火電廠1 350 MW級汽輪機(jī)高位布置直接空冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

密長海，高 洋，馮 璟，董 照

(中國電力工程顧問集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100120)

0 引言

為降低能耗、減少污染物排放并改善環(huán)境，我國常規(guī)火電技術(shù)飛速發(fā)展，單機(jī)容量不斷提高，從1 000 MW正在向1 350 MW邁進(jìn)。大容量機(jī)組采用汽輪機(jī)高位布置有利于進(jìn)一步提高機(jī)組熱效率，同時(shí)可縮短主汽和再熱管道，顯著降低管道部分的投資成本。

目前國內(nèi)外尚無采用直接空冷技術(shù)的1 350 MW級及以上容量(超大容量)的火電機(jī)組，與1 000 MW級及以下容量(常規(guī)容量)的機(jī)組相比，其空冷系統(tǒng)更加龐大、空冷單元數(shù)更多、空冷平臺(tái)更高，加之汽輪機(jī)采用高位布置，因此需對常規(guī)容量且汽輪機(jī)低位布置的直接空冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則適用性做進(jìn)一步分析。此外，超大容量機(jī)組對運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性要求更高，環(huán)境風(fēng)對更龐大的空冷系統(tǒng)布置及換熱效果的影響無法依靠過往經(jīng)驗(yàn)評估，尤其是汽輪機(jī)采用高位布置的情況，需結(jié)合數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)進(jìn)行研究。本文依托某2×1 350 MW直接空冷火電機(jī)組，對此進(jìn)行分析。

1 工程概況

依托工程為2×1 350 MW二次再熱直接空冷燃煤機(jī)組，廠址位于山西省境內(nèi)，海拔高度934 m，汽輪機(jī)擬采用高位布置方案?？绽錃庀髷?shù)據(jù)見表1所列。

表1 空冷氣象數(shù)據(jù)表

依托工程所采用的汽輪機(jī)特性參數(shù)見表2所列。

表2 汽輪機(jī)特性參數(shù)表

2 1 350 MW機(jī)組直接空冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

直接空冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案主要包括空冷凝汽器管排數(shù)及管束長度、風(fēng)機(jī)選型、迎面風(fēng)速、設(shè)計(jì)背壓等參數(shù)的確定。

2.1 空冷凝汽器選型

本依托工程的直接空冷凝汽器選擇當(dāng)前工程中較多采用的鋼管鋁翅片，其換熱、防凍性能較好，且為易清洗的單排管形式。

空冷凝汽器管束長度越大，空冷單元數(shù)越少，風(fēng)機(jī)配置數(shù)量也越少，但單排管管束長度上限也應(yīng)考慮生產(chǎn)制造能力、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、管束壓降、散熱器利用效率以及防凍效果。本依托工程采用11.5 m長度管束。

2.2 風(fēng)機(jī)選型

直接空冷系統(tǒng)中在相同空氣流量下，宜選用直徑較大的軸流風(fēng)機(jī)以降低噪聲并減少風(fēng)機(jī)數(shù)量。目前實(shí)際工程應(yīng)用的直接空冷系統(tǒng)軸流風(fēng)機(jī)最大直徑為10 360 mm，本依托工程也采用該直徑的風(fēng)機(jī)。為抵抗大風(fēng)的影響，風(fēng)機(jī)所配電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速按額定轉(zhuǎn)速的110%考慮，但本依托工程所在地累年平均風(fēng)速相對較低(氣象站10 m高處僅2.4 m/s)，因此風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速按額定轉(zhuǎn)速105%考慮。

2.3 迎面風(fēng)速

考慮到直接空冷所采用的低壓電動(dòng)機(jī)的功率不宜大于185 kW，并兼顧工程運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，工程中配套大直徑軸流風(fēng)機(jī)的單排管空冷凝汽器的迎面風(fēng)速宜在1.8～2.6 m/s范圍內(nèi)選擇。

2.4 設(shè)計(jì)背壓

在機(jī)組外部氣象條件、煤價(jià)、電價(jià)確定的情況下，機(jī)組容量越大，則設(shè)計(jì)背壓越低經(jīng)濟(jì)性越高(下限為阻塞背壓)。研究結(jié)果顯示：受限于汽輪機(jī)現(xiàn)有末級葉片長度的限制，1 350 MW級二次再熱空冷機(jī)組設(shè)計(jì)背壓最低可降到6～7 kPa。但最終設(shè)計(jì)背壓的選取還應(yīng)結(jié)合具體工程的設(shè)計(jì)氣溫和標(biāo)煤價(jià)格進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較后確定。針對依托工程設(shè)計(jì)氣溫(14 ℃)下不同標(biāo)煤價(jià)格，計(jì)算得出的機(jī)組推薦設(shè)計(jì)背壓見表3所列。

表3 直接空冷機(jī)組推薦的設(shè)計(jì)背壓與標(biāo)煤價(jià)格的關(guān)系表

由表3可知，在當(dāng)前標(biāo)煤價(jià)格約550元/t時(shí)，應(yīng)選擇9 kPa作為依托工程的設(shè)計(jì)背壓，對應(yīng)的單臺(tái)機(jī)組總散熱面積為3 548 380 m2、迎面風(fēng)速為2.35 m/s。

3 1 350 MW汽輪機(jī)高位布置下直接空冷平臺(tái)布置特點(diǎn)

汽輪機(jī)高位布置下的超大容量機(jī)組，其直接空冷平臺(tái)布置與常規(guī)容量機(jī)組的區(qū)別主要包括空冷平臺(tái)占地、空冷平臺(tái)高度、與汽機(jī)房的間距和蒸汽隔離閥口徑選擇等方面。

3.1 空冷平臺(tái)占地

為縮短汽輪機(jī)排汽管道的長度、減少壓降，空冷平臺(tái)一般布置在汽機(jī)房A列外，其長度方向按照汽機(jī)房長度和固定端與擴(kuò)建端兩側(cè)道路內(nèi)側(cè)間距確定。2×1 350 MW機(jī)組汽機(jī)房長度約230 m，加上固定端與擴(kuò)建端側(cè)兩道路內(nèi)側(cè)空間(考慮道路拐彎半徑、電除塵器的尺寸以及消防要求)后約290 m；而空冷平臺(tái)的布置要考慮其豎向投影面在道路內(nèi)側(cè)(也可根據(jù)實(shí)際布置適當(dāng)超出)，因此2×1 350 MW機(jī)組的空冷平臺(tái)總長度應(yīng)不大于290 m，即單臺(tái)1 350 MW機(jī)組的空冷平臺(tái)長度應(yīng)不大于145 m，具體占地布置示意如圖1所示。此外，空冷平臺(tái)的寬度或進(jìn)深也應(yīng)考慮單列蒸汽分配管的管徑(詳見3.3節(jié))，并結(jié)合主變壓器電壓等級及其布置確定。

圖1 2×1 350 MW機(jī)組主廠房區(qū)域各設(shè)施占地布置示意圖

不同地區(qū)機(jī)組的空冷設(shè)計(jì)氣溫和最優(yōu)設(shè)計(jì)背壓雖不同，但在當(dāng)前空冷設(shè)備、標(biāo)煤價(jià)格(約600元/t)的市場行情下，設(shè)計(jì)氣溫和最優(yōu)設(shè)計(jì)背壓呈近似線性的關(guān)系，因此所配置的直接空冷系統(tǒng)容量比較接近，則占地尺寸也基本接近。

未來如果煤價(jià)上漲，機(jī)組最優(yōu)背壓相應(yīng)下降，則空冷系統(tǒng)容量繼續(xù)增大，空冷單元數(shù)隨之增加?？刹捎迷黾涌绽淦脚_(tái)行列數(shù)的方式解決，因此空冷平臺(tái)占地可能成為限制主廠房區(qū)域兩側(cè)道路間距的主要因素，從而對廠區(qū)整體布置產(chǎn)生一定影響。針對不同設(shè)計(jì)氣溫、不同設(shè)計(jì)背壓的直接空冷系統(tǒng)占地尺寸見表4所列。由表4可知，設(shè)計(jì)氣溫為14 ℃且設(shè)計(jì)背壓不高于9 kPa時(shí)，空冷平臺(tái)占地最小。

表4 不同設(shè)計(jì)氣溫和設(shè)計(jì)背壓的直接空冷系統(tǒng)占地尺寸(1×1 350 MW)

3.2 空冷平臺(tái)高度

采用汽輪機(jī)低位布置的機(jī)組，其直接空冷平臺(tái)的最佳高度隨機(jī)組容量增加而提升[1]，一般可按照空冷平臺(tái)下部進(jìn)風(fēng)口沿高度上的平均空氣流速不大于4 m/s的原則，并控制空冷平臺(tái)高度不低于汽機(jī)房高度，因此1 000 MW級機(jī)組的空冷平臺(tái)高度為50～55 m。綜合考慮進(jìn)風(fēng)阻力與空冷平臺(tái)支撐柱投資，1 350 MW級超大容量機(jī)組的直接空冷平臺(tái)高度按60 m左右較為合適(不同地區(qū)的工程受海拔對空氣密度的影響會(huì)有所不同)。

采用汽輪機(jī)低位布置的機(jī)組應(yīng)控制空冷平臺(tái)高度不低于汽機(jī)房屋面高度，主要是為減少爐后方向來風(fēng)引起的空冷平臺(tái)與汽機(jī)房間空隙處產(chǎn)生的大量熱回流，從而減弱大風(fēng)對空冷系統(tǒng)散熱效果的影響。但汽輪機(jī)高位布置后汽機(jī)房高度較高，房頂處可達(dá)90 m左右，如按此原則執(zhí)行，則空冷平臺(tái)支撐柱的投資成本將大幅增加，故空冷平臺(tái)不必高于汽機(jī)房屋面。

3.3 與汽機(jī)房的間距

對于汽輪機(jī)低位布置下的直接空冷機(jī)組，考慮到不同環(huán)境風(fēng)速下綜合換熱效果，空冷平臺(tái)與汽機(jī)房的間距宜縮小[2]，但排汽管道從汽機(jī)房A列貼零米地面穿出并向上爬升數(shù)十米后至空冷平臺(tái)，需同時(shí)兼顧排汽管道的布置以及吊裝施工方便，因此間距對于常規(guī)容量機(jī)組一般控制在15 m左右較好。對于1 350 MW級汽輪機(jī)高位布置的機(jī)組，排汽管道需采用2根直徑DN8500左右的管道直接由汽機(jī)房約60m高處穿出接至空冷平臺(tái)(空冷支撐柱處設(shè)置鋼支架以支撐管道)。為減少高懸的大排汽管道震動(dòng)對空冷平臺(tái)結(jié)構(gòu)的影響，平臺(tái)與汽機(jī)房的間距應(yīng)盡量縮小，且縮小間距后也可減少爐后來風(fēng)時(shí)的熱回流影響；同時(shí)考慮到主排汽管道的安裝檢修空間，因此凈距可控制在13 m左右。

3.4 蒸汽隔離閥口徑選擇

設(shè)置蒸汽隔離閥的作用是為滿足冬季啟停機(jī)以及運(yùn)行最小防凍流量的要求，因此主要受鍋爐啟動(dòng)運(yùn)行性能、汽輪機(jī)旁路容量以及環(huán)境氣溫影響，其中環(huán)境氣溫是影響隔離閥數(shù)量的最主要因素。對于純凝機(jī)組一般按照歷年最冷月平均氣溫下滿足正常啟停機(jī)來要求；對于抽汽或供熱機(jī)組，還應(yīng)按當(dāng)?shù)貥O端最冷氣溫校核是否滿足冬季最小流量運(yùn)行來要求。

蒸汽分配管的蒸汽隔離閥對密封要求較高，隔離閥通常不宜大于DN3800口徑。對于1 350 MW級直接空冷機(jī)組，其單列空冷單元數(shù)較多，蒸汽分配管始端往往需要較大口徑，因此蒸汽隔離閥的口徑也可能會(huì)限制單列空冷單元的數(shù)量，從而影響空冷平臺(tái)布置，具體結(jié)合依托工程說明如下：

1)如每臺(tái)機(jī)組的90個(gè)空冷單元按9行10列形式布置，應(yīng)設(shè)置6套蒸汽隔離閥，分設(shè)在兩側(cè)蒸汽分配管始端，蒸汽隔離閥采用DN3800口徑時(shí)，TMCR工況下蒸汽分配管內(nèi)蒸汽流速約80 m/s，阻塞背壓工況下蒸汽流速約114 m/s，滿足技術(shù)和經(jīng)濟(jì)要求，推薦采用此方案；

2)如每臺(tái)機(jī)組的90個(gè)空冷單元按10行9列形式布置，應(yīng)設(shè)置5套蒸汽隔離閥，分設(shè)在兩側(cè)蒸汽分配管始端，若蒸汽隔離閥繼續(xù)采用DN3800口徑時(shí)，TMCR工況下蒸汽分配管內(nèi)蒸汽流速約89 m/s，阻塞背壓工況下蒸汽流速約127 m/s，管道內(nèi)蒸汽壓降大引起所需空冷凝汽器面積加大，或采用訂制口徑為DN4000的隔離閥。

4 汽輪機(jī)高位布置下環(huán)境風(fēng)對空冷系統(tǒng)的影響

汽輪機(jī)采用高位布置時(shí)，汽機(jī)房比低位布置時(shí)高出很多，高聳的廠房對環(huán)境風(fēng)的擾流會(huì)影響空冷系統(tǒng)的散熱效果。

4.1 環(huán)境風(fēng)對汽輪機(jī)常規(guī)低位布置的空冷系統(tǒng)的影響分析

汽輪機(jī)低位布置下的直接空冷機(jī)組，空冷平臺(tái)主進(jìn)風(fēng)口宜面向夏季主導(dǎo)風(fēng)向，并兼顧全年主導(dǎo)風(fēng)向[3]，要避免鍋爐房后出現(xiàn)較高風(fēng)頻風(fēng)速[4](特別是爐后斜向的高溫來風(fēng))，否則容易形成熱回流，降低直接空冷系統(tǒng)的換熱效率，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致背壓迅速升高甚至引起汽輪機(jī)跳機(jī)。因此，空冷平臺(tái)的朝向主要受工程廠址處的環(huán)境風(fēng)影響。

環(huán)境風(fēng)對直接空冷系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響的原因如下：環(huán)境風(fēng)過大會(huì)使迎面風(fēng)速降低，冷卻空氣流量下降，同時(shí)使空冷單元進(jìn)口空氣溫度升高，最終使凝汽器凝結(jié)溫度升高，汽輪機(jī)排汽壓力升高；此外，環(huán)境風(fēng)過大還會(huì)引起空冷凝汽器出口熱空氣回流，引起邊緣處某些空冷單元的散熱器換熱效果下降，同樣導(dǎo)致汽輪機(jī)排汽壓力升高。

針對環(huán)境風(fēng)的影響除通過調(diào)整直接空冷系統(tǒng)主進(jìn)風(fēng)口朝向進(jìn)行應(yīng)對，一般還采取在空冷平臺(tái)上方加裝擋風(fēng)墻的方式，從而在空冷凝汽器四周形成具有擋風(fēng)作用的屏障，其高度一般不宜低于蒸汽分配管最大管徑處的管頂，對于高溫大風(fēng)地區(qū)，擋風(fēng)墻可繼續(xù)加高2～3 m[5]或?qū)躏L(fēng)墻進(jìn)行下延1～2 m形成擋風(fēng)板[6]。

上述措施中，無論是主進(jìn)風(fēng)口朝向調(diào)整還是設(shè)置擋風(fēng)板均是就汽輪機(jī)低位布置形式而言。1 350 MW級汽輪機(jī)采用高位布置后，直接空冷蒸汽分配管頂部由比汽機(jī)房高約35 m變?yōu)檩^汽機(jī)房矮近20 m，如圖2和圖3所示。環(huán)境風(fēng)和空冷單元出口熱氣流由于高位布置汽機(jī)房的阻礙，流場均發(fā)生變化，因此上述結(jié)論是否仍然適用需進(jìn)一步研究，尤其是空冷平臺(tái)與夏季主導(dǎo)風(fēng)向、爐后風(fēng)向的關(guān)系。

圖2 汽輪機(jī)低位布置下直接空冷平臺(tái)與汽機(jī)房的高度關(guān)系圖

圖3 汽輪機(jī)高位布置下直接空冷平臺(tái)與汽機(jī)房的高度關(guān)系圖

4.2 環(huán)境風(fēng)對汽輪機(jī)高位布置的空冷系統(tǒng)的影響分析

針對環(huán)境風(fēng)對直接空冷系統(tǒng)散熱效果的具體影響，一般采用商用計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)軟 件 建 立數(shù)學(xué)模型的方式進(jìn)行研究。目前已有研究人員進(jìn)行了600 MW等級汽輪機(jī)高位布置下的直接空冷系統(tǒng)的數(shù)模研究[7]，筆者參照其建模及研究方法，并按照本依托工程的邊界條件，進(jìn)一步做了1 350 MW級機(jī)組的相關(guān)驗(yàn)證研究。由于本依托工程按照IEC60045-1991標(biāo)準(zhǔn)定義機(jī)組容量，故后續(xù)研究結(jié)果主要針對銘牌工況(即TMCR工況)。

驗(yàn)證研究顯示汽輪機(jī)高位布置相比低位布置對機(jī)組背壓有不利影響，主進(jìn)風(fēng)口方向(年主導(dǎo)風(fēng)向同時(shí)也是夏季主導(dǎo)風(fēng)向，南風(fēng))時(shí)影響不明顯，但斜爐后風(fēng)向(年次主導(dǎo)風(fēng)向，東偏北風(fēng)；年次次主導(dǎo)風(fēng)向，西偏北風(fēng))時(shí)影響較明顯，這一趨勢與黃晨希等人[7]的研究結(jié)果是一致的。具體結(jié)果為：在設(shè)計(jì)氣溫14℃、設(shè)計(jì)環(huán)境風(fēng)速4 m/s條件下，雖然汽輪機(jī)高位布置后主排汽管道縮短使得乏汽的管損壓降減小，但在主進(jìn)風(fēng)口風(fēng)向時(shí)汽輪機(jī)背壓較低位布置時(shí)仍高約0.3 kPa，而在斜爐后風(fēng)向時(shí)汽輪機(jī)背壓較低位布置時(shí)高約2 kPa。因此，汽輪機(jī)高位布置時(shí)直接空冷主進(jìn)風(fēng)口仍應(yīng)按朝向主導(dǎo)風(fēng)向設(shè)置。對于按GB/T 5578—2007《固定式發(fā)電用汽輪機(jī)規(guī)范》定義銘牌功率的機(jī)組應(yīng)按朝向夏季主導(dǎo)風(fēng)向并兼顧年主導(dǎo)風(fēng)向，這一點(diǎn)與汽輪機(jī)低位布置是相同的。

已有660 MW級汽輪機(jī)高位布置的機(jī)組投運(yùn)，參照投運(yùn)工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合本依托工程情況做適當(dāng)調(diào)整，本研究進(jìn)一步驗(yàn)證了以下三種應(yīng)對措施的效果，具體結(jié)果如下：

1)增加空冷系統(tǒng)的換熱面積：增加10%時(shí)，主進(jìn)風(fēng)口風(fēng)向時(shí)汽輪機(jī)背壓可降低約0.8 kPa，斜爐后風(fēng)向時(shí)汽輪機(jī)背壓也可降低約1 kPa；

2)在空冷平臺(tái)與汽機(jī)房的間隙處增加下斜垂型防風(fēng)板：其傾斜部分長5 m、垂直部分長13 m，主進(jìn)風(fēng)口風(fēng)向時(shí)汽輪機(jī)背壓可降低約0.6 kPa，斜爐后風(fēng)向時(shí)汽輪機(jī)背壓可降低約1.5 kPa；

3)以上兩種措施組合：主進(jìn)風(fēng)口風(fēng)向時(shí)汽輪機(jī)背壓可降低約1.2 kPa，斜爐后風(fēng)向時(shí)汽輪機(jī)背壓可降低約2 kPa。

因此針對本依托工程采用兩種措施組合，即散熱面積增加10%的同時(shí)增加下斜垂型防風(fēng)板，可基本抵消汽輪機(jī)高位布置對機(jī)組背壓(或空冷凝汽器換熱效果)所帶來的不利影響，保證其銘牌出力。但對于按國標(biāo)定義銘牌功率的機(jī)組，應(yīng)按照夏季工況核算其所采取措施的詳細(xì)數(shù)據(jù)。

此外，有設(shè)計(jì)院建議也可采用加大靠近汽機(jī)房的風(fēng)機(jī)風(fēng)量以減弱大風(fēng)影響的方式，但本研究不推薦該方案，原因有：

1)效果較差，背壓僅可降低約0.3 kPa；

2)增加管理維護(hù)的難度，需至少兩種規(guī)格電機(jī)，且備品備件均需準(zhǔn)備兩套；

3)對風(fēng)速監(jiān)測控制系統(tǒng)要求高，因在環(huán)境大風(fēng)時(shí)才有必要加大風(fēng)量運(yùn)行，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速需對瞬時(shí)大風(fēng)做及時(shí)響應(yīng)調(diào)整，若不論環(huán)境風(fēng)大小都采用大風(fēng)量連續(xù)運(yùn)行又過于浪費(fèi)。

5 結(jié)論

通過對1 350 MW級汽輪機(jī)高位布置下的直接空冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型、布置原則研究以及環(huán)境風(fēng)的影響驗(yàn)證分析，得出如下結(jié)論：

1)1 350 MW級汽輪機(jī)高位布置下，直接空冷系統(tǒng)在占地、平臺(tái)高度、蒸汽隔離閥設(shè)置、主進(jìn)風(fēng)口朝向與低位布置下的原則相似，但空冷平臺(tái)與汽機(jī)房間距較低位布置宜減少，且空冷平臺(tái)高度按滿足系統(tǒng)需求即可，不追求高于汽機(jī)房；

2)1 350 MW級汽輪機(jī)高位布置下，汽機(jī)房對機(jī)組背壓的影響相比低位布置，在主進(jìn)風(fēng)口風(fēng)向時(shí)影響不明顯，但在斜爐后風(fēng)向時(shí)影響較明顯，可采用增大空冷凝汽器換熱面積，或在空冷平臺(tái)與汽機(jī)房的間隙處設(shè)下斜垂型防風(fēng)板，或同時(shí)采取以上兩種方式以抵消影響。工程實(shí)際應(yīng)用中，具體配置方案還應(yīng)在直接空冷系統(tǒng)定標(biāo)后由空冷廠商根據(jù)設(shè)計(jì)方案做具體研究分析。