直接空冷機組變工況運行特性分析

陳雅麗，高全娥

直接空冷機組變工況運行特性分析

陳雅麗1，高全娥2

（1．大同電力高級技工學校，山西省 大同市 037039；2．山西電力職業(yè)技術(shù)學院，山西省 太原市 030021）

水資源的減少及分布不均問題促進了火力發(fā)電系統(tǒng)中空冷技術(shù)的產(chǎn)生，但是空冷機組也有能耗較高的缺點。凝汽器是空冷機組的核心設備，其排汽壓力是影響整個系統(tǒng)性能的最關(guān)鍵指標之一。以某電廠600MW機組為例，提出一種冷凝器背壓的簡便計算方法，分析了迎面風速、環(huán)境溫度、凝汽流量以及污垢熱阻對凝汽器排汽壓力的影響，為優(yōu)化空冷機組運行、節(jié)能降耗提供參考。

直接空冷機組；冷凝器；背壓；變工況

0 引言

面對化石能源的日益減少和環(huán)境的不斷惡化，世界各國都在努力尋求解決能源與環(huán)境問題的新方法，進一步謀求新的節(jié)能技術(shù)[1-3]。雖然我國最近5年用于化石能源發(fā)電的裝機比例已經(jīng)由72%下調(diào)到了65%。但是由于資源條件的限制，未來十幾年內(nèi)燃煤發(fā)電仍然是我國電力工業(yè)的主導力量[4-5]。

水是火電廠需要的最主要資源之一，由于水的比熱容大，傳熱性能好，非常適合作為汽輪機出口蒸汽的冷卻介質(zhì)。我國的水源分布極為不均，且大型煤礦多位于水源稀缺的地區(qū)。火電產(chǎn)業(yè)受煤以及水源的制約越來越大，這使得許多燃煤發(fā)電機組逐漸使用空氣代替水來冷凝蒸汽，該技術(shù)稱為空冷技術(shù)?？绽浼夹g(shù)最大的優(yōu)點是節(jié)水與環(huán)保，該技術(shù)可使發(fā)電廠節(jié)約80%的用水，部分電廠節(jié)水率甚至能高達85%，而且由冷卻水造成的環(huán)境污染問題也由此解決。另外，從成本角度考慮，由于空冷技術(shù)省去了建造冷卻塔的費用，因而降低了建造成本[6-8]。

但空冷系統(tǒng)的能耗較高，運行經(jīng)濟性較差，空冷系統(tǒng)性能優(yōu)化對電廠節(jié)能具有重要意義。凝汽器是空冷機組的核心設備，其排汽壓力是影響整個系統(tǒng)的最關(guān)鍵指標之一，因此系統(tǒng)性能優(yōu)化需要先了解各個參數(shù)對凝汽器排汽壓力的影響。

1 冷凝器排汽壓力計算方法

1.1 變工況下各參數(shù)之間的關(guān)系

冷凝器的換熱特性主要受環(huán)境溫度、換熱氣體的流動速度以及機組的凝結(jié)蒸汽流量等因素影響，在實際運行中，凝汽器的運行情況也會隨這些參數(shù)的變化而改變，不在既定的工況下運轉(zhuǎn)的情況稱為變工況方式。變工況下各參數(shù)之間的關(guān)系[9-10]為

冷凝器在變工況下工作特性的確定過程中，對流傳熱系數(shù)起著十分重要的作用，因此首先要確定冷凝器的傳熱系數(shù)。

1.2 設計工況下傳熱系數(shù)

1）冷凝器管道中蒸汽參數(shù)的確定。

2）管道中排汽冷凝交換熱的確定。

與濕冷系統(tǒng)相比，雖然直接空冷系統(tǒng)將換熱介質(zhì)換成空氣，但是實際的傳熱過程仍然相同，管內(nèi)蒸汽凝結(jié)放熱量

3）冷卻介質(zhì)空氣參數(shù)的確定。

換熱介質(zhì)空氣在對汽輪機排汽進行換熱時，會被高溫蒸汽加熱，其中，在對流換熱量的確定過程中一些參數(shù)可以取平均值用于運算：

本次計算將換熱的空氣介質(zhì)理想化，那么可以得出空氣的平均密度

空氣的比定壓熱容與溫度有關(guān)：

在換熱器設計的理論計算中，有些參數(shù)是無法測得或通過公式計算出的，如冷凝器出口空氣溫度，這種情況下就應該使用迭代法，通過不斷的循環(huán)運算，使結(jié)果越來越接近真實值，具體的過程如圖1所示。

4）設計工況下傳熱單元數(shù)的確定。

根據(jù)式(9)可得

由式(10)可得：

5）設計工況下傳熱系數(shù)的確定。

1.3 變工況下傳熱系數(shù)計算

如果換熱器中相變側(cè)的對流換熱系數(shù)非常大，則可認為該階段的熱阻特別小。為了提高換熱器的換熱效果，換熱管束的管子厚度制造得特別薄，而且使用的金屬導熱性能也特別好，因此其導熱系數(shù)比較大，導致管壁的熱阻就很小。與以上兩者相比，冷卻介質(zhì)側(cè)空氣與管束的對流換熱系數(shù)不大，其熱阻相對較大，所以可以忽略管壁內(nèi)以及管壁的熱阻，只將管道外部的熱阻計算在內(nèi)，這樣計算誤差很小[14-17]。如果按照這樣的方式計算，總的對流換熱系數(shù)計算公式可以描 述為

這樣2種工況下對流換熱系數(shù)的比值為

據(jù)此，凝汽器變工況下傳熱系數(shù)可簡化為

如果給出了汽輪機乏汽的相關(guān)數(shù)據(jù)，且繞流管道的空氣迎風速度也給定，那么可以根據(jù)式(16)計算出變工況下冷凝器的總對流換熱系數(shù)。

2 空冷機組的變工況運行特性分析

根據(jù)第1節(jié)提出的變工況數(shù)學模型，可以計算分析出管道外部風速、凝汽器的凝汽流量、外部環(huán)境溫度以及凝汽器管道內(nèi)外因存在污垢而形成的熱阻與直接空冷機組背壓的關(guān)系。以某電廠600 MW空冷系統(tǒng)為例進行分析，機組相關(guān)參數(shù)見文獻[6]。

2.1 迎面風速與背壓關(guān)系

假定換熱器管道內(nèi)外不存在污垢，設置換熱器周圍環(huán)境溫度為18.5℃，直接空冷系統(tǒng)的背壓和迎面風速的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 環(huán)境溫度不變，各排汽流量下背壓與迎面風速的關(guān)系曲線

由圖2可以看出，環(huán)境溫度不變時，直接空冷機組的凝汽器背壓會隨迎面風速的升高而下降，而且其下降趨勢逐漸變緩。在環(huán)境溫度和迎面風速一定的條件下，機組的凝汽流量越大，背壓就越高。而迎面風速越小，機組的凝汽流量變化對凝汽器背壓的影響越大，當迎面風速大于2.5m/s時，凝汽器背壓基本不會隨著迎面風速的改變而變化。所以一旦換熱器管道的風速大于2.5m/s時，背壓的調(diào)節(jié)不能通過改變迎面風速來實現(xiàn)，因為此時機組的功率受迎面風速的影響較大，提高迎面風速不但背壓不會改變太多，而且會很大程度地降低機組的輸出功率。

圖3為在不計換熱器管道內(nèi)外因存在污垢而出現(xiàn)熱阻的條件下，凝汽流量為235kg/s時，換熱器處在不同溫度時直接空冷系統(tǒng)的背壓與迎面風速的關(guān)系曲線。

圖3 凝汽流量不變，不同環(huán)境溫度下背壓與迎面風速的關(guān)系曲線

由圖3可知，無論在何種環(huán)境溫度下，該直接空冷機組的背壓都會隨迎面風速的增加而降低，且其下降趨勢逐漸減緩。當迎面風速大于2.5m/s后，繼續(xù)增大風速，直接空冷系統(tǒng)的背壓改變很小，因此不能依靠調(diào)節(jié)空氣流速來調(diào)節(jié)機組背壓。

綜合圖2、3可以看出，在正常的環(huán)境溫度和合理的凝汽流量范圍內(nèi)，迎面風速越大，該直接空冷系統(tǒng)的背壓越小，并且在風速變大的情況下，背壓減小速度越來越慢，當風速大于2.5m/s后，汽輪機的背壓逐漸趨于穩(wěn)定，此時背壓調(diào)節(jié)不能通過調(diào)節(jié)氣流速度進行。

2.2 排汽流量對背壓的影響

圖4為不計換熱器管道內(nèi)外污垢熱阻以及換熱器周圍環(huán)境溫度為20℃時，不同迎面風速下直接空冷系統(tǒng)背壓與凝汽流量的關(guān)系曲線。

由圖4可以看出，在換熱器周圍環(huán)境溫度不變的條件下，直接空冷機組的凝汽器背壓隨凝汽流量的增大而升高，且迎面風速越小，機組背壓隨凝汽流量變化的幅度越大。

圖4 環(huán)境溫度20℃，不同迎面風速下背壓與凝汽流量的關(guān)系曲線

圖5為迎面風速2.016 m/s，不同環(huán)境溫度下直接空冷系統(tǒng)的背壓與凝汽流量的關(guān)系曲線。由圖5可以看出，在迎面風速不變的條件下，換熱器周圍環(huán)境溫度越高，機組背壓隨凝汽流量變化的幅度越大；換熱器周圍環(huán)境溫度越低，汽輪機背壓和凝汽流量之間的變化越趨近于線性。

圖5 迎面風速2.016 m/s，不同環(huán)境溫度下背壓與凝汽流量的關(guān)系曲線

由圖4、5可知，該直冷機組的背壓隨凝汽流量的增加而變大，而且凝汽流量越大，汽輪機背壓的增大速度就越快。尤其在高溫、低迎面風速條件下，背壓隨凝汽流量的變化趨勢明顯，此時通過調(diào)節(jié)排汽量可以大幅度調(diào)節(jié)背壓。

2.3 污垢熱阻對背壓的影響

長時間運行的機組凝汽器內(nèi)表面會由于水垢結(jié)渣或蒸汽流的侵蝕而形成水垢，而在凝汽器的管道外部，也會因為塵土的堆積或者是其他雜物的包裹而形成一層“保溫層”，兩者都會產(chǎn)生熱阻，降低冷凝器的冷凝效果。所以有必要分析凝汽器管道內(nèi)外的污垢對直接空冷機組排汽壓力的影響[18]。管道熱阻主要由管外、管壁和管內(nèi)構(gòu)成，其表達式[19]為

當凝汽器管道外部沒有積灰或其他雜物，而管道內(nèi)表面存在污垢時，那么對流傳熱系數(shù)計算公式[16]為

如果凝汽器管道內(nèi)部沒有污垢凝結(jié)，只有管道外部有污垢堆積形成熱阻，總傳熱熱阻的表達式能夠簡化為

以該機組為例，計算不同條件(包括各種迎面風速和周圍溫度條件)下，機組背壓隨管道污垢熱阻的變化。

圖6為迎面風速不變時，不同溫度下管內(nèi)污垢熱阻與汽輪機背壓的關(guān)系曲線?？梢钥闯?，在管道內(nèi)部污垢熱阻值0~0.001m2·K/W的變化范圍內(nèi)，該空冷系統(tǒng)的背壓隨冷凝器管道內(nèi)部污垢熱阻的升高而變大，且二者呈線性變化。溫度越高，機組背壓對管道內(nèi)部熱阻變化的敏感程度越大。

圖7為在凝汽器所處的環(huán)境溫度一定時，不同迎面風速下機組背壓與管道內(nèi)部污垢熱阻的關(guān)系曲線。由圖7可以看出，在管道內(nèi)部污垢阻值0~0.001m2·K/W的變化范圍內(nèi)，該直接空冷系統(tǒng)的背壓隨凝汽器管道內(nèi)部污垢熱阻的增大而變大，二者呈線性變化。迎面風速越小，機組背壓對管道內(nèi)部熱阻的敏感度越大。

圖6 迎面風速一定，不同溫度下背壓與管內(nèi)污垢熱阻的關(guān)系曲線

圖7 環(huán)境溫度一定，不同迎面風速下背壓與管內(nèi)污垢熱阻的關(guān)系曲線

圖8為迎面風速固定不變，不同溫度下機組背壓與管外污垢熱阻的關(guān)系曲線。由圖8可以看出，在管道外部污垢熱阻值0~0.001m2·K/W的變化范圍內(nèi)，該直接空冷系統(tǒng)的背壓隨凝汽器管道外部污垢熱阻的增大而略有增大，二者呈線性變化，只是斜率較小。溫度越高，汽輪機背壓對管道外部污垢熱阻的敏感程度越高。

圖8 迎面風速一定，不同溫度下背壓與管道外污垢熱阻的關(guān)系曲線

圖9為環(huán)境溫度一定時，不同迎面風速下背壓與管道外部污垢熱阻的關(guān)系曲線。可以看出，該直接空冷系統(tǒng)的背壓隨凝汽器管道外部污垢熱阻的增大而線性緩慢升高。迎風速度越小，機組背壓對管道外部熱阻的敏感程度越大。

對比圖6—9可知，相同條件下，凝汽器管道內(nèi)部和外部的污垢熱阻范圍為0~0.001m2×k/W，管道內(nèi)外污垢熱阻導致該空冷機組的背壓幅度差別很大，管道內(nèi)部污垢熱阻變化對機組的背壓影響較大，而管道外部污垢熱阻變化對機組背壓幾乎沒有影響，所以背壓對管道內(nèi)部污垢熱阻的敏感性強。

圖9 環(huán)境溫度一定，不同迎面風速下背壓與管外污垢熱阻的關(guān)系曲線

3 結(jié)論

1）迎面風速的增加會導致直接空冷系統(tǒng)背壓的降低，但是當迎面風速大于一定值時，直接空冷系統(tǒng)的背壓隨迎面風速的增加改變很小，因此不能依靠調(diào)節(jié)空氣流速來調(diào)節(jié)機組背壓；

2）直接空冷機組的凝汽器背壓隨著凝汽流量的增大而增大，且在迎面風速越大、環(huán)境溫度越高的條件下，凝汽流量對機組凝汽器背壓的影響程度越大；

3）在機組的運行過程中，應該更加注重控制換熱器管道內(nèi)部的污垢生成，避免其產(chǎn)生的熱阻對凝汽器散熱造成阻礙。

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Characteristic Analysis of Direct Air-cooled Units Under Variable Working Conditions

CHEN Yali1, GAO Quane2

(1. Datong Electric Power Senior Technical School, Datong 037039, Shanxi Province, China;2. Electric Power Occupational Technical Institute of SEPC, Taiyuan 030021, Shanxi Province, China)

The reduction and uneven distribution of water resources has promoted the generation of air-cooled technology for thermal power systems, but the energy consumption of air-cooled units is higher. Condenser is the core equipment of air-cooled units, and its exhaust pressure is one of the most important indicators affecting the performance of the whole system. Taking a 600MW unit of a power plant as an example, a simple calculation method for the back pressure of the condenser was put forward, and the influence of upwind speed, ambient temperature, condensate flow rate and fouling thermal resistance on the exhaust pressure of the condenser was analyzed, which can provide reference for optimizing air-cooled units operation, energy saving and consumption reduction.

direct air-cooled units; condenser; back pressure; variable working conditions

10.12096/j.2096-4528.pgt.19039

TM 621

2019-03-28。

(責任編輯 辛培裕)