提高直接空冷機(jī)組夏季出力的探討

段向兵，周李鵬，張明遠(yuǎn)，劉 學(xué)

(1.中國(guó)大唐集團(tuán)海外投資有限公司，北京市，100140；2.華電重工裝備有限公司鄭州設(shè)計(jì)中心，鄭州市，450052；3.北京威爾普能源技術(shù)有限公司，北京市，100011；4.華電重工裝備有限公司，北京市，100048)

0 引言

空冷機(jī)組經(jīng)過幾十年的運(yùn)行實(shí)踐，在技術(shù)上已日趨成熟，但在運(yùn)行過程中，其經(jīng)濟(jì)性會(huì)受酷暑、嚴(yán)寒、大風(fēng)等問題影響，在夏季炎熱期不能滿出力運(yùn)行，實(shí)際非滿發(fā)小時(shí)數(shù)大大超過設(shè)計(jì)非滿發(fā)小時(shí)數(shù)[1-3]。針對(duì)直接空冷機(jī)組夏季出力不足的問題，本文從國(guó)內(nèi)直接空冷機(jī)組運(yùn)行方面對(duì)這一問題進(jìn)行分析，并提出具體解決方案，希望能為空冷設(shè)計(jì)和優(yōu)化運(yùn)行提供參考。

1 直接空冷機(jī)組夏季不滿發(fā)的原因分析

目前，國(guó)內(nèi)直接空冷機(jī)組夏季不能滿發(fā)的原因主要有2方面：一是設(shè)計(jì)的非滿發(fā)；二是非設(shè)計(jì)的非滿發(fā)。

1.1 空冷系統(tǒng)本身造成的設(shè)計(jì)的非滿發(fā)

在空冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，要通過優(yōu)化計(jì)算確定初始溫差（initial temperature difference，ITD）的優(yōu)化值。對(duì)直接空冷系統(tǒng)來說，ITD值是空冷凝汽器入口設(shè)計(jì)點(diǎn)排汽溫度與冷卻空氣入口設(shè)計(jì)點(diǎn)溫度的差值。ITD的優(yōu)化直接關(guān)系到汽輪機(jī)的運(yùn)行參數(shù)和電廠冷卻系統(tǒng)的投資等一系列技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。在一定的環(huán)境溫度和一定的散熱量的條件下，選取的ITD值不同，汽輪機(jī)的排汽溫度也不相同，空冷機(jī)組的出力也不相同。對(duì)ITD值優(yōu)化，就是進(jìn)行最佳綜合經(jīng)濟(jì)效益的比較，一般采用年費(fèi)用最小法，即在綜合考慮空冷島設(shè)計(jì)面積和投資以及當(dāng)?shù)孛簝r(jià)、投資回報(bào)率、運(yùn)行年限、以及運(yùn)行費(fèi)用等條件下，以分?jǐn)偟矫磕甑淖钚≠M(fèi)用為原則，確定ITD值。因此，當(dāng)優(yōu)化ITD的值確定之后，散熱器的面積就確定了，其熱交換不可能滿足機(jī)組在任意高的大氣溫度下都能滿發(fā)的要求。很顯然，ITD的優(yōu)化必然會(huì)帶來夏季炎熱期非滿發(fā)問題。

1.2 非設(shè)計(jì)的非滿發(fā)

（1）空冷散熱器外表面污染嚴(yán)重。散熱器表面易積灰、積塵等，這些污染物一方面減少了空氣通道的面積，另一方面也增大了散熱器管的傳熱熱阻，從而大大降低了散熱器的熱交換能力。一臺(tái)600MW直接空冷機(jī)組在夏季滿發(fā)設(shè)計(jì)氣溫下，當(dāng)積灰厚度達(dá)到0.6 mm時(shí)，凝汽器設(shè)計(jì)壓力會(huì)上升6 kPa。

（2）空冷散熱器在運(yùn)行一段時(shí)間后，容易出現(xiàn)因管子被凍壞致使管子被堵死的情況，這將減少正常的散熱面積，使空冷機(jī)組在夏季滿出力運(yùn)行受到限制。

2 直接空冷機(jī)組夏季不滿發(fā)的解決措施

解決直接空冷機(jī)組夏季不滿發(fā)的措施主要有：

（1）解決機(jī)組真空的嚴(yán)密性。對(duì)凝汽器內(nèi)部的噴嘴、水室進(jìn)行檢查，采取真空系統(tǒng)高位灌水的方法查找漏點(diǎn)。

（2）對(duì)散熱器進(jìn)行加藥弱酸清洗和高壓水沖洗。多風(fēng)沙地區(qū)散熱器表面積污染嚴(yán)重，影響換熱效果，嚴(yán)重時(shí)機(jī)組被迫降低出力運(yùn)行。采用弱酸清洗及高壓水沖洗的方法可徹底沖洗換熱器外部翅片中多年的化纖物、雜草等，解決散熱器通道阻塞的難題，使散熱器冷卻效果大大提高。

（3）消除環(huán)境風(fēng)對(duì)空冷凝汽器的影響。除考慮上述設(shè)計(jì)條件之外,直接空冷系統(tǒng)受外界環(huán)境的影響較大,在某些外界條件影響下,當(dāng)環(huán)境氣溫低于滿發(fā)氣溫時(shí)，汽輪機(jī)的背壓也會(huì)超過設(shè)計(jì)值。而這類外界影響是常見且不可避免的，其主要影響因素是風(fēng)的影響。外界大風(fēng)導(dǎo)致的熱回流使風(fēng)機(jī)入口空氣溫度高于環(huán)境氣溫,空氣密度降低、ITD值降低,空冷系統(tǒng)換熱能力降低。如何消除環(huán)境風(fēng)對(duì)直接空冷凝汽器的影響是大家普遍關(guān)注的難題，一是使變頻風(fēng)機(jī)在高頻段運(yùn)行；二是在設(shè)計(jì)時(shí)加高擋風(fēng)墻的高度；三是設(shè)計(jì)時(shí)增加換熱面積的裕量等。

（4）安裝輔助噴霧系統(tǒng)。在散熱器表面安裝霧化噴嘴，夏季高溫季節(jié)時(shí)，利用布置在風(fēng)機(jī)前的噴嘴把除鹽水以霧化形式對(duì)著空冷散熱器進(jìn)風(fēng)側(cè)噴出，濕潤(rùn)空氣，使空氣增濕，降低散熱器入口風(fēng)溫后轉(zhuǎn)向主散熱器鋁翅片噴淋，既增濕、降氣溫，又強(qiáng)化翅片換熱。增設(shè)輔助噴霧系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單，投資較少，效果較好。另外，噴霧系統(tǒng)采用了除鹽水，不必?fù)?dān)心散熱器表面結(jié)垢。其缺點(diǎn)是增設(shè)噴淋系統(tǒng)加大了除鹽水用量，需要考慮由此帶來的除鹽水處理設(shè)備出力是否滿足要求。

3 解決實(shí)際項(xiàng)目中夏季不滿發(fā)的方案

3.1 實(shí)際項(xiàng)目中機(jī)組設(shè)計(jì)性能指標(biāo)和出力受阻現(xiàn)狀

某電廠5～8號(hào)空冷機(jī)組的汽輪機(jī)為東方汽輪機(jī)廠設(shè)計(jì)制造600MW亞臨界、中間再熱、三缸四排汽、單軸、沖動(dòng)式凝汽汽輪機(jī)，型號(hào)為NZK600-16.7/538/538；汽輪機(jī)排汽采用直接空氣冷卻技術(shù)進(jìn)行冷卻，空冷島主要設(shè)備由德國(guó)GEA能源技術(shù)有限公司和北京基依埃能源技術(shù)有限公司供貨，GEA公司保證的空冷系統(tǒng)性能如下：

（1）在夏季空氣干球溫度32℃，每臺(tái)汽輪機(jī)排汽流量1 279.89 t/h、排汽焓值2 507.84 kJ/kg，排汽干度94.12%的條件下，汽輪機(jī)排汽口處背壓不大于30 kPa，此工況下，在蒸汽分配聯(lián)箱上方風(fēng)速不大于5.0m/s時(shí)，每臺(tái)機(jī)組風(fēng)機(jī)電機(jī)輸入總功率不大于2 963 kW（風(fēng)機(jī)靜壓效率取59%，減速機(jī)效率取97%，電機(jī)效率取93.5%）。

（2）在環(huán)境溫度0℃及以下，每臺(tái)汽輪機(jī)的排汽流量為1 217.05 t/h，排汽焓為2 371.42 kJ/kg，排汽干度為88.75%時(shí)，汽輪機(jī)排汽口處背壓不大于8 kPa。

根據(jù)空冷系統(tǒng)廠家保證的性能指標(biāo)可以看出，在環(huán)境溫度為32℃時(shí)，汽機(jī)的排汽背壓不大于30 kPa,在汽輪機(jī)的安全背壓范圍內(nèi)，表明此時(shí)是能保證機(jī)組滿出力運(yùn)行的，而且在5、6號(hào)機(jī)組投運(yùn)不久，該廠對(duì)5、6號(hào)機(jī)空冷系統(tǒng)進(jìn)行了性能保證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明空冷系統(tǒng)完全滿足設(shè)計(jì)性能。但在實(shí)際運(yùn)行后不久，即2006年夏季，環(huán)境溫度達(dá)到30℃以上高溫時(shí)，出力受限情況非常大，如在2006年7月17日，當(dāng)時(shí)氣溫是32℃，5號(hào)機(jī)限負(fù)荷到430MW，6號(hào)機(jī)背壓最高達(dá)到50 kPa，機(jī)組最多只能帶410MW負(fù)荷，煤耗嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)值。

3.2 實(shí)際項(xiàng)目中機(jī)組出力受阻運(yùn)行分析和對(duì)策

該廠出現(xiàn)夏季機(jī)組出力嚴(yán)重受限的問題后，對(duì)問題進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明：根據(jù)該電廠5、6號(hào)機(jī)組的性能保證試驗(yàn)，該電廠空冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是合理的，不存在設(shè)計(jì)上的限出力問題。

機(jī)組出現(xiàn)限出力的主要原因?yàn)椋嚎绽湎到y(tǒng)散熱片臟，導(dǎo)致空冷系統(tǒng)性能下降嚴(yán)重。因該電廠地處黃土高原，再加上近年來草原沙化嚴(yán)重，春季多風(fēng)，因此每刮大風(fēng)，必起黃沙。黃沙和地表的一些雜草、雜物飛揚(yáng)，覆蓋在空冷系統(tǒng)的表面上，造成空冷系統(tǒng)散熱器表面臟污，這嚴(yán)重影響了空冷系統(tǒng)的散熱性能，進(jìn)而影響到機(jī)組性能。另外，電廠運(yùn)行人員缺乏空冷機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，沒有在夏季大負(fù)荷前對(duì)空冷系統(tǒng)進(jìn)行全面徹底的沖洗，因此才會(huì)導(dǎo)致機(jī)組出現(xiàn)限出力的問題。

2006年夏季空冷機(jī)組出力嚴(yán)重受限時(shí)，采取了一些輔助措施來緩解出力受限情況，取到了一定的效果。采取的主要措施如下：

（1）使用空冷島沖洗設(shè)備不間斷沖洗空冷散熱片。一般情況，空冷島經(jīng)全面水沖洗后，汽輪機(jī)背壓能降低5～10 kPa，機(jī)組可以多帶負(fù)荷50～100MW，能有效減輕夏季出力受限問題。但是由于原設(shè)計(jì)空冷系統(tǒng)沖洗設(shè)備容量小，水壓低，不能保證沖洗的最佳效果，而且沖洗周期長(zhǎng)（往往1臺(tái)機(jī)組的空冷系統(tǒng)沖洗要半個(gè)月的時(shí)間），這就嚴(yán)重影響了空冷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

（2）各空冷風(fēng)機(jī)除保證全部投運(yùn)外，按照空冷風(fēng)機(jī)變頻性能，使各風(fēng)機(jī)變頻到55 Hz運(yùn)行（設(shè)計(jì)變頻范圍為10～55 Hz）。通過對(duì)空冷風(fēng)機(jī)的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)監(jiān)視表明，空冷風(fēng)機(jī)在此頻率下長(zhǎng)期運(yùn)行是安全的。采用該措施后，機(jī)組實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 風(fēng)機(jī)頻率對(duì)機(jī)組真空影響情況Tab.1 The impact of fan frequency to the unit vacuum

從表1可以看出，在600MW負(fù)荷下，空冷系統(tǒng)全部風(fēng)機(jī)頻率都由50 Hz變頻到55 Hz運(yùn)行，汽輪機(jī)背壓能降低6 kPa左右。按照600MW空冷機(jī)組運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)：機(jī)組每降低1 kPa的背壓，可以多帶10MW的負(fù)荷。因此，變頻后機(jī)組可以多帶負(fù)荷約60MW。

（3）提高機(jī)組真空嚴(yán)密性。定期進(jìn)行機(jī)組真空嚴(yán)密性試驗(yàn)，空冷機(jī)組真空嚴(yán)密性試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)達(dá)到100 Pa/min的試驗(yàn)結(jié)果，如果發(fā)現(xiàn)機(jī)組真空嚴(yán)密性超標(biāo)，應(yīng)立即利用各種方法進(jìn)行查漏，消除真空泄漏對(duì)機(jī)組出力的限制。

（4）全面治理閥門內(nèi)漏缺陷，定期進(jìn)行閥門查內(nèi)漏工作，并及時(shí)消除閥門內(nèi)漏造成的熱損失，提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

通過采取以上方法，在一定程度上緩解了機(jī)組出力受限問題。另外，參照其他電廠空冷機(jī)組運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在2007年底對(duì)空冷島增設(shè)了1套噴淋裝置，在夏季高溫天氣對(duì)空冷島進(jìn)行全面噴淋降溫。

3.3 實(shí)際項(xiàng)目中安裝輔助噴霧系統(tǒng)

在實(shí)際項(xiàng)目中通過安裝輔助噴霧系統(tǒng)解決夏季不滿發(fā)問題，該直接空冷凝汽器布置為8×7方式，噴淋降溫系統(tǒng)方案由多級(jí)水泵裝置、管路、噴淋裝置、控制裝置4個(gè)部分組成。

（1）多級(jí)水泵裝置：由進(jìn)水手動(dòng)閘閥、多級(jí)水泵、進(jìn)出口軟管等組成。多級(jí)水泵進(jìn)水口接自除鹽水管路（壓力要求不小于0.2 MPa），在進(jìn)水管路上配置DN100進(jìn)水軟管、DN100手動(dòng)閘閥和Y型DN100過濾器。為防止多級(jí)水泵水流對(duì)管路的沖擊，在水泵出口安裝1根DN100緩沖軟管，在多級(jí)水泵上還有1路DN80排水口，并在排水管路上安裝1只DN80手動(dòng)閘閥，排水管路接至廠區(qū)回水管路。本工程共設(shè)2臺(tái)多級(jí)水泵，1臺(tái)機(jī)組配套1臺(tái)高壓泵。

（2）管路部分：在多級(jí)水泵出口的橡膠軟管（起緩沖作用）后接DN100的不銹鋼管，不銹鋼管沿立柱豎直接入空冷凝汽器平臺(tái)上，在平臺(tái)上橫向安裝1根DN100的不銹鋼管。在橫向不銹鋼管上的每座A型塔處安裝1只三通，三通接DN100的電動(dòng)蝶閥，在A型塔內(nèi)部安裝1路DN100的不銹鋼分管路，2臺(tái)機(jī)組共設(shè)16組分管路。在2臺(tái)機(jī)組的橫向不銹鋼管中間安裝1只手動(dòng)截止閥，可使2臺(tái)機(jī)組的水泵互為備用。

（3）噴淋裝置：在每根不銹鋼分管路上安裝噴淋裝置，1臺(tái)空冷風(fēng)機(jī)上安裝2路DN25噴淋分管路，在每路噴淋分管路上安裝4只方形噴射實(shí)心錐形噴嘴（TG-SQ-1/4型，如圖1所示），每只噴嘴可以實(shí)現(xiàn)3 800 mm×3 800 mm的噴淋面積，在每臺(tái)空冷風(fēng)機(jī)上方的管束上可實(shí)現(xiàn)大于60%的噴淋冷卻面積。1座A型塔共安裝有16路DN25噴淋分管路和64只噴嘴。噴嘴的噴射區(qū)呈現(xiàn)方形，噴射效果在其噴射區(qū)內(nèi)分布均勻，液滴大小中等到偏大。這種噴射非常適合矩形區(qū)域覆蓋或噴射，其在不同壓力具有不同的流量范圍。

圖1 方形噴射實(shí)心錐形噴嘴噴水效果圖Fig.1 The effect map of Square solid cone spray nozzle fountain

（4）控制裝置：每臺(tái)機(jī)組配1個(gè)程控柜，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多級(jí)水泵啟停、DN100的不銹鋼分管路上電動(dòng)蝶閥（編為1～8號(hào)）的開關(guān)的控制，每臺(tái)機(jī)組運(yùn)行流程為，打開1號(hào)電動(dòng)蝶閥→10 s后啟動(dòng)多級(jí)水泵→1 min后打開2號(hào)電動(dòng)蝶閥→10 s后關(guān)閉1號(hào)電動(dòng)蝶閥→1 min后打開3號(hào)電動(dòng)蝶閥→10 s后關(guān)閉2號(hào)電動(dòng)蝶閥…至關(guān)閉8號(hào)電動(dòng)蝶閥打開1號(hào)電動(dòng)蝶閥，多級(jí)水泵連續(xù)運(yùn)行。即分8個(gè)單元對(duì)1臺(tái)機(jī)組空冷器管束進(jìn)行噴淋冷卻。

3.4 安裝輔助噴霧系統(tǒng)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益

通過投運(yùn)噴淋裝置，使空冷島降溫6℃左右，機(jī)組背壓降低10 kPa左右，在夏季環(huán)境溫度最高時(shí)，汽輪機(jī)背壓保持在45 kPa以下，能帶滿負(fù)荷運(yùn)行，比現(xiàn)在相同條件下降低煤耗14 g/（kW·h）以上。

通過這套技改方案的實(shí)施，在2008年夏季氣溫最高的時(shí)候，各空冷機(jī)組運(yùn)行狀況有了明顯的改觀，各臺(tái)機(jī)組最高出力都基本能達(dá)到580MW以上，有效緩解了夏季出力受限問題，在夏季滿發(fā)背壓下達(dá)到額定功率。

4 結(jié)論

（1）提高直接空冷機(jī)組的夏季帶負(fù)荷能力，降低直接空冷機(jī)組的夏季不滿發(fā)小時(shí)數(shù)，涉及設(shè)計(jì)、設(shè)備、檢修、運(yùn)行等諸多方面。針對(duì)某電廠600MW直接空冷機(jī)組夏季出力不足的問題，采取了解決機(jī)組真空的嚴(yán)密性、對(duì)散熱器進(jìn)行加藥弱酸清洗和高壓水沖洗、解決環(huán)境風(fēng)對(duì)空冷凝汽器的影響、安裝輔助噴霧系統(tǒng)這4種措施，有效地解決了問題。

（2）影響直冷機(jī)組非滿發(fā)的各種因素很多，要在實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際情況分析，有針對(duì)性地采取相應(yīng)措施，經(jīng)濟(jì)、合理地加以解決。

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