600 MW直接空冷凝汽器变工况模型建立及特性分析

朱星荣，汪霞，余廷芳

(1.南昌大学机电工程学院，江西 南昌 330031； 2.贵溪发电有限责任公司，江西 贵溪 335400)

直接空冷机组的应用对解决我国水资源短缺的矛盾，促进经济社会发展起到重要作用。与水冷方式相比，火电机组采用直接空冷方式具有节水的优点，但也存在厂用电大，使得其热耗一般比水冷机组高6%～9%，机组背压高，导致直接空冷机组热效率较水冷机组约低5%等缺点[1-2]。因直接空冷机组运行背压受机组负荷、环境温度及风机风量的影响[3]，运行中变化较大，导致直接空冷机组实际运行中机组效率往往偏离最佳值幅度大[4-5]，影响企业的经济效益。因此直接空冷机组的冷端优化运行是该类机组提高经济性能的主要手段[6]，其中直接空冷凝汽器的变工况特性模型是机组冷端优化的核心模型，对冷凝汽器这类换热器性能特性研究，利用CFD数值模拟方法是一种较为广泛的建模方法[7-8]，这类方法的优点是设备针对性强，但必须有详细的结构尺寸，此外计算时间长，不利于在线优化指导运行。利用厂家设计资料对空冷凝汽器进行变工况性能计算是空冷机组在线运行优化建模的主要方法，文献[9-12]通过建立直接空冷系统数值计算模型，考虑环境因素的影响，对直接空冷凝汽器变工况性能进行了分析研究，为机组处于安全经济背压下运行提供指导。文献[13-14]基于ε-NTU法，考虑到直接空冷机组排汽流经较长排气管道和较多弯头的压力损失，分别对300、600 MW直接空冷机组凝汽器进行了变工况特性研究，且得到了直接空冷机组冷端系统性能特性变化规律。

直接空冷凝汽器计算模型的计算快捷性、准确性决定了直接空冷机组冷端系统优化的效果，而上述建模方法也存在其相应的不足之处，如数值模拟方法必须得到详细的空冷凝汽器的结构尺寸参数，同时计算时间长，而传统的ε-NTU方法为了简便计算，通常把排汽焓与凝结水焓的差值视为定值，未考虑凝汽器冷凝温度变化实际凝结热的变化，导致计算精度往往偏离实际值较大。

本文基于厂家原始数据资料，考虑了凝汽器冷凝温度变化实际凝结热的变化及排汽压损，基于传统的ε-NTU法，建立了某600 MW直接空冷机组凝汽器变工况特性计算模型，验证了该模型的准确性，与传统模型相比准确度更高。分析了排汽流量、环境温度和迎面风速对空冷凝汽器压力的影响。

1 直接空冷凝汽器变工况计算模型

1.1 空冷凝汽器变工况数学模型

对于直接空冷冷端系统来说，排汽负荷、环境温度和迎面风速是影响凝汽器压力的主要因素。同时机组变工况运行中，空冷凝汽器凝结温度变化导致排汽实际凝结热发生变化，也就是说，凝汽器压力在受到排汽流量、环境温度和迎面风速这些主要参数影响的同时，排汽焓与凝结水焓的变化也影响着凝汽器压力的变化。

凝汽器管内蒸汽凝结放热量：

Qn=Dn(hn-hs)

(1)

式中：Dn为汽轮机排汽量，kg·s-1；hn为排汽焓值，kJ·kg-1；hs为凝结水焓值，kJ·kg-1；

凝汽器管外空气的吸热量：

Qa=Gacp(ta2-ta1)=AFvNFρcp(ta2-ta1)

(2)

式中：Ga为空气流量，kg·s-1；AF为迎风面积，m2；ρ为空气密度，kg·m-3；vNF为迎面风速，m·s-1；cp为空气比定压热容，kJ·kg-1·K-1；ta1为入口空气温度，℃；ta2为出口空气温度，℃；

根据ε-NTU法，一侧有相变的换热器效能ε为[15]：

(3)

式中：NTU为传热单元数；K为凝汽器的传热系数，kW· m-2· K-1；A为凝汽器总传热面积，m2；

由此，可得凝汽器内凝结水温度：

(4)

空冷凝汽器压力可由经验公式计算得到[16]：

美国心理学家威廉·詹姆士说：“记忆的秘诀就是根据我们想记住的各种资料来进行各种各样的联想，而这些联想就成了各种资料的钓钩，万一资料沉没脑海，我们就可以通过联想这样的钓钩将资料钓出来。”[6]联想记忆单词就是充分运用发散思维展开自己的想象力，由此及彼、由点到面，通过词与词之间的上下关系、同义关系、反义关系等帮助学生建构词汇网络，引导学生充分运用联想，让新的词汇不断融入旧的网络，有助于记忆的同时，也加深对词义的理解。这样日积月累、持之以恒，就可以积少成多、厚积薄发。

(5)

1.2 变工况下传热系数的计算

传热系数K是计算变工况下直接空冷机组排汽压力的重点，而其受到凝汽器管内蒸汽流速、管内外污垢热阻、管壁导热系数以及管外空气流速等因素的影响，使得凝汽器变工况的计算变得十分困难。

对于空冷凝汽器，凝汽器管外为空气扫掠管束，换热热阻达到较大的10-2数量级，主要集中在这一侧；管内为蒸汽凝结，换热热阻很小，仅约为10-4数量级，且空冷凝汽器的管壁较薄，而其导热系数又较大，因此可以忽略管内的换热热阻和管壁导热热阻。所以换热热阻主要集中在管外空气侧，在工程实际中，可认为传热系数仅是迎面风速的函数[13]。即：

(6)

式中：α0为管外空气对流换热系数；“od”表示变工况。

因此，已知设计传热系数，只需要知道变工况下的迎面风速，变工况下的传热系数可由式(6)计算出来。

1.3 机组排汽压力的计算

直接空冷机组排汽压力pc需要考虑排汽压损Δp(包括排气管道压力损失及水蒸气柱引起的压差)，即：

pc=pn+Δp

(7)

变工况下的排汽压损按式(8)简化计算[17]：

(8)

1.4 变工况特性计算程序实现

2 计算结果与分析

以某600 MW直接空冷机组为研究对象，进行直接空冷凝汽器变工况影响因素分析。空冷凝汽器采用双排管钢翅片凝汽器，基管横截面积为100 mm×20 mm，基管壁厚为1.5 mm，翅片规格及厚度分别为119 mm×49 mm、0.35 mm，空冷凝汽器管束分为顺流管束和逆流管束，8个管束组成一个空冷凝汽器冷却单元，以接近60°角组成的等腰三角“A”型结构构成。空冷凝汽器的设计参数如表1所示。

2.1 空冷凝汽器变工况计算模型验证及对比

为了验证上述直接空冷凝汽器变工况计算模型的准确性，分别采用本模型与传统模型计算了100%风机转速不同环境温度下，机组排汽压力随排汽流量的变化特性曲线，并与厂家提供的特性曲线进行对比，结果如图2所示。

图2中实线表示厂家提供的特性曲线，图2(a)、(b)虚线分别为传统模型及本模型计算的各点结果。从图2(a)中可以看出，通过传统模型计算得到的计算结果与厂家提供的特性曲线偏差较大，其最大误差为1.88%；如图2(b)可知，文中所建模型的计算结果和厂家提供特性曲线吻合较好。其最大误差为1.68%，满足工程精度要求，这表明文中所建模型具有足够的准确性，且比传统模型精度更高。

表1 设计参数Tab.1 Design parameters

2.2 直接空冷凝汽器变工况特性分析

应用上面所建立的凝汽器变工况数学计算模型，分析了排汽流量、环境温度和迎面风速对直接空冷凝汽器压力的影响，得到的数据及绘制的曲线如下。

1) 迎面风速为2.1 m·s-1时，当排汽流量恒定，环境温度变化时，空冷凝汽器压力变化情况如图3所示。

从图3中能够得出，在相同的排汽流量下，环境温度升高，冷却空气进口温度升高，空冷凝汽器压力也会随之增大，凝汽器真空下降。在机组排汽流量和通风量一定时，凝汽器工作压力随环境温度的变化曲线在温度较低时变化平缓，之后随着环境温度的升高，其斜率逐渐增大，表明在环境温度较高时，相同的环境温度变化对凝汽器工作压力影响增大。相同的环境温度下，随排汽量的升高，凝汽器压力温度曲线斜率增大，表明凝汽器在较大的排汽流量下，凝汽器压力对环境温度的变化更加敏感。

2) 排汽流量为1 331 t·h-1时，当环境温度恒定，迎面风速变化时，凝汽器压力变化如图4所示。

从图4中能够得出，随着迎面风速的增大，凝汽器压力逐渐减小，这说明迎面风速的增大强化了换热，利于凝汽器换热，从而使得凝汽器真空增大，且凝汽器压力减小速率随迎面风速的增大逐渐趋于平缓。当迎面风速小于2.8 m·s-1时，迎面风速变化对凝汽器压力的影响较大，当迎面风速大于2.8 m·s-1时，再通过提高风机转速来降低凝汽器压力效果不明显，反而会增加风机功耗。从图中能够得到，环境温度越高，在迎面风速增大时，凝汽器压力降低速率逐渐增大，这表明在夏季环境下，由于环境温度高，凝汽器压力对迎面风速的变化较为敏感。

3) 迎面风速为2.1 m·s-1时，当环境温度恒定，机组排汽流量变化时，凝汽器压力变化情况如图5所示。

从图5可见，在相同的环境温度下，凝汽器压力随着机组排汽流量的增大逐渐增大。环境温度越高，凝汽器压力的变化越剧烈。表明在较高的环境温度下，机组排汽流量(机组热负荷)越大，空冷凝汽器压力受到的影响越明显，因此，在夏季高温环境下，直接空冷机组需要限负荷运行，以确保机组的安全性和经济性。

3 结论

考虑凝汽器冷凝温度变化实际凝结热的变化及变工况下排汽压损的变化，对传统的ε-NTU法进行改进，从而改善了空冷凝汽器变工况特性模型计算精度，并且验证了模型的准确性，分析了空冷凝汽器的变工况特性，得到的主要结论如下：

1) 建立了某600 MW直接空冷机组凝汽器变工况特性计算模型，借助厂家提供的特性曲线对传统模型及本模型的计算结果进行了对比验证，本模型最大误差1.68%，满足工程精度要求的同时，比传统模型计算精度更高。

2) 凝汽器工作压力随环境温度、排汽流量的增大而增大，随迎面风速的增大而逐渐减小。随着环境温度的升高，凝汽器压力受到环境温度、排汽流量和迎面风速的影响越大。当迎面风速超过2.8 m·s-1时，再提高风机转速来降低凝汽器压力效果不明显，反而会增加风机功耗，从而影响机组效益。另外，在较大的排汽流量下，凝汽器压力对环境温度的变化更加敏感，因此，在夏季高温环境下，直接空冷机组需要限负荷运行，以确保机组的安全性和经济性。