空冷機組高背壓凝汽器夏季運行分析

摘 要：火電空冷機組在夏季運行時經(jīng)常會因環(huán)境溫度高而導(dǎo)致機組背壓升高，出現(xiàn)無法帶額定負荷的情況。鑒于此，以某電廠660 MW超臨界直接空冷機組為模型，該機組為解決夏季高溫時段機組帶負荷問題，將高背壓凝汽器系統(tǒng)當(dāng)作小型凝汽器，以提高機組夏季出力。通過對比該機組2021年未投運高背壓凝汽器系統(tǒng)與2022年同時段投運高背壓凝汽器系統(tǒng)的運行情況，計算出不同負荷下機組綜合煤耗最低的運行方式，得出空冷機組在投運高背壓凝汽器系統(tǒng)時，機組背壓投自動，高背壓凝汽器循環(huán)水系統(tǒng)投運一泵三風(fēng)機的運行方式下最經(jīng)濟，而且隨著溫度升高，對煤耗的節(jié)省效果更加明顯。

關(guān)鍵詞：空冷機組；高背壓凝汽器；運行方式；煤耗；背壓

中圖分類號：TK247" " 文獻標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）06-0059-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.06.016

0" " 引言

在國內(nèi)，空冷系統(tǒng)獨特的優(yōu)點使其在特定地域條件下表現(xiàn)出色。

首先，空冷機組的最大優(yōu)勢之一是水耗相對低，相較于傳統(tǒng)的水冷系統(tǒng)，空冷機組無須大量水資源進行冷卻，使其在水資源匱乏的地區(qū)表現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性，特別適用于西北、華北等水資源相對稀缺的地區(qū)。這不僅有助于減輕當(dāng)?shù)厮Y源的壓力，同時也降低了水處理和供水系統(tǒng)的運營成本，提高了環(huán)境可持續(xù)性[1]。

其次，空冷機組的結(jié)構(gòu)相對簡單，易于維護。相比于傳統(tǒng)的水冷系統(tǒng)，空冷系統(tǒng)中不涉及復(fù)雜的水冷管道、冷卻塔等設(shè)備，減少了設(shè)備的維護成本和頻率。這一特點使得空冷機組在一些偏遠地區(qū)或缺乏專業(yè)技術(shù)支持的地方更為適用，具有更好的可靠性和可維護性。

然而，空冷機組在夏季高溫條件下也面臨一些挑戰(zhàn)。由于空氣的熱比容較小，夏季溫度升高，空冷機組的背壓就會上升，進而影響了機組的發(fā)電效率。特別是在極端高溫條件下，可能導(dǎo)致機組出力受限的問題。

空冷機組通過調(diào)整空冷風(fēng)機頻率，可以有效控制背壓，并在一定程度上影響廠用電率。這一關(guān)系與機組的煤耗和經(jīng)濟性直接相關(guān)[2]。

實踐表明，空冷風(fēng)機的頻率調(diào)整對機組背壓有直接影響。一般而言，隨著空冷風(fēng)機轉(zhuǎn)速的增加，空冷系統(tǒng)的散熱能力提高，背壓相應(yīng)降低。這是因為高轉(zhuǎn)速的風(fēng)機能夠更有效地將熱量帶走，降低了空冷系統(tǒng)內(nèi)氣體的溫度，從而減少了排氣時的壓力。通過控制空冷風(fēng)機的頻率，可以在一定范圍內(nèi)靈活地調(diào)整機組背壓，從而實現(xiàn)最佳運行狀態(tài)。

然而，需要注意的是，雖然通過調(diào)整空冷風(fēng)機頻率可以有效降低背壓，但同時也會引起廠用電率的變化。通常情況下，空冷風(fēng)機頻率的升高會導(dǎo)致風(fēng)機電流增加，從而影響機組的廠用電率。因此，需要綜合考慮背壓降低帶來的煤耗減少和廠用電率升高對經(jīng)濟性的影響[3]。

通常，直接空冷機組的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是在環(huán)境溫度T下空冷系統(tǒng)運行時的背壓為P，在實際運行中，這一要求基本能夠得到滿足。然而，一旦環(huán)境溫度超過T，汽輪機的背壓就會上升，導(dǎo)致發(fā)電煤耗增加，而按額定工況修正的汽輪機背壓也已經(jīng)偏離了設(shè)計值。

為提高直接空冷機組的夏季適應(yīng)能力，降低機組在夏季及次高溫季節(jié)的運行背壓，以減少煤耗，必須加強冷端的散熱能力。

1" " 空冷機組計算實例

1.1" " 某電廠660 MW機組空冷系統(tǒng)介紹

某電廠660 MW超臨界直接空冷機組，配置56個單排管空冷凝汽器單元。布置分為8列，每列有7個單元，每個單元由10片管束組成，每列共有8片逆流管束。每個空冷凝汽器單元下部安裝一臺？準(zhǔn)9 750 mm或？準(zhǔn)9 140 mm的軸流風(fēng)機，所有風(fēng)機均采用變頻調(diào)速電機，連同驅(qū)動裝置都懸掛在空冷平臺的防振橋上。風(fēng)機與電機是通過正齒輪聯(lián)動機構(gòu)來驅(qū)動的，所有風(fēng)機均采用調(diào)速電機，根據(jù)機組運行負荷和環(huán)境空氣溫度的變化進行最佳調(diào)節(jié)。

直接空冷汽輪機低壓缸排汽參數(shù)高，且變化范圍大。直接空冷汽輪機額定出力工況背壓一般在9～33 kPa范圍變化（背壓曲線設(shè)定區(qū)間8.5～12 kPa，即背壓大于12 kPa時，所有空冷風(fēng)機頻率基本已達到上限）。一般運行中不允許超過33 kPa運行，因為超過33 kPa后，凝結(jié)水溫度過高，超過了凝結(jié)水精處理樹脂允許的使用溫度。

在夏季高溫時段，空冷機組背壓時常超過30 kPa，給機組安全經(jīng)濟穩(wěn)定運行帶來嚴(yán)峻考驗，同時隨著電網(wǎng)對負荷響應(yīng)能力考核越來越嚴(yán)格，無法帶額定出力會給電廠帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。為此，該機組在直接空冷基礎(chǔ)上配置高背壓凝汽器系統(tǒng)，作為保證安全背壓的補充措施。高背壓凝汽器系統(tǒng)設(shè)備性能數(shù)據(jù)如表1所示。

圖1為該系統(tǒng)汽水流程圖，通過將汽輪機排汽部分分流至高背壓凝汽器，實現(xiàn)排汽溫度和壓力的有效降低，減輕汽輪機內(nèi)部排汽負荷，有效降低整體背壓水平。這不僅有助于提高機組的熱效率和發(fā)電性能，還能夠在不同負荷和環(huán)境條件下保持低背壓運行。

1.2" " 高背壓凝汽器系統(tǒng)優(yōu)點

空冷機組增設(shè)高背壓凝汽器系統(tǒng)后，在夏季高溫時段既提高了機組帶負荷能力，也增強了機組的安全性。

1）提高蒸汽輪機的效率。當(dāng)機組背壓降低時，排出的蒸汽溫度也降低，從而使得整個系統(tǒng)的效率得到提高。

2）在夏季高溫時段，機組能夠滿負荷發(fā)電運行，增加了發(fā)電量，提高了機組利用率。

3）使機組在夏季處于經(jīng)濟工況下運行，增加了機組背壓的調(diào)整手段。

4）降低電廠的燃料消耗。由于背壓的降低使得蒸汽輪機的效率提高，因此單位發(fā)電量所需要的燃料就會減少，進而降低電廠的成本。

5）減輕設(shè)備負荷。低真空條件下，排氣系統(tǒng)的阻力較小，對汽輪機本身以及與之相連的設(shè)備產(chǎn)生的負荷較小，這有助于延長汽輪機和相關(guān)設(shè)備的使用壽命，減少設(shè)備的磨損。

1.3" " 機組高背壓凝汽器運行經(jīng)濟性分析

空冷機組運行中，背壓與廠用電率成反比關(guān)系，即增加空冷風(fēng)機的轉(zhuǎn)速會導(dǎo)致背壓下降，從而減少煤耗。然而，隨著轉(zhuǎn)速的提高，風(fēng)機電流也會增加，這會導(dǎo)致廠用電率上升，進而使煤耗增加。在運行中，需要找到對應(yīng)負荷下的臨界點，以確保降低背壓對煤耗減少的影響大于增加廠用電率對煤耗增加的影響，即為最佳背壓。根據(jù)660 MW超臨界機組的統(tǒng)計指標(biāo)：每降低1 kPa的背壓，供電煤耗降低1 g/（kW·h），而廠用電率增加1%則導(dǎo)致供電煤耗增加3 g/（kW·h）。計算可知，為了經(jīng)濟運行，每降低1 kPa的背壓，廠用電率上升值應(yīng)小于1/3，即在0.333%以內(nèi)。因此，機組的空冷島56臺風(fēng)機、高背壓凝汽器循環(huán)水泵以及冷卻風(fēng)機的總耗電量增加值在小于機組負荷乘以0.333%時才屬于經(jīng)濟范圍[4]。

下面以該空冷機組配置高背壓凝汽器、一臺機力塔循環(huán)水泵和三臺機力塔風(fēng)機為模型，進行對比計算。

選取該機組2021年4月至10月未投運高背壓凝汽器系統(tǒng)與2022年同時段投運高背壓凝汽器系統(tǒng)的機組運行數(shù)據(jù)1萬余項，進行對比計算。其中包括機組負荷、環(huán)境溫度、背壓、空冷變電流、廠用10 kV段電流、高背壓凝汽器循環(huán)水泵電流、風(fēng)機電流、高背壓凝汽器循環(huán)泵、風(fēng)機運行個數(shù)等。

具體計算過程如下：

1）背壓變化（kPa）：

ΔP=P1-P2

式中：ΔP為背壓變化；P1為未投運高背壓凝汽器時的機組背壓；P2為投運高背壓凝汽器時的機組背壓。

2）空冷節(jié)約廠用電率（%）：

Δξap1=（ΔPak/Pe）×100%

式中：Δξap1為空冷節(jié)約廠用電率；ΔPak=Pk1-Pk2，Pk1為未投運高背壓凝汽器時的機組空冷電耗，Pk2為投運高背壓凝汽器時的機組空冷電耗；Pe為發(fā)電機功率。

3）循環(huán)水系統(tǒng)增加廠用電率（%）：

Δξap2=（Pax/Pe）×100%

式中：Δξap2為循環(huán)水系統(tǒng)增加廠用電率；Pax為投運高背壓凝汽器時的機組循環(huán)水系統(tǒng)電耗。

4）凈降低煤耗率[kg/（kW·h）]：

Δbcp=ΔP×1+Δξap1×3-Δξap2×3

式中：Δbcp為凈降低煤耗率；1、3為系數(shù)。

5）凈降低標(biāo)準(zhǔn)煤耗率[kg標(biāo)煤/（kW·h）]：

Δbscp=Δbcp·q/q1

式中：Δbscp為凈降低標(biāo)準(zhǔn)煤耗率；q為入爐煤發(fā)熱量；q1為標(biāo)準(zhǔn)煤低位發(fā)熱量，q1=29 307 kJ/kg。

1.4" " 計算結(jié)果

在高背壓凝汽器循環(huán)水泵和風(fēng)機運行臺數(shù)相同的情況下（1泵3風(fēng)機），對比背壓在自動和設(shè)定7 kPa時高背壓凝汽器系統(tǒng)投運對機組煤耗影響情況，計算結(jié)果如表2、3、4所示。

對表2、表3、表4的計算結(jié)果進行分析，可以得出結(jié)論：在不同的溫度和負荷條件下，當(dāng)高背壓凝汽器循環(huán)水系統(tǒng)中投運1泵3風(fēng)機時，選擇機組背壓處于自動模式時更為經(jīng)濟。這表明，自動方式下機組背壓的調(diào)節(jié)更能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的運行環(huán)境，實現(xiàn)對系統(tǒng)的智能優(yōu)化。這種模式下，機組能夠更有效地應(yīng)對外部條件的變化，從而在不同工況下實現(xiàn)更為經(jīng)濟可行的運行狀態(tài)。

在機組背壓自動狀態(tài)下，當(dāng)高背壓凝汽器循環(huán)水系統(tǒng)中投運1泵3風(fēng)機時，環(huán)境溫度分別為19、24、28 ℃時的不同負荷和煤耗降對比如表5所示。結(jié)果顯示，隨著環(huán)境溫度的升高，高背壓凝汽器系統(tǒng)的投運對空冷機組的發(fā)電煤耗具有顯著的節(jié)省效果。這說明在相對較高的溫度條件下，啟用高背壓凝汽器系統(tǒng)可以更有效地提高發(fā)電機組的能源利用效率。

2" " 空冷機組背壓影響其他因素

2.1" " 空冷風(fēng)機運行數(shù)量的影響

根據(jù)風(fēng)機與三相電動機相關(guān)理論，風(fēng)機轉(zhuǎn)速的增加倍數(shù)與風(fēng)量的增加倍數(shù)的一次方成正比，與電流增加倍數(shù)的三次方成正比，這勢必引起運行空冷風(fēng)機電流大幅上升，導(dǎo)致廠用電率增加。因此，在機組正常運行中保持背壓一定時，降低全部風(fēng)機頻率運行比停運部分風(fēng)機運行經(jīng)濟性好。日常運行中應(yīng)加強風(fēng)機消缺的及時性，保證風(fēng)機運行。

2.2" " 環(huán)境溫度的影響

機組運行中，環(huán)境溫度升高時，若想維持機組背壓在一定值不變，那么空冷風(fēng)機電流則會增加，廠用電率上升。且環(huán)境溫度越高，風(fēng)機頻率越高，耗電率會大大增加[5]。因此，當(dāng)環(huán)境溫度上升較快時，應(yīng)密切監(jiān)視每降低1 kPa背壓，廠用電率上升值是否小于0.333%，當(dāng)廠用電率上升值大于0.333%時，應(yīng)適當(dāng)提高背壓值。

2.3" " 空冷管束表面清潔程度的影響

空冷管束表面清潔對于設(shè)備的正常運行至關(guān)重要。長時間運行中管束表面往往會積累灰塵、油脂和其他雜質(zhì)，這些管束表面積聚的塵埃和雜質(zhì)會阻礙空氣流通，導(dǎo)致散熱效果下降，影響設(shè)備穩(wěn)定運行。因此，定期沖洗和檢查空冷管束是維持系統(tǒng)順暢運行的必要措施。通過清除附著在管束上的污物，可以恢復(fù)其原始散熱性能，提高設(shè)備的穩(wěn)定性和效率。

3" " 結(jié)論

1）空冷機組投運高背壓凝汽器系統(tǒng)，在夏季高溫時段能有效降低機組背壓，節(jié)省發(fā)電煤耗，滿足機組帶額定負荷和安全經(jīng)濟穩(wěn)定運行的需求。

2）根據(jù)前面計算經(jīng)濟性分析，在不同溫度和負荷下，高背壓凝汽器循環(huán)水系統(tǒng)投運1泵3風(fēng)機時，機組背壓在自動方式下更經(jīng)濟。在機組背壓自動狀態(tài)下，隨著環(huán)境溫度的升高，高背壓凝汽器系統(tǒng)投運對空冷機組發(fā)電煤耗的節(jié)省效果更明顯。

3）綜合考慮機組背壓降低對廠用電率的影響，得出結(jié)論：對于660 MW超臨界直接空冷機組，為確保經(jīng)濟性，背壓每降低1 kPa，廠用電率的增加幅度應(yīng)控制在小于0.333%的范圍內(nèi)。雖然降低背壓有望提高發(fā)電機效率，但過度降壓可能導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部損失減少不足以抵消其對廠用電率的不良影響。這樣的控制不僅可以有效降低單位發(fā)電量的燃料消耗，還能維持電廠的整體運行成本在可接受的范圍內(nèi)，確保調(diào)整背壓是一項經(jīng)濟有效的優(yōu)化措施。

[參考文獻]

[1] 吳小雷.600 MW超臨界機組凝汽器真空異常分析[J].低碳世界，2020，10（3）：34-35.

[2] 孫玉慶.直接空冷系統(tǒng)運行優(yōu)化探討[J].電力勘測設(shè)計，2023（9）：19-23.

[3] 俎海東，魏超，焦海峰.超臨界間接空冷機組乏汽外引高背壓供熱系統(tǒng)改造分析[J].內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2021，39（4）：78-81.

[4] 崔鴻海.660 MW空冷機組最佳背壓運行方式淺析[J].電力設(shè)備，2019，31（11）：58-59.

[5] 王明亮，朱全興.火電廠高背壓凝汽器分區(qū)域運行方式研究[J].價值工程，2023，42（17）：38-40.

收稿日期：2023-11-17

作者簡介：溫騁（1995—），男，山西臨汾人，助理工程師，研究方向：電廠集控運行。