塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站中空冷凝汽器運(yùn)行特性的研究

徐 玫，肖 斌，周 治，彭懷午，段楊龍，張俊峰

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710000)

0 引言

直接空冷技術(shù)有效解決了中西部地區(qū)富煤缺水的矛盾，從而使其在火電機(jī)組中得到了廣泛應(yīng)用[1]。太陽(yáng)能熱發(fā)電站在熱電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)采用了與傳統(tǒng)火電機(jī)組幾乎相同的設(shè)備和工藝，且光資源豐富地區(qū)往往同樣面臨著缺水的問(wèn)題，因此，空冷系統(tǒng)也成為太陽(yáng)能熱發(fā)電站的必然選擇。在已投運(yùn)的空冷機(jī)組的運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)輻照度會(huì)增加空冷凝汽器的附加熱負(fù)荷，由此會(huì)對(duì)空冷機(jī)組的性能產(chǎn)生影響[2]，而太陽(yáng)輻照度高的地區(qū)往往又是太陽(yáng)能熱發(fā)電站建設(shè)地的首選，使這一特點(diǎn)更加突出。太陽(yáng)能熱發(fā)電站由于熱源不穩(wěn)定，導(dǎo)致負(fù)荷變動(dòng)頻繁，空冷機(jī)組的熱電效率常常低于額定值，而空冷機(jī)組背壓高、受環(huán)境影響大[3]的特點(diǎn)又成為制約其高效運(yùn)行的一個(gè)重要因素。因此，針對(duì)應(yīng)用于太陽(yáng)能熱發(fā)電站的空冷凝汽器性能進(jìn)行研究對(duì)于現(xiàn)階段發(fā)電成本相對(duì)較高的太陽(yáng)能熱發(fā)電站來(lái)說(shuō)十分必要。

對(duì)于應(yīng)用于火電機(jī)組的空冷凝汽器的特性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究[4]。楊立軍等[5]研究了空冷凝汽器壓力在環(huán)境溫度、環(huán)境風(fēng)速、風(fēng)向作用下的變化特性。郭鈺鋒等[6]考慮到空冷系統(tǒng)凝汽器的蓄熱效應(yīng)，建立了直接空冷凝汽器動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，得到了冷卻空氣迎面風(fēng)速和環(huán)境溫度對(duì)直接空冷機(jī)組背壓的影響曲線。周蘭欣等[7]利用CFD軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了環(huán)境溫度、風(fēng)機(jī)風(fēng)量和空冷機(jī)組背壓的關(guān)系。然而，基于太陽(yáng)能熱發(fā)電站的空冷凝汽器的特性研究卻未見(jiàn)報(bào)道，為此，本文建立了某50 MW塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站中空冷凝汽器的仿真模型，研究了影響空冷凝汽器性能的主要因素，并分析了其在實(shí)際發(fā)電過(guò)程中的運(yùn)行特點(diǎn)，以期為太陽(yáng)能熱發(fā)電站中空冷機(jī)組的安全高效運(yùn)行提供借鑒。

空冷凝汽器分為直接式和間接式，由于實(shí)際太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目大多采用直接空冷凝汽器，因此，本文選取直接空冷凝汽器作為研究對(duì)象，文中的空冷凝汽器均指直接空冷凝汽器。

1 空冷凝汽器的數(shù)學(xué)模型

1.1 空冷凝汽器表面附加熱負(fù)荷的計(jì)算

典型的空冷凝汽器一般采用A型框架結(jié)構(gòu)，汽輪機(jī)排汽是通過(guò)排汽管道和配汽管道送到翅片管束，蒸汽的熱能被經(jīng)過(guò)翅片管束表面的冷卻空氣帶走，冷卻空氣由置于管束下方的風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生，空冷凝汽器的風(fēng)機(jī)一般為軸流風(fēng)機(jī)。典型空冷凝汽器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 典型空冷凝汽器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure schematic of typical air-cooled condenser

空冷凝汽器與水平面呈60°夾角傾斜安放，由于太陽(yáng)位置和太陽(yáng)輻照度的變化，空冷凝汽器兩側(cè)的翅片管束會(huì)受到輻照度變化的加熱作用，由此產(chǎn)生的熱負(fù)荷被稱為附加熱負(fù)荷。

附加熱負(fù)荷QT的計(jì)算式為：

式中，α為空冷凝汽器表面的太陽(yáng)能吸收率的平均值，可根據(jù)太陽(yáng)輻照度的輻射光譜和空冷凝汽器鍍鋅鐵板表面對(duì)不同波長(zhǎng)太陽(yáng)光的選擇性吸收計(jì)算得到；AT為空冷凝汽器接收太陽(yáng)輻照度的表面積，在中國(guó)北方的氣象條件下，布置方位和幾何結(jié)構(gòu)決定了空冷凝汽器翅片管束兩側(cè)幾乎無(wú)同時(shí)接收到太陽(yáng)輻照度的可能，即AT為空冷凝汽器迎風(fēng)面積的一半；IT為空冷凝汽器傾斜面上接收的太陽(yáng)輻照度。

空冷凝汽器傾斜面上接收的太陽(yáng)輻照度中，既有直射輻照度，也有散射輻照度；其中，散射輻照度包括來(lái)自太陽(yáng)的散射和太陽(yáng)光照射到地面反射回來(lái)的散射。為計(jì)算附加熱負(fù)荷值，需要將水平面上的輻照量換算到空冷凝汽器的傾斜面上[8]。

IT的計(jì)算式為：

式中，Ib為太陽(yáng)法向直射輻照度(DNI)，W/m2；Id為太陽(yáng)散射輻照度(DHI)，W/m2；ρa(bǔ)lb為地面反射率，普通地面可取0.2，積雪地面可取0.7；Rb為太陽(yáng)直射輻照度的修正因子；Rd為太陽(yáng)散射輻照度的修正因子；Rρ為空冷凝汽器表面對(duì)地面的可見(jiàn)因子。

其中：

式中，β為空冷凝汽器表面與水平面的夾角，(° )；θz為太陽(yáng)在水平面上的入射角，(° )；θ為太陽(yáng)在空冷凝汽器表面上的入射角，(° )。

θ的計(jì)算方法為：

式中，δ為太陽(yáng)赤緯角，(° ) ；ω為太陽(yáng)時(shí)角，(° )；φ為空冷凝汽器所在地的地理緯度；γ為空冷凝汽器的方位角，即空冷凝汽器表面法線在地平面上的投影線與正南方向的夾角，(° )，規(guī)定正南方位為0°，向西為正、向東為負(fù)，其變化范圍為-180°～180°。

1.2 空冷凝汽器的壓力

通過(guò)對(duì)蒸汽側(cè)和空氣側(cè)能量平衡方程、空冷凝汽器傳熱方程，以及空冷凝汽器效能、傳熱單元數(shù)的推導(dǎo)，可得到空冷凝汽器內(nèi)凝結(jié)溫度與各項(xiàng)影響因素之間的關(guān)系。其關(guān)系式為[9]：

式中，Dc為汽輪機(jī)的排汽量，kg/s；hc為汽輪機(jī)的排汽焓，kJ/kg；h′c為空冷凝汽器壓力下的飽和水焓，kJ/kg；A為空冷凝汽器的迎風(fēng)面積，m2；v為空冷凝汽器的迎面風(fēng)速，m/s；ρ為空氣密度，kg/m3；Cp為空氣的比熱容，kJ/(kg·K)；AF為空冷凝汽器的傳熱面積，m2；K為空冷凝汽器的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；ta1為軸流風(fēng)機(jī)的進(jìn)口空氣溫度，℃。

空冷凝汽器內(nèi)的凝結(jié)溫度對(duì)應(yīng)的飽和壓力即為空冷凝汽器的壓力?？绽淠鞯膲毫εc汽輪機(jī)背壓只相差從汽輪機(jī)排汽口到空冷凝汽器入口的幾千帕壓降，所以可以說(shuō)，汽輪機(jī)背壓很大程度上取決于空冷凝汽器的壓力。

1.3 空冷凝汽器的軸流風(fēng)機(jī)耗功

由上節(jié)內(nèi)容可知，空冷凝汽器在實(shí)際運(yùn)行中，受環(huán)境因素和汽輪機(jī)排汽熱負(fù)荷的影響，其壓力是時(shí)刻變化的，為保證空冷機(jī)組的背壓維持在設(shè)計(jì)背壓附近，就需要實(shí)時(shí)調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而改變冷卻空氣量，防止背壓過(guò)高或過(guò)低，影響空冷機(jī)組的安全高效運(yùn)行。

空冷凝汽器的軸流風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特性滿足相似定律[10]，即：

式中，qv1、qv2分別為額定工況和變工況下的軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)量，m3/s；n1、n2分別為額定工況和變工況下的軸流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；Pf1、Pf2分別為額定工況和變工況下的軸流風(fēng)機(jī)軸功率，kW。

式中，Pfz為軸流風(fēng)機(jī)消耗功率(下文簡(jiǎn)稱“耗功”)，kW；Pf為軸流風(fēng)機(jī)軸功率；ηm為齒輪箱傳動(dòng)效率；ηg為電動(dòng)機(jī)效率。

2 空冷凝汽器在變工況下的運(yùn)行特性研究

2.1 空冷凝汽器運(yùn)行特性的影響因素

針對(duì)空冷凝汽器在變工況下的運(yùn)行特性研究主要集中在軸流風(fēng)機(jī)出力一定的情況下，考察相關(guān)因素對(duì)空冷凝汽器壓力變化的影響[9]。但在空冷凝汽器的實(shí)際工作中，為了保證空冷機(jī)組的安全高效運(yùn)行，更普遍的做法是通過(guò)調(diào)整軸流風(fēng)機(jī)的出力將空冷凝汽器壓力維持在設(shè)計(jì)值附近，也就是說(shuō)，相關(guān)因素的影響更直觀地是體現(xiàn)在軸流風(fēng)機(jī)的耗功上。因此，從這一角度進(jìn)行分析將更貼合實(shí)際情況，本文的研究都將基于這一控制邏輯。

由前文分析可知，影響空冷凝汽器運(yùn)行壓力的主要因素有環(huán)境因素和空冷機(jī)組的排汽熱負(fù)荷這2個(gè)方面。其中，環(huán)境因素主要包括DNI、DHI、時(shí)間點(diǎn)(影響太陽(yáng)位置)、環(huán)境溫度；空冷機(jī)組的排汽熱負(fù)荷主要受空冷機(jī)組負(fù)荷率的影響，負(fù)荷率高時(shí)，排汽熱負(fù)荷也相對(duì)較大。以某50 MW塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的空冷凝汽器為研究對(duì)象，從環(huán)境因素和空冷機(jī)組的排汽熱負(fù)荷這2個(gè)方面分析相關(guān)因素對(duì)空冷凝汽器運(yùn)行特性的影響。

太陽(yáng)輻照度變化影響下的空冷凝汽器特性曲線如圖2所示。

圖2 太陽(yáng)輻照度變化影響下的空冷凝汽器的特性曲線Fig. 2 Performance of air-cooled condenser by solar irradiance variation

從圖2可以看到，當(dāng)DNI和DHI增大時(shí)，軸流風(fēng)機(jī)耗功直線上升，這主要是由于空冷凝汽器表面接收到的附加熱負(fù)荷增加所致。DNI每上升100 W/m2，軸流風(fēng)機(jī)耗功約增加0.3 kW；DHI每上升100 W/m2，軸流風(fēng)機(jī)耗功約增加0.4 kW。由此可見(jiàn)，太陽(yáng)能熱發(fā)電站聚光集熱雖然主要利用DNI，但DHI同樣會(huì)對(duì)電站運(yùn)行產(chǎn)生影響。

一天內(nèi)不同時(shí)間點(diǎn)的空冷凝汽器的特性曲線如圖3a、圖3b所示，不同月份時(shí)空冷凝汽器的特性曲線如圖3c、圖3d所示。

圖3 不同時(shí)間點(diǎn)影響下的空冷凝汽器的特性曲線Fig. 3 Characteristics of air-cooled condenser by different time points

如圖3所示，從一天中的變化曲線來(lái)看，附加熱負(fù)荷曲線與軸流風(fēng)機(jī)耗功曲線均在08:00和19:00出現(xiàn)了2個(gè)高峰。這主要是因?yàn)榭绽淠鲀蓚?cè)的翅片管束一側(cè)朝向正東方向，另一側(cè)朝向正西方向；在日出時(shí)刻左右，太陽(yáng)光在正東方向管束傾斜面上的入射角遠(yuǎn)小于其在水平面上的入射角，導(dǎo)致Rb值很大，放大了直射輻照度的影響；而正西方向的管束在日落時(shí)刻左右會(huì)出現(xiàn)類似的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致了附加熱負(fù)荷會(huì)在日出和日落時(shí)刻左右突然增大。從1天的變化曲線還可以看出，12:00之前主要是西向空冷凝汽器表面接收太陽(yáng)輻照，12:00之后主要是東向空冷凝汽器表面接收太陽(yáng)輻照。而從1年的變化曲線來(lái)看，兩側(cè)傾斜面的Rb值呈相反變化的趨勢(shì)，且數(shù)值相差較大，Rb值較高一側(cè)的附加熱負(fù)荷對(duì)空冷凝汽器特性的影響更大。

環(huán)境溫度影響下的空冷凝汽器的特性曲線如圖4所示。

圖4 環(huán)境溫度影響下的空冷凝汽器的特性曲線Fig. 4 Characteristics of air-cooled condenser under ambient temperature

由圖4可以看出，隨著環(huán)境溫度的上升，空冷凝汽器的軸流風(fēng)機(jī)耗功呈指數(shù)增長(zhǎng)，當(dāng)氣溫達(dá)到20 ℃以上時(shí)，軸流風(fēng)機(jī)出力達(dá)到最大值，但仍無(wú)法將空冷凝汽器的壓力維持在設(shè)計(jì)值，空冷凝汽器的壓力開(kāi)始隨環(huán)境溫度等比例上升。這是空冷凝汽器在夏季運(yùn)行中常常會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題。

空冷機(jī)組負(fù)荷增加時(shí)，排汽所攜帶的熱量也會(huì)增加，需要相應(yīng)提高冷卻空氣的流量。而由前文的分析和空冷機(jī)組負(fù)荷影響下的空冷凝汽器的特性可知，這將導(dǎo)致軸流風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和耗功的增加。汽輪機(jī)排汽熱負(fù)荷影響下的空冷凝汽器的特性曲線如圖5所示?？梢钥闯?，隨著汽輪機(jī)排汽熱負(fù)荷率的增加，軸流風(fēng)機(jī)耗功也在增加。

圖5 汽輪機(jī)排汽熱負(fù)荷影響下的空冷凝汽器的特性曲線Fig. 5 Characteristics of air-cooled condenser by steat turbine exhaust heat load

2.2 實(shí)際發(fā)電過(guò)程中空冷凝汽器的運(yùn)行狀況分析

2.2.1 典型日時(shí)空冷凝汽器的運(yùn)行特性分析

在實(shí)際發(fā)電過(guò)程中，空冷凝汽器的運(yùn)行將受到前文所述各種因素的綜合影響。為此，考察了某地春分、夏至、秋分、冬至4個(gè)典型日附近全晴天時(shí)空冷凝汽器運(yùn)行特性的變化曲線，如圖6、圖7所示。

圖6 4個(gè)典型日附近全晴天時(shí)DNI和環(huán)境溫度的變化曲線Fig. 6 Variation curves of DNI and ambient temperature in sunny days around four typical days

圖7 4個(gè)典型日附近全晴天時(shí)空冷凝汽器的特性曲線Fig. 7 Characteristics of air-cooled condenser in sunny days around four typical days

從圖6和圖7可以看出，在4個(gè)典型日附近全晴天時(shí)的全天變化過(guò)程中，空冷凝汽器呈現(xiàn)出一些共同特點(diǎn)：

1)在汽輪機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，由于排汽熱負(fù)荷小，凝汽通過(guò)自然冷卻也已降至空冷凝汽器允許的最低壓力，因此這一階段軸流風(fēng)機(jī)不開(kāi)啟，而空冷凝汽器的控制目標(biāo)主要是保證汽輪機(jī)背壓高于阻塞背壓。

2)在日落時(shí)刻左右，軸流風(fēng)機(jī)功率有短時(shí)間突然增大的現(xiàn)象，這主要是由于此時(shí)汽輪機(jī)仍可利用熱罐存儲(chǔ)的能量維持較高的負(fù)荷，即排汽熱負(fù)荷較高，而西向的翅片管束的Rb值很高，導(dǎo)致此時(shí)的空冷凝汽器翅片管束表面的附加熱負(fù)荷很高。而由于太陽(yáng)能熱發(fā)電站的選址偏向DNI較高的地區(qū)，這一特點(diǎn)可能會(huì)更明顯，因此，在電站運(yùn)行過(guò)程中，日落時(shí)刻左右由于附加熱負(fù)荷的急劇增大，導(dǎo)致空冷凝汽器壓力可能會(huì)發(fā)生突變，應(yīng)給予特別關(guān)注。

而由于不同季節(jié)環(huán)境溫度的差異，空冷凝汽器的運(yùn)行特性也呈現(xiàn)出明顯的差異。尤其是夏季的高氣溫使大部分時(shí)間的軸流風(fēng)機(jī)的出力都達(dá)到了最大，而空冷凝汽器壓力偏離設(shè)計(jì)值，達(dá)到了十幾kPa，秋分日附近也出現(xiàn)了類似的情況。

2.2.2 典型氣象年時(shí)空冷凝汽器的運(yùn)行變化情況

太陽(yáng)能熱發(fā)電站一般是基于典型氣象年數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，因此，為考察空冷凝汽器全年運(yùn)行情況的變化規(guī)律，模擬了空冷凝汽器典型氣象年全年的運(yùn)行情況，并對(duì)各月的數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。典型氣象年全年空冷凝汽器特性的變化曲線如圖8所示。

圖8 典型氣象年全年空冷凝汽器的特性變化曲線Fig. 8 Characteristic variation of air-cooled condenser in typical meteorological year

由圖8可以看出，軸流風(fēng)機(jī)耗功和空冷凝汽器壓力在6～8月出現(xiàn)了明顯升高，這主要是受環(huán)境溫度和太陽(yáng)輻照度的綜合影響。附加熱負(fù)荷雖然一定程度上受太陽(yáng)輻照度的影響，但太陽(yáng)位置變動(dòng)帶來(lái)的Rb的變化對(duì)其影響更大。

3 結(jié)論

本文針對(duì)塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站中的空冷凝汽器進(jìn)行了建模，從軸流風(fēng)機(jī)耗功和空冷凝汽器壓力變化的角度研究了相關(guān)因素對(duì)空冷凝汽器特性的影響，以及空冷凝汽器在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的特點(diǎn)，得到以下結(jié)論：

1)太陽(yáng)輻照度會(huì)對(duì)空冷凝汽器產(chǎn)生附加熱負(fù)荷，導(dǎo)致其壓力升高或軸流風(fēng)機(jī)耗功增加。附加熱負(fù)荷隨DNI、DHI的升高而升高，且與太陽(yáng)位置關(guān)系密切；在日出、日落時(shí)刻左右，DNI產(chǎn)生的附加熱負(fù)荷會(huì)由于光線與空冷凝汽器表面的位置關(guān)系得到大幅增加。

2)軸流風(fēng)機(jī)耗功隨環(huán)境溫度增大呈指數(shù)上升的趨勢(shì)，在軸流風(fēng)機(jī)出力達(dá)到最大的情況下，空冷凝汽器壓力隨環(huán)境溫度增大呈直線上升。

3)在太陽(yáng)能熱發(fā)電站的運(yùn)行過(guò)程中，需要特別關(guān)注太陽(yáng)輻照度值較高的日落時(shí)刻，太陽(yáng)輻照熱負(fù)荷可能會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)急劇增大，再加上此時(shí)汽輪機(jī)排汽熱負(fù)荷也通常較高，可能會(huì)造成軸流風(fēng)機(jī)耗功劇增，并在環(huán)境溫度較高時(shí)造成空冷凝汽器壓力急劇增大，給汽輪機(jī)安全運(yùn)行帶來(lái)威脅。

4)空冷凝汽器壓力和軸流風(fēng)機(jī)耗功在環(huán)境溫度和太陽(yáng)輻照度最高的夏季會(huì)比其他季節(jié)更高，而附加熱負(fù)荷雖然與太陽(yáng)輻照度有關(guān)，但受太陽(yáng)位置變動(dòng)(具體反映在直射輻射修正因子的變化)的影響更大，最高值出現(xiàn)在12月。