北方炎熱地區(qū)火電直接空冷機組度夏能力分析

石全成，韓小剛

(1．中電投新疆能源公司，新疆 烏魯木齊 830063;2．中電投新疆能源烏蘇熱電分公司，新疆 烏蘇 833000)

0 引言

我國北方地區(qū)夏季炎熱，對火電廠直接空冷機組的度夏能力是嚴峻考驗，將直接影響電網(wǎng)安全和汽輪機滿發(fā)。為此，在中電投烏蘇熱電廠一期330 MW機組汽輪機設(shè)備選型和空冷系統(tǒng)設(shè)計期間，針對直接空冷機組的度夏能力進行了專題研究。

1 機組概況

1．1 氣象條件

中電投烏蘇熱電廠位于新疆烏蘇市，該地區(qū)氣象情況為:歷年極端最高氣溫為41．3℃(1977年7月12日)，歷年極端最低氣溫為－32．3℃(1984年12月24日)，歷年平均最高氣溫為13．8℃，歷年平均最低氣溫為3．5℃，多年平均氣溫為8．3℃;多年平均風(fēng)速為1．9m/s，50年一遇10m高度10min平均最大設(shè)計風(fēng)速為30m/s，100年一遇10m高度10 min平均最大設(shè)計風(fēng)速為32m/s;全年主導(dǎo)風(fēng)向為S，相應(yīng)頻率為11%，冬季主導(dǎo)風(fēng)向為S，相應(yīng)頻率為10%，夏季主導(dǎo)風(fēng)向為S，相應(yīng)頻率為10%。

1．2 項目概況

中電投烏蘇熱電廠一期330MW機組汽輪機為上海電氣集團股份有限公司制造的CZK330－16．7/0．4/538/538型亞臨界、一次中間再熱、高中壓合缸、單軸雙缸雙排汽、雙抽供熱直接空冷汽輪機。機組空冷系統(tǒng)由6列共300片換熱管束(順流管束252片和逆流管束48片)和30臺風(fēng)機組成。

1．3 直接空冷技術(shù)概述

直接空冷系統(tǒng)是指汽輪機的排汽直接用空氣來冷凝，空氣與蒸汽進行表面式熱交換，冷卻空氣通常由機械通風(fēng)方式供應(yīng)。直接空冷的凝汽器設(shè)備稱為空冷凝汽器。它是由外表面鍍鋅的橢圓形鋼管外套矩形鋼翅片的若干個管束組成的，這些管束亦稱為散熱器。

直接空冷系統(tǒng)工作流程:汽輪機排汽通過粗大的排汽管道送到室外的空冷凝汽器內(nèi)，軸流風(fēng)機流過散熱器外表面，將排汽冷凝成水，凝結(jié)水再經(jīng)水泵送回至汽輪機的回?zé)嵯到y(tǒng)。空冷凝汽器分為主凝汽器和分凝汽器2部分:主凝汽器多設(shè)計成汽水順流式，它是空冷凝汽器的主體;分凝汽器設(shè)計成汽水逆流式，可形成空冷凝汽器的抽空氣區(qū)。

直接空冷系統(tǒng)的最大優(yōu)點是可大量節(jié)水，而且設(shè)備少、系統(tǒng)簡單、空氣量的調(diào)節(jié)靈活、防凍性能好，汽輪機排汽直接在冷卻元件內(nèi)凝結(jié)，傳熱溫差大。但這種系統(tǒng)由于排汽管道直徑很大，真空系統(tǒng)體積大，密封困難，易漏入空氣，維持排汽管內(nèi)的真空困難，啟動時抽真空時間長，運行背壓高，機組效率低，對采用機械通風(fēng)的系統(tǒng)，廠用電率也較高。

對直接空冷系統(tǒng)技術(shù)的研究，主要關(guān)注的是空冷系統(tǒng)的安全性和運行效率。安全性主要包括2個方面:一是夏季高溫時是否由于環(huán)境條件的變化而導(dǎo)致背壓升高至“掉閘”，從而影響電網(wǎng)的安全;二是在夏季高溫時由于高風(fēng)速、高溫的影響，降低了風(fēng)機和散熱器的效率，影響機組發(fā)電效率。因此，與環(huán)境關(guān)聯(lián)的研究結(jié)果可為電廠的設(shè)計和規(guī)劃提供技術(shù)支持，又可為電廠的安全運行提供指導(dǎo)。

2 直接空冷系統(tǒng)度夏能力分析

在常規(guī)的濕冷系統(tǒng)設(shè)計中，由于循環(huán)水與空氣直接接觸，換熱的主要形式是熱水蒸發(fā)而帶走熱量，因此，它的極限冷卻溫度是空氣的濕球溫度。而在空冷系統(tǒng)中，冷熱介質(zhì)主要通過散熱器表面進行對流換熱，它的極限冷卻溫度是空氣的干球溫度。在我國北方地區(qū)，干、濕球溫度相差約6℃，因此，在相同的氣溫條件下，配置空冷系統(tǒng)的汽輪機背壓比配置濕冷系統(tǒng)汽輪機的背壓高。尤其在夏季大氣干球溫度較高時，由于高風(fēng)速、高溫的影響而降低了風(fēng)機和散熱器的效率，影響機組發(fā)電效率。此時，如何保證汽輪機滿發(fā)，是重點考慮的問題之一。

2．1 分析思路

一般而言，解決夏季機組滿發(fā)問題應(yīng)從2個方面來考慮:一是汽輪機的滿發(fā)背壓要高，二是適當(dāng)配置空冷系統(tǒng)的冷卻面積。同時，可考慮其他的一些特殊措施。

對空冷系統(tǒng)而言，在機組定型的情況下，即滿發(fā)背壓已定時，要求滿發(fā)氣溫越高，空冷系統(tǒng)需要配置的冷卻面積就越大，空冷系統(tǒng)的投資就要增加。為使空冷系統(tǒng)的投資不增加太多，汽輪機的滿發(fā)背壓要有所提高，但機組背壓提高后，熱效率就要降低，使煤耗和運行費用增加。空冷系統(tǒng)和汽輪機尾部參數(shù)如何匹配最經(jīng)濟是系統(tǒng)優(yōu)化的問題，當(dāng)然，優(yōu)化空冷系統(tǒng)和汽輪機尾部參數(shù)，需根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況以年總費用最小的原則來確定。

常規(guī)濕冷系統(tǒng)的配置在規(guī)范中早有規(guī)定，即在頻率為10%的濕球溫度下，冷卻塔的出水溫度(凝汽器進水溫度)要保證機組的滿發(fā)要求。由于空冷技術(shù)近年才在我國開始應(yīng)用，現(xiàn)尚未有規(guī)范規(guī)定，從我國現(xiàn)已運行的山西大同第二發(fā)電廠、太原電廠、內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)發(fā)電廠等間接空冷機組來看，設(shè)計時按典型年小時氣溫考慮的全年不滿發(fā)小時數(shù)為130～150 h。從我國已運行的山西大唐國際云崗熱電有限公司、山西漳山發(fā)電有限責(zé)任公司及國電大同第二發(fā)電廠的直接空冷機組來看，設(shè)計時按典型年小時氣溫考慮的全年不滿發(fā)小時數(shù)一般控制在200 h左右。

2．2 解決措施

2．2．1 直接空冷系統(tǒng)對汽輪機的要求

從空冷系統(tǒng)的角度出發(fā)，為使空冷系統(tǒng)的投資不致增加太多，汽輪機在安全運行的前提下，希望能夠盡量提高汽輪機的最高滿發(fā)背壓:要配置一個經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的末級葉片，它能夠在高背壓、小容積流量工況下安全運行，同時能夠適應(yīng)背壓范圍變化大的條件，滿足各種工況條件下的安全、可靠性和經(jīng)濟性。

我國各汽輪機制造廠對適合配置空冷系統(tǒng)汽輪機的研究已進行多年，應(yīng)該說，能夠在高背壓運行的汽輪機已趨于成熟。如山西古交發(fā)電廠300MW直接空冷系統(tǒng)配置的汽輪機，用加大進汽量的辦法可提高汽輪機的滿發(fā)背壓到32．5 kPa。中電投烏蘇熱電廠汽輪機低壓缸采用標(biāo)準積木塊BB072M(已成功用于泰國的高背壓低壓缸和國內(nèi)300MW空冷低壓缸中)，該低壓缸的氣動及強度設(shè)計中采用了目前最為先進的計入葉片力(彎曲)的全三元流場設(shè)計程序，匹配各級動、靜葉片的進、出汽角的分布。末二級的整圈自鎖阻尼葉片采用馬刀型靜葉成型，是當(dāng)前最為先進的沒有任何附件的長葉片形式，具有自由葉片的優(yōu)點，可將汽輪機的滿發(fā)背壓提高到34．0 kPa，提高了經(jīng)濟性、安全性及可靠性。采用這樣的汽輪機基本解決了機組夏季滿發(fā)的問題。

2．2．2 合理配置空冷系統(tǒng)冷卻面積

在汽輪機滿發(fā)背壓、滿發(fā)氣溫和成本電價確定的情況下，空冷系統(tǒng)優(yōu)化主要考慮迎面風(fēng)速對初投資和運行成本的影響。

根據(jù)烏蘇地區(qū)典型年各干球溫度段的小時數(shù)資料、汽輪機背壓與功率關(guān)系圖表，在保證當(dāng)大氣溫度為34℃、風(fēng)機100%轉(zhuǎn)速、每臺汽輪機的排汽流量為746．995 t/h、排汽焓為2539 kJ/kg、汽輪機排汽背壓不大于34 kPa的條件下，對空冷凝汽器系統(tǒng)進行優(yōu)化計算，以確定合理的迎面風(fēng)速、空冷凝汽器面積，使風(fēng)機參數(shù)(考慮滿足外界自然風(fēng)風(fēng)速為5m/s的要求)及系統(tǒng)主要部分合理搭配，保證年總費用最低。

選用不同的迎面風(fēng)速會得到不同的換熱面積，迎面風(fēng)速提高可以提高散熱器的傳熱系數(shù)，散熱器面積可以相應(yīng)減小，減少初投資。同時，通風(fēng)量的增加會導(dǎo)致風(fēng)機能耗增加，提高系統(tǒng)運行成本。該項目共選擇5個方案進行迎面風(fēng)速的優(yōu)化:從2．0～2．4m/s計算出5個空冷凝汽器面積和風(fēng)機系統(tǒng)的主要參數(shù)，然后計算出每個方案的一次投資，包括空冷散熱器、軸流風(fēng)機、減速機、變頻器、電動機及鋼結(jié)構(gòu)平臺等，同時進行年凈發(fā)電量的計算。最終采用年總費用最小的方法綜合評定選出最優(yōu)方案。

年總費用最小法計算公式為

年總費用 =年固定費用+年運行費用，式中:年固定費用為空冷系統(tǒng)總投資的13．5%;年運行費用(假定每年相同)主要是少發(fā)電的費用。

通過優(yōu)化，散熱面積取867 346m2時年總費用較低，該工程推薦方案為:迎面風(fēng)速為2．2m/s，選擇風(fēng)機30臺，風(fēng)機直徑9．754m，電動機功率132 kW。各方案結(jié)果匯總見表1。

2．3 其他手段

2．3．1 切高壓加熱器運行

由于汽輪機滿發(fā)背壓提高而使汽輪機進汽量增大，將會增加鍋爐的蒸發(fā)容量。如果不希望增加鍋爐的蒸發(fā)量而引起其他系統(tǒng)有太大的變化，可考慮無事故切高壓加熱器運行。如果配套鍋爐仍采用通用濕冷常規(guī)鍋爐，但又希望提高夏季滿發(fā)背壓，最簡單、最有效的辦法是無事故切高壓加熱器運行。在安全設(shè)計范圍內(nèi)，全切高壓加熱器運行，將使全機功率增加約30MW，或保證滿發(fā)背壓提高15 kPa左右，這種方法因運行時間短，對全年經(jīng)濟性影響不大。

表1 各方案結(jié)果匯總(單臺機組)

2．3．2 向散熱器外表面進行水噴霧

在我國北方地區(qū)，最熱時段相對較短，如果單純考慮要滿足這個時段汽輪機的滿發(fā)要求而增加空冷系統(tǒng)的冷卻面積，將會導(dǎo)致空冷系統(tǒng)投資增加較大，而增加的面積在全年大部分時間內(nèi)幾乎閑置不用，造成浪費，得不償失。

在不增加冷卻面積的情況下，可考慮設(shè)置尖峰冷卻水噴霧系統(tǒng)。在氣溫較高時(譬如34℃以上)，在空冷凝汽器入口進行水噴霧，霧狀的水蒸發(fā)后，一部分降低空氣溫度，一部分冷卻器翅片表面直接蒸發(fā)換熱，可提高空冷凝汽器散熱效率。根據(jù)目前已投運電廠的經(jīng)驗，視噴水量的多少以及氣象條件，一般可降低背壓5～10 kPa。由于噴霧時間較短，消耗的水量也不是很大。如果空氣中含塵量較多，有可能增加散熱器表面污垢，噴霧后應(yīng)及時沖洗散熱器表面，改善換熱性能，提高機組運行的經(jīng)濟性。

3 結(jié)論

綜上所述，在北方夏季高溫期間，為確保電網(wǎng)安全和汽輪機滿發(fā)，在保證機組安全運行的前提下，采取提高汽輪機的滿發(fā)背壓、合理配置空冷系統(tǒng)冷卻面積、機組采用無事故切高壓加熱器運行、增加尖峰水噴霧冷卻系統(tǒng)、在空冷凝汽器入口進行水噴霧、提高空冷凝汽器散熱效率等措施，可提高火電空冷機組的發(fā)電效率和度夏能力。

［1］丁爾謀．發(fā)電廠空冷技術(shù)［M］．北京:水利電力出版社，1992．

［2］沈亭．直接空冷機組運行芻議［J］．華電技術(shù)，2008，30(8):58－60．