积灰对直接空冷凝汽器性能影响的分析

陈俊丽

(华电重工股份有限公司，北京 100048)

0 引言

在我国富煤缺水的“三北”地区，建造直接空冷机组比湿冷机组会节约大量的水。空冷凝汽器的性能受环境(气温、风向、风速)及凝汽器表面积灰等因素的影响，会导致机组汽轮机背压变化增大。设计背压及运行背压范围都要比湿冷机组大，在节水的同时也降低了机组的经济性［1］。对直接空冷电站而言，凝汽器性能决定了直接空冷机组能否安全高效运行。当直接空冷凝汽器表面发生局部积灰时，其换热情况发生恶化，导致凝汽器的效率降低，影响机组的安全和经济性［2－3］。通过理论计算，在发生积灰后，得出凝汽器积灰单元和清洁单元各参数的变化，分析机组运行参数的变化趋势。当凝汽器的压力增大到一定程度时，需要调节风机转速，加大进风量以达到提高换热之目的。

1 积灰对凝汽器传热系数的影响

1．1 直接空冷凝汽器换热模型

直接空冷是指汽轮机排汽在空冷凝汽器中由空气冷却而凝结成水，图1为空冷凝汽器工作过程中饱和蒸汽的冷凝过程及空气的温度变化［4］。

汽轮机排汽在凝汽器的冷凝过程中释放汽化潜热，凝结温度tn为一水平直线，初始温度ta1的环境空气被风机吹向凝汽器管束吸收汽轮机排汽的凝结潜热，温度升高至t1排向大气。

在凝结换热过程中空气的温升

凝结水饱和温度与出口空气温度之差为tδ

图1 空冷凝汽器工作示意图

titd为初始温差，当环境温度一定时，若titd不同，则汽轮机的设计排汽压力、热耗、年发电量以及汽轮机设备费用也不相同，空冷系统的投资和年运行费用也不同。因此，在设计时，需要对titd进行优化，考虑能量利用的完善程度与空冷系统投资的匹配关系，找出两者之间的最佳匹配关系。对直接空冷系统而言，空冷凝汽器凝结水温度与环境空气温度tn之差表示为

由式(1)、式(2)、式(3)可得凝汽器中凝结水的温度tn

根据传热单元数法，由蒸汽、空气的能量平衡方程以及空冷凝汽器的传热方程，可得空冷凝汽器的凝结温度为［5－6］

当机组容量一定时，迎风面积Ay为定值，空气密度ρa近似保持不变。凝结蒸汽流量qV0、迎面风速νy以及翅片管传热系数k成为影响凝结温度的主要原因。

1．2 积灰对直接空冷凝汽器的影响

由传热理论知识可知，凝汽器的总传热系数为

式中:hi，h0分别为管内外的换热系数;λ为翅片管的导热系数;δ为翅片管道厚度;β，η0为翅片管的肋化系数和肋壁总效率。在凝汽器运行过程中，暴露在空气中的翅片管表面会集聚灰尘，影响凝汽器的换热性能，传热系数减少，从而使汽轮机背压升高［7］。

积灰之后以翅片管总传热面积为基准的传热系数为［8］

式中:λd为灰尘的导热系数，取0．4W/(m2·k);c为积灰系数，取0．4。

则有K'0与K0的关系为

2 夏季额定工况理想情况的理论计算

某600MW直接空冷电厂机组共有56个散热单元，48个顺流单元，8个逆流单元，其中顺流散热面积为13495m2，逆流散热面积为1420m2，夏季额定工况下机组各参数见表1。

在理想情况下，假设每个单元的散热流量相同，在夏季额定工况下每个单元参与的散热流量为14．16 MW，散热面积为266．34m2，运用传热单元数法，计算得出空冷凝汽器初始传热系数为24．86W/(m2·K)。

以2个单元为研究对象，散热流量为28．32 MW，假设一个单元翅片管保持洁净，另一个单元翅片管表面积灰，由于积灰的原因，积灰单元的传热情况发生恶化，传热系数降低，散热流量减少，凝结的蒸汽量也减少。在散热流量一定的情况下，洁净单元就要承担原本由积灰单元承担的散热流量，打破了内部蒸汽凝结的动态平衡，导致凝汽器整体背压升高，端差增大，机组出力降低。

2．1 积灰单元理论计算

当翅片管表面积灰后，传热单元数、散热器效率、传热系数K发生变化，经计算得出因积灰而导致的凝汽器各参数的变化，见表2。

表1 600MW直接空冷机组夏季额定工况各参数

表2 积灰单元参数变化

依次减小积灰单元的温升，得出积灰厚度逐渐增加，引起凝汽器各参数发生变化，依据计算的结果，绘制凝汽器各参数与积灰厚度之间的关系，如图2所示。

传热系数随着翅片管表面积灰厚度的增加而减小，凝汽器压力随积灰厚度的增加而增大，当积灰厚度增加时，空气的温升与凝结蒸汽量逐渐降低，说明翅片管表面积灰影响了凝汽器的换热，降低了积灰单元的换热能力。

当翅片管表面积灰超过1．0mm时，凝汽器的压力达到了32 kPa，此时机组背压已经超过警戒背压(30 kPa)，将会严重影响机组的安全运行。

2．2 洁净单元理论计算

以一个积灰单元与一个洁净单元为研究对象，当凝汽器翅片管表面保持洁净时，传热系数K与理想情况下计算一致，在某一积灰厚度下，积灰单元和洁净单元同时参与换热，积灰单元减少的那部分散热流量转移到了洁净单元。积灰在影响积灰单元的换热的同时也间接影响了洁净单元，对洁净单元而言，当积灰单元积灰厚度逐渐增大时，洁净单元各参数也发生变化，计算结果见表3。

图2 积灰单元参数随翅片管积灰厚度的变化曲线

表3 洁净单元参数变化

表3中的计算数据与表2一一对应，在积灰单元的温升降低时，洁净单元也随之增大;在积灰导致积灰单元压力升高时，洁净单元的压力也随之升高。积灰单元凝结的蒸汽量减少，洁净单元也随之增多。依据计算结果，绘制积灰厚度与洁净单元的各参数的关系，如图3所示。

图3 清洁单元参数随翅片管积灰厚度的变化曲线

由于积灰单元的翅片管表面有大量积灰，随着积灰的增加洁净单元的温升也增加，影响了与蒸汽的换热，所凝结的蒸汽量减少，从而使洁净单元所承担的散热量增多，温升也相应增加。

3 结束语

在积灰单元与洁净单元对比的情况下，在翅片管局部积灰以后，换热情况发生恶化，散热器效率减小，所能凝结的蒸汽量减少，空气温升相应降低，凝汽器压力升高。虽然洁净单元换热情况不变，但额外增加了积灰单元转移来的散热流量使空气温升增大，凝汽器压力升高，最终影响机组的安全经济性，因此，对于直接空冷凝汽器来说，适时去除积灰是必须的。

电厂中处理积灰的方法一般是采用高压水冲洗翅片管，这种方法虽然有效，但同时也消耗了大量的水，这与直接空冷机组节水的初衷相悖。当积灰不是很严重时，一般的调节方法是调整风机的转速［9］，靠增加换热的空气量来达到强化换热之目的，使转移到洁净单元的那部分蒸汽重新回到积灰单元，降低机组背压。

［1］温高．发电厂空冷技术［M］．北京:中国电力出版社，2008:15－35．

［2］邱丽霞，郝艳红．直接空冷汽轮机及其热力系统［M］．5版．北京:中国电力出版社，2006:122－134．

［3］张鸿坚．关于空冷电厂汽轮机运行特性的讨论［J］．现代电力，2003，20(2):10 －15．

［4］苏咸伟．火电厂直接空冷凝汽器传热性能试验研究［D］．北京:华北电力大学，2007．

［5］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．

［6］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．

［7］高玉忠．电站直接空冷凝汽器变工况计算与特性分析［J］．上海汽轮机，2001(3):5 －7．

［8］杨立军，杜小泽，杨勇平，等．火电站直接空冷凝汽器积灰监测［J］．热能动力工程，2007，22(2):172 －175．

［9］杨立军，杜小泽，杨勇平．风机群分区调节对空冷岛传热特性的影响［J］．工程热物理学报，2010，31(1):146－148．