空冷尖峰冷却装置在云冈热电2×200MW机组应用的研究

马洪波，王 京

（山西大唐国际云冈热电有限责任公司，山西 大同 037039）

1 空冷尖峰冷却装置技改的背景

1.1 机组设计及运行基本情况

云冈热电两台机组是2003年投产的，东方汽轮机厂设计制造的一次中间再热、三缸两排汽、直接空冷供热凝汽式汽轮机。设计上，在国内首次采用空冷凝汽器（德国GEA公司技术）代替传统的湿冷凝汽器，其节水效果与传统机组相比可达65%以上。

我国的燃煤火电机组一般带基本负荷，并要求有一定的调峰能力，对机组的运行特性要求是：机组的年运行小时数不宜少于7 500 h，年利用小时数不宜少于6 000 h。本工程设计时考虑到大同市是我国的煤炭基地，煤价相对较低，同时又是严寒地区，特别又是采暖供热机组，冬季空冷系统的热负荷很小，因此空冷凝汽器在冬季的防冻设计上是一个关键问题，种种原因要求空冷凝汽器的面积不宜过大，以避免给以后的冬季运行带来不便，而且空冷系统过大投资激增会给企业带来较大的经济负担。但同时考虑到本工程的直接空冷机组在我国尚属首次应用，考虑了一定的裕量，最终确定空冷凝汽器面积为510 894 m2。

但直冷机组夏季背压高，尤其在空冷凝汽器脏污、散热面积设计余量较小的情况下，机组夏季不满发小时将增加，机组进入夏季限负荷情况比较严重。

1.2 进行技术改造的原因

由于本公司机组电厂周围环境质量差，空冷散热器污物较多，夏季严重影响机组真空，为提高空冷散热器清洁度，需加大空冷冲洗频次。但限处理现象在进入夏季以来仍十分严重，图1为2007年四季度电量完成情况。

图1 2007年机组电量完成情况

从图1可以看出，每年4—9月（第二、三季度）机组电量完成情况均较其他月份差，在空冷散热器未冲洗时，环境温度为28℃左右，机组仅能带1/2的负荷。因此为提高机组夏季出力，减少夏季不满发小时数，有必要采取一定的措施来最大程度地缓解机组夏季限负荷的情况。

1.3 系统技术改造的基本情况

1.3.1 拟进行改造的系统或设备的基本情况说明

两台机组的空冷凝汽器由12根直径为3.6 m的钢筋混凝土柱和钢平台支撑在主厂房A列处。钢平台顶面标高约34 m。

每台机组的空冷凝汽器分6列布置在钢平台上，每列中间用隔墙分成4个冷却单元。每个冷却单元又由8片空冷凝汽器管束组成，分别布置在A形框架的两侧。每列4个冷却单元中，有3个冷却单元为顺流凝汽器区域，有一个冷却单元为逆流凝汽器区域，逆流凝汽器安排在第二个冷却单元（从靠近主厂房侧数），每个冷却单元里安装一台轴流风机，顺流区域的风机只允许顺时针旋转，逆流区域的风机允许正、反转。

每列顺流区域的空冷凝汽器上部联箱入口由配气管和排器母管与低压缸排气装置的出口连通，逆流区域的空冷凝器上部联箱出口由抽气管道与水环式真空泵连通，用真空泵排出不凝气体，以维持系统负压。空冷凝汽器（顺流和逆流）下部联箱由凝结水管道与凝结水箱连通，由凝结水箱回收空冷凝汽器管束中的凝结水。

1.3.2 地址选择及地理位置、路径及方案

在两台机组凝结水泵房内的除盐水补水管道上，开孔安装管道升压泵，将除盐水升压后排向空冷岛，经布置在风机室内的管道和雾化喷头将水排出，冷却风机出口风温。系统工艺流程见图2。

图2 空冷尖峰冷却装置系统工艺流程图

2 空冷尖峰冷却装置工作原理与设计特点

为了提高直接空冷机组季运行的经济性和安全性，采用增设空冷尖峰冷却装置来降低空冷器入口空气温度，以保证机组的夏季满发的要求和运行的安全性。

2.1 空冷尖峰冷却装置的工作原理

由于直接空冷系统是直接利用干空气进行冷却，因此，较高的空气温度导致了空冷器冷却能力的下降，从而降低了机组真空，还导致了机组不满发小时数远大于设计值。

对于直接空冷系统汽轮机的排汽温度可由式（1）（2）确定[6]：

式中：ta1：空冷器入口空气温度；

ITD：初始温差；

δtp：汽轮机排汽在排汽管道中压降引起的温度差。

△ta：空冷器的空气温升；

δt：空冷器传热端差。

图3 直接空冷系统夏季运行工况示意图

图3是直接空冷机组夏季运行工况示意图。由图3可以看出，由于空气温度的变化，空冷器的初始温差、传热端差均随着入口空气温度的升高而增大，从而导致机组的经济性下降。

图4 直接空冷系统尖峰冷却装置示意图

空冷尖峰冷却装置系统见图4，其工作原理是：除盐水经过高压泵加压后输送到布置在空冷平台的风机出口和散热器入口之间的雾化喷嘴，然后将降温后湿空气送到空冷散热器，以提高空冷岛的换热量。

2.2 空冷尖峰冷却装置的设计特点

所采用的空冷尖峰冷却装置系统给水管路布置示意图见图5。该系统从电厂除盐水箱取水，除盐水经过系统配备的过滤系统后进入高压泵，经加压后的水通过管路输送到布置器入口之间雾化喷嘴进行冷却换热的。

图5 给水管路布置图

系统中喷嘴需要布置在距离风机出口一定高度，且需沿风机叶片圆周速度较大的位置布置，空冷岛共有24个空冷单元，每个单元作为一个喷雾室。每个单元布置4排喷嘴，见图6。在风机栈桥两侧各布置两排，分别距风机栈桥中心线1 m和3 m。共设10个喷嘴，靠近风机的两排各布置3个喷嘴，另两排各布置2个喷嘴，高度为1 m，喷孔直径为1.6 mm，喷雾方向向下，以有利于雾滴与空气进行充分的热湿交换。

图6 喷嘴的布置图

3 空冷尖峰冷却装置的数值分析

3.1 计算模型与边界条件

为了研究空冷尖峰冷却装置的可行性，文章采用数值模拟的方法对其喷雾过程和特性进行研究分析。

模型的建立主要以空冷岛中某一中间空冷单元为主体，空冷风机的结构和内部桥架等结构及相邻单元的结构均进行了必要的简化，考虑了研究对象单元的左右两侧空冷器出风对流场的影响。模型建立后，总网格数为627 864，最后生成的网格示意图见图7（中心面为对称面）。

图7 空冷单元喷雾模型网格划分图

文章基于SIMPLE算法，采用标准的两方程湍流模型，空冷单元内喷嘴的雾化过程及雾滴与空气的热湿交换过程是利用Fluent内嵌的DPM模型模拟的，对象单元入口空气温度为307K（34℃），空气流量为395 kg/s；邻侧单元出风流量为197.5 kg/s，温度为341 K（68℃）；环境压力为89 400 Pa；喷嘴的入口压力0.5 MPa，喷孔直径为1.6 mm，喷水流量为0.064 24 kg/s，喷水温度为293 K（20℃），雾化角为120°，单元热负荷为12.65 MW。

3.2 计算结果的分析与讨论

为了更加清晰地对雾化空冷尖峰冷却装置的实际效果进行验证和分析，分别对加入和未加入雾化空冷尖峰冷却装置的空冷单元进行了数值模拟，模拟结果以某些断面的温度等值线分布图、压力等值线分布图及速度等值线分布图等图表来表示。

通过对空冷尖峰冷却装置前后空冷单元内的流场和温度场模拟，结果见图8、图9。

图8 未加入空冷尖峰冷却装置X=0 m断面等值线图

图8为未加入空冷尖峰冷却装置之前X=0 m断面的数值模拟结果，从图中可以看出，空冷单元内部流场和温度场分布是均匀的。

图9 加入空冷尖峰冷却装置X=0 m断面等值线图

图9为加入空冷尖峰冷却装置之后X=0 m断面的数值模拟结果，从各断面的压力和速度分布可以看出，由于采用向下雾化方式，雾滴离开喷嘴后，其速度方向与气流方向相反，因此先减速增压，然后被高速气流拖曳向上运动从而增速降压，从而使与之接触的空气温度降低，形成图中的低温区域。

为了定量地分析雾化前后整个计算区域的温度变化情况，将主要温度分布范围划分为以下几个区间（ta1≤ta＜ta2）：307 K以下，307～315 K，315～320 K，320～325 K，325～330 K，330～335 K，335～340K，340K以上。雾化前后各温度区间所占百分比见图10。

图10 加入空冷尖峰冷却装置前后各温度区间所占百分比图

从各断面的温度分布情况和统计结果可以看出，在雾化核心区域，水雾滴与空气进行较强烈的热湿交换后，能明显降低空气的温度，幅度大约为5℃左右。

4 空冷尖峰冷却装置经济核算

4.1 按照减少的真空可以降低煤耗计算，不考虑其他成本的变化

（1）水价按14元/t计算。

表1 标煤价按500元/t计算

（2）水价按10元/t计算。

表2 标煤价按500元/t计算

4.2 按照真空不变可以增加的发电量计算，不考虑其他成本的变化

表3 查看历史曲线

从表3可以看出，在真空下降14.2 kPa，主汽流量基本不变大的情况下，负荷降低了10.4 MW，平均真空降低1 kPa，影响负荷下降0.73 MW。按真空增加1 kPa，负荷增加0.73 MW。水价按10元/t；电价按274元/MWh计算（不含税）。

表4

但是查看历史曲线，2008年2号机组大修后环境温度27.5℃，主蒸汽流量660t/h，机组带负荷200 MW，真空-55.74 kPa。见图11。

2009年2 号机组投3.5.6组空冷尖峰冷却装置，环境温度33.5℃，主蒸汽流量660 t/h，机组带负荷200 MW，真空-54.5 kPa。见图12。

图11

图12

4.3 环境温度高，限制机组负荷情况下

通过以上对比可以看出，环境温度大于28℃，随着环境温度的上升，为了保证机组安全运行，机组需要降出力运行。增加空冷尖峰冷却装置后增强了机组夏季带负荷能力，为机组安全度夏，多发电创造了条件。

查询2009年6月1日—7月13日环境温度曲线，可以看出自6月24日开始，日环境温度27℃以上时间长达15 h，最高时环境温度达到35℃。

同期1号机组环境温度33.2℃，真空已经降至46.2 kPa，机组只能带151.5 MW（主汽流量539 t/h）。

图13

图14

假设机组在环境温度高于27℃时，水空冷尖峰冷却装置投8 h，每天多发电8×50MW=400MW。1MWh税后价274元，400MW电量税后价109 600元；用水8×75×10=6 000元。按照2009年2月一期发电成本234元计算，日增加收入10 000元。

结论1：单为提高机组真空、降低供电煤耗而投运空冷尖峰冷却装置，从经济效益角度考虑不合算；提高机组带负荷能力，增发电量情况下，效益可观。

结论2：机组真空不影响带负荷时尽量不投空冷尖峰冷却装置。

结论3：安装除盐水升压泵，将水升压到规定值，从风机室中排列好的雾化喷嘴喷出，形成局部小气候。对空冷散热器进行吸热降温，以达到缓解机组夏季散热能力不够的现象。该项目问题分析准确、措施采取得当，使机组夏季限出力现象得以根治，从而提高了机组发电量。

结论4：改造后机组夏季限出力现象得到明显缓解，机组出力达到100%，提高了发电量。

5 空冷尖峰冷却装置需注意的问题

空冷尖峰冷却装置需要空冷冲洗工作将空冷凝汽器表面充分冲洗干净才能达到预期效果，从云冈热电2010年仲夏的使用情况就能说明这点。

空冷尖峰冷却装置虽然在夏季可以增加机组发电能力，可以短时克服因冷却面积不足造成的真空问题，但其实质是冷却面积设计偏保守的高纬度寒冷地区空冷机组一种无奈的选择，其存在的许多致命问题随着投入时间的推移会渐渐显现，可以说无异于饮鸩止渴。所以高纬度寒冷地区空冷机组在设计之初不能过分考虑空冷防冻而且要兼顾度夏问题，充分了解所在地的气候因素和周边环境因素，最好要将冷却面积设计为可变形式，从根本上多下工夫，才不会有副作用。

6 结论

综上所述，通过理论计算分析与投运喷湿系统试验验证表明，采用喷雾增系统可以降低空冷器入口空气温度，从而提高空冷器的散热效率及机组的真空，可使直接空冷机组在炎热的夏季也可以满发。这不仅可以有效地缓解夏季机组出力受阻的矛盾，而且也提高了机组的经济性和安全性。通过云冈热电空冷喷雾增湿系统的成功应用，证明该方法对直接空冷机组具有一定的工程推广价值。但在高纬度寒冷地区空冷机组在设计之初不能过分考虑空冷防冻而且要兼顾度夏问题，充分了解所在地的气候因素和周边环境因素，最好要将冷却面积设计为可变形式，从根本上多下工夫，毕竟空冷尖峰冷却装置有一定副作用。所以选择空冷尖峰冷却装置要慎重，全面衡量其利弊。

[1]邱丽霞，郝艳红，李润林，等.直接空冷汽轮机及其热力系统[M].北京:中国电力出版社，2006.

[2]杨立军，杜小泽，杨勇平，等.火电站直接空冷凝汽器性能考核评价方法[J].中国电机工程学报，2007，27（2）：59-63.

[3]杨勇平，刘彤，郭民臣,等.关于火电机组性能评价指标的探讨[J].中国电机工程学报，2000，20（2）：56-60.

[4]严俊杰，张春雨，李秀云，等.直接空冷系统变工况特性的理论研究[J].热能动力工程，2000，15（6）：601-603.