直接空冷系統(tǒng)運(yùn)行特性變工況研究

韓永魁，盧家勇，石紅暉

（山西電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

0 引言

北方富煤缺水地區(qū)大規(guī)模火電站的建設(shè)，促進(jìn)了電站空冷技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。針對(duì)空冷機(jī)組夏季運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性惡化、限負(fù)荷運(yùn)行嚴(yán)重等問(wèn)題，通過(guò)投用噴霧冷卻系統(tǒng)，可使機(jī)組運(yùn)行背壓得到有效降低[1]，但存在除鹽水耗水量大，空冷散熱面長(zhǎng)時(shí)間噴水降溫，表面易腐蝕受損的隱患。

空冷機(jī)組的運(yùn)行背壓受環(huán)境溫度及熱負(fù)荷的影響很大，而運(yùn)行背壓對(duì)機(jī)組整體經(jīng)濟(jì)性的影響，除受空冷島本身性能影響外，還與運(yùn)行環(huán)境溫度的時(shí)間分布、機(jī)組負(fù)荷率分布有直接關(guān)系，因此，在對(duì)機(jī)組運(yùn)行工況的統(tǒng)計(jì)分析和空冷系統(tǒng)性能的全面掌握的基礎(chǔ)上，開(kāi)展機(jī)組和空冷系統(tǒng)的變工況特性分析研究，對(duì)指導(dǎo)空冷優(yōu)化運(yùn)行及系統(tǒng)的技術(shù)改造工作具有重要作用。

1 空冷機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析

為掌握機(jī)組環(huán)境氣溫變化及負(fù)荷背壓的變化情況，對(duì)機(jī)組全年運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明：環(huán)境氣溫特性、機(jī)組負(fù)荷、背壓隨日小時(shí)的變化規(guī)律存在一定的規(guī)律性，同時(shí)也存在一定的隨機(jī)性，這跟當(dāng)?shù)丶竟?jié)雨季特性有關(guān)系；整體上，機(jī)組運(yùn)行背壓隨環(huán)境溫度及負(fù)荷的升高而明顯升高，且機(jī)組負(fù)荷率高的時(shí)段往往處在環(huán)境溫度相對(duì)較高的時(shí)間段，該時(shí)段也正是電網(wǎng)“迎峰渡夏”電負(fù)荷需求最大的時(shí)間段，因此，日氣溫特性和負(fù)荷特性的不同，對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響會(huì)有較明顯差異。

2 空冷機(jī)組冷端變工況計(jì)算分析

空冷凝結(jié)器的容量是在一定運(yùn)行條件下，根據(jù)主機(jī)排汽參數(shù)設(shè)計(jì)確定的。汽輪機(jī)負(fù)荷的變動(dòng)，環(huán)境氣溫的變化，空氣流量的變化均會(huì)改變空冷凝汽器的工作狀態(tài)，從而導(dǎo)致汽輪機(jī)排汽背壓的變化，而排汽壓力的變化又會(huì)改變機(jī)組的排汽熱負(fù)荷，因此，把空冷系統(tǒng)與主機(jī)作為一個(gè)整體進(jìn)行全面的變工況計(jì)算，對(duì)掌握機(jī)組冷端的實(shí)際運(yùn)行特性，研究空冷系統(tǒng)和機(jī)組性能變化及其相互影響；對(duì)掌握機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響，進(jìn)而確定空冷系統(tǒng)的增容改造容量及其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的評(píng)估都具有重要作用。

根據(jù)空冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和主機(jī)設(shè)計(jì)特性，通過(guò)空冷系統(tǒng)變工況計(jì)算可以確定機(jī)組的冷端變工況特性；通過(guò)改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)組負(fù)荷可得到不同環(huán)境溫度下的冷端參數(shù)，進(jìn)而可以確定相關(guān)參數(shù)變化對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響。初步計(jì)算表明：機(jī)組背壓隨環(huán)境溫度升高及負(fù)荷率增加而增加。圖1為機(jī)組及空冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)特性下，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為額定時(shí)不同機(jī)組負(fù)荷率的機(jī)組背壓與環(huán)境溫度關(guān)系。

結(jié)果表明：在額定風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，以最高運(yùn)行背壓35 kPa為限，滿負(fù)荷對(duì)應(yīng)的最高環(huán)境溫度34℃，極端溫度40℃對(duì)應(yīng)的最高負(fù)荷為81%。從設(shè)計(jì)角度空冷系統(tǒng)可基本保證機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行。

圖1 設(shè)計(jì)特性下機(jī)組背壓與環(huán)境溫度的關(guān)系

圖2為考慮主機(jī)性能影響后，機(jī)組及空冷系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行特性下機(jī)組背壓與負(fù)荷風(fēng)溫的關(guān)系。

結(jié)果表明：由于空冷系統(tǒng)換熱能力下降和機(jī)組排汽熱負(fù)荷增加，機(jī)組的運(yùn)行背壓有了明顯升高。在額定風(fēng)機(jī)頻率下，以最高運(yùn)行背壓35 kPa為限，滿負(fù)荷對(duì)應(yīng)的最高環(huán)境溫度25℃，極端溫度40℃對(duì)應(yīng)的最高負(fù)荷為60%。以最高運(yùn)行背壓40 kPa為限，滿負(fù)荷對(duì)應(yīng)的最高環(huán)境溫度27℃，極端溫度40℃對(duì)應(yīng)的最高負(fù)荷為67%。

根據(jù)上述機(jī)組及空冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特性和實(shí)際運(yùn)行特性，進(jìn)一步計(jì)算分析空冷系統(tǒng)及主機(jī)熱力性能變化對(duì)背壓及煤耗的影響程度。

圖2 實(shí)際特性下機(jī)組背壓與環(huán)境溫度的關(guān)系

由于機(jī)組實(shí)際熱耗水平高，同時(shí)運(yùn)行背壓的升高對(duì)其經(jīng)濟(jì)性會(huì)產(chǎn)生進(jìn)一步的惡化。在相同環(huán)境溫度下，維持機(jī)組相同背壓系統(tǒng)的情況下，排汽熱負(fù)荷增加的附加熱負(fù)荷也增加了機(jī)組的煤耗水平，同時(shí)考慮空冷性能和機(jī)組性能下降，對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響更為明顯。

基于上述分析，進(jìn)一步研究表明，采取增加空冷系統(tǒng)容量等技術(shù)手段減小進(jìn)入原空冷系統(tǒng)的熱負(fù)荷，可起到降低機(jī)組的背壓，進(jìn)而提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性的作用。通過(guò)改變空冷系統(tǒng)不同比例的進(jìn)汽熱負(fù)荷變工況計(jì)算，分析了不同環(huán)境溫度下，100%風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下機(jī)組及空冷實(shí)際特性機(jī)組煤耗下降與熱負(fù)荷減小率的關(guān)系，見(jiàn)圖3。

計(jì)算結(jié)果表明，機(jī)組背壓隨空冷系統(tǒng)的熱負(fù)荷減小率的增加而下降，并隨環(huán)境溫度的增加和負(fù)荷的升高其下降幅度增加，而且在機(jī)組實(shí)際性能下時(shí)其效果更為明顯。

圖3 100%風(fēng)機(jī)頻率機(jī)組及空冷設(shè)計(jì)特性機(jī)組煤耗下降與熱負(fù)荷減小的關(guān)系

減小進(jìn)入現(xiàn)有空冷系統(tǒng)的進(jìn)汽熱負(fù)荷的措施，除了增加空冷散熱單元外，還可采用干、濕冷復(fù)合冷卻的方式。從機(jī)組排汽系統(tǒng)中抽取部分比例的蒸汽，采用濕式冷卻系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，在夏季工況的中高溫時(shí)間段投入，起到尖峰冷卻的作用。利用環(huán)境溫度高、相對(duì)濕度低的特點(diǎn)，干、濕冷復(fù)合冷卻高氣溫時(shí)段，干、濕球溫差大，濕冷系統(tǒng)的相對(duì)出力增加，能更好地起到補(bǔ)償空冷系統(tǒng)冷卻能力不足的作用。

圖4 不同濕冷設(shè)計(jì)容量下煤耗下降與環(huán)境溫度及負(fù)荷的關(guān)系

通過(guò)選取機(jī)組典型工況進(jìn)行復(fù)合冷卻系統(tǒng)的冷卻能力模擬計(jì)算，確定了不同溫度下，不同的濕冷容量，實(shí)際運(yùn)行煤耗下降與基準(zhǔn)熱負(fù)荷率的關(guān)系見(jiàn)圖4。在相同基準(zhǔn)熱負(fù)荷率下，機(jī)組背壓和煤耗水平的下降幅度隨負(fù)荷及環(huán)境溫度的升高明顯；隨著基準(zhǔn)熱負(fù)荷率的減小，機(jī)組背壓和煤耗水平的下降幅度也隨之增加，但相對(duì)增幅趨緩。

3 結(jié)論與建議

a）實(shí)際運(yùn)行及試驗(yàn)結(jié)果表明，空冷系統(tǒng)性能不良，主機(jī)熱耗水平高嚴(yán)重惡化了機(jī)組冷端的運(yùn)行條件，對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，并導(dǎo)致機(jī)組限負(fù)荷嚴(yán)重，不滿發(fā)小時(shí)數(shù)增加。

b）采用增加空冷系統(tǒng)冷卻單元、提高風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和增設(shè)濕式尖峰冷卻系統(tǒng)等不同增容改造方式，可以達(dá)到降低機(jī)組運(yùn)行背壓、提高經(jīng)濟(jì)性的效果，但其變工況特性及節(jié)能效果有較大的差異。

c）通過(guò)增容減小現(xiàn)有空冷系統(tǒng)的進(jìn)汽量，是控制運(yùn)行背壓過(guò)高，提高經(jīng)濟(jì)性的有效手段，其效果在高氣溫、高負(fù)荷下更為明顯。

d）系統(tǒng)改造的節(jié)能效果隨增容量的增加趨于平緩，特別是在環(huán)境溫度中、低的時(shí)段，系統(tǒng)增容后運(yùn)行背壓下降幅度會(huì)較高氣溫區(qū)明顯減小，冬季運(yùn)行時(shí)還會(huì)增加系統(tǒng)的防凍壓力，合理確定系統(tǒng)的改造方式，增容容量可獲得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

e）系統(tǒng)增容的實(shí)際效果與環(huán)境溫度的分布、調(diào)度調(diào)峰運(yùn)行方式、機(jī)組負(fù)荷率及其分布有很大的關(guān)系，節(jié)能改造的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估需依據(jù)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)確定。

［1］ 馬慶中，張龍英.直接空冷凝結(jié)器尖峰冷卻系統(tǒng)的研究與應(yīng)用［J］.山西電力，2009（1）：20-24.