直接空冷机组安全渡夏探析

高清林

(福建电力职业技术学院,福建 泉州 362000)

1 概 述

直接空冷机组具有冷却系统的节水率高、占地面积小、无自然水热污染,以及电厂选址不受水源制约等诸多极富竞争力的优点。近几年来,直接空冷机组也在富煤缺水的“三北”煤矿坑口地区得到很大的发展,直接空冷技术的应用也日臻完善,但是,目前我国的直接空冷技术应用尚属起步阶段,在设计、制造、安装、运行、测试等方面还有许多技术问题亟待解决,尤其是直接空冷机组受环境风场的影响大,在夏季炎热期常因背压过高而使机组出力受阻甚至跳闸,这一直是直接空冷机组悬而未决的问题。现将定性分析环境风场对直接空冷机组在夏季炎热期安全经济运行的不利影响,借鉴国外直接空冷技术发展的经验,并结合国内直接空冷机组设计和运行的实践,提出应对措施。

2 环境风场对空冷凝汽器运行的不利影响

由于直接空冷机组是利用环境风,冷却直接冷凝汽轮机的排汽,空冷凝汽器的冷却性能受风温、风速和风向等环境因素的影响很大。在炎热的夏季,环境风场将对空冷凝汽器的运行产生极为不利的影响。

2.1 夏季高温削弱空冷凝汽器的冷却能力

在夏季高温时段,由于空冷凝汽器置身于较高的环境气温中,冷、热流体之间的换热温差减小,而且,随着环境气温(亦即空冷凝汽器冷却空气的入口温度)的升高,空冷凝汽器冷却空气的进、出口温差减小,冷却空气受到的浮升力减小,空冷凝汽器迎面风速降低;同时,空冷凝汽器的初始温差和传热端差,均随其入口空气温度的升高而增大。

冷、热流体之间换热温差的减小,以及冷流体流动速度的降低,都将导致空冷凝汽器冷却能力明显下降,使汽轮机的排汽温度升高;而空冷凝汽器初始温差和传热端差的增大,又加剧汽轮机排汽温度的升高。

2.2 环境风减少了空冷凝汽器的冷却风量

在没有环境风场作用时,空气被风机吸入并升压后,流经空冷凝汽器进行热交换,风机工作在设计工况下,环境风流向如图1(a)所示。

在有环境风场作用时,在风机吸入口附近会产生两个方向的负压区,一个是垂直于地面的,一个是平行于地面的。如此,在无环境风作用时本应全部吸入风机吸入室的气流,因为环境风场形成的负压区卷吸了一部分吸入口的气流,使进入吸入室的空气量减少,则风机出口的风量也成比例减少,造成凝汽器冷却风量不足,换热效率降低,如图1(b)所示。这种现象对处在风机群入口的空冷风机尤其明显,而且,随着环境风速的提高,被负压区卷吸的风量也相应增大。

2.3 环境风阻滞空冷凝汽器的热气蒸腾

当无环境风场作用时,空冷风机将吸入室的空气升压后吹向空冷凝汽器,经凝汽器加热后的热气流在热浮力作用下,经其翅片间隙呈羽流状竖直上升,并逐渐扩散到高空大气中,形成“蒸腾”现象,空冷凝汽器能正常散热,如图2(a)所示。

当高流速的环境风横掠空冷凝汽器上方时,将形成风阻,阻滞热气的正常蒸腾,导致空冷凝汽器热气流动不畅,使凝汽器被包围在热气中,造成换热状态恶化,如图2(b)所示。

2.4 环境风导致空冷凝汽器的热风回流和倒灌

当出现环境风场时,空冷凝汽器四周挡风墙的迎风面处便会形成旋涡,造成一负压区,与此同时,靠近挡风墙的风机在其吸入口附近也形成另一负压区,而此时空冷凝汽器上方的部分热空气在扩散过程中,因受环境风场的作用而在挡风墙顶部突然折向加速向下,这部分热空气在此两负压区的作用下被卷吸入靠近挡风墙的风机吸入口处,形成热风回流。

不仅如此,当有横向风吹来时,在空冷凝汽器的上方区域,当此处的气压高于部分空冷风机出口压力时,已扩散的热空气又反向流过空冷凝汽器并倒吸进风机入口低压区,形成热风倒灌现象。

热风回流和热风倒灌均会使空冷凝汽器的入口风温高于环境温度,使换热温差减小,导致传热状态恶化。

3 环境风场对直接空冷机组安全渡夏的负面影响

环境风场的存在不仅减少了空冷凝汽器的冷却风量,阻滞热风的散发,还造成大量的热风回流和倒灌,在夏季炎热期将导致空冷凝汽器的换热状态恶化,使汽机背压和排汽温度骤升,严重威胁直接空冷机组的稳定、安全和经济运行。

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3.1 导致机组出力受阻甚至跳闸

当汽机背压大幅升高时,为保证其安全,机组被迫降负荷运行,出力受阻而不能满发,甚至可能因低真空保护动作而使汽机跳闸。

3.2 致使低压排汽缸运行失稳

汽机排汽温度的大幅升高,将导致低压排汽缸的热膨胀、热变形和热应力急剧增大乃至超标,并使座落在低压缸上的轴承标高向上抬起,致使各轴承负荷分配失衡,进而影响到轴系的稳定性,引起机组振动,甚至激发颤振。

3.3 引发小容积流量工况

当汽机背压较高而所带负荷较小时,其低压通流部分可能会出现小容积流量工况,这将对机组的安全经济运行产生极为不利的影响。

(1)因小容积蒸汽流量不足以冷却低压通流部分因鼓风摩擦损失而产生的热量,致使低压排汽温度升高。

(2)在小容积流量工况下,末级动叶将由透平工况变为鼓风工况,而且随容积流量的进一步减小,这种鼓风工况将逐级向前推进。在鼓风工况下,因动叶不但不对外做功,反而还要因鼓风作用而消耗机械功,使级的有效功率变为负值。

(3)在小容积流量工况下,末级动叶根部反动度可能变为负值,使动叶根部出口出现脱流和倒流,激发叶片产生振动,甚至引起叶片组的颤振,导致叶片损坏;而当带水的湿蒸汽在末级动叶根部发生倒流时,动叶出口边处将产生水蚀现象。

(4)在小容积流量工况下,末级动叶出口速度骤降,动叶工作在大的负冲角下,其顶部将发生严重的流动分离,形成漩涡,这不仅使末级动叶顶部的叶型损失急剧增加,而且还明显增大了叶片受到的交变应力,严重时甚至会造成叶片颤振以至损坏。

4 应对环境风场不利影响的措施

在夏季炎热期,环境风场的出现可能导致直接空冷机组出力受阻甚至跳闸,低压排汽缸“三热”超标,轴系失稳,并引发小容积流量工况。因此,为确保直接空冷机组安全渡夏,必须采取相应措施,应对环境风场的不利影响。

4.1 优化空冷系统的设计

(2)空冷凝汽器应布置在其它热体夏季主导风向的上风向,以减少热风回流。

(3)将空冷凝汽器四周的挡风墙纵向延伸:向下延伸以降低环境风场对紧靠挡风墙的风机吸入口的不利影响;向上延伸以抬升挡风墙外围的漩涡核心,并依靠增高后的挡风墙的阻挡,减少涡流对凝汽器上方热气流的卷吸作用;挡风墙的纵向延伸还可延长热风回流的行程,使回流热风温度有所下降。

(4)将空冷凝汽器置身于空冷塔内,以自然通风代替机械通风,可大大减缓因环境风场而引起的热风回流。

(5)在挡风墙的下部设置防风网,以阻挡来自空冷岛上部的回流热空气;同时也以此对进入空冷风机入口的风速进行减速增压,使风机的出力不至于降得太低,防止换热状态恶化。

(6)处在空冷岛四周边缘的空冷风机,其电动机的容量适当选取较大值,以便在大风情况下,通过提高风机转速来减小不利风向的影响。一方面随边缘风机转速的加快,边缘空冷凝汽器的对流换热得到加强,相应地其出口热气流的温度也将有所下降,此时,即使发生热风回流其回流率也较低;另一方面,边缘风机转速的提高,增大了空冷岛上方热气流的动能,增强了其抗环境风场干扰的能力,使回流到风机入口的热气流量减少且温度降低。

(7)将空冷风机布置在空冷凝汽器的上方,由空冷风机抽吸凝汽器出口的热空气,并将热风直接送往锅炉送风机。如此,彻底消除了空冷凝汽器出口的热空气,从源头上有效遏止了热风回流;空冷风机直接抽吸凝汽器出口的热空气,提高了空冷凝汽器出口热汽流的流速,可削弱环境风对空冷凝汽器上部热气蒸腾的不利影响。

4.2 完善空冷系统的监控手段

(1)在空冷岛上装设一套高灵敏度的风向风速仪,将其信号引至机组DCS画面,并在下延的挡风墙上装设电动格栅。根据不同的风向和风速,由运行人员控制电动格栅的启闭和开度,把各工况下环境风场的不利影响降到最小。

(2)制定机组运行背压与环境风向、风速的关系曲线,作为机组运行曲线的修正,使运行人员能够根据该曲线,预知环境风对机组的影响,并提前进行调节,防患于未然。

4.3 开发设计专用的末级动、静叶片

针对直接空冷机组的变工况特点,从热效率、强度、刚度及振动等方面考虑,设计出直接空冷机组专用的气动性能好、可靠性高的强化型末级叶片。

(1)采用全三维的气动优化设计,静叶采用适合于跨音速的后加载叶型为母型进行弯扭联合成型,动叶沿叶高反扭,保证动、静叶片合理匹配,并增大动、静叶片的轴向间距,使末级具有良好的变工况性能。

(2)末级扭叶片的β1g=90°的截面应尽量靠近顶部,以利于扩大透平工况,推迟鼓风工况的到来,避免动叶根部过早发生脱流。

(3)选取较大的末级动叶根部反动度(取25%左右)。在高背压、低负荷工况下,高根部反动度可以推迟末级动叶根部倒流的出现,保持其较小的脱流高度,减缓根部出汽边的水蚀。

(4)末级静叶外缘扩张角不宜过大,以避免在大负冲角下发生脱流。

(5)末级动叶采用自带围带、松拉筋或凸台拉筋等具有大阻尼的结构形式,通过围带之间、凸台拉筋之间或拉筋与拉筋孔之间的摩擦阻力来提高叶片的固有频率,降低小容积流量工况的动应力水平。

(6)末级叶片选用高强度材料,以提高承受交变应力的能力。

4.4 向空冷系统喷雾增湿降温

在夏季炎热期,为保证直接空冷汽轮机的背压不致过高,可将经过喷嘴雾化的水雾喷洒到空冷风机的入口处,利用雾滴蒸发时大量吸收空气中的热量,使冷却空气温度骤降,以增强其冷却效果;也可直接向空冷凝汽器表面喷洒除盐水形成水膜,利用水膜的蒸发带走凝汽器的散热量,以加快其散热。

4.5 低压缸喷水减温

在低压缸出口处设置喷水减温装置,甚至可以考虑在低压缸进口处也设置喷水减温装置。当低压缸排汽温度过高时,喷水减温装置自动投入,以维持排汽温度在允许范围内。

4.6 采用干-湿联合冷却

在原有直接空冷的基础上,加装一套湿冷装置,在夏季炎热期采用干-湿联合冷却的方式来保证机组的出力。

4.7 低压缸轴承落地布置

若轴承座落在低压缸上,当低压缸排汽温度异常偏高时,将会引起各轴承负荷分配失衡而影响轴系的稳定。对此,可考虑将低压缸轴承设计成落地布置,而对由此所带来的新问题——低压缸排汽温度的升高将导致低压缸动、静部分之间不同心,可利用前述的低压缸的喷水减温装置加以防控;也可把低压汽封做成椭圆汽封,使其上、下间隙大于左、右间隙,避免因动、静不同心而产生磨碰。

5 结束语

环境风场的存在,不仅减少了空冷凝汽器的冷却风量,阻滞热风的散发,还引起大量的热风回流和倒灌,在夏季炎热期将导致空冷凝汽器换热状态恶化,使汽机背压和排汽温度骤升,致使机组出力受阻甚至跳闸,低压排汽缸“三热”超标,轴系失稳,并引发小容积流量工况。对此,从设计和运行的角度,提出了应对环境风场不利影响的具体措施,以确保直接空冷机组安全渡夏。

[1]丁尔谋.发电厂空冷技术[M].北京:水利电力出版社,1992.

[2]马义伟.空冷器设计与应用[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1998.

[3]段会申,刘沛清,等.电厂直接空冷系统热风回流的数值模拟[J].动力工程,2008(3):395-399.

[4]吕燕,熊扬恒,等.横向风对直接空冷系统影响的数值模拟[J].动力工程,2008(4):589-599.

[5]周兰欣,白中华,等.自然风对空冷凝汽器换热效率影响的数值模拟[J].动力工程,2008(1):104-107.

[6]王松岭,赵文升,等.直接空冷机组喷雾增湿系统的研究[J].动力工程,2008(5):722-726.