600MW直接空冷机组风机转速优化

李慧君，刘学敏

(华北电力大学能源与动力工程学院，河北省保定市 071003)

600MW直接空冷机组风机转速优化

李慧君，刘学敏

(华北电力大学能源与动力工程学院，河北省保定市 071003)

直接空冷机组风机转速与其排汽压力紧密相关，故直接影响机组运行经济性。因此，基于环境温度、风速及风向等影响因素，确定最佳风机转速，对实现节能降耗具有较大意义。以某600 MW直接空冷机组为例，建立风机转速优化目标函数，通过分别确定风机工作点、风机转速与排汽压力的关系及汽轮机功率背压特性，得到目标函数值，利用适当的优化算法确定最佳风机转速。结果表明：随着环境温度或风速或机组负荷的增加，排汽压力逐渐提高，进而最佳风机转速也随之增大，反之降低；当环境温度高于20 ℃时，对风机转速的影响较为突出；环境风向对风机转速也具有一定影响，其最佳值在x风向下最高，在主导风向下最低。

直接空冷机组；最佳风机转速；环境因素；排汽压力

0 引 言

随着国内电力市场开放和电力体制改革，在煤炭价格大幅上涨和严格执行排放标准等形势下，“降低供电煤耗，提高经济效益”也已成为各电厂经营的立足点。长期的电力运行经验表明，优化机组运行参数是提高机组运行经济性的有效途径之一[1]。因此，深入研究火电厂运行参数优化，提高其生产过程的能源转换效率，对实现节能降耗具有较大意义，同时对我国经济和社会可持续发展具有重大的战略意义。

由于直接空冷机组节水率高达65%，广泛应用于富煤缺水地区，自2003年以来，国内200，300，600 MW等级空冷机组相继投运，且运行状况良好[2-4]。但由于空气传热能力较低，使空冷机组排汽压力较高，进而导致煤耗较大。

影响直接空冷机组排汽压力的主要因素包括排汽热负荷、环境条件及空冷岛风机运行转速[5]。考虑环境因素影响，优化风机转速是提高机组运行经济性的有效途径之一。席新铭等通过理论计算对直接空冷系统风机运行进行了分析，但未能考虑环境风的影响[6]。夏瑞春等通过对空冷岛风机电耗进行分析，对风机优化运行提出了建议[7]。李海宏通过对空冷凝汽器进行数值模拟，确定了风机最佳运行方式[8]。郭民臣等通过对冷端系统进行变工况计算，在考虑环境温度影响下，确定机组最佳排汽压力[9]。

本文以某600 MW超临界直接空冷机组为例，在考虑环境风影响下，建立最佳风机转速目标函数，通过凝汽器变工况计算和确定风机工作点，得到不同工况和环境条件下的最佳风机转速，以提高机组运行的经济性，实现节能降耗的目的。

1 风机转速优化模型

在机组负荷和环境条件一定时，提高风机转速，可降低排汽压力，在没有超过阻塞背压的前提下，机组功率将随着排汽压力的降低而增大，同时风机消耗功率也随之增加。因此，增大风机转速得到的发电功率的增量与对应风机耗功之差取最大值时，所对应的风机转速即为最佳值，建立优化目标函数为

(1)

式中：ΔPe为增大风机转速后机组功率的增量，W；N为风机耗功，W；n为风机转速，r/min；nd为风机额定转速，r/min；ta为环境温度，℃；vf为环境风速，m/s。

2 风机转速优化

由式(1)可知，确定最佳风机转速，需分别计算机组功率增量和风机耗功，步骤如下：

(1)确定无环境风时风机工作点。假定风机转速为n，根据风机比例定律，得到无环境风影响时，转速n和环境温度ta下风机性能曲线和空冷系统阻力特性曲线，其交点为风机工作点，两线方程分别为

(2)

(3)

式中：ps为风机静压，Pa；Ga为风机空气流量，kg/s；ta0为标准状态下环境温度，℃；ρa为实际环境状态下空气密度，kg/m3；Δps为空气通过空冷单元时的压降，Pa。

(2)确定环境风影响下风机工作点。当有环境风影响时，设风速为vf，将导致空冷单元进、出口阻力增加，即空冷系统阻力特性曲线上移，其上移量即由环境风造成的压力损失δ[10]为

(4)

联立式(2)～(4)，可得环境风影响下空冷系统阻力特性曲线方程，即

(5)

式中：Gan、psn分别为联立式(2)、(3)所得到的无环境风时风机工作点相对应的流量、静压，kg/s、Pa。联立式(2)、(5)可得环境风影响下风机工作点。

(3)由风机工作点确定风机耗功[11]为

(6)

式中：pt为风机全压，Pa；η为风机效率；ηg为原动机效率；ηtm为传动效率。

(4)确定空冷单元散热器传热系数。对于直接空冷凝汽器换热管，忽略管内换热热阻和管壁热阻，以管外热阻为主；且近似认为流体物性参数保持不变[12]。因此，实际运行工况下传热系数可根据设计值确定，即

(7)

式中：K为散热器的传热系数，W/(m2·K)；vn为散热器迎面风速，m/s；Ga为风机空气流量，kg/s；下角标“d”表示设计工况数据。

(5)确定汽轮机排汽压力。该值可由凝汽器压力和汽轮机排汽口到凝汽器入口间的主要损失计算得到[6]。其中，凝汽器压力可近似认为等于其内蒸汽压力，而确定该值的关键是首先计算凝汽器蒸汽凝结饱和温度ts[13]，再对所有空冷单元进行累加，即

(8)

式中：Qc为排汽热负荷，W；cp为空气的定压比热，J/(kg·K)；Fi为空冷单元散热器的传热面积，m2。

结合汽轮机排汽口到凝汽器入口间的主要损失，确定机组排汽压力为

(9)

式中：ΔP1为由排汽管道、弯头及阀门等造成的压力损失，Pa；ΔP2为由水蒸汽柱引起的压差，Pa。

(6)确定机组功率增量。根据机组末级排汽面积和排汽流量，利用汽轮机功率背压特性通用算法确定排汽压力与发电功率增量的关系[14-15]，进而得到风机转速n所对应的机组功率增量，即

(10)

式中：Gc为机组排汽量，kg/s；hd*、h*分别为设计工况和变工况下机组排汽滞止焓，J/kg。

(7)根据步骤(1)～(6)的计算结果，确定优化目标函数值。

同理，在考虑环境因素影响下，可确定任意风机转速所对应的目标函数值；利用适当的优化方法，最终确定不同工况和环境条件下最佳风机转速。当环境温度较低时，因受风机调速范围的限制，可能使机组背压低于阻塞背压，此时通过停运部分风机，重新确定最佳风机转速。风机转速优化计算框图如图1所示。

图1 风机转速优化计算框图

2 计算实例

某600 MW超临界直接空冷机组其风机主要设计参数如表1所示。

表1 空冷单元主要设计参数

2.1 计算结果

在不同环境温度、风速及风向条件下，对100%、75%、50%及30%负荷工况进行计算。其中环境风向如图2所示；以x风向为例，最佳风机转速计算结果如图3所示。

图2 环境风向示意图

图3 x风向下各工况最佳风机转速

为分析环境风向对风机转速的影响，以75%和30%负荷为例，环境风速为3 m/s时，x、y及主导风向下，风机最佳转速计算结果如表2所示。

表2 不同风向和工况下的最佳风机转速

2.2 结果分析

对于直接空冷机组而言，影响风机转速的主要因素为机组负荷、环境温度、风速及风向等。

(1)在给定机组负荷条件下，随着环境温度或风速的提高，风机进风量减小，空冷系统换热性能下降，为保证机组运行经济性，最佳风机转速随之提高，如图3所示；且在环境温度高于20 ℃时，其对风机转速的影响较为突出。

(2)在环境条件一定时，随着机组负荷的增加，最佳风机转速逐渐提高。

(3)其他影响因素一定时，环境风向不同，最佳风机转速也将随之改变。x风向与y风向相比较，由于其处于迎风面的风机数量较多，故最佳风机转速较高；而在主导风向下，虽受影响的风机数量增多，但根据FLUENT模拟风场入口速度设置，可知该风向下风速在x、y方向分量减小，故其对应最佳风机转速较低，如表2所示。

3 结 论

(1)直接空冷机组排汽压力将直接影响其运行安全性和经济性，而风机转速是决定排汽压力的直接因素。因此，考虑机组负荷、环境温度、风速及风向等影响因素，优化风机转速对提高机组运行经济性和保证其安全性具有一定意义。

(2)本文考虑环境因素影响，建立最佳风机转速目标函数，按照风机转速优化计算步骤，确定各工况最佳风机转速。

(3)随着机组负荷或环境温度或风速的增加，最佳风机转速逐渐提高；除环境风向外其余影响因素一定时，最佳风机转速在x风向下最高，在主导风向下最低。

[1] 万文军.优化算法及火电厂若干优化问题的研究[D].南京：东南大学，2005.

[2] 周兰欣，李卫华，王勇，等.直接空冷机组运行特点分析及对策[J].电力建设，2009，30(4)：56-60.

[3]李铁苍,温源.CCI旁路系统在600MW直接空冷机组的应用[J].中国电力,2011,44(4):45-49.

[4]陈思奇.大型直接空冷机组真空泵的选择[J].中国电力,2005,38(2):18-21.

[5] 高增宝.关于空冷机组背压选择的问题[J].电力建设，2002，23(4)：4-8.

[6] 席新铭，杨勇平，杜小泽，等.电站直接空冷系统风机运行研究[J].现代电力，2007，24(2)：53-55.

[7] 夏瑞春，闫志华，梁纯斌，等.300 MW直接空冷发电机组空冷岛风机电耗分析[J].内蒙古电力技术，2007，25(5)：15-16.

[8] 李海宏.600 MW机组空冷凝汽器变工况风机优化运行研究[D].保定：华北电力大学，2011.

[9] 郭民臣，谢静岚，李鹏，等.直接空冷机组理论最佳背压的研究[J].动力工程学报，2012，32(7)：543-546.

[10] 戚晓冬，石红权，姜辉.横向风对空冷风机影响的实验与分析[C]//全国火电空冷机组技术交流论文集，山西：中国电力企业联合会，2005： 265-270. [11] 何川，郭立君.泵与风机[M].北京：中国电力出版社，2008：55-82.

[12] 张学镭，王金平，陈海平.环境风影响下直接空冷机组排气压力的计算模型[J].中国电机工程学报，2012，32(23)：40-47.

[13] 石维柱.直接空冷机组优化运行关键技术研究[D].北京：华北电力大学，2010.

[14] 明勇，王运民，徐大懋，等.汽轮机微增出力通用计算方法[J].汽轮机技术，2011，53(3)：177-178.

[15] 徐大懋，柯严，王世勇.汽轮机功率背压特性的通用计算方法及其应用[J].热能动力工程，2010，25(6)：605-608.

(编辑：蒋毅恒)

FanSpeedOptimizationfor600MWDirectAir-CoolingUnits

LI Huijun, LIU Xuemin

(School of Energy and Power Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, Heibei Province, China)

The fan speed of direct air-cooling unit related with exhaust pressure directly affects unit’s operation economy. Therefore, it is important to determine the optimal fan speed for energy saving, considering the influences of environmental temperature, wind velocity, wind direction and so forth. Taking a 600 MW direct air-cooling unit as example, the objective function of fan speed optimization was developed. The value of objective function was obtained through the relationship of fan’s working point, speed and exhaust steam pressure, as well as the back pressure characteristics of turbine, and then the optimal fan speed was determined through appropriate optimization algorithm. The results show that exhaust pressure increases with the increase of environmental temperature, wind speed or unit load, which will make the optimal fan speed increase; the contrary decreases. When environment temperature is higher than 20 ℃, its impact on fan speed is more significant. Wind direction also has an influence on the optimal fan speed, whose maximum value appears in thexwind direction, and minimum value appears in dominant wind direction.

direct air-cooling unit; optimal fan speed; environmental factors; exhaust pressure

TK 262

： A

： 1000-7229(2014)06-0133-04

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.06.025

2013-12-06

：2013-12-20

李慧君(1964)，男，教授，研究方向为强化换热及数值计算、电厂热力系统的节能理论与监测诊断；

刘学敏(1988)，女，硕士研究生，研究方向为电厂参数优化，E-mail：liuxuemin2011@126.com。