盧日時，趙云云

（哈爾濱汽輪機廠輔機工程有限公司，哈爾濱 150090）

1 引言

我國的能源結(jié)構(gòu)決定了在未來很長一段時間內(nèi)燃煤火力發(fā)電廠會占據(jù)電力行業(yè)中的較大份額?；鹆Πl(fā)電需要消耗大量的水資源，而我國又是一個貧水國家，人均占有水量僅有世界人均水平的1/4，是世界上人均占有水資源最貧乏的13個國家之一。近年來，日益凸顯的缺水問題限制了部分地區(qū)火力發(fā)電廠建設(shè)和發(fā)展。所以空冷機組在水資源缺乏的地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用，并具有廣闊的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

國內(nèi)先后引進投產(chǎn)了200MW、300MW、600MW 和1000WM 等級的空冷機組，這些大型空冷機組的投運，提升了國內(nèi)空冷機組的應(yīng)用水平。尤其是世界上首臺1000WM 超超臨界直接空冷機組2010 年在靈武電廠的成功引進投產(chǎn)，標(biāo)志著我國在直接空冷機組應(yīng)用技術(shù)方面走在了世界前列。由于1000MW 超超臨界機組在發(fā)電煤耗、減少污染物排放、節(jié)約水資源等方面具有明顯的優(yōu)勢，將是我國未來空冷機組建設(shè)的優(yōu)選。直接空冷機組的整體性能體現(xiàn)在設(shè)計和運行兩個方面，針對直接空冷系統(tǒng)的運行特點，在直接空冷機組設(shè)計和運行必須考慮空冷凝汽器的背壓、散熱面積、風(fēng)機電耗、環(huán)境因素等方面的相互關(guān)系，以期使直接空冷機組的安全性、經(jīng)濟性得到保證和優(yōu)化。

本文著眼于1000MW 超超臨界直接空冷機組空冷系統(tǒng)主要參數(shù)關(guān)系模型建立，其研究成果對發(fā)展我國超（超）臨界直接空冷機組自主設(shè)計與生產(chǎn)技術(shù)具有重要意義。

2 研究內(nèi)容

直接空冷系統(tǒng)又稱空氣冷凝凝汽器（ACC）系統(tǒng)，是指汽輪機的排汽直接用環(huán)境空氣通過散熱器蒸汽冷凝成凝結(jié)水。直接空冷系統(tǒng)凝汽器由散熱器組成，根據(jù)散熱器管束內(nèi)部蒸汽和凝結(jié)水的相對流動方向，又分順流空冷和逆流空冷。其中順流空冷冷卻大部分（約75%～80%）的汽輪機排汽，未凝結(jié)的蒸汽進入到逆流空冷系統(tǒng)中凝結(jié)，最后由逆流凝汽器上部的真空抽吸設(shè)備抽出不凝結(jié)氣體，避免在運行過程中空冷系統(tǒng)內(nèi)部的形成死區(qū)，導(dǎo)致?lián)Q熱惡化。

研究直接空冷系統(tǒng)的變工況特性就是要確定空冷凝汽器壓力的影響因素，找出各因素對空冷凝汽器壓力的影響規(guī)律。通過對空冷凝汽器全工況運行性能研究，分析汽輪機背壓在各個不同工況下隨初始溫差等因素的變化規(guī)律，為優(yōu)化運行直接空冷系統(tǒng)和提高空冷系統(tǒng)的經(jīng)濟性提供了理論依據(jù)。

3 直接空冷系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

3.1 空冷凝汽器傳熱計算

式中，Qs為管內(nèi)蒸汽凝結(jié)放熱量，kJ；Gs為汽輪機排汽量，kg/s；hs為汽輪機排汽焓，kJ/kg；hc為凝結(jié)水焓，kJ/kg。

式中，Qa為管外空氣吸熱量，J；vF-空冷凝汽器迎面風(fēng)速，m/s；ta1為空氣進口溫度，℃；ta2為空氣出口溫度，℃；AF為空冷凝汽器迎風(fēng)面積，m2；ρa為空冷凝汽器入口空氣密度，kg/m3；ca為空氣比熱，J/（kg·K）。（3）空冷凝汽器總換熱量不考慮空冷凝汽器的散熱損失，根據(jù)熱平衡原理有：

式中，Q為空冷凝汽器總換熱量，J；A為空冷凝汽器總換熱表面積，m2；k為空冷凝汽器總換熱系數(shù)，W/（m2·K）；Δtm為對數(shù)換熱溫差，℃。

（4）空冷凝汽器的傳熱單元數(shù)NTU 及效率η

式中，AF為散熱器的迎風(fēng)面積，m2；AG為散熱器光管外表面積，m2；kG為光管換熱系數(shù)，W/（m2·K）；Z為光管面積與迎風(fēng)面積之比Z=AG/AF。

（5）空氣通過散熱器溫升Δta

（6）空冷凝汽器蒸汽的凝結(jié)溫度ts及排汽溫度

通過對空冷凝汽器傳熱方程、能量平衡方程、空冷凝汽器效能、傳熱單元數(shù)的推導(dǎo)，可計算出空冷凝汽器內(nèi)凝結(jié)溫度：

排汽管道的散熱損失，一般慣例都是采用對溫度取溫降的方法處理。溫降的取值由管道直徑、保溫厚度、管道走向、長度決定，通常數(shù)值基本相同，為2℃～3℃。

空冷凝汽器壓力查水蒸氣性質(zhì)表可得。

3.2 汽輪機末級排汽壓力

汽輪機末級排汽壓力(汽輪機背壓)或者凝汽器壓力一般被理解為冷端壓力，如果嚴格一點來說，二者卻是兩個完全不同的壓力。一般來說低壓缸末級動葉片出口截面處的靜壓力是汽輪機背壓，以pk表示。而空冷凝汽器內(nèi)部靜壓力稱為凝汽器排汽壓力，以pc表示。

由于空冷機組的凝汽器壓力和背壓在數(shù)值上是有很大差別的，考慮壓損，存在以下計算模型：

式中，pk為汽輪機末級排汽壓力，kPa；pc為空冷凝汽器的壓力，kPa；Δp1為排汽管道中的壓力損失，kPa；Δp2為水蒸汽柱引起的壓差，kPa。

式中，D0表示末級排汽流量；下角標(biāo)od 代表變工況。

電站直接空冷系統(tǒng)是在額定工況下設(shè)計的（簡稱設(shè)計工況），各設(shè)計參數(shù)如設(shè)計背壓、冷卻面積、設(shè)計汽溫是通過多種經(jīng)濟技術(shù)方案的比較優(yōu)化得到的，直接空冷系統(tǒng)在設(shè)計工況下運行，理論上應(yīng)該能達到最佳運行狀態(tài)。

排汽壓損與空冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有關(guān)，目前沒有統(tǒng)一的數(shù)值和計算方法，如給定空冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸，可以通過理論計算和數(shù)值模擬方法進行計算，作為設(shè)計參考依據(jù)。目前通常采用如下方法，初設(shè)時采用經(jīng)驗數(shù)值設(shè)計，待設(shè)計院提供管道設(shè)計結(jié)果后，對管道內(nèi)流動通過數(shù)值軟件進行核算，根據(jù)計算結(jié)果修訂取值。

3.3 ITD的優(yōu)化

直接空冷系統(tǒng)初始溫差（ITD），即汽輪機排汽飽和溫度與進入空冷凝汽器的空氣溫度之差。當(dāng)確定了環(huán)境溫度和ITD 值后，汽輪機的排汽的相關(guān)參數(shù)（飽和溫度、壓力、出力和排放的熱量）也隨之確定。因此，ITD 值的高低影響到機組發(fā)電量和空冷凝汽器面積。ITD 值直接反映了空冷系統(tǒng)初投資和運行費用的關(guān)系。ITD 值高，空冷凝汽器可利用的傳熱溫差就大，根據(jù)傳熱學(xué)公式，那么所需散熱面積相對就小，那么空冷系統(tǒng)初投資就少，但汽輪機熱效率降低，機組煤耗上升，運行費用上升；ITD 值低，則反之。所以，需要綜合考慮多種因素確定ITD 值。

直接空冷系統(tǒng)的優(yōu)化最常用的方法就是年費用最小法，即計算某工程多種可能實施方案的一次性投資，以及在經(jīng)濟服務(wù)年限內(nèi)逐年支付的運行費用；然后按動態(tài)經(jīng)濟規(guī)律將投資與運行費用換算到指定年，再在經(jīng)濟服務(wù)年內(nèi)等額均攤，最后比較各方案的年總費用，最佳方案為年最少費用的方案。所以選取空冷系統(tǒng)的年總費用作為尋優(yōu)過程的目標(biāo)函數(shù)。計算過程：首先假設(shè)一系列ITD值，根據(jù)假設(shè)值計算出的各個ITD 對應(yīng)的年總費用，其中最小的年總費用對應(yīng)的ITD 值為最佳ITD。

4 模型建立及應(yīng)用實例

本模型使用Excel 表結(jié)合VB 程序?qū)崿F(xiàn)，輸入界面如圖1。分別以某電廠1000MW 空冷機組為例驗證模型計算的準(zhǔn)確性。

（1）散熱面積設(shè)計結(jié)果

電廠所處環(huán)境夏季溫度為29.3℃，排汽壓力為33kPa，考核工況設(shè)計結(jié)果1971780m2小于設(shè)計工況結(jié)果2132278.225m2，最終結(jié)果取值為設(shè)計工況設(shè)計結(jié)果80個散熱單元，2132278.225m2，結(jié)果輸出見表1、表2。

圖1 模型輸入界面

表1 1000MW 空冷機組不同設(shè)計溫度下散熱面積輸出結(jié)果

表2 空冷凝汽器系統(tǒng)考核工況計算及要求

表3 不同ITD 值輸出結(jié)果

電力設(shè)計院設(shè)計結(jié)果為2133220m2，數(shù)值差別為（2133220-2132278.225）/2133220=0.04%。散熱單元數(shù)相同。

（2）設(shè)計背壓計算

散熱面積為2133220m2（電力設(shè)計院結(jié)果），散熱器迎面風(fēng)速2.1m/s，環(huán)境溫度為14.00℃時機組背壓為12.8kPa（設(shè)計工況）。環(huán)境溫度33.00℃時機組背壓為25.75kPa（考核工況）。

（3）ITD 優(yōu)化結(jié)果

受上網(wǎng)電價、煤價、水價、空冷凝汽器單價、風(fēng)機單價等數(shù)據(jù)限制，本設(shè)計實例ITD 優(yōu)化結(jié)果為估算。ITD 優(yōu)化結(jié)果前5 名為38、37、39、36、40。受夏季考核工況的限制，為滿足機組夏季運行背壓要求，設(shè)計ITD應(yīng)小于：43.7℃。不同ITD值輸出結(jié)果見表3。

5 結(jié)論

針對直接空冷系統(tǒng)的運行特點，在直接空冷機組設(shè)計和運行必須考慮空冷凝汽器的背壓、散熱面積、風(fēng)機電耗、環(huán)境因素等方面的相互關(guān)系，通過建立空冷系統(tǒng)主要參數(shù)相互關(guān)系的模型，根據(jù)模型的計算結(jié)果選擇ITD 最佳值，分析直接空冷機組的運行的安全性、經(jīng)濟性，從而為直接空冷系統(tǒng)的優(yōu)化運行和提高經(jīng)濟性提供理論依據(jù)。

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