直接空冷机组空冷岛风机优化试验研究

许　宁，李永华，杨海生，李军烁，张耀祖

(1. 华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北保定071003；2. 国网河北省电力公司 电力科学研究院，河北石家庄050021)



直接空冷机组空冷岛风机优化试验研究

许宁1，李永华1，杨海生2，李军烁1，张耀祖1

(1. 华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北保定071003；2. 国网河北省电力公司 电力科学研究院，河北石家庄050021)

摘要：空冷岛风机采取超频方式运行可以降低机组背压，提高机组出力。为探索超频方式运行的可行性，对某600 MW直接空冷机组进行了空冷岛风机优化试验。重点研究了机组负荷与背压的特性曲线，风机频率变化对机组背压和空冷岛耗功的影响，并求取了风机采用超频方式运行后取得的经济效益。结果表明，在环境温度高于30 ℃，机组负荷超过360 MW时，空冷岛风机应采取超频方式运行；每年可节约成本约212.5万元。该结果为空冷岛风机的运行方式指明了方向。

关键词：直接空冷机组；空冷岛；风机频率；背压

0引言

直接空冷机组不会产生循环水排污和蒸发汽雾，同时又能够节约大量的水资源。因此，在我国水资源比较匮乏的西北、华北地区被大规模推广使用[1-2]。但空冷技术在发展过程中仍存在着许多问题，一方面，空冷换热为表面式换热，相同的环境条件下，与湿冷机组相比运行背压较高，供电煤耗较高，在夏季极端高温环境下运行时，机组还会出现出力受阻的情况；另一方面，直接空冷机组背压的由空冷岛变频风机来控制，涉及到风机的启停和转速控制[3]。汽轮机运行过程中，提高空冷岛风机频率可以降低背压，但空冷岛耗功反而会升高，两者成相反趋势。鉴于上述原因，对某600 MW直接空冷机组进行了空冷岛风机优化试验，探索风机超频方式运行的可能性[4,5]。

1风机优化试验目的及方法

1.1试验目的

本次风机优化试验包括以下试验项目：试验负荷工况分为100%负荷(600 MW)、90%负荷(540 MW)、75%负荷(450 MW)、60%负荷(360 MW)4个工况。机组不同运行负荷下空冷岛风机优化运行试验中，试验环境温度跟随试验期间的环境温度[6-8]。在各个试验环境温度下，逐渐提高或降低空冷岛风机转速(根据试验情况)，记录空冷岛风机功率及发电机功率的变化，以确定风机的最佳运行方式及其所需达到的条件[9-10]。

1.2试验方法

(1) 确认环境的边界条件是否达到试验要求。

(2) 机组处于正常运行状态，锅炉停止吹灰，保持机组补水稳定。调整机组运行参数，使其接近目标值，并使各运行参数保持稳定。在试验过程中，要求偏差以及波动值始终处于试验规程规定的范围内。由邻机带动辅助蒸汽系统。

(3) 机组不同运行负荷下的变背压特性试验：试验在机组运行负荷下进行，各主要运行参数处于稳定状态。机组运行切至机炉基本运行方式或机跟炉方式，此时，应保持锅炉侧各项参数运行稳定不再变化，如风量、煤量、再热压力/温度、主汽压力/温度、再减流量、过减流量等。煤量及炉侧风量的调节应为手动调节，汽机主调阀阀位不可改变，功率调整不处于闭环调整状态。调整汽轮机背压直至连续变化6 kPa以上(可以采取真空严密性试验的方式或者直接采取调整风机转速的方式)，观察机组出力在汽轮机背压变化过程中的变化情况，并记录相关数据。

(4) 不同环境温度下的空冷岛风机最佳运行方案试验：机组运行方式为机跟炉，锅炉保持燃烧量稳定，主汽温度、再热温度不发生较大波动。要求汽机调阀控制汽轮机机前主汽压力保持稳定。试验过程中需努力控制给水流量及锅炉燃烧量不发生较大改变。对风机转速进行调整，试验温度为环境温度，记录发电机功率和风机功率的变化，以确定风机的最佳运行方式及其运行频率。需注意风机转速调整时的最高超频转速，按现场实际情况控制。

(5) 在风机频率调整的过程中，待其稳定运行20 min后，记录试验数据所需的参数。其中，包括机组背压、发电机功率、风机频率、风机进口电流、大气压力、环境风速、环境温度。试验温度均由实际运行负荷下的环境温度确定，尽量控制在相同负荷下进行试验的环境温度近似。实际试验工况均由试验时实际运行工况确定。

(6) 试验结束时，由试验项目责任人当场汇总人工记录数据和试验采集数据。

2试验结果分析

2.1100%负荷(600 MW)下试验结果

600 MW负荷工况下未能进行风机优化试验。由于试验当天环境温度较高(35 ℃以上)，在运行状态下背压上升较快，降负荷最低至485 MW仍无法控制背压，期间DCS背压最高升至36.77 kPa，因此未能采集稳定运行的数据。

2.290%负荷(540 MW)下试验结果

本次试验期间，环境温度为35 ℃左右，由于环境温度较高，汽轮机背压维持在较高水平。试验期间，空冷岛喷淋装置处于连续投运状态。

试验期间，首先进行了汽轮机变背压试验，将试验数据进行修正后，得到如图1所示的机组背压与负荷特性曲线。

图1　540 MW左右机组负荷与背压变化关系

接着进行了空冷岛风机变频率试验，改变风机的频率，观察汽轮机背压的变化情况，得到如表1中的背压响应数据。试验期间，空冷岛喷淋装置处于连续运行状态。

表1　540 MW负荷试验数据

空冷岛在不同风机频率下的耗功如图2所示。

图2　540 MW左右空冷岛耗功与风机频率变化关系

由表1中数据可知，在风机频率变化后，随着风机频率的增加，由背压降低导致的机组出力增加值均大于空冷岛风机耗功的增加量。因此，在此运行工况下，风机频率应取54 Hz运行，即风机应在54 Hz下超频运行。

2.375%负荷(450 MW)下试验结果

本次试验期间，环境温度为31.5 ℃左右，由于环境温度较高，汽轮机背压维持在较高水平。试验期间，空冷岛喷淋装置处于连续投运状态。

试验期间，首先进行了汽轮机变背压试验，将试验数据进行修正后，得到如图3所示的机组 背压与负荷特性曲线。

图3　450 MW左右机组负荷与背压变化关系

接着进行了空冷岛风机变频率试验，改变风机的频率，观察汽轮机背压的变化情况，得到如表2中的背压响应数据。试验期间，空冷岛喷淋装置处于连续运行状态。

表2　450 MW负荷试验数据

空冷岛在不同风机频率下的耗功如图4所示。

图4　450 MW左右空冷岛耗功与风机频率变化关系

由表2中数据可知，在风机频率变化后，随着风机频率的增加，由背压降低导致的机组出力增加值均大于空冷岛风机耗功的增加量。因此，在此运行工况下，风机频率应取54 Hz运行，即风机应在54 Hz下超频运行。

2.460%负荷(360 MW)下试验结果

本次试验期间，环境温度为30 ℃左右，由于环境温度较高，汽轮机背压维持在较高水平。试验期间，空冷岛喷淋装置处于连续投运状态。

试验期间，首先进行了汽轮机变背压试验，将试验数据进行修正后，得到如图5所示的机组背压与负荷特性曲线。

图5　360 MW左右机组负荷与背压变化关系

接着进行了空冷岛风机变频率试验，改变风机的频率，观察汽轮机背压的变化情况，得到如表3中的背压响应数据。试验期间，空冷岛喷淋装置处于连续运行状态。

表3　360 MW负荷试验数据

空冷岛在不同风机频率下的耗功如图6所示。

图6　360 MW左右空冷岛耗功与风机频率变化关系

由表3中数据可知，在风机频率变化后，随着风机频率的增加，由背压降低导致的机组出力增加值均大于空冷岛风机耗功的增加量。因此，在此运行工况下，风机频率应取54 Hz运行，即风机应在54 Hz下超频运行。

但需注意，目前的试验结果是在空冷岛喷淋系统运行状态下的试验结果。当喷淋系统停运时，由空冷岛风机频率调整导致的背压变化可能大于目前试验得到的背压变化量，风机的最优运行状态更偏向于高频率运行。

3经济性分析

3.1节煤分析

由6号机组历史运行数据可知，在8～11月，机组平均发电负荷在540 MW左右，则机组平均背压可降低2.59 kPa。按照空冷机组每kPa可降低煤耗1.35 g考虑，当6号机组风机采取超频方式运行时，可降低煤耗约3.24 g。按运行2 880 h计算，可节约标煤0.56万t；标准煤价为750元/t，可节约用煤费用420万元。

3.2耗电量分析

夏季空冷岛耗功共增加约1 645 kW·h，成本电价为0.438元/kW·h，则增加运行费用为207.5万元。

综上所述，在满足条件的情况下，空冷岛风机采取超频方式运行，可增加效益为212.5万元。

4结论

(1)在环境温度高于30 ℃，机组负荷超过360 MW时，空冷岛风机应该采用超频方式运行，超频频率宜设置在54 Hz。

(2)实际验证了空冷岛风机采取超频方式运行具有良好的经济效果，每年夏季大约可节约成本212.5万元。

(3)空冷岛风机在夏季满足条件的情况下，采取超频方式运行是可行的。风机超频方式运行是降低机组背压，增加机组出力的有效手段。风机超频运行后一定程度上解决了背压高限负荷的问题，提高了机组运行的安全性。

(4)需要注意冬季机组空冷岛风机不适合采取超频方式运行，过高的风机频率不利于机组防冻。

参考文献：

[1]肖烈晖,杜小泽,杨立军，等.环境风作用下2×1 000 MW直接空冷机组空冷岛布局[J].电力建设,2015,36(6)： 7-13.

[2]李福林,郭牧,张辉，等.直接空冷风机集群运行特性试验研究[J].热力发电, 2013,42(9):66-69.

[3]李慧君,刘学敏.基于环境风影响的空冷机组排汽压力优化研究[J].汽轮机技术,2014(1):39-42.

[4]刘文华,李高潮,闫永强，等.600 MW 机组直接空冷系统动态特性研究[J].热力发电,2014,43(3):76-78,112.

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[7]李慧君,刘学敏.600 MW直接空冷机组风机转速优化[J].电力建设,2014,35(6):133-136.

[8]余耀,王丽,张义江，等.600 MW机组空冷系统变工况对汽轮机出力的影响[J].华电技术,2015,37(3):22-25.

[9]高建强,陈冠兵,薛楠楠，等.直接空冷机组经济背压计算模型及其应用[J].动力工程学报,2014,34(2):153-158.

[10]贾志军.直接空冷机组空冷风机群运行节能分析[J].内蒙古电力技术, 2015(5):35-37,42.

Test Analysis on Air Cooling Island Fan Optimized Operation for Direct Air-cooled Unit

XU Ning1，LI Yonghua1，YANG Haisheng2，LI Junshuo1，ZHANG Yaozu1

(1.School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China；2.State Grid Electric Power Research Institute Hebei Electric Power Company, Shijiazhuang 050021，China)

Abstract：Cold-air-island fan who works under overclocking mode can reduce the back pressure of the unit and increase the output at the same time. In order to explore the feasibility of overclocking operation mode, optimization test of cold-air-island fan for a 600 MW direct air cooling unit was carried out. The characteristic curve of the load and backpressure for the unit and influence of frequency variation of the fan on the backpressure and power consumption are studied with emphasis. The economic benefits when the unit works under overclocking mode are calculated as well. After analysis, the results are concluded as follows: when the environment temperature is higher than 30 ℃ and the load of the unit is beyond 360 MW, cold-air-island fan should work under overclocking mode, and the scheme is economical and can save about 2.125 million yuan annually. The results give directions to the operation of cold-air-island fan.

Keywords：direct air cooling units; cooling island; fan frequency; backpressure

收稿日期：2016-03-02。

作者简介：许宁(1992-)，男，硕士研究生，研究方向为热力发电厂节能及经济性分析，E-mail：602341438@qq.com。

中图分类号:TK264.1

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.04.012