简析直接空冷汽轮机运行的节能优化

王杰

摘 要：发电厂空冷技术是一种高效的节水型火力发电技术，它出色的节水效果不但解决了一些贫水地区的水资源使用问题，也能合理的调节富水地区的水资源分配。在我国北方地区，煤炭资源丰富却较为干燥，水资源匮乏，直接空冷机组的应用和推广也因此愈加广泛。文章以600 MW直接空冷机组为范例，对它的安全性和经济运行水平进行了优化和分析。

关键词：600 MW直接空冷机组；缺水环境；冷却方式；空气冷却

中图分类号：TK267 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）05-0099-02

我国虽然地势广阔，但却水资源贫乏且分布严重不平衡。尤其是以东北、西北和华北为主的“三北”地区，虽然能源丰富，但却最为干旱，这大大影响了当地能源转化的效率和质量。

据统计显示，我国东北的煤炭储量虽然占全国总储量的41.44%，但是水资源却只占到全国总储量的17%。这就导致了我国在火力发电运行300 MW以上的机组时其平均耗水率比发达国家高出近1 m3/GWh。所以，为了从现实和长远发展的角度考虑，应该在富矿缺水的三北地区采取直接空冷技术，从而为建设节水型发电厂打下基础。

1 直接空冷系统

1.1 直接空冷机组

直接空冷机组主要利用环境中的空气来冷却汽轮机组的排气装置和发电装置。较比湿冷机，它的冷却系统部分更加复杂且系统种类更多。主要包括了空冷凝汽器、真空抽气系统、排汽管道、冲洗系统和喷淋系统。空冷凝汽器作为直接空冷系统的核心，就是通过外界的空气来为汽轮机排气进行冷却，所以在设备运行时，一定要重视空冷凝汽器的运行状态，保证它的正常就是保证整个机组运行的安全与经济性。

1.2 600 MW直接空冷系统的特性

可以说，600 MW直接空冷机组系统是传统湿冷机组的强化，它的各项优点更为突出，比如它的设备系统设计更加简化，所以占地面积小且基建投资少，它的空气量调节更加灵活，可以适应各种气候环境等，在运行特性和结构特点上也更有优势。

1.2.1 运行特性

直接空冷系统的运行是随着汽轮机组的运行背压变化而变化，这涉及到大气气压和温度。我国东北地区四季分明且昼夜温差变化较大，特别是大气干球温度变化大，所以汽轮机的背压变化也会很大且变化频繁，这就导致了直接空冷系统的运行环境复杂化和极强的适应性；而由于受背压的大幅变化影响，末级叶片经常工作于过渡区，其蒸气中的盐分很容易沉积于末级叶片上，虽然有时被冲刷，但是过分的沉积也降低了叶片的应力作用，从而限制了它的应力水平。空冷叶片的连接部位有良好的热膨胀性，更适应在恶劣环境下运行；另外，直接空冷机组具有相当庞大的真空系统，其容量是湿冷机组的30倍以上，所以它的系统严密性对于机组的运行更加经济合理。为了避免机组真空严密性而导致的外部空气进入空冷凝器使散热器换热效率下降，直接空冷机组的空冷凝汽器系统也进行了改造，它选用了更高质量的真空阀和可拆卸的打压堵板来提高系统的气密性。

1.2.2 结构特点

600 MW直接空冷机组采用的是四缸结构，它的低压缸模块就是在湿冷机组的基础上进行改进的，主要是对于落地轴承座的改良，它增加了轴系工作的稳定性。这是考虑到600 MW空冷机组的背压过高且变化幅度大，低压缸的元件受温差变化影响大而专门设计的结构；其次它采用了620 mm的末级叶片，这是因为低背压工作中焓降，所以一定要选择排气面积更大的叶片，使它降低高背压运行时所产生的余速损失。如果设计背压在0.015 MPa，那么叶片的选取高度要在600 mm以上，保证它的排气面积在4.5 m2左右，并将它的余速损失控制在12.6 kJ/kg的范围内。

2 直接空冷机组的运行优化

600 MW直接空冷机组在我国三北地区的实践运行经验几乎为零，理论方面的研究也很匮乏，其原因是多种多样的，其中最主要的就是由于三北多变的气候和水资源的不足。尤其是在东北地区，由于冬季气候较为寒冷干燥而夏季高温炎热，这使得直接空冷机组经常会出现夏季出力受限、冬季冻伤、背压过高等等机械问题。所以为了能够让直接空冷系统适应北方多变且两极的气候环境，就应该设计出一套优化直接空冷系统运行的方案，提高其安全性和运行经济性。

2.1 直接空冷系统设计优化的目的

直接空冷系统需要较高的背压和较小的换热系数，这是传统湿冷系统所无法比拟的。为了满足空冷的这些高要求，就需要大面积的冷凝汽轮机换热排气和一组大功率的风机协助工作。如此一来设备的投资费用就会扶摇直上，所以为了保证空冷机组的高效率低成本运行，必须优化设计，采取多方面的经济优化比较。这包括了合理的背压设计、空冷凝汽器的冷却面积和其他主要元件配置参数，这也就是直接空冷系统的经济性运行目的所在。

2.2 设计参数的选取

系统设计温度的选取。空冷机组对于电厂设计来说，气温是根本，它直接影响如何选取设计背压，而合理的设计背压又决定了汽轮机的选型，这一系列的选择正确才能给电厂的运营带来可观的经济效益。本文中提供了三种空冷机组设计气温的方案以供参考。

2.2.1 年平均气温法

首先抽取典型的年运行小时内气温值并从大到小依次进行分级排列，最终统计成典型年份的小时气温图表。然后根据所绘制的气温图表中的数据来编绘气温的频率曲线，而曲线上正负两者的面积相等的点所对应的气温就是设计气温。

2.2.2 6 000 h法

如果根据年平均气温法来作典型年份的小时气温统计表，那么表上6 000 h以内所对应的气温就是设计温度。

2.2.3 30%频率曲线法

根据频率曲线图在图上找到30%的点所对应的气温就是设计气温。通常来说，所设计的气温其实就是机组实际运行时的年平均气温。不过从空冷系统防冻的角度看，机组如果在5 ℃左右的环境中通常是不会产生冻结的。但从机组阻塞的角度讲，5 ℃时汽轮机组的状态已经达到了阻塞背压，即使气温再有变化也不会改变机组的出力。

2.3 设计背压的选取

空冷机组的背压设计也是整个空冷系统设计的基础。实际上，背压设计会被诸多外界因素所限制，例如汽轮机的进汽量、排汽量、环境温度甚至是环境风速，这些参数都是空冷系统中必须综合考虑的因素，随后才有可能对汽轮机的背压设计进行有针对性的优化。一般来说，排气背压所对应的温度和排气泡就是气温设计与ITD值的综合，所以，一旦气温选定，ITD值得到确定并优化之后，汽轮机的排汽泡和温度也基本确定，汽轮机的排汽背压也宣告确定。在我国东北地区，设计背压的值范围很低，这是因为当地寒冷的气候。

3 直接空冷系统的优化计算

3.1 经济性优化

直接空冷系统的优化主要就是空冷凝汽器的优化。而根据优化目标的不同，空冷凝汽器的优化设计方法也不同。其中一些是以节能为主要目的，首要先综合分析空冷凝汽器的各项参量例如热力参量、集合参量以及它们之间相互制约的关系和联系。其次要以凝汽器的最小重量作为优化目标，以保证其能够满足优化设计的各种要求。但是为了同时考虑凝汽器的运行参量和额外收益，本文采用了目前广泛应用的年总费用最小法，就是要以空冷凝汽器的年总费用作为优化目标，并且依据设计参数的变化来确定设计运行方案。通过计算直接空冷系统的年度化经济费用，在取值最小的时候同时选取最佳的设计参数。

因为年总费用的优化计算最终目标是Tc，所以年固定费用Tfc和年运行费用Toc的和就是Tc，得出下式：

Tc=Tfc+Toc

由于总投资费用Tic代表了投资前建设期间的空冷系统的总投资，所以系统的换热单元费用Tmj、风机群费用Tfj和辅助设备费用Tfz之间就得出公式：

Tic=Tmj+Tfj+Tfz

根据以上公式可以得出直接空冷系统的优化目标函数为：

Tc=（Tmj+Tfj+Tfz）×i（1+i）n/（1+i）n-1+（Tpc+Yip+Tmc）

其中，i和n表示n年内的贷款年利率i。所以最后以空冷系统年总费用的优化目标函数就由此得出。它表明了空冷优化变量的经济性分析，同时也分析了众多变量对于电厂经济性的诸多影响。总体而言，空冷系统所采用的核心空冷凝汽器的ITD值、环境温度和迎面风速都是可以进行优化的变量。

3.2 冷凝器的冬季防冻优化

在每年冬季长时间（约1 540 h）处于低温-5 ℃状态下的大同地区，其最低温度可达到-30.5 ℃。从设计选型的角度来说，对空冷系统冷凝器的防冻措施首先要考虑到600 MW直接空冷机组在冬季运行的特殊性，在机组启动、运行和停机过程中，都要避免因为空冷凝汽器热负荷较低而导致的设备冻坏现象的出现。所以，在实际运行中，应该根据600 MW空冷机组的运行实际情况来制定防冻措施。

首先，在任何情况下都要保证空冷岛的每个排散热器端部小门和冷却单元的隔离门都在关闭状态。一旦温度低于3 ℃时，空冷机组的运行背压必须要≥9.0 kPa。如果冬季出现大风气候，运行人员应该适当的增加机组负荷或者提高运行背压来防止大风天气带来的降温，避免散热器热量分布不均所造成的管束冻结。

其次，运行期间的机组在任何情况下它的负荷都不能低于不同环境温度下所对应的最低出力。另外，应该加强空冷岛各散热管束表面温度偏差的检查测量。单个散热管束的表面温度不能小于15 ℃，如果温度低于15 ℃，应该降低风机的转速或增加机组负荷。

4 结 语

从环境温度的角度来看，当气温超过-10 ℃时，凝汽器的压力就会随着气温的升高而升高。环境温度越高，它的变化也就越快。而当背压变化幅度增大时，对于空冷的维护不当就很可能会引起机组运行的安全性和经济性问题，给电厂带来损失。所以无论是在高温环境还是低温环境下，对于直接空冷系统来说，通过对冷凝汽器的运行分析和参数预估，可以为我国三北地区的冬季安全运行提供更多实用的经验，从而最大限度地提高直接空冷机组的利用率、工作效率和经济性。

参考文献：

[1] 郑衍娟.火电厂直接空冷系统设计与优化[D].济南：山东大学，2012.

[2] 冯玉朝.600 MW直接空冷机组冷端系统结构优化及分析[D].保定：华北电力大学，2008.

[3] 魏德.北方典型气候条件下600 MW直接空冷机组的优化运行[D].北京：华北电力大学，2007.