直接空冷機(jī)組間接空氣尖峰冷卻技術(shù)研究

(陜西德源府谷能源有限公司，陜西 榆林 710075)

0 引言

ACC機(jī)組在夏季高溫時(shí)段背壓升高，出力降低，運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性差，火電廠作為節(jié)能減排的重點(diǎn)企業(yè)，積極采用了尖峰冷卻技術(shù)[1-4]。空冷機(jī)組增設(shè)尖峰凝汽器后，防峰過(guò)夏時(shí)背壓、煤耗等指標(biāo)明顯下降，保障機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[5]。國(guó)內(nèi)外ACC機(jī)組常用的尖峰冷卻技術(shù)有三角(六角、八角)干式空氣冷卻、蒸發(fā)式空氣冷卻、干濕并行冷卻、噴淋冷卻等技術(shù)。干式空氣冷卻技術(shù)在現(xiàn)有ACC并聯(lián)加裝立式空冷凝汽器[6]，蒸發(fā)式空氣冷卻技術(shù)分流乏汽送入板式蒸發(fā)式凝汽器進(jìn)行冷凝[7]。蒸發(fā)式空氣冷卻換熱能力較干式空氣冷卻強(qiáng)，這兩種技術(shù)都采用模塊化設(shè)計(jì)組裝，運(yùn)維簡(jiǎn)單，但存在蒸汽管道壓損大、無(wú)法解決ACC機(jī)組背壓波動(dòng)的問(wèn)題[8]。干濕并行冷卻技術(shù)同時(shí)兼顧濕冷系統(tǒng)和空冷系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)[9-10]，提高真空效果好，運(yùn)行調(diào)節(jié)方便，缺點(diǎn)是增加設(shè)備較多，運(yùn)行費(fèi)用高，真空不穩(wěn)定問(wèn)題改善較小，表面式凝汽器體積較大、端差大。噴淋冷卻技術(shù)在空冷島加裝噴淋裝置[11]，降背壓效果較好、改造相對(duì)簡(jiǎn)單，但橫切風(fēng)和熱風(fēng)回流影響安全性[12]。

空冷機(jī)組大多在北方缺水地區(qū)，因此耗水尖峰冷卻技術(shù)受水資源條件限制，干式空氣冷卻技術(shù)同其他三種耗水技術(shù)相比理論可實(shí)現(xiàn)零水耗，但其與干濕并行冷卻技術(shù)一樣投資較大。同時(shí)干式空氣冷卻和噴淋冷卻需使用除鹽水，水處理成本高，其他兩種冷卻方式對(duì)水質(zhì)要求較低，噴淋冷卻和蒸發(fā)式空氣冷卻還存在換熱面結(jié)垢問(wèn)題。在分析現(xiàn)有ACC機(jī)組尖峰冷卻技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與不足后，提出具有零水耗、近零傳熱端差特性的間接空氣尖峰冷卻技術(shù)，其采用噴射式混合冷卻，凝汽器體積小且理論傳熱端差為零；將傳統(tǒng)海勒式間接空冷中的冷卻塔換為干式空冷換熱器，占地面積少、造價(jià)降低，尖峰冷卻效果好且受環(huán)境因素的影響較小。

1 間接空氣尖峰冷卻技術(shù)

1.1 系統(tǒng)工作原理

間接空氣尖峰冷卻技術(shù)采用ACC與海勒式間接空冷并聯(lián)冷卻的方式，系統(tǒng)工作原理如圖1所示。在汽輪機(jī)排汽中抽出部分蒸汽送入噴射式凝汽器冷卻，而后凝結(jié)水進(jìn)入干式空氣冷卻器中進(jìn)行冷卻，再由循環(huán)泵送回噴射式凝汽器完成循環(huán)。

1.2 系統(tǒng)運(yùn)行方式

間接空氣尖峰冷卻系統(tǒng)運(yùn)行方式如圖2所示，在汽輪機(jī)主排汽管抽出部分蒸汽送入噴射式凝汽器。噴射水泵B泵將通過(guò)管道“1”流入的循環(huán)冷卻水噴入噴射式凝汽器，從而被抽出的排汽與冷卻水換熱并凝結(jié)成飽和水。在凝汽器出口，經(jīng)凝結(jié)水泵a或b后，等抽汽量的水經(jīng)過(guò)精處理裝置返回主回?zé)嵯到y(tǒng)，剩余水量經(jīng)“2”管道回到干式強(qiáng)制通風(fēng)冷卻器被冷卻。

2 間接空氣尖峰冷卻系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

2.1 間接空冷系統(tǒng)熱量匹配

原機(jī)組未進(jìn)行間接空冷抽汽時(shí)，其熱量平衡式如下

Q=W·γ=K·A·ΔT

(1)

對(duì)于凝汽器空冷管束空氣側(cè)，其熱量平衡式

(2)

機(jī)組進(jìn)行抽汽優(yōu)化后的熱量匹配

Q′=QACC+QC

(3)

2.2 空冷系統(tǒng)熱力參數(shù)匹配計(jì)算

根據(jù)直冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算的逆過(guò)程計(jì)算抽汽后汽輪機(jī)排汽溫度和背壓、ACC的熱負(fù)荷。基于抽汽后的直冷系統(tǒng)與間冷系統(tǒng)的熱量匹配問(wèn)題，還需計(jì)算間接空冷系統(tǒng)的熱負(fù)荷、換熱面積。ACC系統(tǒng)熱負(fù)荷為流體中的蒸汽在定性溫度下由濕蒸汽冷凝釋放的汽化潛熱，與少量液態(tài)水傳熱過(guò)程中溫度降低釋放的熱量

(4)

間接空冷系統(tǒng)熱負(fù)荷

QC=DCγC

(5)

QC=Wi×(T1-T2)×CPi

(6)

ACC凝汽器管內(nèi)為水蒸氣的冷凝，管內(nèi)膜傳熱系數(shù)

(7)

間接空冷系統(tǒng)循環(huán)水冷卻管內(nèi)膜傳熱系數(shù)

(8)

管外膜傳熱系數(shù)

蛇形翅片扁平管管外膜傳熱系數(shù)

h0=λa×Nu÷dr

(9)

熱浸鋅矩形鋼翅片橢圓管管外膜傳熱系數(shù)

(10)

干式空氣冷卻器空氣出口溫度必須根據(jù)熱平衡及傳熱速度共同確定。在已知空冷器管束的規(guī)格、數(shù)量和風(fēng)機(jī)的配置，再由風(fēng)機(jī)的正常風(fēng)量，根據(jù)熱平衡計(jì)算空氣的出口溫度。

t2=t1+Q/(VN·ρN·CP)

(11)

空氣冷卻器傳熱平均溫差

ΔT=ΔTm×Ft

(12)

總傳熱系數(shù)為各項(xiàng)熱阻之和的倒數(shù)

(13)

傳熱面積

(14)

實(shí)際傳熱面積比計(jì)算面積有一定的余量，面積裕量為

(15)

3 ACC機(jī)組計(jì)算實(shí)例

3.1 某電廠660 MW機(jī)組空冷系統(tǒng)介紹

某電廠660 MW超臨界ACC機(jī)組，TRL工況汽輪機(jī)排汽量為1 349 400 kg/h，實(shí)際ACC散熱器翅片管總面積為1 707 872 m2，空冷管束主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 ACC管束主要參數(shù)

參數(shù)代號(hào)規(guī)格管長(zhǎng)/mL10.5每片管束的迎風(fēng)面積/m2AFl23.87管束數(shù)量/片ngs560管心距/mPf0.061每片管束傳熱總根數(shù)n035扁平管外壁長(zhǎng)軸×短軸/m×mAO×BO0.22×0.02管壁厚/mδt0.001 5管程數(shù)Ntp1蛇形翅片總寬度×高/m×mWs×HS0.2×0.019翅片厚/mδf0.000 3翅根直徑/mdr0.020 3每米管子的翅片數(shù)量/片·m-1Nc354翅片間距/mSf0.002 3

3.2 夏季白天平均溫度下熱力計(jì)算

以當(dāng)?shù)叵募景滋炱骄鶞囟?2℃滿(mǎn)發(fā)工況為例，加間接空冷系統(tǒng)之前汽輪機(jī)排汽量W為1 349 400 kg/h，排汽溫度Ts1為69.80℃，排汽壓力Pc0為30.93 kPa，熱負(fù)荷為829 644.855 kW。在環(huán)境溫度與環(huán)境風(fēng)速不變的工況下，抽取部分乏汽進(jìn)入間接空冷系統(tǒng)。熱負(fù)荷隨抽汽量的變化情況如圖3所示，ACC熱負(fù)荷隨抽汽量的增大而逐漸減小，間冷凝汽器的熱負(fù)荷逐漸增大，兩者總和呈緩慢上升趨勢(shì)。綜合考慮散熱能力與改造成本，選擇260 t/h抽汽量進(jìn)入間接空冷系統(tǒng)。以冷卻水循環(huán)倍率m=50計(jì)算，需循環(huán)冷卻水約13 000 t/h。

將環(huán)境溫度t1與進(jìn)入空冷島蒸汽量WACC代入計(jì)算模型，得加間接空冷系統(tǒng)后汽輪機(jī)排汽溫度Ts1為63.8℃機(jī)組背壓PC為23.73 kPa，較加尖峰系統(tǒng)之前背壓降低7.2 kPa，ACC現(xiàn)承擔(dān)熱負(fù)荷QACC為675 114.096 kW，間冷系統(tǒng)熱負(fù)荷為169 605.222 kJ/kg。間接空冷系統(tǒng)初步選用160片橢圓管套矩形翅片管束，管束參數(shù)見(jiàn)表2。迎面風(fēng)速選取2.9 m/s，匹配16臺(tái)風(fēng)機(jī)，空冷單元采取8×2背靠背方式布置。經(jīng)熱力計(jì)算得到傳熱面積AΣ為411 000 m2。

表2間接空冷管束主要參數(shù)

參數(shù)代號(hào)規(guī)格每片管束的迎風(fēng)面積/m2AFI32.774管束數(shù)量/片ngs160基管外壁長(zhǎng)軸×短軸/mm×mma0×b036×14管壁厚/mmt1.5翅片外緣×高/mm×mmaf×bf60×35翅片厚/mmδ0.3翅根長(zhǎng)軸×短軸/mm×mmar×br36.6×14.6

3.3 計(jì)算結(jié)果和分析

抽汽前后機(jī)組全年各時(shí)段背壓降、煤耗降變化見(jiàn)表3。當(dāng)抽汽前的背壓或抽汽后的背壓低于阻塞被壓7.4 kPa，無(wú)需使用間接空氣冷卻系統(tǒng)，故表3中春秋3的低溫時(shí)段與冬季時(shí)段背壓降未標(biāo)出具體數(shù)值。

表3抽汽前后機(jī)組背壓降及煤耗降

夏季春秋1春秋2春秋3冬季高溫時(shí)段低溫時(shí)段高溫時(shí)段低溫時(shí)段高溫時(shí)段低溫時(shí)段高溫時(shí)段低溫時(shí)段高溫時(shí)段低溫時(shí)段利用小時(shí)數(shù)/h1 600800650275650275450200350250平均溫度/℃3222271620.591214-6抽汽前背壓/kPa30.9320.0725.0415.3118.4311.0112.727.388.384.98排汽溫度/℃69.8060.1365.0054.3958.3047.7050.5940.0042.3932.80抽汽后背壓/kPa23.7315.0218.9511.2913.708.009.305.245.853.34排汽溫度/℃63.8054.0058.9048.2052.1041.5144.4033.7135.7025.88背壓降/kPa7.25.056.094.024.733.013.42煤耗降/g·(kWh)-17.25.056.094.024.733.013.42全年平均煤耗降/g·(kWh)-14.7

注：表中利用小時(shí)、平均溫度、抽汽前背壓、排汽溫度來(lái)源于本文研究的某電廠660 MW空冷機(jī)組，煤耗降計(jì)算值按背壓降低1 kPa煤耗降低1.0 g·(kW·h)-1計(jì)算。

在不同環(huán)境溫度下抽汽前后背壓的情況如圖4所示。由表3和圖4可知，間接空氣尖峰冷卻技術(shù)可降低該機(jī)組背壓3.01～7.2 kPa，全年平均煤耗降低4.7 g/kWh。平均溫度越高，機(jī)組背壓降低越多，尖峰冷卻效果越好。

4 結(jié)論

(1)ACC機(jī)組在夏季高溫時(shí)段背壓升高,不能滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行,需采用尖峰冷卻技術(shù)降低背壓。在分析現(xiàn)有ACC機(jī)組尖峰冷卻技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與不足后，本文提出間接空氣尖峰冷卻技術(shù)，能有效抵抗ACC機(jī)組背壓波動(dòng)，且不耗水、傳熱端差小，實(shí)現(xiàn)尖峰冷卻目的。

(2)間接空氣尖峰冷卻技術(shù)有效地提高ACC機(jī)組夏季極端工況運(yùn)行真空，解決機(jī)組春夏秋三季真空差、煤耗高、帶不滿(mǎn)負(fù)荷和大風(fēng)引起的背壓波動(dòng)等問(wèn)題，提高機(jī)組運(yùn)行的安全性，降低發(fā)電成本。

(3)以某電廠660 MW直接空冷機(jī)組為研究對(duì)象，從原機(jī)組主排汽管道抽出260乏汽引入間接空氣尖峰冷卻系統(tǒng)，通過(guò)熱力計(jì)算得出，加裝間接空冷系統(tǒng)前后機(jī)組全年背壓降低3.01～7.2 kPa，折算全年平均煤耗降低4.7 g/kWh，需新增間冷傳熱面積411 000 m2。

符號(hào)表

A——空冷凝汽器總散熱面積/m2

AF——單位長(zhǎng)翅片管的管外總面積/m2

Ay——凝汽器的迎風(fēng)面積/m2

Ai——單位長(zhǎng)基管內(nèi)表面積/m2

ar——翅根長(zhǎng)軸/m

A∑——計(jì)算面積/m2

br——翅根短軸/m

Ca——冷空氣的比熱容/J·(kg·℃)-1

Cpi——循環(huán)冷卻水的平均比熱容/J·(kg·℃)-1

Cp——風(fēng)的比熱容/J·(kg·℃)-1

CR——面積富裕量/[%]

Dc——干式間接空冷系統(tǒng)的抽汽量/kg·h-1

di——基管內(nèi)徑/m

dr——翅根直徑/m

dre——最窄截面處的當(dāng)量直徑/m

Ft——對(duì)數(shù)溫差修正系數(shù)

hACCx——蒸汽的焓/kJ·kg-1

hi——管內(nèi)膜傳熱系數(shù)/W·(m2·℃)-1

ho——管外膜傳熱系數(shù)/W·(m2·℃)-1

hf——以翅片總面積為基準(zhǔn)的管外膜傳熱系數(shù)/W·(m2·℃)-1

K——總傳熱系數(shù)/W·(m2·℃)-1

NP——管排數(shù)

Nu——努謝爾數(shù)

Pr——普朗特準(zhǔn)數(shù)

Q——汽輪機(jī)排汽熱負(fù)荷/kW

Q′——采用新型干式間接空冷系統(tǒng)后汽輪機(jī)的排汽熱負(fù)荷/kW

QACC——抽汽優(yōu)化后機(jī)組原有直接空冷散熱量/kW

QC——抽汽優(yōu)化后新增噴射式凝汽器散熱量/kW

Re——雷諾數(shù)

(Re)E——當(dāng)量雷諾數(shù)

rp——金屬熱阻/(m2·℃)·W-1

r∑——翅片垢阻/(m2·℃)·W-1

rf——翅片熱阻/(m2·℃)·W-1

ri——管內(nèi)垢阻/(m2·℃)·W-1

rj——間隙熱阻/(m2·℃)·W-1

S1——橫向管間距/m

S2——縱向管間距/m

T1,T2——循環(huán)冷卻水的進(jìn)出口溫度/℃

Ts1——空冷島入口乏汽溫度/℃

Ts2——空冷島出口凝結(jié)水溫度/℃

t1,t2——空氣的進(jìn)出口溫度/℃

VN——總風(fēng)量/Nm3·h-1

W——汽輪機(jī)排汽流量/kg·s-1

WACC——抽汽后進(jìn)入直接空冷蒸汽量/kg·h-1

Wi——循環(huán)冷卻水的質(zhì)量流量/kg·s-1

γ——原機(jī)組背壓為Pc下的蒸汽的汽化潛熱/kJ·kg-1

γc——抽汽后排汽的汽化潛熱/kJ·kg-1

ΔT——傳熱平均溫差/℃

Δta——冷空氣的溫升/℃

ΔTm——對(duì)數(shù)平均溫差/℃

vy——凝汽器的迎面風(fēng)速/m·s-1

λa——空氣在定性溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)/W·(m·℃)-1

λl——定性溫度下水的導(dǎo)熱系數(shù)/W·(m·℃)-1

ρN——風(fēng)密度/kg·m-3