北方炎热地区火电直接空冷机组度夏能力分析

2011-07-30石全成韩小刚

综合智慧能源 2011年11期

关键词：背压凝汽器散热器

石全成，韩小刚

(1．中电投新疆能源公司，新疆乌鲁木齐 830063;2．中电投新疆能源乌苏热电分公司，新疆乌苏 833000)

0 引言

我国北方地区夏季炎热，对火电厂直接空冷机组的度夏能力是严峻考验，将直接影响电网安全和汽轮机满发。为此，在中电投乌苏热电厂一期330 MW机组汽轮机设备选型和空冷系统设计期间，针对直接空冷机组的度夏能力进行了专题研究。

1 机组概况

1．1 气象条件

中电投乌苏热电厂位于新疆乌苏市，该地区气象情况为:历年极端最高气温为41．3℃(1977年7月12日)，历年极端最低气温为－32．3℃(1984年12月24日)，历年平均最高气温为13．8℃，历年平均最低气温为3．5℃，多年平均气温为8．3℃;多年平均风速为1．9m/s，50年一遇10m高度10min平均最大设计风速为30m/s，100年一遇10m高度10 min平均最大设计风速为32m/s;全年主导风向为S，相应频率为11%，冬季主导风向为S，相应频率为10%，夏季主导风向为S，相应频率为10%。

1．2 项目概况

中电投乌苏热电厂一期330MW机组汽轮机为上海电气集团股份有限公司制造的CZK330－16．7/0．4/538/538型亚临界、一次中间再热、高中压合缸、单轴双缸双排汽、双抽供热直接空冷汽轮机。机组空冷系统由6列共300片换热管束(顺流管束252片和逆流管束48片)和30台风机组成。

1．3 直接空冷技术概述

直接空冷系统是指汽轮机的排汽直接用空气来冷凝，空气与蒸汽进行表面式热交换，冷却空气通常由机械通风方式供应。直接空冷的凝汽器设备称为空冷凝汽器。它是由外表面镀锌的椭圆形钢管外套矩形钢翅片的若干个管束组成的，这些管束亦称为散热器。

直接空冷系统工作流程:汽轮机排汽通过粗大的排汽管道送到室外的空冷凝汽器内，轴流风机流过散热器外表面，将排汽冷凝成水，凝结水再经水泵送回至汽轮机的回热系统。空冷凝汽器分为主凝汽器和分凝汽器2部分:主凝汽器多设计成汽水顺流式，它是空冷凝汽器的主体;分凝汽器设计成汽水逆流式，可形成空冷凝汽器的抽空气区。

直接空冷系统的最大优点是可大量节水，而且设备少、系统简单、空气量的调节灵活、防冻性能好，汽轮机排汽直接在冷却元件内凝结，传热温差大。但这种系统由于排汽管道直径很大，真空系统体积大，密封困难，易漏入空气，维持排汽管内的真空困难，启动时抽真空时间长，运行背压高，机组效率低，对采用机械通风的系统，厂用电率也较高。

对直接空冷系统技术的研究，主要关注的是空冷系统的安全性和运行效率。安全性主要包括2个方面:一是夏季高温时是否由于环境条件的变化而导致背压升高至“掉闸”，从而影响电网的安全;二是在夏季高温时由于高风速、高温的影响，降低了风机和散热器的效率，影响机组发电效率。因此，与环境关联的研究结果可为电厂的设计和规划提供技术支持，又可为电厂的安全运行提供指导。

2 直接空冷系统度夏能力分析

在常规的湿冷系统设计中，由于循环水与空气直接接触，换热的主要形式是热水蒸发而带走热量，因此，它的极限冷却温度是空气的湿球温度。而在空冷系统中，冷热介质主要通过散热器表面进行对流换热，它的极限冷却温度是空气的干球温度。在我国北方地区，干、湿球温度相差约6℃，因此，在相同的气温条件下，配置空冷系统的汽轮机背压比配置湿冷系统汽轮机的背压高。尤其在夏季大气干球温度较高时，由于高风速、高温的影响而降低了风机和散热器的效率，影响机组发电效率。此时，如何保证汽轮机满发，是重点考虑的问题之一。

2．1 分析思路

一般而言，解决夏季机组满发问题应从2个方面来考虑:一是汽轮机的满发背压要高，二是适当配置空冷系统的冷却面积。同时，可考虑其他的一些特殊措施。

对空冷系统而言，在机组定型的情况下，即满发背压已定时，要求满发气温越高，空冷系统需要配置的冷却面积就越大，空冷系统的投资就要增加。为使空冷系统的投资不增加太多，汽轮机的满发背压要有所提高，但机组背压提高后，热效率就要降低，使煤耗和运行费用增加。空冷系统和汽轮机尾部参数如何匹配最经济是系统优化的问题，当然，优化空冷系统和汽轮机尾部参数，需根据当地的实际情况以年总费用最小的原则来确定。

常规湿冷系统的配置在规范中早有规定，即在频率为10%的湿球温度下，冷却塔的出水温度(凝汽器进水温度)要保证机组的满发要求。由于空冷技术近年才在我国开始应用，现尚未有规范规定，从我国现已运行的山西大同第二发电厂、太原电厂、内蒙古丰镇发电厂等间接空冷机组来看，设计时按典型年小时气温考虑的全年不满发小时数为130～150 h。从我国已运行的山西大唐国际云岗热电有限公司、山西漳山发电有限责任公司及国电大同第二发电厂的直接空冷机组来看，设计时按典型年小时气温考虑的全年不满发小时数一般控制在200 h左右。

2．2 解决措施

2．2．1 直接空冷系统对汽轮机的要求

从空冷系统的角度出发，为使空冷系统的投资不致增加太多，汽轮机在安全运行的前提下，希望能够尽量提高汽轮机的最高满发背压:要配置一个经过优化设计的末级叶片，它能够在高背压、小容积流量工况下安全运行，同时能够适应背压范围变化大的条件，满足各种工况条件下的安全、可靠性和经济性。

我国各汽轮机制造厂对适合配置空冷系统汽轮机的研究已进行多年，应该说，能够在高背压运行的汽轮机已趋于成熟。如山西古交发电厂300MW直接空冷系统配置的汽轮机，用加大进汽量的办法可提高汽轮机的满发背压到32．5 kPa。中电投乌苏热电厂汽轮机低压缸采用标准积木块BB072M(已成功用于泰国的高背压低压缸和国内300MW空冷低压缸中)，该低压缸的气动及强度设计中采用了目前最为先进的计入叶片力(弯曲)的全三元流场设计程序，匹配各级动、静叶片的进、出汽角的分布。末二级的整圈自锁阻尼叶片采用马刀型静叶成型，是当前最为先进的没有任何附件的长叶片形式，具有自由叶片的优点，可将汽轮机的满发背压提高到34．0 kPa，提高了经济性、安全性及可靠性。采用这样的汽轮机基本解决了机组夏季满发的问题。

2．2．2 合理配置空冷系统冷却面积

在汽轮机满发背压、满发气温和成本电价确定的情况下，空冷系统优化主要考虑迎面风速对初投资和运行成本的影响。

根据乌苏地区典型年各干球温度段的小时数资料、汽轮机背压与功率关系图表，在保证当大气温度为34℃、风机100%转速、每台汽轮机的排汽流量为746．995 t/h、排汽焓为2539 kJ/kg、汽轮机排汽背压不大于34 kPa的条件下，对空冷凝汽器系统进行优化计算，以确定合理的迎面风速、空冷凝汽器面积，使风机参数(考虑满足外界自然风风速为5m/s的要求)及系统主要部分合理搭配，保证年总费用最低。

选用不同的迎面风速会得到不同的换热面积，迎面风速提高可以提高散热器的传热系数，散热器面积可以相应减小，减少初投资。同时，通风量的增加会导致风机能耗增加，提高系统运行成本。该项目共选择5个方案进行迎面风速的优化:从2．0～2．4m/s计算出5个空冷凝汽器面积和风机系统的主要参数，然后计算出每个方案的一次投资，包括空冷散热器、轴流风机、减速机、变频器、电动机及钢结构平台等，同时进行年净发电量的计算。最终采用年总费用最小的方法综合评定选出最优方案。

年总费用最小法计算公式为

年总费用 =年固定费用+年运行费用，式中:年固定费用为空冷系统总投资的13．5%;年运行费用(假定每年相同)主要是少发电的费用。

通过优化，散热面积取867 346m2时年总费用较低，该工程推荐方案为:迎面风速为2．2m/s，选择风机30台，风机直径9．754m，电动机功率132 kW。各方案结果汇总见表1。

2．3 其他手段

2．3．1 切高压加热器运行

由于汽轮机满发背压提高而使汽轮机进汽量增大，将会增加锅炉的蒸发容量。如果不希望增加锅炉的蒸发量而引起其他系统有太大的变化，可考虑无事故切高压加热器运行。如果配套锅炉仍采用通用湿冷常规锅炉，但又希望提高夏季满发背压，最简单、最有效的办法是无事故切高压加热器运行。在安全设计范围内，全切高压加热器运行，将使全机功率增加约30MW，或保证满发背压提高15 kPa左右，这种方法因运行时间短，对全年经济性影响不大。

表1 各方案结果汇总(单台机组)

2．3．2 向散热器外表面进行水喷雾

在我国北方地区，最热时段相对较短，如果单纯考虑要满足这个时段汽轮机的满发要求而增加空冷系统的冷却面积，将会导致空冷系统投资增加较大，而增加的面积在全年大部分时间内几乎闲置不用，造成浪费，得不偿失。

在不增加冷却面积的情况下，可考虑设置尖峰冷却水喷雾系统。在气温较高时(譬如34℃以上)，在空冷凝汽器入口进行水喷雾，雾状的水蒸发后，一部分降低空气温度，一部分冷却器翅片表面直接蒸发换热，可提高空冷凝汽器散热效率。根据目前已投运电厂的经验，视喷水量的多少以及气象条件，一般可降低背压5～10 kPa。由于喷雾时间较短，消耗的水量也不是很大。如果空气中含尘量较多，有可能增加散热器表面污垢，喷雾后应及时冲洗散热器表面，改善换热性能，提高机组运行的经济性。