直接空冷系統(tǒng)運行優(yōu)化探討

孫玉慶

(中國能源建設(shè)集團山西省電力勘測設(shè)計院有限公司，山西 太原 030001)

0 引言

直接空冷技術(shù)出現(xiàn)已有幾十年，初期只是應(yīng)用于一些小容量的聯(lián)合循環(huán)機組或火電廠的汽輪發(fā)電機組[1-3]。隨著工業(yè)技術(shù)水平的發(fā)展和經(jīng)驗的積累，在20 世紀70 年代后，直接空冷技術(shù)的應(yīng)用得到進一步推廣，2000 年后電廠直接空冷技術(shù)的應(yīng)用開始進入快速發(fā)展期，在我國一些富煤缺水地區(qū)相繼建設(shè)了300 MW、600 MW、1 000 MW 級大容量直接空冷機組。

隨著直接空冷機組的持續(xù)運行，一些問題也逐步暴露出來。本文通過調(diào)研，對目前影響直接空冷系統(tǒng)主要的、共性的問題，如夏季運行背壓過高、凝結(jié)水管道振動、防凍、噪聲要求等進行了總結(jié)。

1 夏季運行背壓過高

1.1 產(chǎn)生的問題

出于設(shè)備成本和煤炭價格的考慮，早期投運的空冷機組設(shè)計背壓值已普遍偏高。近年來隨著機組的運行，設(shè)備開始老化，機組實際排汽量大多高于設(shè)計值，同時由于環(huán)境氣溫逐年升高，尤其在夏季高溫大風(fēng)時，機組運行背壓相比設(shè)計值更高，導(dǎo)致機組煤耗和熱耗指標高，機組出力長期受限達10～20 MW 之間，甚至更多。負荷無法達到機組設(shè)計容量，不但造成電廠機組夏季運行期間調(diào)峰能力考核，同時也降低了機組參與當?shù)仉娋W(wǎng)現(xiàn)貨市場的收益水平。

2004～2012 年已投產(chǎn)的數(shù)座600 MW 級直接空冷機組運行情況的調(diào)研結(jié)果見表1 所列，可見火電機組夏季運行背壓普遍高出設(shè)計背壓約4～7 kPa。

表1 部分600 MW級空冷機組運行情況

1.2 夏季運行背壓過高的分析

1.2.1 受環(huán)境高溫大風(fēng)影響

環(huán)境自然大風(fēng)對直接空冷機組運行影響較大，特別是高溫大風(fēng)，將對機組的運行產(chǎn)生嚴重影響。DL/T 5158—2012《電力工程氣象勘測技術(shù)規(guī)程》中對高溫大風(fēng)作了說明，高溫大風(fēng)的選擇條件應(yīng)該符合如下3 種組合：“氣溫大于或等于26 ℃，且10 min 平均風(fēng)速大于或等于3 m/s；氣溫大于或等于26 ℃，且l0 min 平均風(fēng)速大于或等于4 m/s；氣溫大于或等于26 ℃，且l0 min 平均風(fēng)速大于或等于5 m/s。”DL/T 244—2012《直接空冷系統(tǒng)性能試驗規(guī)程》中要求“每一試驗工況有效時間內(nèi)，空冷凝汽器上邊緣上方l m 處的平均環(huán)境風(fēng)速不能超過5 m/s，超過10 m/s 的峰值l h 內(nèi)發(fā)生次數(shù)不能超過20 次。”

遭遇高溫大風(fēng)時，一方面空冷系統(tǒng)風(fēng)機的吸風(fēng)量不足，導(dǎo)致風(fēng)機入口處進風(fēng)空氣流量減少；另一方面會出現(xiàn)熱風(fēng)再循環(huán)，即空冷凝汽器排出的熱氣流在某種特定的條件下被風(fēng)機再次吸入，導(dǎo)致空冷凝汽器的散熱能力下降。在空冷系統(tǒng)運行時，通過空冷凝汽器表面升溫后的空氣上升，呈現(xiàn)羽流狀況[4-6]。當大風(fēng)從爐后吹向平臺散熱器，風(fēng)速過高時，會出現(xiàn)熱風(fēng)再回流現(xiàn)象。根據(jù)風(fēng)機運行維護經(jīng)驗，空冷平臺四周設(shè)置的擋風(fēng)墻并不能完全克服熱風(fēng)再循環(huán)對機組運行的影響[7-8]。

1.2.2 空冷島布置朝向影響

在GB 50660—2011《大中型火力發(fā)電廠設(shè)計規(guī)范》中對空冷島布置應(yīng)符合“直接空冷平臺朝向應(yīng)根據(jù)全年、夏季、夏季高溫大風(fēng)的主導(dǎo)風(fēng)向、風(fēng)速、風(fēng)頻等因素，結(jié)合工藝布置要求，并應(yīng)兼顧空冷機組運行的安全性和經(jīng)濟性綜合確定”。

通常空冷平臺朝向的布置主要依據(jù)夏季平均風(fēng)向和夏季溫度大于26 ℃且風(fēng)速大于4 m/s和5 m/s 的大風(fēng)趨勢來確定，但在實際工程設(shè)計中，往往忽略其他溫度區(qū)段與風(fēng)速組合共同影響趨勢。例如夏季溫度20～26 ℃且風(fēng)速大于7 m/s 的大風(fēng)與溫度大于26 ℃且風(fēng)速大于5 m/s的大風(fēng)對空冷系統(tǒng)影響程度是否一致；夏季溫度18～20 ℃且風(fēng)速大于10 m/s 的大風(fēng)與溫度大于26 ℃且風(fēng)速大于5 m/s 的大風(fēng)對空冷系統(tǒng)影響程度是否一致。

在個別的工程中，依據(jù)以往的環(huán)境高溫大風(fēng)趨勢來確定空冷朝向會對工程產(chǎn)生錯誤的判斷，從而影響機組的運行背壓，需根據(jù)工程實際情況具體分析。

1.2.3 空冷凝汽器本體影響

早期已投運的直接空冷機組，由于運行時間比較長，會出現(xiàn)散熱器管束老化、傳熱效率降低等現(xiàn)象，嚴重影響空冷系統(tǒng)的通風(fēng)和散熱性能，疊加因素造成機組負荷出力不足或煤耗升高。

1.3 改進措施

1.3.1 空冷系統(tǒng)增容

空冷系統(tǒng)增容是目前提高空冷凝汽器能力、降低空冷機組夏季運行背壓的常用措施，包括增加尖峰系統(tǒng)和增加空冷散熱面積裕量兩個方案。

1)方案一：增加尖峰系統(tǒng)

在現(xiàn)有的空冷排汽管道上引接出一路乏汽管線，在空冷島附近適宜的場地上新增一個小規(guī)模尖峰冷卻設(shè)施，用于分擔已有空冷機組的排汽冷卻容量[9-11]，見表2 所列。

表2 600 MW級空冷機組采用尖峰改造后運行情況

由表2 可知，采用尖峰空冷改造后，空冷機組夏季運行背壓降低效果明顯。

2)方案二：增加空冷散熱面積裕量

在現(xiàn)有的空冷排汽管道上引接出一路乏汽管線，在空冷島附近的適宜場地上新增一列或一行空冷風(fēng)機組，用于分擔已有空冷機組的排汽冷卻容量。在空冷系統(tǒng)設(shè)計時，人為增加空冷系統(tǒng)設(shè)計氣溫裕量，便于增大空冷系統(tǒng)配置面積。

3)方案對比

兩種方案效果對比見表3 所列。

表3 空冷系統(tǒng)增容方案對比表

從表3 看，以上兩種技術(shù)方案均具有可行性。若電廠無額外補水量且占地無限制的情況下，優(yōu)先選擇方案一中機力通風(fēng)間冷塔措施；若電廠無額外補水量且占地受限的情況下，優(yōu)先選擇方案二；若電廠額外補水量充裕的情況下，優(yōu)先選擇方案一中的機力通風(fēng)濕冷塔措施；若電廠額外補水量有限的情況下，優(yōu)先選擇方案一中的蒸發(fā)式凝汽器措施。

1.3.2 空冷系統(tǒng)+濕冷系統(tǒng)

基于降低造價的目的，提出一種空冷系統(tǒng)+濕冷系統(tǒng)的新配置方案：在干球溫度30 ℃及以下時不噴水(假設(shè)空冷夏季設(shè)計氣溫為30 ℃)，僅直接空冷系統(tǒng)單獨運行，濕冷系統(tǒng)不投運，汽輪機排汽壓力為30 kPa；在干球溫度30 ℃以上時，從直接空冷系統(tǒng)抽出部分蒸汽到表面凝汽器(兩臺機組可共用一臺凝汽器，凝汽器面積按需要確定)，即直接空冷和部分濕冷系統(tǒng)并聯(lián)運行。以確保機組在年耗水量最小的情況下，滿足汽輪機排汽壓力為26 kPa(預(yù)留4 kPa)；根據(jù)工程實際情況，也可以按照現(xiàn)場給出的最大耗水量，反算得出最經(jīng)濟性配置空冷系統(tǒng)(部分濕冷系統(tǒng)+直接空冷系統(tǒng)組合方案)的干球溫度和配置空冷系統(tǒng)規(guī)模。

1.3.3 預(yù)留設(shè)計背壓裕量

為防止空冷機組夏季背壓運行過高，各個設(shè)計院往往采取“預(yù)留背壓”措施，來彌補散熱器不足而導(dǎo)致的運行背壓升高。

結(jié)合機組實際運行情況，現(xiàn)在空冷標準關(guān)于“預(yù)留背壓”的取值均不高，為避免今后機組出現(xiàn)夏季高溫大風(fēng)影響下運行背壓升高過多現(xiàn)象，建議直接空冷機組在進行夏季設(shè)計背壓性能考核時，預(yù)留至少4～6 kPa。

2 凝結(jié)水管道振動

2.1 產(chǎn)生的問題

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在高負荷階段，直接空冷機組凝結(jié)水管道普遍產(chǎn)生振動現(xiàn)象，且比較嚴重，表現(xiàn)在回水管道由垂直段變?yōu)樗蕉翁帲髯矒魪濐^發(fā)出刺耳聲響，造成的原因主要有以下幾點：

1)由于設(shè)計上的缺陷，造成凝結(jié)回水的水位控制存在偏差，導(dǎo)致水位在高負荷時過高，達到了水平管段位置，致使水中含汽量大，汽水兩向流造成管路振動；

2)管路布置的不足，水流在彎頭、三通及下降管中流場的流速分布不均勻引起管道振動；

3)各列回水管因距離、大風(fēng)、冷凝程度不均等因素影響，使凝結(jié)水回水溫度產(chǎn)生偏差，匯集后因水溫不同會造成回水管路振動；

4)機組負荷過高時，凝結(jié)水流量增大，進入凝結(jié)水回水管路時易形成水塞，導(dǎo)致凝結(jié)水管振動。

2.2 改進措施

通過對已投運機組的空冷凝結(jié)水管路和支吊架設(shè)計優(yōu)化，避開共振，降低凝結(jié)水管道氣液兩相流產(chǎn)生的噪音，從而減輕凝結(jié)水管道的振動。可采取的措施如下：

1)增大凝結(jié)水管道匯總管管徑

正常凝結(jié)水管道流速在0.6～0.7 m/s 之間，通過計算，300 MW 級機組凝結(jié)水匯總管口徑為DN600～DN700(單根管)，600 MW 級機組凝結(jié)水匯總管口徑為DN600～DN700(兩根管)。

2)改變空冷支柱管道支座結(jié)構(gòu)型式

在盡量不改變原有凝結(jié)水管道布置的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整支座的結(jié)構(gòu)型式來改變整個凝結(jié)水管路的固有頻率，縮小整個管道系統(tǒng)的柔性，增強剛性，提高管系固有頻率，減小了凝結(jié)水管道下降管的振動。按此對改造前后的下降管進行振動的數(shù)值模擬，空冷支柱上凝結(jié)水管道固有頻率計算見表4 所列。

表4 凝結(jié)水管道固有頻率對比表

3)檢查已有空冷支柱上管道的支座焊接情況

通過現(xiàn)場檢查，發(fā)現(xiàn)多數(shù)管道的支座出現(xiàn)點焊或焊接不全面的現(xiàn)象，極易造成焊縫開裂，對機組的穩(wěn)定運行造成危險，此時需及時修補維護。

3 防凍問題

3.1 產(chǎn)生的問題

在嚴寒地區(qū)，機組直接空冷系統(tǒng)在冬季運行或者啟機過程中往往存在凝結(jié)水過冷度大、空冷凝汽器冷熱不均勻、管束局部結(jié)冰導(dǎo)致的變形等現(xiàn)象，對機組的安全造成影響。造成的原因主要有以下幾點：

1)局部汽阻導(dǎo)致的過冷。未凝結(jié)蒸汽以及所含少量不凝氣體不能順利排至管束下聯(lián)箱，不凝氣體不能順利排至逆流管束被抽出，導(dǎo)致該管段被過度冷卻乃至產(chǎn)生結(jié)冰現(xiàn)象；

2)機組啟機蒸汽流量過低。由于低溫下的自然換熱，飽和蒸汽在管束內(nèi)流動過程中，蒸汽冷凝段縮短、凝結(jié)水冷卻段增加，過冷度增大，若環(huán)境氣溫過低，凝結(jié)水過度冷卻的程度會加重，繼而導(dǎo)致管束基管內(nèi)的凝結(jié)水過冷乃至產(chǎn)生結(jié)冰現(xiàn)象。

3.2 改進措施

1)增加空冷凝汽器溫度場監(jiān)測裝置

采用空冷凝汽器溫度無線監(jiān)測系統(tǒng)對空冷凝汽器容易凍結(jié)部位進行溫度監(jiān)測，通常布置在凝汽器A 型裝置外側(cè)覆蓋順流中下部和逆流中上部，在A 型裝置內(nèi)側(cè)各單元則根據(jù)實際需要布置溫度測點。

2)縮短管束長度

在工程設(shè)計中管束長度一般不宜超過10 m，過長的管束不利于機組防凍。目前筆者所在公司設(shè)計的已投運機組中單排管束最長達到11.78 m。

縮短管束長度可減少被凍結(jié)危險，在嚴寒地區(qū)設(shè)計的直接空冷系統(tǒng)可以采用短管束，管束有效長度在5 m 左右(約為大通道大扁管長度一半)。

3)增加電動封閉百葉窗

在空冷凝汽器管束所在冷卻單元內(nèi)部的水平面上設(shè)置電動帆布裝置或者電動百葉窗，通過控制流通截面控制冷空氣量，以減少吹向空冷凝汽器的冷風(fēng)量。

此方案已有多個應(yīng)用實例且運行效果良好，在設(shè)計、安裝、運行、控制方面應(yīng)注意以下兩點：目前電動百葉窗的開度基本為整體控制，若計劃實現(xiàn)分段控制，需考慮增加進風(fēng)阻力和風(fēng)量；根據(jù)項目實地情況，確定氣溫降低到某一溫度時，啟動百葉窗的開度控制，使機組在更低的背壓運行。

4 噪聲要求

目前根據(jù)已投運的直接空冷電廠現(xiàn)場噪聲監(jiān)測數(shù)據(jù)的整理，以300 MW 機組為例，空冷系統(tǒng)噪聲特性如下：

1)兩臺機組的60 臺風(fēng)機全部開啟時，距離空冷平臺150 m 處的噪聲值達57 dB(A)；

2)當兩臺機組的60 臺風(fēng)機全部開啟時，在距離空冷平臺20 m 處的噪聲值為70 dB(A)；

3)空冷平臺噪聲主要集中在100 Hz 到2 000 Hz，噪聲頻帶較寬，高頻噪聲比低頻稍高，但高頻噪聲衰減較快。從距離衰減比較分析，63 Hz 以下頻帶噪聲在距離空冷平臺外邊緣40 m 距離內(nèi)基本上沒有任何衰減，70 m 距離以上時才開始有衰減。

大多數(shù)電廠建設(shè)在城市周邊，遠離村莊、學(xué)校等噪音敏感區(qū)，靠近空冷平臺處的廠界噪聲基本都超標，為節(jié)省工程造價，電廠應(yīng)在項目招標前取得當?shù)卣P(guān)于廠界外150 m/200 m區(qū)域為噪聲防護區(qū)以及今后不規(guī)劃建設(shè)噪聲敏感建筑的函件，并列入環(huán)評報告中。這樣在風(fēng)機招標時，采用常規(guī)低噪音風(fēng)機就可以滿足要求。

5 結(jié)論

本文針對常規(guī)直接空冷系統(tǒng)在運行中出現(xiàn)的問題進行分析，通過對其進行技術(shù)改進和能效提升研究，得出以下結(jié)論：

1)直接空冷機組在進行夏季設(shè)計背壓性能考核時，應(yīng)預(yù)留4～6 kPa；

2)采用空冷系統(tǒng)增容可以提高空冷散熱能力，但投資大、耗水量大、需要額外占地，建議在空冷系統(tǒng)設(shè)計階段，增加空冷系統(tǒng)設(shè)計氣溫或空冷系統(tǒng)配置面積裕量，以彌補空冷系統(tǒng)散熱能力不足；

3)基于降低造價的目的，提出一種配置方案部分濕冷系統(tǒng)+直接空冷系統(tǒng)組合方案，可根據(jù)環(huán)境氣溫或現(xiàn)場耗水量來配置其組合規(guī)模；

4)通過凝結(jié)水管路和支吊架設(shè)計優(yōu)化，減小振動，降低了凝結(jié)水管道氣液兩相流產(chǎn)生的噪聲；

5)可通過縮短管束長度來實現(xiàn)防凍，在今后運行中，可結(jié)合采用空冷凝汽器溫度場監(jiān)測裝置來輔助防凍，使機組運行背壓更低，降低煤耗，并考慮增加電動封閉百葉窗；

6)應(yīng)充分考慮到電廠周邊環(huán)境，在市區(qū)內(nèi)應(yīng)采取降噪措施來滿足廠界噪音達標要求，若遠離市區(qū)，應(yīng)結(jié)合噪音噪聲防護區(qū)來要求，可降低企業(yè)投資費用和電耗。