空冷風(fēng)機(jī)集群運(yùn)行風(fēng)量的確定方法

時(shí) 巖，劉玲玲

(1．寧夏大唐國(guó)際大壩發(fā)電有限責(zé)任公司，寧夏 青銅峽 751607;

2．長(zhǎng)春熱力 (集團(tuán))工程設(shè)計(jì)有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130022)

近幾年，直接空冷技術(shù)在我國(guó)北方地區(qū)應(yīng)用普遍，空冷風(fēng)機(jī)作為空冷凝汽器的主要設(shè)備之一，直接影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，機(jī)組在運(yùn)行中能否迅速確定風(fēng)機(jī)風(fēng)量尤為關(guān)鍵。現(xiàn)以空冷風(fēng)機(jī)風(fēng)量為依據(jù)，計(jì)算迎風(fēng)面風(fēng)速和迎風(fēng)面積，由于迎風(fēng)面風(fēng)速受環(huán)境風(fēng)影響較大，計(jì)算風(fēng)機(jī)群風(fēng)量并不準(zhǔn)確。依據(jù)風(fēng)機(jī)性能曲線及空冷凝汽器阻力特性曲線，得出風(fēng)機(jī)實(shí)際工作點(diǎn)，根據(jù)相似原理得到風(fēng)機(jī)風(fēng)量和功率的近似關(guān)系，并根據(jù)風(fēng)機(jī)集群因子和環(huán)境橫向風(fēng)修正風(fēng)機(jī)集群運(yùn)行時(shí)的風(fēng)量。經(jīng)驗(yàn)證此方法誤差較小，可用于工程計(jì)算。

1 空冷風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)的確定

空冷風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)主要有流量、壓力、功率、效率和轉(zhuǎn)速。流量 (風(fēng)量)表示單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)風(fēng)機(jī)的氣體體積，分為體積流量和質(zhì)量流量?jī)煞N，兩者可通過流體密度相互轉(zhuǎn)換。壓力 (風(fēng)壓)是指氣體在風(fēng)機(jī)內(nèi)壓力的升高值，有靜壓、動(dòng)壓和全壓三種，其中全壓等于靜壓與動(dòng)壓之和;功率是指風(fēng)機(jī)的輸入功率，即軸功率;風(fēng)機(jī)有效功率與軸功率之比稱為效率，是風(fēng)機(jī)總效率的簡(jiǎn)稱，反映了風(fēng)機(jī)在能量轉(zhuǎn)換過程中軸功率的有效利用程度。

1.1 空冷風(fēng)機(jī)性能曲線的表達(dá)式

性能曲線是反映風(fēng)機(jī)風(fēng)量、功率、效率等參數(shù)變化情況的曲線，一般由生產(chǎn)廠家提供。選取600 MW直冷機(jī)組空冷風(fēng)機(jī)，通過選取廠家提供的性能曲線上的典型點(diǎn)，經(jīng)曲線擬合得到反映風(fēng)機(jī)性能的表達(dá)式［1］(見表 1):

式中:fn為多項(xiàng)式系數(shù);ΔpF為空冷風(fēng)機(jī)靜壓，Pa;m為單臺(tái)空冷風(fēng)機(jī)風(fēng)量，kg/s。

表1 空冷風(fēng)機(jī)性能曲線擬合系數(shù)

由式 (1)確定風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)，同時(shí)還需知道冷卻管束的阻力特性 (通常由試驗(yàn)測(cè)定)。對(duì)于直接空冷系統(tǒng)的翅片管束，阻力特性曲線為二次拋物線，通過數(shù)據(jù)擬合 (見表2)，可得空冷系統(tǒng)冷卻管束的壓降Δps與風(fēng)量ms之間的關(guān)系式:

式中:fns為多項(xiàng)式系數(shù)。

表2 阻力特性曲線擬合系數(shù)

圖1為空凝器冷卻單元風(fēng)機(jī)性能曲線和阻力特性曲線，交點(diǎn)為當(dāng)前風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)，交點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的風(fēng)量和靜壓即為當(dāng)前風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和靜壓。

圖1 風(fēng)機(jī)風(fēng)量—靜壓關(guān)系曲線

1.2 環(huán)境橫向風(fēng)對(duì)空冷風(fēng)機(jī)運(yùn)行的影響

空冷風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)常受到環(huán)境風(fēng)的影響，由于空冷凝汽器加裝擋風(fēng)墻，可消除部分環(huán)境橫向風(fēng)對(duì)空冷風(fēng)機(jī)運(yùn)行的影響，但不能完全消除。環(huán)境橫向風(fēng)的效果相當(dāng)于增加了翅片管束的氣體流動(dòng)阻力，使系統(tǒng)阻力特性曲線上移，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)左移，減小了風(fēng)量，影響了冷卻單元的換熱性能。常用的橫向風(fēng)對(duì)翅片管束阻力的修正經(jīng)驗(yàn)公式［2］:

式中:Δpa為橫向環(huán)境風(fēng)對(duì)翅片管束阻力的靜壓，Pa;ρa(bǔ)為空氣密度，kg/m3;va為橫向風(fēng)速，kg/s。

由表3可知，當(dāng)橫向風(fēng)速超過4 m/s時(shí)才會(huì)對(duì)空冷風(fēng)機(jī)靜壓有較大影響，當(dāng)風(fēng)速大于6 m/s時(shí)，風(fēng)阻開始迅速增大，減小了空冷風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，此時(shí)應(yīng)時(shí)刻關(guān)注空冷凝汽器的運(yùn)行狀況，及時(shí)采取措施，防止機(jī)組背壓惡化。

表3 不同橫向風(fēng)速時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)

在有橫向風(fēng)影響的環(huán)境下，經(jīng)過修正后的系統(tǒng)阻力特性Δpn為翅片管束阻力與環(huán)境橫向風(fēng)阻之和，即:

2 風(fēng)機(jī)集群因子

并聯(lián)運(yùn)行的空冷風(fēng)機(jī)越多，彼此間的影響就越大，對(duì)應(yīng)到每臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量就越小。圖1只能確定單臺(tái)風(fēng)機(jī)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)100%轉(zhuǎn)速下的工作點(diǎn)，當(dāng)2臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)其靜壓—風(fēng)量特性曲線會(huì)發(fā)生變化，靜壓和風(fēng)量比單臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)小。

直接空冷機(jī)組空冷風(fēng)機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行臺(tái)數(shù)多，風(fēng)機(jī)集群運(yùn)行時(shí)的性能曲線很難確定，因此無法確定風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)。如果要確定多臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的風(fēng)量，只能通過單臺(tái)風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)參數(shù)，利用集群因子ηn來修正計(jì)算。試驗(yàn)表明:2臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的集群因子ηn=0.95，即2臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)時(shí)，每臺(tái)風(fēng)機(jī)風(fēng)量只能達(dá)到單臺(tái)運(yùn)行時(shí)風(fēng)量的95%。

對(duì)于300 MW直接空冷機(jī)組，空冷風(fēng)機(jī)布置方式為4×6或5×6，每列冷卻單元組4臺(tái)或5臺(tái)空冷風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，集群因子ηn≈0.93，對(duì)于600 MW直接空冷機(jī)組而言，空冷風(fēng)機(jī)布置方式為7×8或8×8，每列冷卻單元組7臺(tái)或8臺(tái)空冷風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，集群因子ηn≈0.92。因此計(jì)算每列冷卻單元組空冷風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的風(fēng)量時(shí)，需實(shí)測(cè)空凝器冷卻單元翅片管束阻力特性，結(jié)合空冷風(fēng)機(jī)的性能曲線得出單臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，再根據(jù)集群因子計(jì)算出空冷風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行后的總風(fēng)量。

3 空冷風(fēng)機(jī)集群風(fēng)量與功率

a． 空冷風(fēng)機(jī)軸功率計(jì)算

式中:PG為風(fēng)機(jī)群總功率，kW;Pi為單臺(tái)風(fēng)機(jī)的軸功率，kW;η1為風(fēng)機(jī)效率，一般不小于65%;η2為傳動(dòng)效率，直連時(shí)η2=100%;η3為電動(dòng)機(jī)效率，直連時(shí)η3=0.86;pi為風(fēng)機(jī)全風(fēng)壓，Pa;mi為單臺(tái)風(fēng)機(jī)風(fēng)量，m3/h;ta為環(huán)境溫度，℃;Cs為海拔修正系數(shù)。

b． 空冷風(fēng)機(jī)軸功率與風(fēng)量的近似關(guān)系

通過熱力模型公式得出相應(yīng)的風(fēng)機(jī)風(fēng)量后，根據(jù)風(fēng)機(jī)性能參數(shù)之間的關(guān)系得到空冷風(fēng)機(jī)功耗PG。根據(jù)相似理論，對(duì)于同一類風(fēng)機(jī)而言，風(fēng)機(jī)功率和風(fēng)量之間的關(guān)系［3］:

式中:FFi為風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的電功率，kW;ρi為風(fēng)機(jī)出口處實(shí)際空氣密度，kg/m3;ρ0為風(fēng)機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)工況下的空氣密度，kg/m3;Li為各風(fēng)機(jī)實(shí)際風(fēng)量，m3/h;L0max為風(fēng)機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)工況下的最大風(fēng)量，m3/h;PFmax為最大風(fēng)量時(shí)風(fēng)機(jī)消耗的電功率，kW。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算空冷風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的實(shí)際功率，需比較式 (5)與式 (6)計(jì)算結(jié)果，以保證其準(zhǔn)確性。以某600 MW空冷機(jī)組空冷風(fēng)機(jī)為例，不同轉(zhuǎn)速時(shí)空冷風(fēng)機(jī)性能曲線和管網(wǎng)阻力特性曲線交點(diǎn)為風(fēng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速時(shí)的工作點(diǎn)，由此可計(jì)算風(fēng)機(jī)功耗值。

圖2中空冷風(fēng)機(jī)在轉(zhuǎn)速n1、n2、n3下性能曲線與翅片管阻力特性曲線相交于a、b、c三點(diǎn)，即為風(fēng)機(jī)在轉(zhuǎn)速n1、n2、n3下的3個(gè)工況點(diǎn)。按照式 (5)和式 (6)計(jì)算出3個(gè)工況點(diǎn)的風(fēng)機(jī)功率，并比較計(jì)算結(jié)果。由表4可知，兩種計(jì)算方法得到的結(jié)果相差很小，平均誤差為0.6%。因此對(duì)于同一類風(fēng)機(jī)而言，在工程計(jì)算中可以用式 (6)代替式 (5)來計(jì)算風(fēng)量變化時(shí)風(fēng)機(jī)功率的變化。

圖2 單臺(tái)風(fēng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下性能曲線與翅片管阻力特性

表4 功率計(jì)算結(jié)果比較

4 最大風(fēng)量的確定

確定出翅片管束阻力特性和風(fēng)機(jī)性能曲線后，可得到單臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，由集群因子可近似得到每列冷卻單元組風(fēng)機(jī)100%轉(zhuǎn)速工況下的總風(fēng)量，計(jì)算公式如下:

式中:GL為每列冷卻單元組風(fēng)量，m3/h;ηn為風(fēng)機(jī)集群因子;m為每臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，kg/s;ρa(bǔ)為空氣密度，kg/m3;N為每列空冷單元組風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)。

已知每列冷卻單元組風(fēng)機(jī)的風(fēng)量后，再根據(jù)風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速情況，結(jié)合風(fēng)量與風(fēng)機(jī)功率的近似關(guān)系，確定出空凝器風(fēng)機(jī)群的總風(fēng)量與最大風(fēng)量。

以某600 MW空冷風(fēng)機(jī)為例，風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)為48/16(順流/逆流)臺(tái)，風(fēng)機(jī)直徑為9.14 m，每臺(tái)風(fēng)機(jī)軸功率為66.6 kW，根據(jù)式 (7)得出了表5中風(fēng)機(jī)集群運(yùn)行的風(fēng)量，可見風(fēng)機(jī)多投低功率運(yùn)行要比停運(yùn)某列高頻運(yùn)行時(shí)的風(fēng)量大。當(dāng)8/64(列/臺(tái))空冷風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率為40 Hz時(shí)，功率為2 156.3 kW，風(fēng)量為19 572 kg/s;當(dāng)風(fēng)機(jī)為6/48(列/臺(tái))，運(yùn)行頻率為45 Hz時(shí)，功率為2 256.0 kW，風(fēng)量為16 070 kg/s。在功率相似的情況下，后者風(fēng)量比前者降低了17.9%，可見空冷風(fēng)機(jī)變頻應(yīng)按照多投低頻運(yùn)行，這樣可有效減少空冷風(fēng)機(jī)的電耗，提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。

表5 風(fēng)機(jī)群不同運(yùn)行方式下的風(fēng)量與功率

5 結(jié)束語(yǔ)

依據(jù)風(fēng)機(jī)性能曲線、橫向環(huán)境風(fēng)、集群因子得到空冷風(fēng)機(jī)集群運(yùn)行時(shí)的風(fēng)量，通過計(jì)算，可為空冷機(jī)組的運(yùn)行提供參考，為空冷機(jī)組定量?jī)?yōu)化提供依據(jù)。

［1］ 楊立軍，杜小澤，楊勇平，等．直接空冷系統(tǒng)軸流風(fēng)機(jī)群運(yùn)行特性分析［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29(20):1－5．

［2］ 戚曉冬，石紅權(quán)．橫向風(fēng)對(duì)空冷風(fēng)機(jī)影響的實(shí)驗(yàn)與分析［C］．山西:山西人民出版社，2005．

［3］ 趙洪濱，曹 嶺．直接空凝器理論最佳背壓的研究 ［J］．工程熱物理學(xué)報(bào)，2009，30(11):1 835－1 836．