600MW直接空冷機組和濕冷機組運行參數(shù)分析研究

王海剛

(中國大唐集團科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100000)

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600MW直接空冷機組和濕冷機組運行參數(shù)分析研究

王海剛

(中國大唐集團科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100000)

摘要：通過對比600 MW直接空冷機組和濕冷機組實際運行數(shù)據(jù)和建立空冷島變工況數(shù)學(xué)模型，研究了環(huán)境溫度、迎面風(fēng)速、空冷島管外污垢熱阻對背壓的影響。結(jié)果表明，環(huán)境溫度越高，迎面風(fēng)速對背壓影響越大，迎面風(fēng)速越低，迎面風(fēng)速對背壓影響越劇烈；同時，迎面風(fēng)速越低，管外污垢熱阻對背壓的影響越大，建議電力企業(yè)優(yōu)化空冷島布置，制定合適的沖洗周期和噴淋時機，空冷風(fēng)機及時超頻運行。直接空冷機組凝結(jié)水中的含氧量比濕冷機組高10.2 μg/L-16.2 μg/L，背壓越低凝結(jié)水含氧量越高。

關(guān)鍵詞：直接空冷機組；濕冷機組；背壓；環(huán)境溫度；迎面風(fēng)速

世界上，直接空冷機組裝機容量在空冷機組中占主導(dǎo)地位，在節(jié)水的壓力下，直接空冷機組的大型化是必然趨勢，但我國直接空冷機組發(fā)展較晚，目前運行的大部分600 MW等級直接空冷機組暴露出諸如夏季負(fù)荷受限、背壓波動大、凝結(jié)水水質(zhì)差、空冷風(fēng)機布置不合理等共性、關(guān)鍵問題，嚴(yán)重制約直接空冷機組的發(fā)展，對600 MW等級直接空冷機組的研究有助于直接空冷機組大型化的發(fā)展。郭志宇[1]以漳山電廠600 MW機組為例，研究了冬季結(jié)凍對機組安全、經(jīng)濟性的影響，并提出了預(yù)防措施；景杰等人[2]分析了漳山電廠600 MW機組背壓升高的原因，提出增加空冷噴霧裝置，可有效降低機組背壓、提高機組效率；李飛[3]分析了600 MW直接空冷機組真空下降的原因，并給出建議；王智剛[4]通過建立動態(tài)仿真模型研究了600 MW直接空冷機組冷端動態(tài)特性；王文忠等人[5]研究了600 MW直接空冷機組夏季負(fù)荷受限的主要原因；韓濤等人[6]提出了600 MW直接空冷機組經(jīng)濟性的方法和途徑；苑敬桃等人[7]分析了600 MW直接空冷機組凝結(jié)水溶氧超標(biāo)的原因，結(jié)合實際情況提出改造措施；楊立軍等人[8]定性地說明了直接空冷機組空冷系統(tǒng)運行問題。

本文的研究特點是對比同一個電廠的600 MW直接空冷機組和濕冷機組的實際運行數(shù)據(jù)(背壓、電耗、凝結(jié)水含氧量)，建立了600 MW直接空冷系統(tǒng)變工況數(shù)學(xué)模型，通過運行參數(shù)進(jìn)行對比分析和直接空冷系統(tǒng)變工況特性分析相結(jié)合，充分挖掘影響600 MW直接空冷機組可靠性、經(jīng)濟性的關(guān)鍵因素，為大容量直接空冷機組的設(shè)計、安全、經(jīng)濟運行提供借鑒。

1研究機組情況

研究選擇兩臺同一電廠的600 MW亞臨界燃煤機組，一臺機組是直接空冷機組，簡稱機組AU，另一臺為濕冷機組，簡稱機組WU，由于直接空冷機組背壓高，直接空冷機組鍋爐配置與濕冷機組鍋爐配置相比，除了蒸發(fā)量略大外，其他的配置是一致的，空冷機組和濕冷機組主要差別體現(xiàn)在汽輪機設(shè)計參數(shù)、結(jié)構(gòu)、回?zé)嵯到y(tǒng)上，詳見表1。

表1　600MW直接空冷機組和濕冷機組汽輪機設(shè)計參數(shù)對比

從表1中可以看出，直接空冷機組汽輪機高中壓缸的級數(shù)配置與濕冷機組一致，綜合初投資、運行費用，機組AU額定平均背壓高，相應(yīng)低壓缸壓力級比濕冷機組數(shù)量少，回?zé)峒墧?shù)比濕冷機組少一級，機組AU設(shè)計熱耗值和汽耗值分別比機組WU高391 kJ/kWh、0.176 kg/kWh。據(jù)統(tǒng)計，在實際運行過程中，機組AU煤耗比機組WU供電煤耗高約30 g/Kwh。

與濕冷機組比，直接空冷機組是典型的變工況機組，背壓變化大且頻繁，為了增強葉片的抗彎應(yīng)力、抗振性能，直接空冷機組AU汽輪機末級葉片的強度比濕冷機組大?？紤]到高背壓和余速損失，直接空冷機組的末級葉片高度一般選擇略短，一般哈汽的600 MW直接空冷機組，末級葉片高度為 620 mm，東汽的600 MW直接空冷機組，汽輪機末級葉片高度為661 mm，上汽的600 MW直接空冷機組，汽輪機末級葉片高度為665 mm。

2直接空冷系統(tǒng)變工況數(shù)學(xué)模型

機組背壓是衡量機組經(jīng)濟性最重要經(jīng)濟指標(biāo)之一[9-11]，但直接空冷機組背壓受環(huán)境溫度、迎面風(fēng)速、排氣熱負(fù)荷、空冷島散熱管管外臟污程度等因素影響較大，為了分析實際運行中機組背壓變化的原因，采用η-NTU法，建立直接空冷系統(tǒng)變工況數(shù)學(xué)模型。

表2　600MW直接空冷系統(tǒng)主要設(shè)計參數(shù)

根據(jù)空冷凝汽器內(nèi)排氣與空氣之間的傳熱過程，空冷凝汽器的排氣溫度為

(1)

式中：Qn為排氣熱負(fù)荷，J/s；NTU為傳熱單元數(shù)，AF為迎風(fēng)面積，m2；ρa為空氣的平均密度，kg/m3；VNF為迎風(fēng)速度，m/s；Ca為空氣平均比熱，J/(kg·K)；ta為環(huán)境溫度，℃。

(2)

式中：A為總的傳熱面積，m2；K為總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)。

直接空冷凝汽器總傳熱熱阻為

(3)

式中：αi為管內(nèi)對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；ζi為管內(nèi)污垢熱阻，(m2·K) /W；Fi為管內(nèi)換熱面積，m2；δi為基管壁厚，m；λ為基管導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·℃)；α0為管外換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；F0為管外傳熱面積，m2；ε0為管外污垢熱阻，(m2·K) /W；η為肋面效率。

當(dāng)蒸汽在換熱器內(nèi)流速較小時，管內(nèi)平均凝結(jié)換熱系數(shù)為[9]

(4)

式中:Nu=αi·Lλ為努謝爾數(shù)，Ga=G·L3/v2為伽利略數(shù)，Pr=v/a普朗特數(shù)。

除用壁溫計算外，其余物理量的定性溫度為飽和溫度，物性按凝結(jié)夜的物性計算，特征尺寸為數(shù)值壁面的高度。

管外凝結(jié)換熱系數(shù)的經(jīng)驗公式為[10]

(5)

式中：dH為水力直徑，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·℃)。

3運行參數(shù)對比分析

3.1機組AU和WU背壓波動對比

圖1　冬季、夏季機組AU和機組WU典型背壓對比

圖2　典型負(fù)荷下環(huán)境溫度對機組AU背壓的影響

圖1中給出了機組AU和機組WU背壓波動，從圖1中可以看出，機組WU在冬季、夏季背壓波動較小，冬季背壓范圍4 kPa-7 kPa，夏季背壓范圍8 kPa-12 kPa，機組AU背壓波動較大，冬季背壓范圍7 kPa-15 kPa，即使在投噴淋的情況下，夏季背壓波動范圍25 kPa-44 kPa，冬季，直接空冷機組背壓比濕冷機組高3 kPa-7 kPa，夏季比濕冷機組高8 kPa-32 kPa。

根據(jù)公式1至公式5計算機組AU的變工況特性如圖2所示，圖2給出了典型負(fù)荷下，環(huán)境溫度對機組AU背壓的影響，從圖中可以看出，相同的迎面風(fēng)速，環(huán)境溫度越高背壓越高，特別是當(dāng)迎面風(fēng)速較低時，環(huán)境溫度越高背壓變化約劇烈，環(huán)境溫度高、迎面風(fēng)速低是空冷機組運行最惡劣的條件。根據(jù)機組AU空冷凝汽器實際運行工況，當(dāng)環(huán)境溫度為9.5 ℃、風(fēng)速為1.2 m/s時，實際運行背壓為13.7 kPa，理論計算的背壓誤差小于10%。因此，夏季當(dāng)風(fēng)速較低時，提高風(fēng)速能有效改善機組背壓，機組AU實際運行過程中，即使部分風(fēng)機超頻到55 Hz也不能達(dá)到設(shè)計要求，機組出力受限，因此，空冷島的設(shè)計應(yīng)充分考慮夏季氣溫對直接空冷機組背壓的影響，必要時需要對空冷島進(jìn)行技術(shù)改造，增加尖峰冷卻裝置，對汽輪機排汽進(jìn)行分流，降低機組運行背壓。

3.2夏季風(fēng)向變化對機組AU真空影響

機組AU空冷島位于機組AU汽機廠房的北面，空冷島的東、西、北方向均沒有建筑物，空冷風(fēng)機距零米約50 m，來自東、西、北三個方向的風(fēng)進(jìn)入空冷風(fēng)機下部較容易，通過風(fēng)機冷卻排氣，但由于汽輪機廠房的阻擋，南向風(fēng)進(jìn)入空冷島底部較困難，當(dāng)風(fēng)向發(fā)生改變時，對機組AU的背壓影響較大。

圖3 空冷島布置圖圖4 風(fēng)向圖

圖5　風(fēng)向?qū)C組AU真空的影響

圖5給出了當(dāng)風(fēng)向發(fā)生變化時，機組背壓的變化。從圖5中看出，機組在狀態(tài)點A時，背壓為2 1kPa，東北風(fēng)，風(fēng)向為74.7°，東北向風(fēng)能通過空冷島底部，隨著風(fēng)向的改變，東北風(fēng)轉(zhuǎn)為南風(fēng)，即狀態(tài)B點時，背壓為32 kPa，西南偏南風(fēng)，風(fēng)向為205°，背壓從21 kPa變?yōu)?2 kPa，背壓升高11 kPa，如果背壓升高過快，機組自動甩負(fù)荷(RB)。

當(dāng)風(fēng)向發(fā)生改變時由于建筑物的阻擋，迎面風(fēng)速將降低。圖6給出了夏季不同負(fù)荷，迎面風(fēng)速對機組背壓的影響，從圖6中可以看出，當(dāng)迎面風(fēng)速大于2 m/s時，迎面風(fēng)速對背壓的影響較小，迎面風(fēng)速在0.5 m/s～1.5 m/s之間時，迎面風(fēng)速對背壓的影響較大，排氣熱負(fù)荷越高，迎面風(fēng)速對背壓的影響越大，因此當(dāng)機組在高負(fù)荷運行時，迎面風(fēng)速突然變化，將影響機組的安全性，特別是在低風(fēng)速時。因此，空冷島的設(shè)計應(yīng)充分考慮周圍建筑物對空冷島的影響，特別是含有多臺空冷機組或空冷機組和濕冷機組共同存在電力企業(yè)，內(nèi)部的建筑物如濕冷機組的冷卻塔、小機的冷卻塔、廠房、空冷島之間等對空冷島進(jìn)風(fēng)的影響。

圖6 迎面風(fēng)速對機組AU背壓的影響圖7 管外污垢熱阻對機組AU背壓的影響

3.3空冷島水耗和電耗分析

影響空冷機組背壓的水耗主要包括空冷島沖洗水和噴淋水。沖洗水和噴淋水均為除鹽水，用沖洗水沖洗散熱片上灰塵、絮狀物，增強換熱效果，降低背壓，機組AU空冷島完成一遍沖洗需要7天左右，根據(jù)試驗測試，環(huán)境溫度為28.5 ℃、迎面風(fēng)速為0.83 m/s、負(fù)荷550 MW時，沖洗后背壓降低約1.5kpa左右，根據(jù)變工況特性計算，管外污垢熱阻為0.006 m2·K/W。圖7給出了環(huán)境溫度30 ℃、70%負(fù)荷、不同迎面風(fēng)速時，管外污垢熱阻對機組AU背壓的影響，從圖7中可以看出，隨著管外污垢熱阻的增大，管外熱阻對背壓的影響越來越明顯，并且迎面風(fēng)速較低時，管外污垢熱阻對背壓的影響越大。因此，電力企業(yè)應(yīng)根據(jù)機組背壓的變化，制定合適的沖洗周期。

噴淋水的目的是降低空氣的溫度，增加空氣濕度，提高空氣對空冷島散熱器的冷卻能力，一般夏季溫度高時，根據(jù)實際運行觀察，一般可以降低空氣溫度5 ℃-7 ℃，環(huán)境溫度對機組AU背壓的影響可以由圖3解釋。

圖8 機組AU累計沖洗水量和噴淋水量圖9 機組AU空冷島電耗

圖8給出了機組AU沖洗水量和噴淋水量統(tǒng)計，從圖8統(tǒng)計結(jié)果可以看出，從2014年4月3日到6月13日沖洗水量為2 018 t，平均每天約7.8 t除鹽水。從4月份到5月中旬，環(huán)境溫度較低，噴淋水量少，從5月20日左右逐漸進(jìn)入夏季，噴淋水突增，最大噴淋水量950 t/d，1噸除鹽水約18元，除鹽水1天最大花費1.71萬元。因此，在保證機組安全運行的前提下，建議綜合考慮背壓降低獲得的收益、除鹽水水耗成本，優(yōu)化沖洗周期或噴淋時機。

機組AU空冷島電耗主要是56臺空冷風(fēng)機，空冷風(fēng)機電耗由四臺空冷變提供，兩臺備用變壓器，六臺變壓器高壓側(cè)接入兩端6kV廠用母線，空冷島，電耗統(tǒng)計見圖9，從圖9中可以看出，在冬季，空冷風(fēng)機部分停運或在低頻下運行，電耗較低，在夏季時空冷風(fēng)機基本全部運行、且部分可能超頻，能耗高，2014年5月份電耗12 194 kWh。每臺風(fēng)機在50 Hz頻率下運行時電流約107 A，在55 Hz超頻運行時，電流約140 A，運行額定電壓為380 V，56臺風(fēng)機功率約2979.2 KW，比較濕冷機組配兩臺循泵，每臺循泵電流約350 A，額定電壓6 kV，兩臺循泵電流700 A，功率約4 200 KW，遠(yuǎn)高于空冷機組。因此，當(dāng)夏季機組真空高時，在保證空冷風(fēng)機軸承不超溫的前提下，空冷風(fēng)機應(yīng)及時超頻運行。

3.4機組AU和WU凝結(jié)水含氧量對比

機組AU配3臺真空泵，1臺運行，2臺備用，直接空冷凝汽器系統(tǒng)龐大，機組AU空冷凝汽器系統(tǒng)容積約是機組WU凝汽器系統(tǒng)的6倍，維持較好的真空難。濕冷機組真空嚴(yán)密性的影響要比直接空冷系統(tǒng)真空嚴(yán)密性的影響小，圖10a給出了機組AU和WU典型工況下凝結(jié)水中含氧量，典型工況下，機組AU凝結(jié)水中的含氧量比機組WU高10.2 μg/L-16.2 μg/L，特別是在冬季，環(huán)境溫度較低，凝結(jié)水的過冷度較大，增加了冷凝結(jié)水中的溶解氧。

圖10　機組AU和WU凝結(jié)水和給水中氧含量比較

機組AU凝結(jié)水回系統(tǒng)經(jīng)過改造，改造后回水除氧的能力增強，改造前夏季凝結(jié)水氧含量高達(dá)50 μg/L。圖10b給出了機組AU和WU在不同背壓下凝結(jié)水和給水中氧含量，機組AU凝結(jié)水中氧含量受背壓影響較大，且存在相關(guān)性，在背壓較高時，凝結(jié)水中氧含量高達(dá)23.9 μg/L，但不大于30 μg/L，雖然機組AU凝結(jié)水回水系統(tǒng)經(jīng)過改造，根據(jù)運行經(jīng)驗，凝結(jié)水回水管容易出現(xiàn)泄漏，當(dāng)背壓較高時，凝結(jié)水含氧量仍然有可能超標(biāo)。從圖10中也可以看出，機組AU在背壓較低時，凝結(jié)水中氧含量約11 μg/L，經(jīng)過除氧器后給水中氧含量比較穩(wěn)定，0.293 μg/L，濕冷機組WU背壓較穩(wěn)定，凝結(jié)水含氧量不受背壓的影響，凝結(jié)水中氧含量5 μg/L-14 μg/L，給水中氧含量0.188 μg/L，低于空冷機組。因此，直接空冷機組凝結(jié)水水系統(tǒng)設(shè)計，應(yīng)合理選擇凝結(jié)水回水的位置，同時對凝結(jié)水補水管進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，發(fā)揮凝結(jié)水回水和補水余熱除氧的能力。

4結(jié)論

(1)環(huán)境溫度高、迎面風(fēng)速低是空冷機組運行最惡劣的條件。由于空冷系統(tǒng)設(shè)計冷卻能力有限，夏季背壓高，波動大，在迎面風(fēng)速小于2 m/s時，迎面風(fēng)速對背壓影響劇烈，環(huán)境溫度越高，機組負(fù)荷越高，迎面風(fēng)速對背壓影響越大，同時，空冷島設(shè)計要充分考慮空冷島周圍建筑物對空冷島空氣進(jìn)入方向的影響，優(yōu)化空冷島布置。

(2)換熱管管外污垢熱阻越大，管外熱阻對背壓的影響越明顯，迎面風(fēng)速較低時，管外污垢熱阻對背壓的影響較大，因此，電力企業(yè)應(yīng)根據(jù)機組背壓的變化，制定合適的沖洗周期和噴淋時機，及時啟動空冷風(fēng)機，超頻運行。

(3)典型工況下，直接空冷機組凝結(jié)水中含氧量比濕冷機組高10.2 μg/L-16.2 μg/L，背壓越低凝結(jié)水含氧量越高，在惡劣工況下，凝結(jié)水含氧量可能超標(biāo)，建議從設(shè)計上優(yōu)化設(shè)計空冷機組凝結(jié)水回水系統(tǒng)、補水系統(tǒng)，運行時加強對汽水品質(zhì)的監(jiān)督，定期做真空嚴(yán)密性試驗，減少由于水質(zhì)不合格造成的排污損失。

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Comparative Analysis Study On the Operation Prameters of 600 MW Direct air-cooled Unit and Water-cooled Unit

WANG Hai-gang

(China Datang Corporatioin Science and Technological Research Institute Co.，Ltd，Beijing 10000)

Abstract：In the paper，by the actual operation data comparison of the 600MW direct air-cooled unit and water-cooled unit and the dynamic simulation model establishment of off-design conditions of air cooled island，the effects of surrounding temperature，the face velocity，the fouling resistance outside the tube on the backpressure are studied.The results showed that the effect of face velocity on the backpressure was more obvious at higher surrounding temperatures.In addition，with lower face velocity，the effect of face velocity was more severe and the effect of the fouling resistance outside the tube on the backpressure was also greater.It is suggested that the power enterprise should optimize air-cooled island layout and the reasonable wash cycle and spray timing of air-cooled island should be made.The overlocking run is timely done for the air-cooled fans.The dissolved oxygen in the condensate for direct air-cooled unit was 10.2～16.2μg/L higher than that for water-cooled unit.The backpressure is high corresponding to the high the dissolved oxygen in the condensate.

Key words：Direct air-cooled unit；Water-cooled unit；Backpressure；Surrounding temperature；Face velocity

中圖分類號：TK264

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1005-2992(2016)01-0067-07

作者簡介：王海剛(1980-)，男，山東省荷澤市人，中國大唐集團科學(xué)技術(shù)研究院有限公司工程師，博士，主要研究方面：火電機組的節(jié)能減排.

收稿日期：2015-12-10