直接空冷机组变工况运行特性分析

陈雅丽，高全娥

直接空冷机组变工况运行特性分析

陈雅丽1，高全娥2

（1．大同电力高级技工学校，山西省 大同市 037039；2．山西电力职业技术学院，山西省 太原市 030021）

水资源的减少及分布不均问题促进了火力发电系统中空冷技术的产生，但是空冷机组也有能耗较高的缺点。凝汽器是空冷机组的核心设备，其排汽压力是影响整个系统性能的最关键指标之一。以某电厂600MW机组为例，提出一种冷凝器背压的简便计算方法，分析了迎面风速、环境温度、凝汽流量以及污垢热阻对凝汽器排汽压力的影响，为优化空冷机组运行、节能降耗提供参考。

直接空冷机组；冷凝器；背压；变工况

0 引言

面对化石能源的日益减少和环境的不断恶化，世界各国都在努力寻求解决能源与环境问题的新方法，进一步谋求新的节能技术[1-3]。虽然我国最近5年用于化石能源发电的装机比例已经由72%下调到了65%。但是由于资源条件的限制，未来十几年内燃煤发电仍然是我国电力工业的主导力量[4-5]。

水是火电厂需要的最主要资源之一，由于水的比热容大，传热性能好，非常适合作为汽轮机出口蒸汽的冷却介质。我国的水源分布极为不均，且大型煤矿多位于水源稀缺的地区。火电产业受煤以及水源的制约越来越大，这使得许多燃煤发电机组逐渐使用空气代替水来冷凝蒸汽，该技术称为空冷技术。空冷技术最大的优点是节水与环保，该技术可使发电厂节约80%的用水，部分电厂节水率甚至能高达85%，而且由冷却水造成的环境污染问题也由此解决。另外，从成本角度考虑，由于空冷技术省去了建造冷却塔的费用，因而降低了建造成本[6-8]。

但空冷系统的能耗较高，运行经济性较差，空冷系统性能优化对电厂节能具有重要意义。凝汽器是空冷机组的核心设备，其排汽压力是影响整个系统的最关键指标之一，因此系统性能优化需要先了解各个参数对凝汽器排汽压力的影响。

1 冷凝器排汽压力计算方法

1.1 变工况下各参数之间的关系

冷凝器的换热特性主要受环境温度、换热气体的流动速度以及机组的凝结蒸汽流量等因素影响，在实际运行中，凝汽器的运行情况也会随这些参数的变化而改变，不在既定的工况下运转的情况称为变工况方式。变工况下各参数之间的关系[9-10]为

冷凝器在变工况下工作特性的确定过程中，对流传热系数起着十分重要的作用，因此首先要确定冷凝器的传热系数。

1.2 设计工况下传热系数

1）冷凝器管道中蒸汽参数的确定。

2）管道中排汽冷凝交换热的确定。

与湿冷系统相比，虽然直接空冷系统将换热介质换成空气，但是实际的传热过程仍然相同，管内蒸汽凝结放热量

3）冷却介质空气参数的确定。

换热介质空气在对汽轮机排汽进行换热时，会被高温蒸汽加热，其中，在对流换热量的确定过程中一些参数可以取平均值用于运算：

本次计算将换热的空气介质理想化，那么可以得出空气的平均密度

空气的比定压热容与温度有关：

在换热器设计的理论计算中，有些参数是无法测得或通过公式计算出的，如冷凝器出口空气温度，这种情况下就应该使用迭代法，通过不断的循环运算，使结果越来越接近真实值，具体的过程如图1所示。

4）设计工况下传热单元数的确定。

根据式(9)可得

由式(10)可得：

5）设计工况下传热系数的确定。

1.3 变工况下传热系数计算

如果换热器中相变侧的对流换热系数非常大，则可认为该阶段的热阻特别小。为了提高换热器的换热效果，换热管束的管子厚度制造得特别薄，而且使用的金属导热性能也特别好，因此其导热系数比较大，导致管壁的热阻就很小。与以上两者相比，冷却介质侧空气与管束的对流换热系数不大，其热阻相对较大，所以可以忽略管壁内以及管壁的热阻，只将管道外部的热阻计算在内，这样计算误差很小[14-17]。如果按照这样的方式计算，总的对流换热系数计算公式可以描 述为

这样2种工况下对流换热系数的比值为

据此，凝汽器变工况下传热系数可简化为

如果给出了汽轮机乏汽的相关数据，且绕流管道的空气迎风速度也给定，那么可以根据式(16)计算出变工况下冷凝器的总对流换热系数。

2 空冷机组的变工况运行特性分析

根据第1节提出的变工况数学模型，可以计算分析出管道外部风速、凝汽器的凝汽流量、外部环境温度以及凝汽器管道内外因存在污垢而形成的热阻与直接空冷机组背压的关系。以某电厂600 MW空冷系统为例进行分析，机组相关参数见文献[6]。

2.1 迎面风速与背压关系

假定换热器管道内外不存在污垢，设置换热器周围环境温度为18.5℃，直接空冷系统的背压和迎面风速的关系曲线如图2所示。

图2 环境温度不变，各排汽流量下背压与迎面风速的关系曲线

由图2可以看出，环境温度不变时，直接空冷机组的凝汽器背压会随迎面风速的升高而下降，而且其下降趋势逐渐变缓。在环境温度和迎面风速一定的条件下，机组的凝汽流量越大，背压就越高。而迎面风速越小，机组的凝汽流量变化对凝汽器背压的影响越大，当迎面风速大于2.5m/s时，凝汽器背压基本不会随着迎面风速的改变而变化。所以一旦换热器管道的风速大于2.5m/s时，背压的调节不能通过改变迎面风速来实现，因为此时机组的功率受迎面风速的影响较大，提高迎面风速不但背压不会改变太多，而且会很大程度地降低机组的输出功率。

图3为在不计换热器管道内外因存在污垢而出现热阻的条件下，凝汽流量为235kg/s时，换热器处在不同温度时直接空冷系统的背压与迎面风速的关系曲线。

图3 凝汽流量不变，不同环境温度下背压与迎面风速的关系曲线

由图3可知，无论在何种环境温度下，该直接空冷机组的背压都会随迎面风速的增加而降低，且其下降趋势逐渐减缓。当迎面风速大于2.5m/s后，继续增大风速，直接空冷系统的背压改变很小，因此不能依靠调节空气流速来调节机组背压。

综合图2、3可以看出，在正常的环境温度和合理的凝汽流量范围内，迎面风速越大，该直接空冷系统的背压越小，并且在风速变大的情况下，背压减小速度越来越慢，当风速大于2.5m/s后，汽轮机的背压逐渐趋于稳定，此时背压调节不能通过调节气流速度进行。

2.2 排汽流量对背压的影响

图4为不计换热器管道内外污垢热阻以及换热器周围环境温度为20℃时，不同迎面风速下直接空冷系统背压与凝汽流量的关系曲线。

由图4可以看出，在换热器周围环境温度不变的条件下，直接空冷机组的凝汽器背压随凝汽流量的增大而升高，且迎面风速越小，机组背压随凝汽流量变化的幅度越大。

图4 环境温度20℃，不同迎面风速下背压与凝汽流量的关系曲线

图5为迎面风速2.016 m/s，不同环境温度下直接空冷系统的背压与凝汽流量的关系曲线。由图5可以看出，在迎面风速不变的条件下，换热器周围环境温度越高，机组背压随凝汽流量变化的幅度越大；换热器周围环境温度越低，汽轮机背压和凝汽流量之间的变化越趋近于线性。

图5 迎面风速2.016 m/s，不同环境温度下背压与凝汽流量的关系曲线

由图4、5可知，该直冷机组的背压随凝汽流量的增加而变大，而且凝汽流量越大，汽轮机背压的增大速度就越快。尤其在高温、低迎面风速条件下，背压随凝汽流量的变化趋势明显，此时通过调节排汽量可以大幅度调节背压。

2.3 污垢热阻对背压的影响

长时间运行的机组凝汽器内表面会由于水垢结渣或蒸汽流的侵蚀而形成水垢，而在凝汽器的管道外部，也会因为尘土的堆积或者是其他杂物的包裹而形成一层“保温层”，两者都会产生热阻，降低冷凝器的冷凝效果。所以有必要分析凝汽器管道内外的污垢对直接空冷机组排汽压力的影响[18]。管道热阻主要由管外、管壁和管内构成，其表达式[19]为

当凝汽器管道外部没有积灰或其他杂物，而管道内表面存在污垢时，那么对流传热系数计算公式[16]为

如果凝汽器管道内部没有污垢凝结，只有管道外部有污垢堆积形成热阻，总传热热阻的表达式能够简化为

以该机组为例，计算不同条件(包括各种迎面风速和周围温度条件)下，机组背压随管道污垢热阻的变化。

图6为迎面风速不变时，不同温度下管内污垢热阻与汽轮机背压的关系曲线。可以看出，在管道内部污垢热阻值0~0.001m2·K/W的变化范围内，该空冷系统的背压随冷凝器管道内部污垢热阻的升高而变大，且二者呈线性变化。温度越高，机组背压对管道内部热阻变化的敏感程度越大。

图7为在凝汽器所处的环境温度一定时，不同迎面风速下机组背压与管道内部污垢热阻的关系曲线。由图7可以看出，在管道内部污垢阻值0~0.001m2·K/W的变化范围内，该直接空冷系统的背压随凝汽器管道内部污垢热阻的增大而变大，二者呈线性变化。迎面风速越小，机组背压对管道内部热阻的敏感度越大。

图6 迎面风速一定，不同温度下背压与管内污垢热阻的关系曲线

图7 环境温度一定，不同迎面风速下背压与管内污垢热阻的关系曲线

图8为迎面风速固定不变，不同温度下机组背压与管外污垢热阻的关系曲线。由图8可以看出，在管道外部污垢热阻值0~0.001m2·K/W的变化范围内，该直接空冷系统的背压随凝汽器管道外部污垢热阻的增大而略有增大，二者呈线性变化，只是斜率较小。温度越高，汽轮机背压对管道外部污垢热阻的敏感程度越高。

图8 迎面风速一定，不同温度下背压与管道外污垢热阻的关系曲线

图9为环境温度一定时，不同迎面风速下背压与管道外部污垢热阻的关系曲线。可以看出，该直接空冷系统的背压随凝汽器管道外部污垢热阻的增大而线性缓慢升高。迎风速度越小，机组背压对管道外部热阻的敏感程度越大。

对比图6—9可知，相同条件下，凝汽器管道内部和外部的污垢热阻范围为0~0.001m2×k/W，管道内外污垢热阻导致该空冷机组的背压幅度差别很大，管道内部污垢热阻变化对机组的背压影响较大，而管道外部污垢热阻变化对机组背压几乎没有影响，所以背压对管道内部污垢热阻的敏感性强。

图9 环境温度一定，不同迎面风速下背压与管外污垢热阻的关系曲线

3 结论

1）迎面风速的增加会导致直接空冷系统背压的降低，但是当迎面风速大于一定值时，直接空冷系统的背压随迎面风速的增加改变很小，因此不能依靠调节空气流速来调节机组背压；

2）直接空冷机组的凝汽器背压随着凝汽流量的增大而增大，且在迎面风速越大、环境温度越高的条件下，凝汽流量对机组凝汽器背压的影响程度越大；

3）在机组的运行过程中，应该更加注重控制换热器管道内部的污垢生成，避免其产生的热阻对凝汽器散热造成阻碍。

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Characteristic Analysis of Direct Air-cooled Units Under Variable Working Conditions

CHEN Yali1, GAO Quane2

(1. Datong Electric Power Senior Technical School, Datong 037039, Shanxi Province, China;2. Electric Power Occupational Technical Institute of SEPC, Taiyuan 030021, Shanxi Province, China)

The reduction and uneven distribution of water resources has promoted the generation of air-cooled technology for thermal power systems, but the energy consumption of air-cooled units is higher. Condenser is the core equipment of air-cooled units, and its exhaust pressure is one of the most important indicators affecting the performance of the whole system. Taking a 600MW unit of a power plant as an example, a simple calculation method for the back pressure of the condenser was put forward, and the influence of upwind speed, ambient temperature, condensate flow rate and fouling thermal resistance on the exhaust pressure of the condenser was analyzed, which can provide reference for optimizing air-cooled units operation, energy saving and consumption reduction.

direct air-cooled units; condenser; back pressure; variable working conditions

10.12096/j.2096-4528.pgt.19039

TM 621

2019-03-28。

(责任编辑 辛培裕)