空冷风机集群运行风量的确定方法

2012-07-06刘玲玲

东北电力技术 2012年6期

时岩，刘玲玲

(1．宁夏大唐国际大坝发电有限责任公司，宁夏青铜峡 751607;

2．长春热力 (集团)工程设计有限公司，吉林长春 130022)

近几年，直接空冷技术在我国北方地区应用普遍，空冷风机作为空冷凝汽器的主要设备之一，直接影响机组的经济性，机组在运行中能否迅速确定风机风量尤为关键。现以空冷风机风量为依据，计算迎风面风速和迎风面积，由于迎风面风速受环境风影响较大，计算风机群风量并不准确。依据风机性能曲线及空冷凝汽器阻力特性曲线，得出风机实际工作点，根据相似原理得到风机风量和功率的近似关系，并根据风机集群因子和环境横向风修正风机集群运行时的风量。经验证此方法误差较小，可用于工程计算。

1 空冷风机工作点的确定

空冷风机的性能参数主要有流量、压力、功率、效率和转速。流量 (风量)表示单位时间内流经风机的气体体积，分为体积流量和质量流量两种，两者可通过流体密度相互转换。压力 (风压)是指气体在风机内压力的升高值，有静压、动压和全压三种，其中全压等于静压与动压之和;功率是指风机的输入功率，即轴功率;风机有效功率与轴功率之比称为效率，是风机总效率的简称，反映了风机在能量转换过程中轴功率的有效利用程度。

1.1 空冷风机性能曲线的表达式

性能曲线是反映风机风量、功率、效率等参数变化情况的曲线，一般由生产厂家提供。选取600 MW直冷机组空冷风机，通过选取厂家提供的性能曲线上的典型点，经曲线拟合得到反映风机性能的表达式［1］(见表 1):

式中:fn为多项式系数;ΔpF为空冷风机静压，Pa;m为单台空冷风机风量，kg/s。

表1 空冷风机性能曲线拟合系数

由式 (1)确定风机的工作点，同时还需知道冷却管束的阻力特性 (通常由试验测定)。对于直接空冷系统的翅片管束，阻力特性曲线为二次抛物线，通过数据拟合 (见表2)，可得空冷系统冷却管束的压降Δps与风量ms之间的关系式:

式中:fns为多项式系数。

表2 阻力特性曲线拟合系数

图1为空凝器冷却单元风机性能曲线和阻力特性曲线，交点为当前风机的工作点，交点处对应的风量和静压即为当前风机的风量和静压。

图1 风机风量—静压关系曲线

1.2 环境横向风对空冷风机运行的影响

空冷风机运行时常受到环境风的影响，由于空冷凝汽器加装挡风墙，可消除部分环境横向风对空冷风机运行的影响，但不能完全消除。环境横向风的效果相当于增加了翅片管束的气体流动阻力，使系统阻力特性曲线上移，导致风机工作点左移，减小了风量，影响了冷却单元的换热性能。常用的横向风对翅片管束阻力的修正经验公式［2］:

式中:Δpa为横向环境风对翅片管束阻力的静压，Pa;ρa为空气密度，kg/m3;va为横向风速，kg/s。

由表3可知，当横向风速超过4 m/s时才会对空冷风机静压有较大影响，当风速大于6 m/s时，风阻开始迅速增大，减小了空冷风机的风量，此时应时刻关注空冷凝汽器的运行状况，及时采取措施，防止机组背压恶化。

表3 不同横向风速时的风险

在有横向风影响的环境下，经过修正后的系统阻力特性Δpn为翅片管束阻力与环境横向风阻之和，即:

2 风机集群因子

并联运行的空冷风机越多，彼此间的影响就越大，对应到每台风机的风量就越小。图1只能确定单台风机独立运行时100%转速下的工作点，当2台风机并联运行时其静压—风量特性曲线会发生变化，静压和风量比单台风机运行时小。

直接空冷机组空冷风机的并联运行台数多，风机集群运行时的性能曲线很难确定，因此无法确定风机的工作点。如果要确定多台风机并联运行时的风量，只能通过单台风机工作点参数，利用集群因子ηn来修正计算。试验表明:2台风机并联运行时的集群因子ηn=0.95，即2台风机并联时，每台风机风量只能达到单台运行时风量的95%。

对于300 MW直接空冷机组，空冷风机布置方式为4×6或5×6，每列冷却单元组4台或5台空冷风机并联运行，集群因子ηn≈0.93，对于600 MW直接空冷机组而言，空冷风机布置方式为7×8或8×8，每列冷却单元组7台或8台空冷风机并联运行，集群因子ηn≈0.92。因此计算每列冷却单元组空冷风机并联运行时的风量时，需实测空凝器冷却单元翅片管束阻力特性，结合空冷风机的性能曲线得出单台风机的风量，再根据集群因子计算出空冷风机并联运行后的总风量。

3 空冷风机集群风量与功率

a．空冷风机轴功率计算

式中:PG为风机群总功率，kW;Pi为单台风机的轴功率，kW;η1为风机效率，一般不小于65%;η2为传动效率，直连时η2=100%;η3为电动机效率，直连时η3=0.86;pi为风机全风压，Pa;mi为单台风机风量，m3/h;ta为环境温度，℃;Cs为海拔修正系数。

b．空冷风机轴功率与风量的近似关系

通过热力模型公式得出相应的风机风量后，根据风机性能参数之间的关系得到空冷风机功耗PG。根据相似理论，对于同一类风机而言，风机功率和风量之间的关系［3］:

式中:FFi为风机实际运行时的电功率，kW;ρi为风机出口处实际空气密度，kg/m3;ρ0为风机在标准工况下的空气密度，kg/m3;Li为各风机实际风量，m3/h;L0max为风机在标准工况下的最大风量，m3/h;PFmax为最大风量时风机消耗的电功率，kW。

为了简化计算空冷风机运行时的实际功率，需比较式 (5)与式 (6)计算结果，以保证其准确性。以某600 MW空冷机组空冷风机为例，不同转速时空冷风机性能曲线和管网阻力特性曲线交点为风机在不同转速时的工作点，由此可计算风机功耗值。

图2中空冷风机在转速n1、n2、n3下性能曲线与翅片管阻力特性曲线相交于a、b、c三点，即为风机在转速n1、n2、n3下的3个工况点。按照式 (5)和式 (6)计算出3个工况点的风机功率，并比较计算结果。由表4可知，两种计算方法得到的结果相差很小，平均误差为0.6%。因此对于同一类风机而言，在工程计算中可以用式 (6)代替式 (5)来计算风量变化时风机功率的变化。

图2 单台风机不同转速下性能曲线与翅片管阻力特性

表4 功率计算结果比较

4 最大风量的确定

确定出翅片管束阻力特性和风机性能曲线后，可得到单台风机的风量，由集群因子可近似得到每列冷却单元组风机100%转速工况下的总风量，计算公式如下:

式中:GL为每列冷却单元组风量，m3/h;ηn为风机集群因子;m为每台风机的风量，kg/s;ρa为空气密度，kg/m3;N为每列空冷单元组风机台数。

已知每列冷却单元组风机的风量后，再根据风机的变频调速情况，结合风量与风机功率的近似关系，确定出空凝器风机群的总风量与最大风量。

以某600 MW空冷风机为例，风机台数为48/16(顺流/逆流)台，风机直径为9.14 m，每台风机轴功率为66.6 kW，根据式 (7)得出了表5中风机集群运行的风量，可见风机多投低功率运行要比停运某列高频运行时的风量大。当8/64(列/台)空冷风机运行频率为40 Hz时，功率为2 156.3 kW，风量为19 572 kg/s;当风机为6/48(列/台)，运行频率为45 Hz时，功率为2 256.0 kW，风量为16 070 kg/s。在功率相似的情况下，后者风量比前者降低了17.9%，可见空冷风机变频应按照多投低频运行，这样可有效减少空冷风机的电耗，提高机组经济性。