直接空冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的分析

孫玉慶，嚴(yán) 君

（1.中國能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，山西太原 030001；2.山西財(cái)經(jīng)大學(xué)，山西太原 030006）

0 引言

現(xiàn)階段，業(yè)主普遍認(rèn)為直接空冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)背壓越低越好，一些設(shè)計(jì)院為了迎合業(yè)主的需求，把機(jī)組的設(shè)計(jì)背壓優(yōu)化的比較低（最低已達(dá)9.5 kPa）。但隨著近幾年煤價(jià)上漲，全國經(jīng)濟(jì)放緩，加上現(xiàn)在許多地區(qū)比較適合選址的平坦區(qū)域已被選完，多數(shù)電廠需要開挖山體或填埋溝壑建廠，對(duì)廠址的總體布置限制性比較大。因此，在直接空冷系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中參數(shù)的確定至關(guān)重要。

1 影響直接空冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要因素

在直接空冷系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中考慮的主要因素有設(shè)計(jì)工況、設(shè)計(jì)氣溫、散熱器面積、風(fēng)機(jī)組數(shù)量、環(huán)境風(fēng)、設(shè)計(jì)背壓、設(shè)計(jì)流速等。

1.1 設(shè)計(jì)工況的確定

現(xiàn)階段國內(nèi)多數(shù)汽輪機(jī)廠已將汽輪機(jī)最大連續(xù)功率TMCR（turbine maximum continuous rating）工況作為空冷機(jī)組的銘牌功率，取代以往按照熱耗率驗(yàn)收功率THA（turbine heat-rate acceptance power）工況作為機(jī)組的銘牌功率，便于今后適應(yīng)機(jī)組的各種調(diào)度方式[1]。一般TMCR 工況的排汽量比THA 多10%，其發(fā)電量比THA、汽輪機(jī)額定功率或銘牌功率TRL（turbine rated load）增加3%左右。

1.2 設(shè)計(jì)氣溫的確定

在實(shí)際工程中，國內(nèi)對(duì)空冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)氣溫的確定有3 種方法，即6 000 h 法、＋5 ℃以上氣溫加權(quán)平均法、年平均氣溫法（不是全年的算術(shù)平均值，而是正、負(fù)氣溫頻率平衡法）。現(xiàn)階段，結(jié)合汽輪機(jī)TMCR工況的特性，中國能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司（以下簡(jiǎn)稱我院）提出空冷采用＋8 ℃及以下氣溫加權(quán)平均法[2]來計(jì)算設(shè)計(jì)氣溫，通過實(shí)踐證明可以滿足實(shí)際工程需要，且留有裕量。某工程TMCR 工況對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)氣溫如表1 所示。

表1 某工程TMCR 工況對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)氣溫

其中＋5 ℃及以下氣溫加權(quán)平均法為《火力發(fā)電廠水工設(shè)計(jì)規(guī)范》和《大中型火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的計(jì)算方法，大多數(shù)設(shè)計(jì)院在工程設(shè)計(jì)時(shí)需要在此基礎(chǔ)上再預(yù)留出一定余量（1～2 ℃）來提高設(shè)計(jì)溫度值，即設(shè)計(jì)氣溫=計(jì)算值+（1～2 ℃）。與采用＋8 ℃及以下氣溫加權(quán)平均法來計(jì)算的設(shè)計(jì)氣溫值基本相當(dāng)。

1.3 散熱器面積的確定

空冷系統(tǒng)的散熱面積是指與空氣直接接觸的所有傳熱元件的總外表面積，不包括排汽管道外表面積，即等于散熱器管束的迎風(fēng)面面積×翅化比。由于不同空冷廠家關(guān)于散熱器的翅化比計(jì)算值相差較大，在相同的迎風(fēng)面積時(shí)，造成各空冷廠家的散熱器面積不一致，其實(shí)各空冷廠家的散熱面積是一樣的。我院根據(jù)現(xiàn)有各空冷廠家的散熱器管束尺寸（220 mm×19 mm）及翅片尺寸（厚度0.3 mm），經(jīng)過計(jì)算得出真實(shí)的單排管翅化比為123。

因此，在評(píng)標(biāo)時(shí)，需要將各空冷廠家的散熱器面積統(tǒng)一進(jìn)行折算，即各空冷廠家散熱總迎風(fēng)面面積×123 或各空冷廠家散熱器面積/各自翅化比×123。

1.4 風(fēng)機(jī)組數(shù)量的確定

以某350 MW 直冷機(jī)組為例，若采用超臨界、小機(jī)排汽與主機(jī)排汽一起冷卻，TMCR 工況對(duì)應(yīng)的排汽量約為740 t/h，比300 MW 亞臨界直冷機(jī)組（小機(jī)直排）的排汽量多70 t/h（相當(dāng)于小機(jī)的排汽量）。某350 MW 工程直接空冷系統(tǒng)風(fēng)機(jī)組配置比較如表2 所示。

表2 某350 MW 工程直接空冷系統(tǒng)風(fēng)機(jī)組配置比較表

從表2 可看出，超臨界350 MW 直冷機(jī)組適合采用36 臺(tái)風(fēng)機(jī)配置，在2015 年前投運(yùn)的亞臨界300 MW 直冷機(jī)組均采用30 臺(tái)風(fēng)機(jī)配置，兩者之間不可等同，究其原因，一是排汽量不一樣，二是設(shè)計(jì)背壓不一樣。

直接空冷系統(tǒng)的散熱由散熱器面積和風(fēng)機(jī)組組合搭配來完成，若散熱器面積達(dá)到一定程度（散熱器管束夾角為180°），可不需要風(fēng)機(jī)組來驅(qū)動(dòng)散熱，這種情況是最理想的，但一次投資成本將急劇增加。從中可看出，影響直冷散熱的主要因素為空冷散熱器面積，因此不建議在犧牲空冷散熱器面積的基礎(chǔ)上增加風(fēng)機(jī)組功率，即縮小風(fēng)機(jī)組的臺(tái)數(shù)，應(yīng)找出空冷散熱器面積和風(fēng)機(jī)組的最佳匹配。

在編制空冷招標(biāo)文件時(shí)，應(yīng)對(duì)單臺(tái)機(jī)組風(fēng)機(jī)組數(shù)量及單臺(tái)電機(jī)額定功率做限定要求，否則各投標(biāo)廠家在空冷方案配置時(shí)，會(huì)以增加單臺(tái)電機(jī)的功率來換取較小的空冷散熱面積，這樣可減小一次性投資，對(duì)投標(biāo)方有利，但對(duì)業(yè)主長遠(yuǎn)運(yùn)行不利，不但增加了電耗，而且空冷系統(tǒng)受環(huán)境高溫大風(fēng)的影響程度也增大。

在優(yōu)化計(jì)算時(shí)，直接空冷系統(tǒng)的迎面風(fēng)速取值不宜太高（2.1～2.2 m/s），當(dāng)迎面風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)，對(duì)應(yīng)的散熱器面積也會(huì)發(fā)生變化（迎面風(fēng)速提高，散熱器的面積減小，風(fēng)機(jī)組耗電量增大）。在某350 MW機(jī)組的空冷系統(tǒng)投標(biāo)中，當(dāng)單臺(tái)電機(jī)功率為160 kW時(shí)對(duì)應(yīng)的散熱面積比采用132 kW 的單臺(tái)機(jī)組散熱面積減少約25 萬m2。

綜上所述，業(yè)主應(yīng)根據(jù)具體條件來確定適合本工程的方案。一般超臨界350 MW 直冷機(jī)組需要配置36 臺(tái)風(fēng)機(jī)組（單臺(tái)電動(dòng)機(jī)的額定功率不超過132 kW）；超臨界600 MW 直冷機(jī)組需要配置56 臺(tái)風(fēng)機(jī)組（單臺(tái)電動(dòng)機(jī)的額定功率不超過132 kW）。若場(chǎng)地受限，無法布置36/56 臺(tái)風(fēng)機(jī)組，可減小風(fēng)機(jī)組的數(shù)量，但單臺(tái)電動(dòng)機(jī)的額定功率不宜超過160 kW。

1.5 環(huán)境風(fēng)的影響

目前，在前期空冷系統(tǒng)比較階段，一提到直接空冷機(jī)組，業(yè)主普遍擔(dān)心直接空冷系統(tǒng)受環(huán)境風(fēng)尤其是高溫大風(fēng)的影響比較大，極易造成不滿發(fā)情況比較多，影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性[3]。

經(jīng)過對(duì)新疆（該地區(qū)環(huán)境風(fēng)均比較大）多個(gè)運(yùn)行間冷機(jī)組的調(diào)研，初步得出在夏季7—8 月時(shí)，3～5 級(jí)高溫大風(fēng)對(duì)機(jī)組影響有限，背壓升高約3～4 kPa，5～6級(jí)高溫大風(fēng)影響比較大，7 級(jí)大風(fēng)且氣溫在35 ℃以上時(shí)，機(jī)組背壓將由50 kPa 升到60 kPa，升高約10 kPa，與其幾十千米外的直冷機(jī)組（在地面采用十字形防風(fēng)措施）相比，間冷系統(tǒng)（目前無實(shí)際運(yùn)用抗風(fēng)裝置）抗風(fēng)能力不如直冷機(jī)組（采用防風(fēng)措施），負(fù)荷也不如直冷機(jī)組（在高溫6 級(jí)以上大風(fēng)時(shí)，背壓平均升高4～5 kPa）。當(dāng)高溫大風(fēng)來襲時(shí)，間冷系統(tǒng)塔內(nèi)風(fēng)向比較紊亂，同時(shí)塔與塔之間也相互影響，當(dāng)某一朝向來風(fēng)時(shí)，迎風(fēng)側(cè)的機(jī)組比背風(fēng)側(cè)機(jī)組的背壓高出約4～5 kPa。

因此，間冷系統(tǒng)和直冷系統(tǒng)均受環(huán)境風(fēng)影響，只是在間接空冷系統(tǒng)中，凝汽器通過中間介質(zhì)水來換熱，水又具有熱惰性，有個(gè)反應(yīng)時(shí)間遲滯的階段，不像直接空冷那樣反應(yīng)快，所以給人的印象是直冷機(jī)組受環(huán)境風(fēng)更敏感。目前，對(duì)直接空冷防風(fēng)措施的研究比較多[4]，工程中已有成功運(yùn)用，例如，在擋風(fēng)墻下四周加裝防風(fēng)網(wǎng)、在地面加裝十字形防風(fēng)網(wǎng)等措施。而間冷系統(tǒng)現(xiàn)階段無防風(fēng)措施實(shí)際運(yùn)用，僅停留在理論研究階段。

目前，高溫大風(fēng)對(duì)直冷機(jī)組的安全性已不造成威脅。在機(jī)組實(shí)際運(yùn)行時(shí)，當(dāng)處于低背壓運(yùn)行時(shí)，可通過調(diào)控汽機(jī)主氣門的進(jìn)氣量來保持機(jī)組的出力不變，當(dāng)有大風(fēng)突然來襲時(shí)（6～8 m/s，甚至瞬間更高風(fēng)速），機(jī)組的快速減負(fù)荷RB（runback）功能并不馬上投運(yùn)（只有瞬間背壓例如速率升高10 kPa/min 時(shí)，才啟動(dòng)RB 功能），這時(shí)背壓會(huì)穩(wěn)步升高（2 kPa/min），將進(jìn)入下一個(gè)運(yùn)行模式，機(jī)組將在高背壓段運(yùn)行（不超過機(jī)組跳機(jī)背壓），可通過增加汽機(jī)的排汽量（背壓越高，排氣量越大）來繼續(xù)維持機(jī)組的出力不變，只有當(dāng)背壓達(dá)到例如45 kPa 時(shí)（具體可根據(jù)運(yùn)行需求設(shè)定），背壓在瞬間升高（例如2～3 kPa/min）才啟動(dòng)RB 功能。即當(dāng)高溫大風(fēng)來襲時(shí)，RB 功能并不馬上啟動(dòng)降負(fù)荷，而是機(jī)組可通過自身滑壓運(yùn)行，通過變工況調(diào)節(jié)排汽量，繼續(xù)維持機(jī)組的出力不變，只有當(dāng)極限情況下（將要超過機(jī)組跳機(jī)背壓時(shí)），才啟動(dòng)RB 功能，降負(fù)荷運(yùn)行。

1.6 設(shè)計(jì)背壓的確定

設(shè)計(jì)背壓是指通過空冷系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算確定的對(duì)應(yīng)“設(shè)計(jì)氣溫”下的汽輪機(jī)背壓值。在計(jì)算空冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)背壓時(shí)，不應(yīng)忽略排汽裝置和排汽管道壓降值[5]，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，排汽裝置的壓降往往比汽機(jī)廠提供的偏大。以300 MW 機(jī)組為例，汽機(jī)廠提供的壓降值為0.3 kPa 左右[6]，一般現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值約0.5 kPa。因此，在進(jìn)行空冷系統(tǒng)性能考核時(shí)，在低壓缸排汽處壓力無法測(cè)得，應(yīng)在排汽裝置出口處進(jìn)行測(cè)試。

在空冷系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算時(shí)，方案不宜少于5 個(gè)（即5 種不同的背壓值），采用年費(fèi)用最小法進(jìn)行計(jì)算。對(duì)優(yōu)化計(jì)算結(jié)果經(jīng)綜合分析后，選取合理的優(yōu)化方案，在優(yōu)化方案數(shù)據(jù)表中，比較每個(gè)方案的年總費(fèi)用大小，理論上較小者即是較為經(jīng)濟(jì)、合理的配置方案，即該方案設(shè)計(jì)氣溫對(duì)應(yīng)的汽輪機(jī)背壓為最佳的空冷機(jī)組設(shè)計(jì)背壓。在最優(yōu)的方案中，利用TMCR 工況對(duì)應(yīng)空冷系統(tǒng)的冷卻容量反算TRL 工況對(duì)應(yīng)空冷機(jī)組的設(shè)計(jì)背壓，一般至少可預(yù)留出3 kPa的背壓富裕量，同時(shí)還能保證空冷散熱面積不超出原有散熱面積（不發(fā)生變化）。

結(jié)合我院最近投運(yùn)工程的優(yōu)化結(jié)果，TMCR 工況對(duì)應(yīng)排汽背壓為11 kPa 時(shí)直接空冷系統(tǒng)年總費(fèi)用相對(duì)較小。

應(yīng)業(yè)主的需求，現(xiàn)在許多正在招標(biāo)或已招標(biāo)的空冷機(jī)組的設(shè)計(jì)背壓都向小的方向優(yōu)化，直冷最低設(shè)計(jì)背壓已達(dá)到9.5 kPa。以某超臨界350 MW 直冷機(jī)組為例，當(dāng)TMCR 工況對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)背壓由11 kPa 降到9.5 kPa 時(shí)，單臺(tái)機(jī)組的空冷散熱面積將增加約25 萬m2，增加的設(shè)備費(fèi)用主要靠增加的發(fā)電量來彌補(bǔ)。從近2 a 空冷廠家投標(biāo)價(jià)格看，空冷設(shè)備價(jià)格還保持在一個(gè)高價(jià)區(qū)間，以350 MW 機(jī)組為例，2019年2 臺(tái)直冷系統(tǒng)設(shè)備價(jià)格比2016 年高出約2 000萬元，通過計(jì)算，不足以抵消因設(shè)計(jì)背壓降低而引起空冷系統(tǒng)設(shè)備費(fèi)用的增加部分。

在實(shí)際中，經(jīng)過對(duì)多個(gè)電廠的調(diào)研，北部地區(qū)空冷機(jī)組常常不能滿負(fù)荷發(fā)電[7]，機(jī)組利用小時(shí)數(shù)更低（有些機(jī)組停一臺(tái)運(yùn)行一臺(tái)）。因此，若一味追求降低機(jī)組的設(shè)計(jì)背壓，只會(huì)增加企業(yè)的運(yùn)行負(fù)擔(dān)。

1.7 設(shè)計(jì)流速的確定

排汽管道的壓降與管道中介質(zhì)流速的平方成正比關(guān)系，在低背壓時(shí)可選擇高流速，在高背壓時(shí)可選擇低流速[8]。例如，當(dāng)10.5 kPa 時(shí)對(duì)應(yīng)的排汽管道流速和12 kPa 時(shí)對(duì)應(yīng)的排汽管道流速是不一樣的[9]。按照國標(biāo)《火力發(fā)電廠直冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（送審稿）中要求“校核阻塞背壓工況下介質(zhì)流速不大于130 m/s”，例如某超臨界350 MW 機(jī)組，從排汽裝置接出1 根DN6 000 mm 排汽管道時(shí)，在安全運(yùn)行低背壓（7～8 kPa）下介質(zhì)流速約為122 m/s，可滿足要求。因此，對(duì)于300 MW（單根）、600 MW 級(jí)（2 根）機(jī)組，通過計(jì)算得出，排汽管道直徑采用DN6 000 mm即可，不宜再擴(kuò)大。

2 結(jié)論

結(jié)合目前實(shí)際工程優(yōu)化結(jié)果對(duì)影響直接空冷系統(tǒng)配置的一些設(shè)計(jì)參數(shù)（設(shè)計(jì)工況、設(shè)計(jì)氣溫、散熱器面積、風(fēng)機(jī)組數(shù)量、環(huán)境風(fēng)、設(shè)計(jì)背壓等）進(jìn)行分析和總結(jié)，得出以下結(jié)論。

a）按照TMCR 工況對(duì)應(yīng)的排汽參數(shù)作為直接空冷系統(tǒng)考核的邊界條件。

b）TMCR 工況對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)氣溫按照＋8 ℃及以下氣溫加權(quán)平均法來計(jì)算，通過實(shí)踐證明可以滿足實(shí)際工程需要。

c）在進(jìn)行直接空冷散熱器面積計(jì)算時(shí)，應(yīng)按照散熱總迎風(fēng)面面積×123 或統(tǒng)一把空冷廠家的散熱器面積折算到翅化比為123 時(shí)對(duì)應(yīng)的散熱器面積。

d）目前，高溫大風(fēng)對(duì)直冷機(jī)組的安全性已不造成威脅，直冷系統(tǒng)（采用防風(fēng)措施）抗風(fēng)能力比間冷系統(tǒng)（目前無實(shí)際運(yùn)用抗風(fēng)裝置）強(qiáng)。

e）結(jié)合現(xiàn)階段煤價(jià)、機(jī)組利用情況、設(shè)備費(fèi)用等，同時(shí)考慮今后直冷系統(tǒng)度夏（抗高溫大風(fēng)）的富裕量，其設(shè)計(jì)背壓取值在10.5～11 kPa 范圍內(nèi)，不宜再盲目降低。

f）對(duì)于300 MW（單根）、600 MW 級(jí)（2 根）機(jī)組，排汽管道直徑采用DN6 000 mm 即可，不宜再擴(kuò)大。

g）采用單臺(tái)電機(jī)額定功率不超過132 kW 來確定空冷系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)組數(shù)量，若現(xiàn)場(chǎng)廠址條件限制，可采用單臺(tái)電動(dòng)機(jī)額定功率不超過160 kW 來確定空冷系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)組數(shù)量。