直接空冷凝汽器传热系数与设计冷却裕量选择

2013-08-15顾国新

电力勘测设计 2013年2期

顾国新

(安中国际工程技术(北京)有限公司，北京 100027)

1 传热系数与设计冷却裕量的选择是空冷凝汽器设计的关键技术问题

鉴于火力发电厂直接空冷系统具有系统简单、防冻性能好、占地小、初投资低的特点，自2003年我国第一台200MW直接空冷供热机组成功投入商业运行，直接空冷机组在我国得到了飞速的发展，至2009年底短短的几年时间，我国投入运行和在建的直接空冷机组有200台左右，单机容量从50MW到1000MW，总容量达到了60000MW左右；单机容量、参数等级和装机规模均已处于世界各国前列。

直接空冷机组在我国的应用基本上是成功的，但无可避免地也存在着一些问题，其中，直接空冷机组满发背压达不到设计值是一个主要的问题。据了解，大部分机组实际运行满发背压比设计值高出2kPa～8kPa，运行差的机组甚至达到8kPa～10kPa，在煤价逐年升高的情况下，给电厂的经济性带来很大的影响；而且背压高，凝结水温度也高，由于凝结水精处理离子交换树脂的耐高温性能所限，凝结水精处理还得退出运行；同时，也给直接空冷技术造成了负面影响。

影响直接空冷机组背压升高的因素很多，本人认为空冷凝汽器传热系数与设计冷却裕量选择不准确是造成直接空冷凝汽器冷却能力不够，进而造成机组满发背压达不到设计值的主要原因。另外，真空泄漏率不合格与大风影响也是造成机组背压升高的两个主要因素，但真空泄漏率通过采取措施是可以控制在合格范围以内；大风影响是瞬态的；所以这两个因素都不考虑以增加空冷凝汽器设计冷却裕量的方式解决。空冷凝汽器传热系数与设计冷却裕量这两个参数指标对直接空冷系统的造价和冷却能力起着至关重要的作用。传热系数选大了，换热面积会减小，直接空冷系统投资会减小，但相应的换热面积减小，冷却能力要降低，反之亦然。设计冷却裕量选大了，直接空冷系统投资会增加，但空冷凝汽器冷却出力也会增加，可降低运行背压；设计冷却裕量选小了，直接空冷系统投资会减少，但空冷凝汽器冷却出力也会减小，造成机组背压升高，煤耗增大。影响这两个参数指标选取的因素很多，既有汽机方面的因素，也有空冷凝汽器方面的因素；既有自然影响的因素，也有人为影响的因素。国内目前在这方面的研究还很不够，国内没有标准，国外也没有可参照的标准。从目前情况看，传热系数各工程选得都偏大，而设计冷却裕量又选的偏小。

国内目前直接空冷工程的设计、设备和工程招标有几种不同的模式，设计冷却裕量是由电厂总体设计院负责考虑，还是由空冷凝汽器制造厂(或工程公司)负责考虑，或各自考虑哪些因素，责任划分不明确，因此考虑不全面，缺乏统一性。就设计院内部而言，该问题涉及到热机和水工两个专业，若没有统一的指挥协调，也会造成对影响直接空冷系统冷却能力设计裕量选取的因素考虑不周。

根据本人多年从事直接空冷电厂设计、咨询的经验和对一些投运电厂的调研，以及最近几年对直接空冷系统国产化工作的研究，对空冷凝汽器传热系数和设计冷却裕量如何选取谈谈自己的观点，供相关工程技术人员探讨。不妥之处，敬请大家指正。

2 影响空冷凝汽器设计冷却裕量选取的主要因素

2.1 汽轮机方面的影响因素

汽轮机方面影响空冷凝汽器设计冷却裕量选取的主要因素是设计排汽量与实际排汽量的误差。由于汽轮机的设计与制造误差、安装误差，使得汽轮机厂提供的汽轮机设计排汽量与投运后的实际排汽量不一致，根据对已投运电厂和负责汽轮机性能试验的电科院的调研，大多数工程汽轮机实际排汽量大于设计排汽量，范围在3%～8%之间，影响背压约1,5kPa～4kPa(对应汽机TRL工况)；超临界机组小一些，亚临界及以下机组大一些。若再考虑运行若干年后机组老化的影响，汽轮机排汽量的误差还会进一步增加。

另外，汽轮机低压旁路漏汽、低压缸轴封漏汽、汽机本体及热力系统疏水等进入汽轮机排汽装置后，都会有一部分热量带入到空冷凝汽器；但这部分的热量很小且不好测量，可以忽略不计，在排汽量误差中给予统一考虑。以上这些因素将使得进入空冷凝汽器的热量大大增加，而目前大部分工程的直接空冷系统设计只按汽轮机设计排汽量进行设计计算，没有考虑这部分增加的热量，因而设计的空冷凝汽器冷却能力偏小。空冷系统性能考核试验时把汽轮机排汽量修正到设计排汽量，这也是为什么空冷凝汽器系统通过了性能考核验收试验，而直接空冷机组实际运行背压确达不到设计值的主要原因之一。

2.2 空冷凝汽器方面的因素

(1)由于缺少工程经验或投标的原因，大多数工程的传热系数设计取值偏大，实际工程中达不到。以目前使用较多的钢基管铝翅片单排管空冷凝汽器为例，根据各个工程投标文件，传热系数取值大部分在30W/m2K左右及以上。而根据我们对钢基管铝翅片单排管空冷凝汽器所做的试验研究，经试验室性能试验，单元性能试验和工程应用检验，以及电科院通过对多个直接空冷凝汽器性能试验进行分析的结果，传热系数实际在27W/m2K左右。传热系数与设计冷却裕量之间又有着一定的关系，传热系数取值偏大而又没有考虑足够的设计冷却裕量，必然造成空冷凝汽器冷却能力不够。

(2)空冷凝汽器管束批量生产的设计和制造误差，施工现场的安装误差等都会造成换热效率下降，这在空冷公司空冷凝汽器的设计中已经给予考虑，一般留有5%的换热面积裕量。

(3)空气中的污垢粘附在管束表面是造成空冷凝汽器传热效率下降的一个主要因素。德国VGB标准规定的空冷凝汽器性能试验是在管束全新的状态下进行。在国外公司进行的空冷凝汽器设计中也没有因空气中的污垢造成管束传热效率下降而专门考虑采取增加换热能力的措施，他们认为管束脏了就应进行清洗，保证管束经常处在一个清洁的状态。在早期的工程中采用国外空冷公司的产品，我们要求在空冷凝汽器设计中考虑空气中污垢的影响增加换热面积，国外公司不同意。他们认为空冷凝汽器设计中留有5%的换热面积裕量，这其中已经包含了污垢的影响。但根据我国的实际情况，采用空冷机组的电厂大部分在我国西北地区，空气质量较差，在很短的时间内就因为管束污垢造成机组背压升高，污垢严重的会使得机组运行背压比设计值高出10多个 kPa，因此需要进行频繁的清洗；清洗不及时，背压就升高；而漫长的冬季还不能清洗。而且运行若干年后，有些污垢已经清洗不下来，造成传热效率下降，背压升高；因此，污垢对背压应考虑1kPa左右的影响。

(4)根据我们所做的实验和现场调研情况，运行多年后，空冷凝汽器管束翅片表面会出现较紧密的点蚀，使翅片表面变粗糙，风阻增大，传热效率下降。因目前直接空冷机组运行的年代还比较短，其对机组背压升高的影响有多大还不好测量，可暂忽略不计，在污垢影响中统一考虑。

(5)太阳光辐射引起背压升高根据有关方面进行的太阳辐射对空冷凝汽器运行影响的研究，发现在晴天有阳光照射的情况下，太阳辐射会引起空冷凝汽器壁面温度有一定程度的升高，进而影响到凝汽器内部未凝蒸汽的温度有相应的变化，从而导致凝汽器背压有一定的升高。太阳辐射引起的凝汽器背压变化范围比较小，一般在1kPa以下。

3 传热系数与设计冷却裕量的选择

3.1 传热系数选择

根据试验室性能试验，单元性能试验和工程应用检验的结果，对于钢基管铝翅片单排管空冷凝汽器管束，其传热系数应在26W/m2K～28W/⑺m2K之间选择较为合适。国内各个厂家的产品在型式、选材、外形尺寸及制造工艺方面都相差不多，其传热系数应该在这个范围内。

3.2 设计冷却裕量选择

综合上述分析，空冷凝汽器设计中必须留有足够的冷却裕量，才能够保证空冷凝汽器的冷却能力满足汽轮机出力达到满发背压设计值的要求。影响空冷凝汽器设计冷却裕量选择的因素很多，主要影响因素是汽轮机排汽量误差；空冷凝汽器的设计、制造、安装误差；空气污垢等，并且有些因素不好测量或计算，必须靠一定的工程实践去总结。根据我们对直接空冷系统国产化工作的研究和多个工程的调研分析，设计冷却裕量要根据不同的汽轮机和空冷凝汽器进行选择，综合考虑汽轮机侧和空冷凝汽器侧各种因素的影响，考虑多年运行对机组经济性的影响。对于钢基管铝翅片单排管空冷凝汽器，最大冷却能力(对应汽机TRL工况)设计冷却裕量选择可按以下情况考虑：

(1)汽轮机侧因排汽量误差引起的背压升高考虑留有1.5kPa～3.5kPa的裕量；

(2)空冷凝汽器侧因管束批量生产的设计和制造误差，施工现场的安装误差，清洗不掉的污垢、管束表面腐蚀和太阳辐射等因素引起的背压升高考虑留有3.0kPa～3.5kPa的裕量；

根据以上分析，在正确选择空冷凝汽器传热系数、真空严密性合格、设计环境风速条件下，空冷凝汽器最大冷却能力(对应汽机TRL工况)设计冷却裕量在4.5kPa～7kPa之间选择较为合适。即是说，如果某台机组直接空冷系统设计的保证满发背压是32kPa，那么根据汽轮机厂提供的设计排汽量设计的计算满发背压应在27.5kPa～25kPa之间。