直接空冷機(jī)組安全渡夏探析

高清林

(福建電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院,福建 泉州 362000)

1 概 述

直接空冷機(jī)組具有冷卻系統(tǒng)的節(jié)水率高、占地面積小、無自然水熱污染,以及電廠選址不受水源制約等諸多極富競爭力的優(yōu)點。近幾年來,直接空冷機(jī)組也在富煤缺水的“三北”煤礦坑口地區(qū)得到很大的發(fā)展,直接空冷技術(shù)的應(yīng)用也日臻完善,但是,目前我國的直接空冷技術(shù)應(yīng)用尚屬起步階段,在設(shè)計、制造、安裝、運行、測試等方面還有許多技術(shù)問題亟待解決,尤其是直接空冷機(jī)組受環(huán)境風(fēng)場的影響大,在夏季炎熱期常因背壓過高而使機(jī)組出力受阻甚至跳閘,這一直是直接空冷機(jī)組懸而未決的問題。現(xiàn)將定性分析環(huán)境風(fēng)場對直接空冷機(jī)組在夏季炎熱期安全經(jīng)濟(jì)運行的不利影響,借鑒國外直接空冷技術(shù)發(fā)展的經(jīng)驗,并結(jié)合國內(nèi)直接空冷機(jī)組設(shè)計和運行的實踐,提出應(yīng)對措施。

2 環(huán)境風(fēng)場對空冷凝汽器運行的不利影響

由于直接空冷機(jī)組是利用環(huán)境風(fēng),冷卻直接冷凝汽輪機(jī)的排汽,空冷凝汽器的冷卻性能受風(fēng)溫、風(fēng)速和風(fēng)向等環(huán)境因素的影響很大。在炎熱的夏季,環(huán)境風(fēng)場將對空冷凝汽器的運行產(chǎn)生極為不利的影響。

2.1 夏季高溫削弱空冷凝汽器的冷卻能力

在夏季高溫時段,由于空冷凝汽器置身于較高的環(huán)境氣溫中,冷、熱流體之間的換熱溫差減小,而且,隨著環(huán)境氣溫(亦即空冷凝汽器冷卻空氣的入口溫度)的升高,空冷凝汽器冷卻空氣的進(jìn)、出口溫差減小,冷卻空氣受到的浮升力減小,空冷凝汽器迎面風(fēng)速降低;同時,空冷凝汽器的初始溫差和傳熱端差,均隨其入口空氣溫度的升高而增大。

冷、熱流體之間換熱溫差的減小,以及冷流體流動速度的降低,都將導(dǎo)致空冷凝汽器冷卻能力明顯下降,使汽輪機(jī)的排汽溫度升高;而空冷凝汽器初始溫差和傳熱端差的增大,又加劇汽輪機(jī)排汽溫度的升高。

2.2 環(huán)境風(fēng)減少了空冷凝汽器的冷卻風(fēng)量

在沒有環(huán)境風(fēng)場作用時,空氣被風(fēng)機(jī)吸入并升壓后,流經(jīng)空冷凝汽器進(jìn)行熱交換,風(fēng)機(jī)工作在設(shè)計工況下,環(huán)境風(fēng)流向如圖1(a)所示。

在有環(huán)境風(fēng)場作用時,在風(fēng)機(jī)吸入口附近會產(chǎn)生兩個方向的負(fù)壓區(qū),一個是垂直于地面的,一個是平行于地面的。如此,在無環(huán)境風(fēng)作用時本應(yīng)全部吸入風(fēng)機(jī)吸入室的氣流,因為環(huán)境風(fēng)場形成的負(fù)壓區(qū)卷吸了一部分吸入口的氣流,使進(jìn)入吸入室的空氣量減少,則風(fēng)機(jī)出口的風(fēng)量也成比例減少,造成凝汽器冷卻風(fēng)量不足,換熱效率降低,如圖1(b)所示。這種現(xiàn)象對處在風(fēng)機(jī)群入口的空冷風(fēng)機(jī)尤其明顯,而且,隨著環(huán)境風(fēng)速的提高,被負(fù)壓區(qū)卷吸的風(fēng)量也相應(yīng)增大。

2.3 環(huán)境風(fēng)阻滯空冷凝汽器的熱氣蒸騰

當(dāng)無環(huán)境風(fēng)場作用時,空冷風(fēng)機(jī)將吸入室的空氣升壓后吹向空冷凝汽器,經(jīng)凝汽器加熱后的熱氣流在熱浮力作用下,經(jīng)其翅片間隙呈羽流狀豎直上升,并逐漸擴(kuò)散到高空大氣中,形成“蒸騰”現(xiàn)象,空冷凝汽器能正常散熱,如圖2(a)所示。

當(dāng)高流速的環(huán)境風(fēng)橫掠空冷凝汽器上方時,將形成風(fēng)阻,阻滯熱氣的正常蒸騰,導(dǎo)致空冷凝汽器熱氣流動不暢,使凝汽器被包圍在熱氣中,造成換熱狀態(tài)惡化,如圖2(b)所示。

2.4 環(huán)境風(fēng)導(dǎo)致空冷凝汽器的熱風(fēng)回流和倒灌

當(dāng)出現(xiàn)環(huán)境風(fēng)場時,空冷凝汽器四周擋風(fēng)墻的迎風(fēng)面處便會形成旋渦,造成一負(fù)壓區(qū),與此同時,靠近擋風(fēng)墻的風(fēng)機(jī)在其吸入口附近也形成另一負(fù)壓區(qū),而此時空冷凝汽器上方的部分熱空氣在擴(kuò)散過程中,因受環(huán)境風(fēng)場的作用而在擋風(fēng)墻頂部突然折向加速向下,這部分熱空氣在此兩負(fù)壓區(qū)的作用下被卷吸入靠近擋風(fēng)墻的風(fēng)機(jī)吸入口處,形成熱風(fēng)回流。

不僅如此,當(dāng)有橫向風(fēng)吹來時,在空冷凝汽器的上方區(qū)域,當(dāng)此處的氣壓高于部分空冷風(fēng)機(jī)出口壓力時,已擴(kuò)散的熱空氣又反向流過空冷凝汽器并倒吸進(jìn)風(fēng)機(jī)入口低壓區(qū),形成熱風(fēng)倒灌現(xiàn)象。

熱風(fēng)回流和熱風(fēng)倒灌均會使空冷凝汽器的入口風(fēng)溫高于環(huán)境溫度,使換熱溫差減小,導(dǎo)致傳熱狀態(tài)惡化。

3 環(huán)境風(fēng)場對直接空冷機(jī)組安全渡夏的負(fù)面影響

環(huán)境風(fēng)場的存在不僅減少了空冷凝汽器的冷卻風(fēng)量,阻滯熱風(fēng)的散發(fā),還造成大量的熱風(fēng)回流和倒灌,在夏季炎熱期將導(dǎo)致空冷凝汽器的換熱狀態(tài)惡化,使汽機(jī)背壓和排汽溫度驟升,嚴(yán)重威脅直接空冷機(jī)組的穩(wěn)定、安全和經(jīng)濟(jì)運行。

苦瓜，別名涼瓜、癩瓜、錦荔枝，葫蘆科苦瓜屬1年生蔓性草本植物。它以嫩果供食，可炒食、涼拌或做湯等。苦瓜含多種營養(yǎng)成分，營養(yǎng)價值較高。每百克果肉含維生素C80毫克，是黃瓜含量的14倍，而且還含有多種氨基酸、維生素A、B等，食后助消化，增進(jìn)食欲，對多種疾病有較高療效，所以深受消費者歡迎。

3.1 導(dǎo)致機(jī)組出力受阻甚至跳閘

當(dāng)汽機(jī)背壓大幅升高時,為保證其安全,機(jī)組被迫降負(fù)荷運行,出力受阻而不能滿發(fā),甚至可能因低真空保護(hù)動作而使汽機(jī)跳閘。

3.2 致使低壓排汽缸運行失穩(wěn)

汽機(jī)排汽溫度的大幅升高,將導(dǎo)致低壓排汽缸的熱膨脹、熱變形和熱應(yīng)力急劇增大乃至超標(biāo),并使座落在低壓缸上的軸承標(biāo)高向上抬起,致使各軸承負(fù)荷分配失衡,進(jìn)而影響到軸系的穩(wěn)定性,引起機(jī)組振動,甚至激發(fā)顫振。

3.3 引發(fā)小容積流量工況

當(dāng)汽機(jī)背壓較高而所帶負(fù)荷較小時,其低壓通流部分可能會出現(xiàn)小容積流量工況,這將對機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運行產(chǎn)生極為不利的影響。

(1)因小容積蒸汽流量不足以冷卻低壓通流部分因鼓風(fēng)摩擦損失而產(chǎn)生的熱量,致使低壓排汽溫度升高。

(2)在小容積流量工況下,末級動葉將由透平工況變?yōu)楣娘L(fēng)工況,而且隨容積流量的進(jìn)一步減小,這種鼓風(fēng)工況將逐級向前推進(jìn)。在鼓風(fēng)工況下,因動葉不但不對外做功,反而還要因鼓風(fēng)作用而消耗機(jī)械功,使級的有效功率變?yōu)樨?fù)值。

(3)在小容積流量工況下,末級動葉根部反動度可能變?yōu)樨?fù)值,使動葉根部出口出現(xiàn)脫流和倒流,激發(fā)葉片產(chǎn)生振動,甚至引起葉片組的顫振,導(dǎo)致葉片損壞;而當(dāng)帶水的濕蒸汽在末級動葉根部發(fā)生倒流時,動葉出口邊處將產(chǎn)生水蝕現(xiàn)象。

(4)在小容積流量工況下,末級動葉出口速度驟降,動葉工作在大的負(fù)沖角下,其頂部將發(fā)生嚴(yán)重的流動分離,形成漩渦,這不僅使末級動葉頂部的葉型損失急劇增加,而且還明顯增大了葉片受到的交變應(yīng)力,嚴(yán)重時甚至?xí)斐扇~片顫振以至損壞。

4 應(yīng)對環(huán)境風(fēng)場不利影響的措施

在夏季炎熱期,環(huán)境風(fēng)場的出現(xiàn)可能導(dǎo)致直接空冷機(jī)組出力受阻甚至跳閘,低壓排汽缸“三熱”超標(biāo),軸系失穩(wěn),并引發(fā)小容積流量工況。因此,為確保直接空冷機(jī)組安全渡夏,必須采取相應(yīng)措施,應(yīng)對環(huán)境風(fēng)場的不利影響。

4.1 優(yōu)化空冷系統(tǒng)的設(shè)計

(2)空冷凝汽器應(yīng)布置在其它熱體夏季主導(dǎo)風(fēng)向的上風(fēng)向,以減少熱風(fēng)回流。

(3)將空冷凝汽器四周的擋風(fēng)墻縱向延伸:向下延伸以降低環(huán)境風(fēng)場對緊靠擋風(fēng)墻的風(fēng)機(jī)吸入口的不利影響;向上延伸以抬升擋風(fēng)墻外圍的漩渦核心,并依靠增高后的擋風(fēng)墻的阻擋,減少渦流對凝汽器上方熱氣流的卷吸作用;擋風(fēng)墻的縱向延伸還可延長熱風(fēng)回流的行程,使回流熱風(fēng)溫度有所下降。

(4)將空冷凝汽器置身于空冷塔內(nèi),以自然通風(fēng)代替機(jī)械通風(fēng),可大大減緩因環(huán)境風(fēng)場而引起的熱風(fēng)回流。

(5)在擋風(fēng)墻的下部設(shè)置防風(fēng)網(wǎng),以阻擋來自空冷島上部的回流熱空氣;同時也以此對進(jìn)入空冷風(fēng)機(jī)入口的風(fēng)速進(jìn)行減速增壓,使風(fēng)機(jī)的出力不至于降得太低,防止換熱狀態(tài)惡化。

(6)處在空冷島四周邊緣的空冷風(fēng)機(jī),其電動機(jī)的容量適當(dāng)選取較大值,以便在大風(fēng)情況下,通過提高風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來減小不利風(fēng)向的影響。一方面隨邊緣風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的加快,邊緣空冷凝汽器的對流換熱得到加強(qiáng),相應(yīng)地其出口熱氣流的溫度也將有所下降,此時,即使發(fā)生熱風(fēng)回流其回流率也較低;另一方面,邊緣風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高,增大了空冷島上方熱氣流的動能,增強(qiáng)了其抗環(huán)境風(fēng)場干擾的能力,使回流到風(fēng)機(jī)入口的熱氣流量減少且溫度降低。

(7)將空冷風(fēng)機(jī)布置在空冷凝汽器的上方,由空冷風(fēng)機(jī)抽吸凝汽器出口的熱空氣,并將熱風(fēng)直接送往鍋爐送風(fēng)機(jī)。如此,徹底消除了空冷凝汽器出口的熱空氣,從源頭上有效遏止了熱風(fēng)回流;空冷風(fēng)機(jī)直接抽吸凝汽器出口的熱空氣,提高了空冷凝汽器出口熱汽流的流速,可削弱環(huán)境風(fēng)對空冷凝汽器上部熱氣蒸騰的不利影響。

4.2 完善空冷系統(tǒng)的監(jiān)控手段

(1)在空冷島上裝設(shè)一套高靈敏度的風(fēng)向風(fēng)速儀,將其信號引至機(jī)組DCS畫面,并在下延的擋風(fēng)墻上裝設(shè)電動格柵。根據(jù)不同的風(fēng)向和風(fēng)速,由運行人員控制電動格柵的啟閉和開度,把各工況下環(huán)境風(fēng)場的不利影響降到最小。

(2)制定機(jī)組運行背壓與環(huán)境風(fēng)向、風(fēng)速的關(guān)系曲線,作為機(jī)組運行曲線的修正,使運行人員能夠根據(jù)該曲線,預(yù)知環(huán)境風(fēng)對機(jī)組的影響,并提前進(jìn)行調(diào)節(jié),防患于未然。

4.3 開發(fā)設(shè)計專用的末級動、靜葉片

針對直接空冷機(jī)組的變工況特點,從熱效率、強(qiáng)度、剛度及振動等方面考慮,設(shè)計出直接空冷機(jī)組專用的氣動性能好、可靠性高的強(qiáng)化型末級葉片。

(1)采用全三維的氣動優(yōu)化設(shè)計,靜葉采用適合于跨音速的后加載葉型為母型進(jìn)行彎扭聯(lián)合成型,動葉沿葉高反扭,保證動、靜葉片合理匹配,并增大動、靜葉片的軸向間距,使末級具有良好的變工況性能。

(2)末級扭葉片的β1g=90°的截面應(yīng)盡量靠近頂部,以利于擴(kuò)大透平工況,推遲鼓風(fēng)工況的到來,避免動葉根部過早發(fā)生脫流。

(3)選取較大的末級動葉根部反動度(取25%左右)。在高背壓、低負(fù)荷工況下,高根部反動度可以推遲末級動葉根部倒流的出現(xiàn),保持其較小的脫流高度,減緩根部出汽邊的水蝕。

(4)末級靜葉外緣擴(kuò)張角不宜過大,以避免在大負(fù)沖角下發(fā)生脫流。

(5)末級動葉采用自帶圍帶、松拉筋或凸臺拉筋等具有大阻尼的結(jié)構(gòu)形式,通過圍帶之間、凸臺拉筋之間或拉筋與拉筋孔之間的摩擦阻力來提高葉片的固有頻率,降低小容積流量工況的動應(yīng)力水平。

(6)末級葉片選用高強(qiáng)度材料,以提高承受交變應(yīng)力的能力。

4.4 向空冷系統(tǒng)噴霧增濕降溫

在夏季炎熱期,為保證直接空冷汽輪機(jī)的背壓不致過高,可將經(jīng)過噴嘴霧化的水霧噴灑到空冷風(fēng)機(jī)的入口處,利用霧滴蒸發(fā)時大量吸收空氣中的熱量,使冷卻空氣溫度驟降,以增強(qiáng)其冷卻效果;也可直接向空冷凝汽器表面噴灑除鹽水形成水膜,利用水膜的蒸發(fā)帶走凝汽器的散熱量,以加快其散熱。

4.5 低壓缸噴水減溫

在低壓缸出口處設(shè)置噴水減溫裝置,甚至可以考慮在低壓缸進(jìn)口處也設(shè)置噴水減溫裝置。當(dāng)?shù)蛪焊着牌麥囟冗^高時,噴水減溫裝置自動投入,以維持排汽溫度在允許范圍內(nèi)。

4.6 采用干-濕聯(lián)合冷卻

在原有直接空冷的基礎(chǔ)上,加裝一套濕冷裝置,在夏季炎熱期采用干-濕聯(lián)合冷卻的方式來保證機(jī)組的出力。

4.7 低壓缸軸承落地布置

若軸承座落在低壓缸上,當(dāng)?shù)蛪焊着牌麥囟犬惓Ｆ邥r,將會引起各軸承負(fù)荷分配失衡而影響軸系的穩(wěn)定。對此,可考慮將低壓缸軸承設(shè)計成落地布置,而對由此所帶來的新問題——低壓缸排汽溫度的升高將導(dǎo)致低壓缸動、靜部分之間不同心,可利用前述的低壓缸的噴水減溫裝置加以防控;也可把低壓汽封做成橢圓汽封,使其上、下間隙大于左、右間隙,避免因動、靜不同心而產(chǎn)生磨碰。

5 結(jié)束語

環(huán)境風(fēng)場的存在,不僅減少了空冷凝汽器的冷卻風(fēng)量,阻滯熱風(fēng)的散發(fā),還引起大量的熱風(fēng)回流和倒灌,在夏季炎熱期將導(dǎo)致空冷凝汽器換熱狀態(tài)惡化,使汽機(jī)背壓和排汽溫度驟升,致使機(jī)組出力受阻甚至跳閘,低壓排汽缸“三熱”超標(biāo),軸系失穩(wěn),并引發(fā)小容積流量工況。對此,從設(shè)計和運行的角度,提出了應(yīng)對環(huán)境風(fēng)場不利影響的具體措施,以確保直接空冷機(jī)組安全渡夏。

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