600MW机组空冷系统变工况对汽轮机出力的影响

2015-06-05余耀王丽张义江郭民臣李美宝

综合智慧能源 2015年3期

余耀，王丽，张义江，郭民臣，李美宝

余耀1，王丽1，张义江1，郭民臣2，李美宝2

（1.神华国能蒙东能源有限公司，内蒙古呼伦贝尔 021000；2.华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206）

直接空冷机组空冷系统变工况影响排汽压力，进而影响机组的出力。根据某电厂600MW超临界直接空冷机组的结构参数和运行参数，采用η-NTU法建立了空冷系统变工况分析的数学模型，分别计算了排汽压力随空气入口温度、排汽热负荷、迎面风速的变化规律，分析了对机组出力的影响，根据其影响规律，提出了风机转速及风量调节策略，为提高空冷机组运行效率提供了理论依据。

直接空冷；变工况；机组出力；排汽压力；排汽热负荷

0 引言

由于水冷机组的耗水量大，空冷机组在我国富煤缺水地区得到了长足发展，近年来，空冷机组的装机容量在该地区不断增大。在直接空冷机组中，由于排汽压力较高，空冷凝汽器的运行特性对机组效率及出力的影响尤为突出，因此，深入研究空冷凝汽器的变工况特性极为重要。排汽热负荷、空气入口温度以及迎面风速是影响凝汽器真空系统的重要因素。本文建立了直接空冷机组冷端系统的数学模型，并对某600MW机组的变工况特性进行了分析，揭示了排汽热负荷、空气入口温度以及迎面风速等对机组背压的影响规律，进而分析这些因素对机组出力的影响。

1 直接空冷机组冷端系统数学模型

空冷凝汽器作为机组的冷端，需要提供尽可能低的排汽压力，保证机组的效率及出力。影响排汽压力pc的因素主要有空气进口温度tal、迎面风速vy、排汽热负荷Qn及总传热系数K［1-4］，即

蒸汽在凝汽器中冷却为饱和水，冷凝压力与冷却过程的饱和温度存在着一一对应的关系，所以，只要计算冷凝过程的饱和温度即可反映汽轮机排汽压力的变化。根据凝汽器内部的换热过程及传热学原理，利用η-NTU法，可得到饱和温度tn的关系式［5-8］

式中：ρa为空气密度；cp为空气定压比热容；Ay为迎风面积；NTU为传热单元数，定义为热容量较小的流体的温度变化Δta（在直接空冷凝汽器的散热过程中为空气温差）与平均温差Δtm的比值，即

式中：A为总传热面积。

由式（3）可知，求出传热单元数NTU是得到tn的关键，而总传热系数K则是传热单元数NTU计算的关键。直接空冷凝汽器内部的传热过程主要包括管内蒸汽的凝结放热、汽液两相流的对流换热以及空气横掠管束的对流换热过程。因此，总传热系数K由对流换热热阻、管壁导热热阻以及管内外的污垢热阻决定，根据传热学原理可得到总传热系数K的关系式［9-10］

式中：Ai，Ao分别为管束内、外表面积；Am为管壁对数平均表面积；αi，αo分别为管内凝结换热系数和管外对流换热系数；εi，εo分别为管内、外污垢热阻；δ为基管的壁厚；λw为管壁导热系数；ηo为肋面效率。

管壁对数平均表面积为［6］

肋面效率ηo为式中：A1为管外基管部分表面积；A2管外肋片部分表面积；ηf为肋效率。

管内凝结换热系数αi可由传热学原理得

式中：ρs为饱和蒸汽的密度；λs为饱和蒸汽的导热系数；rs为蒸汽汽化潜热；ηs为蒸汽动力黏度；ts和tw分别为蒸汽饱和温度和壁面温度；g为重力加速度；l为特征长度。

对于管外空气的对流换热系数αo，由试验公式［11］可得

式中：Nu＝αode／λa；Re＝vyde／va；λa和va分别为空气在定性温度下的导热系数和黏度系数；de为翅片管束的当量直径。

式中：h为肋高；δf为肋厚；sf为肋宽。

2 直接空冷系统变工况对排汽压力的影响

为了分析空气进口温度、迎面风速、排汽热负荷及总传热系数等因素对排汽压力的影响规律，假定只有一个因素变化，而保持其他几个因素不变。以600MW超临界直接空冷机组为例，选定机组运行的一组数据，分别分析空气进口温度、排汽热负荷和迎面风速对排汽压力的影响特性。所计算的600MW超临界空冷机组热耗率验收（THA）工况主汽压力与温度分别为24.2MPa和566℃，再热蒸汽温度为566℃，排汽压为10 kPa，排汽热负荷约为680MJ／s。空冷系统设计49台风机，额定工况下迎面风速为2.47 m／s，迎风面面积为11 125 m2，散热面积为1557016m2。

2.1 空气进口温度对排汽压力的影响

当排汽热负荷保持680 MJ／s、迎面风速保持2.47m／s不变时，不考虑排汽管道造成的压损，仅考虑空气进口温度的影响。由图1可知，在排汽热负荷Qn＝680MJ／s时，排汽压力随着空气入口温度的升高而逐渐增大，当空气入口温度升高到38℃时，排汽压力将升高到约24.8 kPa，严重影响机组的出力和热经济性，并对机组安全运行产生影响。

2.2 排汽热负荷对排汽压力的影响

在某一环境温度下，当机组负荷发生变化时，势必造成汽轮机排汽流量变化，那么排入空冷岛的热量也发生变化。当迎面风速保持2.47m／s不变时，分别对环境温度为23，29和35℃时该600MW机组不同排汽负荷对汽轮机排汽压力的影响进行了理论

图1 Qn＝680MJ／s时排汽压力随空气入口温度的变化

分析与模拟。排汽压力随排汽热负荷的变化如图2所示。

图2 排汽压力随排汽热负荷的变化

以空气进口温度29℃为例，当ta1不变时，排汽压力随着排汽热负荷的升高而近似线性增大，随着空气进口温度的上升，排汽压力随排汽热负荷上升趋势更剧烈。

2.3 迎面风速对排汽压力的影响

当Qn＝680MJ／s、维持ta1不变而改变迎面风速时，排汽压力随迎面风速而变化，如图3所示。

图3 Qn＝680MJ／s时排汽压力随迎面风速的变化

由图3可知，当Qn＝680MJ／s，tal＝30℃时，排汽压力随着迎面风速的增大而降低。图3给出了20，25，30和35℃4个不同进风温度下迎面风速对背压的影响曲线，空气进口温度越高，排汽压力受迎面风速的影响越大。

3 直接空冷系统变工况对机组出力的影响

直接空冷机组排汽压力升高对机组出力产生影响。通过计算分析可知，空气进口温度、排汽热负荷以及迎面风速对排汽压力都有一定的影响，因此有必要分析他们对机组出力的影响。

该600MW机组额定工况时的功率对排汽压力的修正曲线如图4所示。

图4 600MW直接空冷机组背压修正曲线

依据图4给出的曲线，可分析机组在满负荷时由于直接空冷系统变工况对机组出力的影响。根据图1给出的结果，当排汽热负荷Qn＝680MJ／s、迎面风速2.47m／s、空气入口温度约为20℃时，排汽压力达到THA工况的10 kPa，那么很可能会出现如下情况。

（1）如果空气入口温度升高到30℃时，则排汽压力将达到16 kPa，功率变化率为-4%，也就意味着机组出力将减少4%，即机组出力减少24MW。

（2）当tal＝30℃时，如果迎面风速从2.4m／s降为1.6m／s，由图3可知，排汽压力会从18 kPa提高到33 kPa，功率修正率将从-4.5%达到-12.0%，则机组出力将减少7.5%，即功率将减少45MW。

（3）排汽热负荷对出力的影响分析比较复杂，因为排汽热负荷增加可能就是功率本身增大导致的，所以这里分析排汽热负荷的变化指除功率本身以外其他因素导致的。比如，空冷凝汽器接收了一股原先没有进入空冷系统的热量，若将小汽机的排汽引入空冷凝汽器就造成排汽热负荷增大。设排汽热负荷增大50MW，这里假定汽轮机排汽热负荷从650MJ／s增大到700MJ／s，空气进口温度保持29℃不变，根据图2给出的排汽压力结果，其压力会从

15.6 kPa变化到17.2 kPa，根据机组背压修正曲线，功率变化率约1%，即出力降低约6MW。

4 风量对排汽压力的影响

4.1 数学模型

根据空冷凝汽器数学模型，利用η-NTU法，可得出空冷凝汽器内的凝结温度tn

式中：qm为风机风量。

而排汽压力与凝结水温度的关系式为

根据式（10）和式（11）可以得出排汽压力与风机风量以及空气进口温度之间的关系。

4.2 计算结果

根据以上数学模型，分析了不同环境下排汽压力随风量的变化规律。

由图5可知，在Qn＝680MJ／s时，排汽压力随着风机风量的增加而逐渐减小，空气进口温度越高，其下降趋势越明显，ta1＝29℃不同Qn时排汽压力随风机风量的变化如图6所示。

图5 不同ta1时排汽压力随风机风量的变化

图6 ta1＝29℃不同Qn时排汽压力随风机风量的变化

由图6可知，当空气进口温度ta1＝29℃时，排汽压力随着风机风量的增大也呈现逐渐减小的趋势，随着排汽热负荷的增大，其下降趋势更加明显。

4.3 排汽热负荷对风机风量的影响

排汽压力随着风机风量的增大会逐渐降低，即调节风机风量的大小可使机组工作处于最有利的真空条件下，显著提高机组出力。本文同时分析了不同排汽压力时，风机风量随排汽热负荷的变化规律，pc＝15 kPa时风机风量随汽轮机排汽热负荷的变化如图7所示，pc＝30 kPa时风机风量随汽轮机排汽热负荷的变化如图8所示。