機組平均風(fēng)機流量高于或不顯著低于(6%變化范圍內(nèi))未設(shè)置空冷平臺提升換熱效率裝置條件。保證在小風(fēng)工況條件下的換熱效率，幾乎不影響單元風(fēng)機入口平均溫度，大多風(fēng)向下?lián)Q熱效果也能夠得到保證并稍有改善，個別風(fēng)向稍稍不利，但影響很小，最大背壓增加量沒超過4%.

(2)空冷平臺下設(shè)置空冷平臺提升換熱效率裝置，較不設(shè)置該裝置和設(shè)置固定防風(fēng)網(wǎng)，利用風(fēng)障葉片單元模塊抑風(fēng)特性,對大風(fēng)進行抑制，通過傳感器自動調(diào)節(jié)不同高度、區(qū)域風(fēng)障葉片單元模塊的開度,調(diào)節(jié)進風(fēng)量和對氣流進行導(dǎo)流，在各個風(fēng)向上16 m/s風(fēng)速工況下，可獲得更高的風(fēng)機進風(fēng)量,個別風(fēng)向下增加進氣量25%.甚至在24 m/s風(fēng)速工況下個別風(fēng)向，設(shè)置空冷平臺提升換熱效率裝置后，機組背壓降低11～20 kPa，最大背壓降低超過27%，將機組運行背壓控制在停機背壓65 kPa以下。

(3)空冷平臺提升換熱效率裝置盡可能的改善了空冷平臺周圍的流場，從而改善風(fēng)機工作環(huán)境，可以在各種不同環(huán)境風(fēng)工況條件下提升散熱效果，提高空冷系統(tǒng)運行的安全性和經(jīng)濟性，提高電廠運行性能，提高發(fā)電量，同時節(jié)能減排，大大減少電廠的煤炭消耗。