環(huán)境風(fēng)影響下直接空冷陣列入口空氣流量特性實驗研究

孔新博，羅智凌，馮鵬遠, 李 泓，周振華，張金祥

(1．華北電力大學(xué) 控制與計算機工程學(xué)院，北京 102206；2.中國科學(xué)院國家空間中心，北京 102206;3．國電電力大連莊河發(fā)電有限責(zé)任公司，遼寧大連 116000)

直接空冷技術(shù)利用空氣作為冷卻工質(zhì)，通過軸流風(fēng)機群強化空氣流動以達到冷卻乏汽和降低機組背壓的目的，且直接空冷機組的耗水量僅為傳統(tǒng)濕冷機組的20%[1-5]，其由于具有顯著的節(jié)水效果，在我國富煤缺水的北方地區(qū)得到大規(guī)模應(yīng)用。2016年，國家能源局確定的20個太陽能光熱發(fā)電示范項目名單[6]中，有19個分布在西北缺水地區(qū)，均采用直接空冷機組。然而，采用空氣作為冷卻介質(zhì)會使凝汽器的換熱效率降低，導(dǎo)致背壓升高，機組出力降低。此外，與傳統(tǒng)濕冷機組凝汽器相比，空冷凝汽器的核心部件軸流風(fēng)機群耗電量更大。直接空冷陣列軸流風(fēng)機入口空氣體積流量(簡稱風(fēng)機體積流量)是影響凝汽器效率的關(guān)鍵因素，合理調(diào)節(jié)風(fēng)機運行方式是空冷陣列節(jié)能優(yōu)化的重要工作。由于凝汽器布置在露天環(huán)境中，環(huán)境風(fēng)對風(fēng)機體積流量影響顯著，因此，研究直接空冷陣列在環(huán)境風(fēng)影響下的運行特性具有重要意義。

Conradie等[7-8]的研究結(jié)果表明，在環(huán)境風(fēng)影響下空冷陣列外圍風(fēng)機性能惡化是引起凝汽器換熱效果差的主要原因。Hotchkiss等[9]發(fā)現(xiàn)橫向環(huán)境風(fēng)會使風(fēng)機的工作效率降低。黃鶴等[10]對330 MW直接空冷凝汽器進行數(shù)值仿真，結(jié)果表明環(huán)境風(fēng)是導(dǎo)致風(fēng)機體積流量和凝汽器出口溫度不均的主要原因。江澤銘等[11]研究了不同風(fēng)況對300 MW直接空冷凝汽器換熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)空冷陣列迎風(fēng)面第1行受環(huán)境風(fēng)影響最大。王維英等[12]以寧夏某電廠350 MW直接空冷機組為例，研究不同風(fēng)況對直接空冷機組背壓和負荷的影響。楊立軍等[13]通過實驗發(fā)現(xiàn)風(fēng)機并聯(lián)運行時的空氣體積流量遠低于風(fēng)機獨立運行時的空氣體積流量。張輝等[14]提出采用位置系數(shù)來衡量風(fēng)機效率，實驗發(fā)現(xiàn)無風(fēng)環(huán)境下外圍風(fēng)機位置系數(shù)較小。目前，對于環(huán)境風(fēng)影響下風(fēng)機入口空氣流量特性的分析仍以數(shù)值模擬為依據(jù)，缺少實驗數(shù)據(jù)支撐。

筆者依托搭建在露天環(huán)境下的空冷陣列實驗平臺，在環(huán)境風(fēng)擾動下測量每臺風(fēng)機的體積流量，分析空冷陣列風(fēng)機體積流量與風(fēng)況(即風(fēng)速、風(fēng)向)的關(guān)系；利用風(fēng)機體積流量實際值計算不同風(fēng)況下凝汽器背壓，對傳統(tǒng)背壓模型進行修正，對空冷陣列轉(zhuǎn)速控制器的設(shè)計提出了建議。

1 直接空冷系統(tǒng)和凝汽器模型

1.1 直接空冷系統(tǒng)

直接空冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1，包括空冷陣列平臺、控制系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)和測量系統(tǒng)4部分，直接空冷系統(tǒng)的設(shè)備參數(shù)見表1。

圖1 直接空冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the direct air-cooling system

空冷陣列平臺仿照國內(nèi)某330 MW直接空冷機組的空冷陣列，以10∶1的比例建設(shè)而成，實驗平臺周圍空曠且各方向風(fēng)溫一致。每個空冷單元包括1臺風(fēng)機、1對模擬翅片管和1臺變頻器?？刂葡到y(tǒng)采用分散控制系統(tǒng)(DCS)，通過DCS監(jiān)測風(fēng)況和風(fēng)機體積流量，控制風(fēng)機轉(zhuǎn)速。風(fēng)機由交流電機驅(qū)動，調(diào)速方式為變頻調(diào)速。30臺變頻器獨立驅(qū)動30臺交流電機，實現(xiàn)交流電機轉(zhuǎn)速的單獨控制。變頻器功率為3 kW，與風(fēng)機轉(zhuǎn)速對應(yīng)。在實驗平臺西南側(cè)安裝機械式風(fēng)速風(fēng)向儀，與空冷陣列平臺同高，并保證周圍無遮擋。風(fēng)向傳感器輸出角度信號，角度為水平風(fēng)來向。

采用皮托管流量計測量風(fēng)機體積流量，每個空冷單元安裝2根皮托管流量計，每根有8個風(fēng)速測點。根據(jù)等面積環(huán)原理[14]布置測點，取16個測點的平均值作為第i行、第j列風(fēng)機的體積流量qV,ij,c。

表1 直接空冷系統(tǒng)參數(shù)

(1)

式中：Vn為每個測點附近的瞬時風(fēng)速；A為截面積。

1.2 冷端系統(tǒng)傳統(tǒng)模型

管內(nèi)蒸汽冷凝放熱量為Q1：

Q1=qm,c(hc-cp,wTh)

(2)

式中：qm,c為排汽質(zhì)量流量；hc為排放蒸汽焓；cp,w為水的比定壓熱容；Th為冷凝水溫度。

管外空氣吸收熱量Q2為：

Q2=ρqVcp,a(Ta2-Ta1)

(3)

式中：ρ為空氣密度；qV為風(fēng)機體積流量；cp,a為空氣比定壓熱容；Ta2和Ta1分別為冷卻風(fēng)出口、進口溫度。

換熱過程可以通過傳熱效率和傳熱單元數(shù)來描述，即：

(4)

(5)

式中：ε為傳熱效率；NTU為傳熱單元數(shù)；K為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；AF為散熱器換熱面積。

根據(jù)能量守恒定律，管內(nèi)蒸汽冷凝放熱量Q1與管外空氣吸收熱量Q2相等。

聯(lián)立式(1)～式(5)，冷凝水溫度Th為：

(6)

根據(jù)風(fēng)機的相似定律，滿足相似條件的風(fēng)機體積流量之比等于風(fēng)機直徑之比的3次方與轉(zhuǎn)速之比的乘積。因此，可以利用實驗平臺風(fēng)機的體積流量計算風(fēng)機體積流量實際值，進而得到凝汽器背壓。

根據(jù)經(jīng)驗公式，背壓pb=[(Th+100)/57.66]7.46×9.8×10-3，該公式的計算精度足以滿足工程需要。背壓會影響排汽焓降，進而改變發(fā)電功率。此外，背壓會對凝結(jié)水的溫度產(chǎn)生影響，而末級排汽壓力會隨凝結(jié)水溫度的變化而變化，從而改變有效排汽焓降，影響發(fā)電功率。

2 實驗數(shù)據(jù)處理

2.1 單臺風(fēng)機體積流量基準值的測量

(7)

式中：qV,ij,m為風(fēng)機體積流量實驗值；qV,d為風(fēng)機體積流量設(shè)計值。

表2 風(fēng)機獨立運行時體積流量基準值

2.2 平均風(fēng)向

采用單位矢量平均法[15]計算平均風(fēng)向，其原理是統(tǒng)計各時刻下風(fēng)向標度在坐標軸上的投影，計算累計風(fēng)向標度投影的平均值，再通過反正切的方式還原平均風(fēng)向。其中,設(shè)置正北風(fēng)向為0°,沿順時針增大。

(8)

圖2 平均風(fēng)向的變化Fig.2 Average variation of wind direction

2.3 風(fēng)速

卡爾曼濾波算法是一種最優(yōu)狀態(tài)估計的方法，通過在模型的狀態(tài)空間方程中增加測量噪聲和過程噪聲2個變量，使最優(yōu)狀態(tài)估計的協(xié)方差最小。其中，最優(yōu)狀態(tài)估計值通過模型預(yù)測值與測量值加權(quán)求和得到，而權(quán)重即為卡爾曼增益。模型預(yù)測值包含預(yù)測誤差，測量值包含測量誤差，通過卡爾曼增益可將二者融合，取概率最大的數(shù)值作為最優(yōu)狀態(tài)估計值。

式(9)為卡爾曼濾波算法的5個基本方程，分別為狀態(tài)一步預(yù)測方程、一步預(yù)測誤差協(xié)方差方程、卡爾曼增益方程、狀態(tài)估計方程和濾波誤差協(xié)方差方程。

(9)

式中：X(t,t-1)為用t-1時刻狀態(tài)量預(yù)測得到的t時刻狀態(tài)量；φ(t,t-1)為t時刻的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；X(t)為t時刻最優(yōu)狀態(tài)估計值；P(t,t-1)為t時刻預(yù)測誤差的協(xié)方差矩陣；P(t,t)為t時刻濾波誤差的協(xié)方差矩陣；K(t)為t時刻卡爾曼增益；H(t)為t時刻測量系統(tǒng)參數(shù)矩陣；Y(t)為t時刻風(fēng)速測量值矩陣；Q(t)為t時刻過程噪聲的協(xié)方差矩陣；R(t)為t時刻測量噪聲的協(xié)方差矩陣;I為單位矩陣。

受實驗平臺環(huán)境因素的限制，風(fēng)速的測量范圍為0～9 m/s。對1 800個風(fēng)速實驗數(shù)據(jù)進行處理，結(jié)果如圖3所示。

圖3 經(jīng)卡爾曼濾波后風(fēng)速與風(fēng)速測量值的對比Fig.3 Comparison of wind speed before and after Kalman filtering

3 結(jié)果與分析

3.1 流量特性

為分析風(fēng)向變化時風(fēng)機體積流量的分布特性，在風(fēng)向變化劇烈的天氣進行實驗。實驗過程中所有風(fēng)機以30 Hz頻率運行，環(huán)境溫度為20 ℃，各方向風(fēng)溫均保持不變。

從直接空冷系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫中選取具有代表性的60 s風(fēng)向持續(xù)變化的數(shù)據(jù)，并選取其中5個時間段(T1～T5)進行分析，如圖4所示。分別計算每個時間段的平均風(fēng)速和風(fēng)向，以及每臺風(fēng)機的平均體積流量，在不同時間段內(nèi)風(fēng)機體積流量的分布見圖5。其中，T1時間段內(nèi)平均風(fēng)速為3.3 m/s，平均風(fēng)向為北偏西10°；T2時間段內(nèi)平均風(fēng)速為2.1 m/s，平均風(fēng)向為西偏北4°；T3時間段內(nèi)平均風(fēng)速為2.7 m/s，平均風(fēng)向為南偏西27°；T4時間段內(nèi)平均風(fēng)速為1.8 m/s，平均風(fēng)向為南偏東26°；T5時間段內(nèi)平均風(fēng)速為2.1 m/s，平均風(fēng)向為西偏南6°。由圖5可知，環(huán)境風(fēng)下迎風(fēng)側(cè)第1列(或行)為流量低谷區(qū)，且流量低谷區(qū)隨風(fēng)向的變化而轉(zhuǎn)移，基本無時間延遲。

按列求和得到各列風(fēng)機體積流量，其分布見圖6。風(fēng)機總體積流量為97.2 m3/s，迎風(fēng)側(cè)第1列的體積流量最小(11.6 m3/s)，占總體積流量的11.9%，第3列的體積流量最大(18.0 m3/s)，占總體積流量的18.5%。除迎風(fēng)側(cè)第1列風(fēng)機外，其他區(qū)域各列風(fēng)機的體積流量分布較均勻，這與文獻[11]和文獻[13]的結(jié)論相同。

圖4 風(fēng)速和風(fēng)向隨時間的變化Fig.4 Variations of wind speed and direction with time

(a) T1

圖6 西偏北20°風(fēng)向下各列風(fēng)機體積流量的分布

進一步計算在風(fēng)速為2 m/s時不同風(fēng)向下風(fēng)機平均體積流量，結(jié)果見表3。由表3可知，在不同風(fēng)向下風(fēng)機平均體積流量相差不大。

3.2 不同風(fēng)速下風(fēng)機的流量特性

在風(fēng)力較強的天氣下開展實驗，所有風(fēng)機以30 Hz的頻率持續(xù)運行，風(fēng)向見圖2。通過計算可知，風(fēng)向在280°～330°的數(shù)據(jù)所占比例為76.3%，可以認為該時間段風(fēng)向基本穩(wěn)定，選取風(fēng)速分別為2 m/s、4 m/s、6 m/s和8 m/s的風(fēng)機體積流量，并計算各列風(fēng)機平均體積流量，其與風(fēng)速的關(guān)系見圖7。從圖7可以看出，受環(huán)境風(fēng)影響，第1列風(fēng)機的平均

表3 不同風(fēng)向下風(fēng)機平均體積流量

圖7 不同風(fēng)速下各列風(fēng)機平均體積流量的分布

體積流量顯著低于無風(fēng)情況，且風(fēng)速越大，體積流量越小。進一步對各列風(fēng)機體積流量的動態(tài)特性進行分析，各列風(fēng)機體積流量與風(fēng)速之間的關(guān)系見圖8。

從圖8可以看出，迎風(fēng)側(cè)第1列(即第1列)風(fēng)機的體積流量在300～900 s內(nèi)波動劇烈，在該時間段內(nèi)風(fēng)速由1.5 m/s增大至6.3 m/s，第1列風(fēng)機的體積流量由10 m3/s減小至7.9 m3/s；在800～1 200 s內(nèi)風(fēng)速減小至1.9 m/s，因此體積流量明顯提升。

(a) 第1列

(d) 第4列

各列風(fēng)機體積流量標準差Rstd及其與風(fēng)速之間的相關(guān)系數(shù)Rcor分別為：

(10)

(11)

式中：qV,ave為各列風(fēng)機體積流量算術(shù)平均值；V為風(fēng)速；D(qV)、D(V)分別為各列風(fēng)機體積流量和風(fēng)速的方差。

相關(guān)系數(shù)表征風(fēng)機體積流量受風(fēng)速的影響程度，相關(guān)系數(shù)的絕對值越大，表明風(fēng)機體積流量對風(fēng)速的影響越大。相關(guān)系數(shù)大于0時，風(fēng)機體積流量隨風(fēng)速的增大而增大；相關(guān)系數(shù)不大于0時，風(fēng)機體積流量隨風(fēng)速的增大而減小，具體計算結(jié)果見表4。

從表4可以看出，在風(fēng)向基本不變、風(fēng)速連續(xù)變化的環(huán)境風(fēng)影響下迎風(fēng)側(cè)第1列(即第1列)風(fēng)機的體積流量標準差最大，且遠大于其他列；迎風(fēng)側(cè)第2列(即第2列)和背風(fēng)側(cè)第1列(即第6列)風(fēng)機的體積流量有明顯波動，中間3列風(fēng)機體積流量基本穩(wěn)定；迎風(fēng)側(cè)第1列風(fēng)機的體積流量與風(fēng)速呈負相關(guān)，迎風(fēng)側(cè)第2列和第3列(即第3列)以及背風(fēng)側(cè)第1列風(fēng)機的體積流量與風(fēng)速呈正相關(guān)，其他2列風(fēng)機體積流量與風(fēng)速基本無關(guān)。迎風(fēng)側(cè)第1列風(fēng)機的體積流量與風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)為負，隨風(fēng)速快速變化，基本無時滯。風(fēng)速波動是引起迎風(fēng)側(cè)第1列風(fēng)機體積流量波動的主要原因。圖9給出了風(fēng)機體積流量標準差與風(fēng)速的關(guān)系曲線。

表4 各列風(fēng)機體積流量標準差及其與風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)

圖9 風(fēng)機體積流量標準差與風(fēng)速的關(guān)系

3.3 環(huán)境風(fēng)對凝汽器背壓的影響

風(fēng)機體積流量受到集群效應(yīng)和環(huán)境風(fēng)影響，因此根據(jù)實驗數(shù)據(jù)估計機組的風(fēng)機體積流量，建立了背壓模型并進行驗證。驗證對象為330 MW直接空冷機組，設(shè)計風(fēng)機體積流量為518 m3/s，風(fēng)機額定功率為110 kW，風(fēng)機直徑為9.144 m，風(fēng)機額定頻率為50 Hz，總散熱面積為847 432 m2，設(shè)計背壓為15 kPa。選取4組實驗數(shù)據(jù)，分別計算機組背壓差，并將其與背壓實際值進行對比，模型驗證結(jié)果見表5。從表5可以看出，相比于傳統(tǒng)模型，本文模型背壓計算值的相對誤差較小，精確度提升了2%～5%。這是由于在風(fēng)機實際運行中存在風(fēng)機集群效應(yīng)以及環(huán)境風(fēng)對風(fēng)機總體積流量的影響，導(dǎo)致風(fēng)機效率降低。

為分析不同風(fēng)速對凝汽器背壓的影響，選取6組不同風(fēng)況的實驗數(shù)據(jù)，所有風(fēng)機以50 Hz頻率運行。根據(jù)風(fēng)機相似定律和本文所建背壓模型計算凝汽器背壓，見表6和表7，其中工況1～工況3分別表示環(huán)境溫度為10 ℃、20 ℃和30 ℃，工況4～工況6分別表示負荷率為50%、75%和100%。

表5 背壓模型驗證

表6 額定負荷下凝汽器背壓

表7 20 ℃環(huán)境溫度下凝汽器背壓

將實驗數(shù)據(jù)中有風(fēng)和無風(fēng)時的背壓進行對比，發(fā)現(xiàn)有風(fēng)時凝汽器背壓較大；當(dāng)風(fēng)速基本不變時，不同風(fēng)向下機組背壓差異不大；當(dāng)風(fēng)向基本不變時，風(fēng)速越大，凝汽器內(nèi)冷凝溫度和背壓越高，在額定負荷下風(fēng)速從2 m/s增大至8 m/s，其背壓較無風(fēng)時的增幅約為0.5 kPa；當(dāng)負荷一定時，環(huán)境溫度從10 ℃升高至30 ℃，其背壓較無風(fēng)時的增幅約從0.5 kPa提高到1 kPa；當(dāng)環(huán)境溫度相同時，機組負荷率從50%提高至100%，其背壓較無風(fēng)時的增幅約從0.2 kPa提高到0.7 kPa，因此在夏季機組以高負荷運行時，需要充分考慮環(huán)境風(fēng)的影響。

3.4 空冷風(fēng)機控制優(yōu)化建議

風(fēng)機體積流量直接影響凝汽器的換熱效果，環(huán)境風(fēng)的存在造成迎風(fēng)側(cè)第1列風(fēng)機體積流量顯著減小，也使空冷陣列體積流量分布的不均勻性加劇。為削弱環(huán)境風(fēng)對空冷陣列產(chǎn)生的不良影響，對空冷陣列轉(zhuǎn)速控制器的設(shè)計提出以下建議：

(1) 在空冷風(fēng)機底部安裝空氣流量計，實時監(jiān)測風(fēng)機體積流量，同時將風(fēng)機體積流量和凝汽器背壓作為反饋參數(shù)引入控制回路。

(2) 采用分區(qū)控制，即針對風(fēng)機體積流量高且穩(wěn)定的空冷陣列區(qū)域，提高風(fēng)機轉(zhuǎn)速；針對風(fēng)機體積流量低且波動大的區(qū)域，降低風(fēng)機轉(zhuǎn)速。

(3) 空冷陣列長期處于穩(wěn)定的環(huán)境風(fēng)向時，將迎風(fēng)側(cè)第1列風(fēng)機作為區(qū)域Ⅰ，其他風(fēng)機作為區(qū)域Ⅱ；環(huán)境風(fēng)向變化頻繁時，考慮到實際控制器中不宜頻繁切換控制模型，建議將體積流量波動較大的最外圈風(fēng)機作為區(qū)域Ⅰ，體積流量較穩(wěn)定的內(nèi)部風(fēng)機作為區(qū)域Ⅱ。

4 結(jié) 論

(1) 空冷陣列在環(huán)境風(fēng)的持續(xù)影響下，迎風(fēng)側(cè)第1行(列)風(fēng)機體積流量顯著減小，而背風(fēng)側(cè)風(fēng)機體積流量較大；流量低谷區(qū)隨風(fēng)向快速變化，無遲延；不同風(fēng)向下風(fēng)機平均體積流量差別不大，風(fēng)向僅影響流量低谷區(qū)的位置。

(2) 迎風(fēng)側(cè)第1列風(fēng)機的體積流量與風(fēng)速呈負比例系數(shù)關(guān)系，風(fēng)速變化是引起迎風(fēng)側(cè)第1列風(fēng)機體積流量波動的主要原因。

(3) 實際運行時，在環(huán)境風(fēng)影響下凝汽器背壓高于無風(fēng)時的背壓。背壓隨風(fēng)速的增大而增大，且環(huán)境溫度和運行負荷較高時環(huán)境風(fēng)的影響更為顯著。