600MW直接空冷机组和湿冷机组运行参数分析研究

王海刚

(中国大唐集团科学技术研究院有限公司，北京 100000)



600MW直接空冷机组和湿冷机组运行参数分析研究

王海刚

(中国大唐集团科学技术研究院有限公司，北京 100000)

摘要：通过对比600 MW直接空冷机组和湿冷机组实际运行数据和建立空冷岛变工况数学模型，研究了环境温度、迎面风速、空冷岛管外污垢热阻对背压的影响。结果表明，环境温度越高，迎面风速对背压影响越大，迎面风速越低，迎面风速对背压影响越剧烈；同时，迎面风速越低，管外污垢热阻对背压的影响越大，建议电力企业优化空冷岛布置，制定合适的冲洗周期和喷淋时机，空冷风机及时超频运行。直接空冷机组凝结水中的含氧量比湿冷机组高10.2 μg/L-16.2 μg/L，背压越低凝结水含氧量越高。

关键词：直接空冷机组；湿冷机组；背压；环境温度；迎面风速

世界上，直接空冷机组装机容量在空冷机组中占主导地位，在节水的压力下，直接空冷机组的大型化是必然趋势，但我国直接空冷机组发展较晚，目前运行的大部分600 MW等级直接空冷机组暴露出诸如夏季负荷受限、背压波动大、凝结水水质差、空冷风机布置不合理等共性、关键问题，严重制约直接空冷机组的发展，对600 MW等级直接空冷机组的研究有助于直接空冷机组大型化的发展。郭志宇[1]以漳山电厂600 MW机组为例，研究了冬季结冻对机组安全、经济性的影响，并提出了预防措施；景杰等人[2]分析了漳山电厂600 MW机组背压升高的原因，提出增加空冷喷雾装置，可有效降低机组背压、提高机组效率；李飞[3]分析了600 MW直接空冷机组真空下降的原因，并给出建议；王智刚[4]通过建立动态仿真模型研究了600 MW直接空冷机组冷端动态特性；王文忠等人[5]研究了600 MW直接空冷机组夏季负荷受限的主要原因；韩涛等人[6]提出了600 MW直接空冷机组经济性的方法和途径；苑敬桃等人[7]分析了600 MW直接空冷机组凝结水溶氧超标的原因，结合实际情况提出改造措施；杨立军等人[8]定性地说明了直接空冷机组空冷系统运行问题。

本文的研究特点是对比同一个电厂的600 MW直接空冷机组和湿冷机组的实际运行数据(背压、电耗、凝结水含氧量)，建立了600 MW直接空冷系统变工况数学模型，通过运行参数进行对比分析和直接空冷系统变工况特性分析相结合，充分挖掘影响600 MW直接空冷机组可靠性、经济性的关键因素，为大容量直接空冷机组的设计、安全、经济运行提供借鉴。

1研究机组情况

研究选择两台同一电厂的600 MW亚临界燃煤机组，一台机组是直接空冷机组，简称机组AU，另一台为湿冷机组，简称机组WU，由于直接空冷机组背压高，直接空冷机组锅炉配置与湿冷机组锅炉配置相比，除了蒸发量略大外，其他的配置是一致的，空冷机组和湿冷机组主要差别体现在汽轮机设计参数、结构、回热系统上，详见表1。

表1　600MW直接空冷机组和湿冷机组汽轮机设计参数对比

从表1中可以看出，直接空冷机组汽轮机高中压缸的级数配置与湿冷机组一致，综合初投资、运行费用，机组AU额定平均背压高，相应低压缸压力级比湿冷机组数量少，回热级数比湿冷机组少一级，机组AU设计热耗值和汽耗值分别比机组WU高391 kJ/kWh、0.176 kg/kWh。据统计，在实际运行过程中，机组AU煤耗比机组WU供电煤耗高约30 g/Kwh。

与湿冷机组比，直接空冷机组是典型的变工况机组，背压变化大且频繁，为了增强叶片的抗弯应力、抗振性能，直接空冷机组AU汽轮机末级叶片的强度比湿冷机组大。考虑到高背压和余速损失，直接空冷机组的末级叶片高度一般选择略短，一般哈汽的600 MW直接空冷机组，末级叶片高度为 620 mm，东汽的600 MW直接空冷机组，汽轮机末级叶片高度为661 mm，上汽的600 MW直接空冷机组，汽轮机末级叶片高度为665 mm。

2直接空冷系统变工况数学模型

机组背压是衡量机组经济性最重要经济指标之一[9-11]，但直接空冷机组背压受环境温度、迎面风速、排气热负荷、空冷岛散热管管外脏污程度等因素影响较大，为了分析实际运行中机组背压变化的原因，采用η-NTU法，建立直接空冷系统变工况数学模型。

表2　600MW直接空冷系统主要设计参数

根据空冷凝汽器内排气与空气之间的传热过程，空冷凝汽器的排气温度为

(1)

式中：Qn为排气热负荷，J/s；NTU为传热单元数，AF为迎风面积，m2；ρa为空气的平均密度，kg/m3；VNF为迎风速度，m/s；Ca为空气平均比热，J/(kg·K)；ta为环境温度，℃。

(2)

式中：A为总的传热面积，m2；K为总传热系数，W/(m2·℃)。

直接空冷凝汽器总传热热阻为

(3)

式中：αi为管内对流换热系数，W/(m2·K)；ζi为管内污垢热阻，(m2·K) /W；Fi为管内换热面积，m2；δi为基管壁厚，m；λ为基管导热系数，W/(m2·℃)；α0为管外换热系数，W/(m2·℃)；F0为管外传热面积，m2；ε0为管外污垢热阻，(m2·K) /W；η为肋面效率。

当蒸汽在换热器内流速较小时，管内平均凝结换热系数为[9]

(4)

式中:Nu=αi·Lλ为努谢尔数，Ga=G·L3/v2为伽利略数，Pr=v/a普朗特数。

除用壁温计算外，其余物理量的定性温度为饱和温度，物性按凝结夜的物性计算，特征尺寸为数值壁面的高度。

管外凝结换热系数的经验公式为[10]

(5)

式中：dH为水力直径，λ为导热系数，W/(m2·℃)。

3运行参数对比分析

3.1机组AU和WU背压波动对比

图1　冬季、夏季机组AU和机组WU典型背压对比

图2　典型负荷下环境温度对机组AU背压的影响

图1中给出了机组AU和机组WU背压波动，从图1中可以看出，机组WU在冬季、夏季背压波动较小，冬季背压范围4 kPa-7 kPa，夏季背压范围8 kPa-12 kPa，机组AU背压波动较大，冬季背压范围7 kPa-15 kPa，即使在投喷淋的情况下，夏季背压波动范围25 kPa-44 kPa，冬季，直接空冷机组背压比湿冷机组高3 kPa-7 kPa，夏季比湿冷机组高8 kPa-32 kPa。

根据公式1至公式5计算机组AU的变工况特性如图2所示，图2给出了典型负荷下，环境温度对机组AU背压的影响，从图中可以看出，相同的迎面风速，环境温度越高背压越高，特别是当迎面风速较低时，环境温度越高背压变化约剧烈，环境温度高、迎面风速低是空冷机组运行最恶劣的条件。根据机组AU空冷凝汽器实际运行工况，当环境温度为9.5 ℃、风速为1.2 m/s时，实际运行背压为13.7 kPa，理论计算的背压误差小于10%。因此，夏季当风速较低时，提高风速能有效改善机组背压，机组AU实际运行过程中，即使部分风机超频到55 Hz也不能达到设计要求，机组出力受限，因此，空冷岛的设计应充分考虑夏季气温对直接空冷机组背压的影响，必要时需要对空冷岛进行技术改造，增加尖峰冷却装置，对汽轮机排汽进行分流，降低机组运行背压。

3.2夏季风向变化对机组AU真空影响

机组AU空冷岛位于机组AU汽机厂房的北面，空冷岛的东、西、北方向均没有建筑物，空冷风机距零米约50 m，来自东、西、北三个方向的风进入空冷风机下部较容易，通过风机冷却排气，但由于汽轮机厂房的阻挡，南向风进入空冷岛底部较困难，当风向发生改变时，对机组AU的背压影响较大。

图3 空冷岛布置图图4 风向图

图5　风向对机组AU真空的影响

图5给出了当风向发生变化时，机组背压的变化。从图5中看出，机组在状态点A时，背压为2 1kPa，东北风，风向为74.7°，东北向风能通过空冷岛底部，随着风向的改变，东北风转为南风，即状态B点时，背压为32 kPa，西南偏南风，风向为205°，背压从21 kPa变为32 kPa，背压升高11 kPa，如果背压升高过快，机组自动甩负荷(RB)。

当风向发生改变时由于建筑物的阻挡，迎面风速将降低。图6给出了夏季不同负荷，迎面风速对机组背压的影响，从图6中可以看出，当迎面风速大于2 m/s时，迎面风速对背压的影响较小，迎面风速在0.5 m/s～1.5 m/s之间时，迎面风速对背压的影响较大，排气热负荷越高，迎面风速对背压的影响越大，因此当机组在高负荷运行时，迎面风速突然变化，将影响机组的安全性，特别是在低风速时。因此，空冷岛的设计应充分考虑周围建筑物对空冷岛的影响，特别是含有多台空冷机组或空冷机组和湿冷机组共同存在电力企业，内部的建筑物如湿冷机组的冷却塔、小机的冷却塔、厂房、空冷岛之间等对空冷岛进风的影响。

图6 迎面风速对机组AU背压的影响图7 管外污垢热阻对机组AU背压的影响

3.3空冷岛水耗和电耗分析

影响空冷机组背压的水耗主要包括空冷岛冲洗水和喷淋水。冲洗水和喷淋水均为除盐水，用冲洗水冲洗散热片上灰尘、絮状物，增强换热效果，降低背压，机组AU空冷岛完成一遍冲洗需要7天左右，根据试验测试，环境温度为28.5 ℃、迎面风速为0.83 m/s、负荷550 MW时，冲洗后背压降低约1.5kpa左右，根据变工况特性计算，管外污垢热阻为0.006 m2·K/W。图7给出了环境温度30 ℃、70%负荷、不同迎面风速时，管外污垢热阻对机组AU背压的影响，从图7中可以看出，随着管外污垢热阻的增大，管外热阻对背压的影响越来越明显，并且迎面风速较低时，管外污垢热阻对背压的影响越大。因此，电力企业应根据机组背压的变化，制定合适的冲洗周期。

喷淋水的目的是降低空气的温度，增加空气湿度，提高空气对空冷岛散热器的冷却能力，一般夏季温度高时，根据实际运行观察，一般可以降低空气温度5 ℃-7 ℃，环境温度对机组AU背压的影响可以由图3解释。

图8 机组AU累计冲洗水量和喷淋水量图9 机组AU空冷岛电耗

图8给出了机组AU冲洗水量和喷淋水量统计，从图8统计结果可以看出，从2014年4月3日到6月13日冲洗水量为2 018 t，平均每天约7.8 t除盐水。从4月份到5月中旬，环境温度较低，喷淋水量少，从5月20日左右逐渐进入夏季，喷淋水突增，最大喷淋水量950 t/d，1吨除盐水约18元，除盐水1天最大花费1.71万元。因此，在保证机组安全运行的前提下，建议综合考虑背压降低获得的收益、除盐水水耗成本，优化冲洗周期或喷淋时机。

机组AU空冷岛电耗主要是56台空冷风机，空冷风机电耗由四台空冷变提供，两台备用变压器，六台变压器高压侧接入两端6kV厂用母线，空冷岛，电耗统计见图9，从图9中可以看出，在冬季，空冷风机部分停运或在低频下运行，电耗较低，在夏季时空冷风机基本全部运行、且部分可能超频，能耗高，2014年5月份电耗12 194 kWh。每台风机在50 Hz频率下运行时电流约107 A，在55 Hz超频运行时，电流约140 A，运行额定电压为380 V，56台风机功率约2979.2 KW，比较湿冷机组配两台循泵，每台循泵电流约350 A，额定电压6 kV，两台循泵电流700 A，功率约4 200 KW，远高于空冷机组。因此，当夏季机组真空高时，在保证空冷风机轴承不超温的前提下，空冷风机应及时超频运行。

3.4机组AU和WU凝结水含氧量对比

机组AU配3台真空泵，1台运行，2台备用，直接空冷凝汽器系统庞大，机组AU空冷凝汽器系统容积约是机组WU凝汽器系统的6倍，维持较好的真空难。湿冷机组真空严密性的影响要比直接空冷系统真空严密性的影响小，图10a给出了机组AU和WU典型工况下凝结水中含氧量，典型工况下，机组AU凝结水中的含氧量比机组WU高10.2 μg/L-16.2 μg/L，特别是在冬季，环境温度较低，凝结水的过冷度较大，增加了冷凝结水中的溶解氧。

图10　机组AU和WU凝结水和给水中氧含量比较

机组AU凝结水回系统经过改造，改造后回水除氧的能力增强，改造前夏季凝结水氧含量高达50 μg/L。图10b给出了机组AU和WU在不同背压下凝结水和给水中氧含量，机组AU凝结水中氧含量受背压影响较大，且存在相关性，在背压较高时，凝结水中氧含量高达23.9 μg/L，但不大于30 μg/L，虽然机组AU凝结水回水系统经过改造，根据运行经验，凝结水回水管容易出现泄漏，当背压较高时，凝结水含氧量仍然有可能超标。从图10中也可以看出，机组AU在背压较低时，凝结水中氧含量约11 μg/L，经过除氧器后给水中氧含量比较稳定，0.293 μg/L，湿冷机组WU背压较稳定，凝结水含氧量不受背压的影响，凝结水中氧含量5 μg/L-14 μg/L，给水中氧含量0.188 μg/L，低于空冷机组。因此，直接空冷机组凝结水水系统设计，应合理选择凝结水回水的位置，同时对凝结水补水管进行优化设计，发挥凝结水回水和补水余热除氧的能力。

4结论

(1)环境温度高、迎面风速低是空冷机组运行最恶劣的条件。由于空冷系统设计冷却能力有限，夏季背压高，波动大，在迎面风速小于2 m/s时，迎面风速对背压影响剧烈，环境温度越高，机组负荷越高，迎面风速对背压影响越大，同时，空冷岛设计要充分考虑空冷岛周围建筑物对空冷岛空气进入方向的影响，优化空冷岛布置。

(2)换热管管外污垢热阻越大，管外热阻对背压的影响越明显，迎面风速较低时，管外污垢热阻对背压的影响较大，因此，电力企业应根据机组背压的变化，制定合适的冲洗周期和喷淋时机，及时启动空冷风机，超频运行。

(3)典型工况下，直接空冷机组凝结水中含氧量比湿冷机组高10.2 μg/L-16.2 μg/L，背压越低凝结水含氧量越高，在恶劣工况下，凝结水含氧量可能超标，建议从设计上优化设计空冷机组凝结水回水系统、补水系统，运行时加强对汽水品质的监督，定期做真空严密性试验，减少由于水质不合格造成的排污损失。

参考文献

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Comparative Analysis Study On the Operation Prameters of 600 MW Direct air-cooled Unit and Water-cooled Unit

WANG Hai-gang

(China Datang Corporatioin Science and Technological Research Institute Co.，Ltd，Beijing 10000)

Abstract：In the paper，by the actual operation data comparison of the 600MW direct air-cooled unit and water-cooled unit and the dynamic simulation model establishment of off-design conditions of air cooled island，the effects of surrounding temperature，the face velocity，the fouling resistance outside the tube on the backpressure are studied.The results showed that the effect of face velocity on the backpressure was more obvious at higher surrounding temperatures.In addition，with lower face velocity，the effect of face velocity was more severe and the effect of the fouling resistance outside the tube on the backpressure was also greater.It is suggested that the power enterprise should optimize air-cooled island layout and the reasonable wash cycle and spray timing of air-cooled island should be made.The overlocking run is timely done for the air-cooled fans.The dissolved oxygen in the condensate for direct air-cooled unit was 10.2～16.2μg/L higher than that for water-cooled unit.The backpressure is high corresponding to the high the dissolved oxygen in the condensate.

Key words：Direct air-cooled unit；Water-cooled unit；Backpressure；Surrounding temperature；Face velocity

中图分类号：TK264

文献标识码：A

文章编号：1005-2992(2016)01-0067-07

作者简介：王海刚(1980-)，男，山东省荷泽市人，中国大唐集团科学技术研究院有限公司工程师，博士，主要研究方面：火电机组的节能减排.

收稿日期：2015-12-10