塔式太陽能熱發電站中空冷凝汽器運行特性的研究

徐 玫，肖 斌，周 治，彭懷午，段楊龍，張俊峰

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710000)

0 引言

直接空冷技術有效解決了中西部地區富煤缺水的矛盾，從而使其在火電機組中得到了廣泛應用[1]。太陽能熱發電站在熱電轉換環節采用了與傳統火電機組幾乎相同的設備和工藝，且光資源豐富地區往往同樣面臨著缺水的問題，因此，空冷系統也成為太陽能熱發電站的必然選擇。在已投運的空冷機組的運行過程中發現，太陽輻照度會增加空冷凝汽器的附加熱負荷，由此會對空冷機組的性能產生影響[2]，而太陽輻照度高的地區往往又是太陽能熱發電站建設地的首選，使這一特點更加突出。太陽能熱發電站由于熱源不穩定，導致負荷變動頻繁，空冷機組的熱電效率常常低于額定值，而空冷機組背壓高、受環境影響大[3]的特點又成為制約其高效運行的一個重要因素。因此，針對應用于太陽能熱發電站的空冷凝汽器性能進行研究對于現階段發電成本相對較高的太陽能熱發電站來說十分必要。

對于應用于火電機組的空冷凝汽器的特性，國內外學者已經進行了廣泛的研究[4]。楊立軍等[5]研究了空冷凝汽器壓力在環境溫度、環境風速、風向作用下的變化特性。郭鈺鋒等[6]考慮到空冷系統凝汽器的蓄熱效應，建立了直接空冷凝汽器動態數學模型，得到了冷卻空氣迎面風速和環境溫度對直接空冷機組背壓的影響曲線。周蘭欣等[7]利用CFD軟件進行數值模擬，研究了環境溫度、風機風量和空冷機組背壓的關系。然而，基于太陽能熱發電站的空冷凝汽器的特性研究卻未見報道，為此，本文建立了某50 MW塔式太陽能熱發電站中空冷凝汽器的仿真模型，研究了影響空冷凝汽器性能的主要因素，并分析了其在實際發電過程中的運行特點，以期為太陽能熱發電站中空冷機組的安全高效運行提供借鑒。

空冷凝汽器分為直接式和間接式，由于實際太陽能熱發電項目大多采用直接空冷凝汽器，因此，本文選取直接空冷凝汽器作為研究對象，文中的空冷凝汽器均指直接空冷凝汽器。

1 空冷凝汽器的數學模型

1.1 空冷凝汽器表面附加熱負荷的計算

典型的空冷凝汽器一般采用A型框架結構，汽輪機排汽是通過排汽管道和配汽管道送到翅片管束，蒸汽的熱能被經過翅片管束表面的冷卻空氣帶走，冷卻空氣由置于管束下方的風機驅動產生，空冷凝汽器的風機一般為軸流風機。典型空冷凝汽器的結構示意圖如圖1所示。

圖1 典型空冷凝汽器的結構示意圖Fig.1 Structure schematic of typical air-cooled condenser

空冷凝汽器與水平面呈60°夾角傾斜安放，由于太陽位置和太陽輻照度的變化，空冷凝汽器兩側的翅片管束會受到輻照度變化的加熱作用，由此產生的熱負荷被稱為附加熱負荷。

附加熱負荷QT的計算式為：

式中，α為空冷凝汽器表面的太陽能吸收率的平均值，可根據太陽輻照度的輻射光譜和空冷凝汽器鍍鋅鐵板表面對不同波長太陽光的選擇性吸收計算得到；AT為空冷凝汽器接收太陽輻照度的表面積，在中國北方的氣象條件下，布置方位和幾何結構決定了空冷凝汽器翅片管束兩側幾乎無同時接收到太陽輻照度的可能，即AT為空冷凝汽器迎風面積的一半；IT為空冷凝汽器傾斜面上接收的太陽輻照度。

空冷凝汽器傾斜面上接收的太陽輻照度中，既有直射輻照度，也有散射輻照度；其中，散射輻照度包括來自太陽的散射和太陽光照射到地面反射回來的散射。為計算附加熱負荷值，需要將水平面上的輻照量換算到空冷凝汽器的傾斜面上[8]。

IT的計算式為：

式中，Ib為太陽法向直射輻照度(DNI)，W/m2；Id為太陽散射輻照度(DHI)，W/m2；ρalb為地面反射率，普通地面可取0.2，積雪地面可取0.7；Rb為太陽直射輻照度的修正因子；Rd為太陽散射輻照度的修正因子；Rρ為空冷凝汽器表面對地面的可見因子。

其中：

式中，β為空冷凝汽器表面與水平面的夾角，(° )；θz為太陽在水平面上的入射角，(° )；θ為太陽在空冷凝汽器表面上的入射角，(° )。

θ的計算方法為：

式中，δ為太陽赤緯角，(° ) ；ω為太陽時角，(° )；φ為空冷凝汽器所在地的地理緯度；γ為空冷凝汽器的方位角，即空冷凝汽器表面法線在地平面上的投影線與正南方向的夾角，(° )，規定正南方位為0°，向西為正、向東為負，其變化范圍為-180°～180°。

1.2 空冷凝汽器的壓力

通過對蒸汽側和空氣側能量平衡方程、空冷凝汽器傳熱方程，以及空冷凝汽器效能、傳熱單元數的推導，可得到空冷凝汽器內凝結溫度與各項影響因素之間的關系。其關系式為[9]：

式中，Dc為汽輪機的排汽量，kg/s；hc為汽輪機的排汽焓，kJ/kg；h′c為空冷凝汽器壓力下的飽和水焓，kJ/kg；A為空冷凝汽器的迎風面積，m2；v為空冷凝汽器的迎面風速，m/s；ρ為空氣密度，kg/m3；Cp為空氣的比熱容，kJ/(kg·K)；AF為空冷凝汽器的傳熱面積，m2；K為空冷凝汽器的傳熱系數，W/(m2·K)；ta1為軸流風機的進口空氣溫度，℃。

空冷凝汽器內的凝結溫度對應的飽和壓力即為空冷凝汽器的壓力。空冷凝汽器的壓力與汽輪機背壓只相差從汽輪機排汽口到空冷凝汽器入口的幾千帕壓降，所以可以說，汽輪機背壓很大程度上取決于空冷凝汽器的壓力。

1.3 空冷凝汽器的軸流風機耗功

由上節內容可知，空冷凝汽器在實際運行中，受環境因素和汽輪機排汽熱負荷的影響，其壓力是時刻變化的，為保證空冷機組的背壓維持在設計背壓附近，就需要實時調整風機轉速，從而改變冷卻空氣量，防止背壓過高或過低，影響空冷機組的安全高效運行。

空冷凝汽器的軸流風機的運行特性滿足相似定律[10]，即：

式中，qv1、qv2分別為額定工況和變工況下的軸流風機風量，m3/s；n1、n2分別為額定工況和變工況下的軸流風機轉速，r/min；Pf1、Pf2分別為額定工況和變工況下的軸流風機軸功率，kW。

式中，Pfz為軸流風機消耗功率(下文簡稱“耗功”)，kW；Pf為軸流風機軸功率；ηm為齒輪箱傳動效率；ηg為電動機效率。

2 空冷凝汽器在變工況下的運行特性研究

2.1 空冷凝汽器運行特性的影響因素

針對空冷凝汽器在變工況下的運行特性研究主要集中在軸流風機出力一定的情況下，考察相關因素對空冷凝汽器壓力變化的影響[9]。但在空冷凝汽器的實際工作中，為了保證空冷機組的安全高效運行，更普遍的做法是通過調整軸流風機的出力將空冷凝汽器壓力維持在設計值附近，也就是說，相關因素的影響更直觀地是體現在軸流風機的耗功上。因此，從這一角度進行分析將更貼合實際情況，本文的研究都將基于這一控制邏輯。

由前文分析可知，影響空冷凝汽器運行壓力的主要因素有環境因素和空冷機組的排汽熱負荷這2個方面。其中，環境因素主要包括DNI、DHI、時間點(影響太陽位置)、環境溫度；空冷機組的排汽熱負荷主要受空冷機組負荷率的影響，負荷率高時，排汽熱負荷也相對較大。以某50 MW塔式太陽能熱發電站的空冷凝汽器為研究對象，從環境因素和空冷機組的排汽熱負荷這2個方面分析相關因素對空冷凝汽器運行特性的影響。

太陽輻照度變化影響下的空冷凝汽器特性曲線如圖2所示。

圖2 太陽輻照度變化影響下的空冷凝汽器的特性曲線Fig. 2 Performance of air-cooled condenser by solar irradiance variation

從圖2可以看到，當DNI和DHI增大時，軸流風機耗功直線上升，這主要是由于空冷凝汽器表面接收到的附加熱負荷增加所致。DNI每上升100 W/m2，軸流風機耗功約增加0.3 kW；DHI每上升100 W/m2，軸流風機耗功約增加0.4 kW。由此可見，太陽能熱發電站聚光集熱雖然主要利用DNI，但DHI同樣會對電站運行產生影響。

一天內不同時間點的空冷凝汽器的特性曲線如圖3a、圖3b所示，不同月份時空冷凝汽器的特性曲線如圖3c、圖3d所示。

圖3 不同時間點影響下的空冷凝汽器的特性曲線Fig. 3 Characteristics of air-cooled condenser by different time points

如圖3所示，從一天中的變化曲線來看，附加熱負荷曲線與軸流風機耗功曲線均在08:00和19:00出現了2個高峰。這主要是因為空冷凝汽器兩側的翅片管束一側朝向正東方向，另一側朝向正西方向；在日出時刻左右，太陽光在正東方向管束傾斜面上的入射角遠小于其在水平面上的入射角，導致Rb值很大，放大了直射輻照度的影響；而正西方向的管束在日落時刻左右會出現類似的現象，從而導致了附加熱負荷會在日出和日落時刻左右突然增大。從1天的變化曲線還可以看出，12:00之前主要是西向空冷凝汽器表面接收太陽輻照，12:00之后主要是東向空冷凝汽器表面接收太陽輻照。而從1年的變化曲線來看，兩側傾斜面的Rb值呈相反變化的趨勢，且數值相差較大，Rb值較高一側的附加熱負荷對空冷凝汽器特性的影響更大。

環境溫度影響下的空冷凝汽器的特性曲線如圖4所示。

圖4 環境溫度影響下的空冷凝汽器的特性曲線Fig. 4 Characteristics of air-cooled condenser under ambient temperature

由圖4可以看出，隨著環境溫度的上升，空冷凝汽器的軸流風機耗功呈指數增長，當氣溫達到20 ℃以上時，軸流風機出力達到最大值，但仍無法將空冷凝汽器的壓力維持在設計值，空冷凝汽器的壓力開始隨環境溫度等比例上升。這是空冷凝汽器在夏季運行中常常會出現的問題。

空冷機組負荷增加時，排汽所攜帶的熱量也會增加，需要相應提高冷卻空氣的流量。而由前文的分析和空冷機組負荷影響下的空冷凝汽器的特性可知，這將導致軸流風機的轉速和耗功的增加。汽輪機排汽熱負荷影響下的空冷凝汽器的特性曲線如圖5所示。可以看出，隨著汽輪機排汽熱負荷率的增加，軸流風機耗功也在增加。

圖5 汽輪機排汽熱負荷影響下的空冷凝汽器的特性曲線Fig. 5 Characteristics of air-cooled condenser by steat turbine exhaust heat load

2.2 實際發電過程中空冷凝汽器的運行狀況分析

2.2.1 典型日時空冷凝汽器的運行特性分析

在實際發電過程中，空冷凝汽器的運行將受到前文所述各種因素的綜合影響。為此，考察了某地春分、夏至、秋分、冬至4個典型日附近全晴天時空冷凝汽器運行特性的變化曲線，如圖6、圖7所示。

圖6 4個典型日附近全晴天時DNI和環境溫度的變化曲線Fig. 6 Variation curves of DNI and ambient temperature in sunny days around four typical days

圖7 4個典型日附近全晴天時空冷凝汽器的特性曲線Fig. 7 Characteristics of air-cooled condenser in sunny days around four typical days

從圖6和圖7可以看出，在4個典型日附近全晴天時的全天變化過程中，空冷凝汽器呈現出一些共同特點：

1)在汽輪機啟動過程中，由于排汽熱負荷小，凝汽通過自然冷卻也已降至空冷凝汽器允許的最低壓力，因此這一階段軸流風機不開啟，而空冷凝汽器的控制目標主要是保證汽輪機背壓高于阻塞背壓。

2)在日落時刻左右，軸流風機功率有短時間突然增大的現象，這主要是由于此時汽輪機仍可利用熱罐存儲的能量維持較高的負荷，即排汽熱負荷較高，而西向的翅片管束的Rb值很高，導致此時的空冷凝汽器翅片管束表面的附加熱負荷很高。而由于太陽能熱發電站的選址偏向DNI較高的地區，這一特點可能會更明顯，因此，在電站運行過程中，日落時刻左右由于附加熱負荷的急劇增大，導致空冷凝汽器壓力可能會發生突變，應給予特別關注。

而由于不同季節環境溫度的差異，空冷凝汽器的運行特性也呈現出明顯的差異。尤其是夏季的高氣溫使大部分時間的軸流風機的出力都達到了最大，而空冷凝汽器壓力偏離設計值，達到了十幾kPa，秋分日附近也出現了類似的情況。

2.2.2 典型氣象年時空冷凝汽器的運行變化情況

太陽能熱發電站一般是基于典型氣象年數據進行設計和分析，因此，為考察空冷凝汽器全年運行情況的變化規律，模擬了空冷凝汽器典型氣象年全年的運行情況，并對各月的數據進行了統計。典型氣象年全年空冷凝汽器特性的變化曲線如圖8所示。

圖8 典型氣象年全年空冷凝汽器的特性變化曲線Fig. 8 Characteristic variation of air-cooled condenser in typical meteorological year

由圖8可以看出，軸流風機耗功和空冷凝汽器壓力在6～8月出現了明顯升高，這主要是受環境溫度和太陽輻照度的綜合影響。附加熱負荷雖然一定程度上受太陽輻照度的影響，但太陽位置變動帶來的Rb的變化對其影響更大。

3 結論

本文針對塔式太陽能熱發電站中的空冷凝汽器進行了建模，從軸流風機耗功和空冷凝汽器壓力變化的角度研究了相關因素對空冷凝汽器特性的影響，以及空冷凝汽器在實際運行過程中的特點，得到以下結論：

1)太陽輻照度會對空冷凝汽器產生附加熱負荷，導致其壓力升高或軸流風機耗功增加。附加熱負荷隨DNI、DHI的升高而升高，且與太陽位置關系密切；在日出、日落時刻左右，DNI產生的附加熱負荷會由于光線與空冷凝汽器表面的位置關系得到大幅增加。

2)軸流風機耗功隨環境溫度增大呈指數上升的趨勢，在軸流風機出力達到最大的情況下，空冷凝汽器壓力隨環境溫度增大呈直線上升。

3)在太陽能熱發電站的運行過程中，需要特別關注太陽輻照度值較高的日落時刻，太陽輻照熱負荷可能會在較短時間內急劇增大，再加上此時汽輪機排汽熱負荷也通常較高，可能會造成軸流風機耗功劇增，并在環境溫度較高時造成空冷凝汽器壓力急劇增大，給汽輪機安全運行帶來威脅。

4)空冷凝汽器壓力和軸流風機耗功在環境溫度和太陽輻照度最高的夏季會比其他季節更高，而附加熱負荷雖然與太陽輻照度有關，但受太陽位置變動(具體反映在直射輻射修正因子的變化)的影響更大，最高值出現在12月。