提高直接空冷機組夏季出力的探討

段向兵，周李鵬，張明遠，劉 學

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

0 引言

空冷機組經過幾十年的運行實踐，在技術上已日趨成熟，但在運行過程中，其經濟性會受酷暑、嚴寒、大風等問題影響，在夏季炎熱期不能滿出力運行，實際非滿發小時數大大超過設計非滿發小時數[1-3]。針對直接空冷機組夏季出力不足的問題，本文從國內直接空冷機組運行方面對這一問題進行分析，并提出具體解決方案，希望能為空冷設計和優化運行提供參考。

1 直接空冷機組夏季不滿發的原因分析

目前，國內直接空冷機組夏季不能滿發的原因主要有2方面：一是設計的非滿發；二是非設計的非滿發。

1.1 空冷系統本身造成的設計的非滿發

在空冷系統的設計中，要通過優化計算確定初始溫差（initial temperature difference，ITD）的優化值。對直接空冷系統來說，ITD值是空冷凝汽器入口設計點排汽溫度與冷卻空氣入口設計點溫度的差值。ITD的優化直接關系到汽輪機的運行參數和電廠冷卻系統的投資等一系列技術經濟指標。在一定的環境溫度和一定的散熱量的條件下，選取的ITD值不同，汽輪機的排汽溫度也不相同，空冷機組的出力也不相同。對ITD值優化，就是進行最佳綜合經濟效益的比較，一般采用年費用最小法，即在綜合考慮空冷島設計面積和投資以及當地煤價、投資回報率、運行年限、以及運行費用等條件下，以分攤到每年的最小費用為原則，確定ITD值。因此，當優化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組在任意高的大氣溫度下都能滿發的要求。很顯然，ITD的優化必然會帶來夏季炎熱期非滿發問題。

1.2 非設計的非滿發

（1）空冷散熱器外表面污染嚴重。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600MW直接空冷機組在夏季滿發設計氣溫下，當積灰厚度達到0.6 mm時，凝汽器設計壓力會上升6 kPa。

（2）空冷散熱器在運行一段時間后，容易出現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，使空冷機組在夏季滿出力運行受到限制。

2 直接空冷機組夏季不滿發的解決措施

解決直接空冷機組夏季不滿發的措施主要有：

（1）解決機組真空的嚴密性。對凝汽器內部的噴嘴、水室進行檢查，采取真空系統高位灌水的方法查找漏點。

（2）對散熱器進行加藥弱酸清洗和高壓水沖洗。多風沙地區散熱器表面積污染嚴重，影響換熱效果，嚴重時機組被迫降低出力運行。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）消除環境風對空冷凝汽器的影響。除考慮上述設計條件之外,直接空冷系統受外界環境的影響較大,在某些外界條件影響下,當環境氣溫低于滿發氣溫時，汽輪機的背壓也會超過設計值。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的影響。外界大風導致的熱回流使風機入口空氣溫度高于環境氣溫,空氣密度降低、ITD值降低,空冷系統換熱能力降低。如何消除環境風對直接空冷凝汽器的影響是大家普遍關注的難題，一是使變頻風機在高頻段運行；二是在設計時加高擋風墻的高度；三是設計時增加換熱面積的裕量等。

（4）安裝輔助噴霧系統。在散熱器表面安裝霧化噴嘴，夏季高溫季節時，利用布置在風機前的噴嘴把除鹽水以霧化形式對著空冷散熱器進風側噴出，濕潤空氣，使空氣增濕，降低散熱器入口風溫后轉向主散熱器鋁翅片噴淋，既增濕、降氣溫，又強化翅片換熱。增設輔助噴霧系統的優點是系統簡單，投資較少，效果較好。另外，噴霧系統采用了除鹽水，不必擔心散熱器表面結垢。其缺點是增設噴淋系統加大了除鹽水用量，需要考慮由此帶來的除鹽水處理設備出力是否滿足要求。

3 解決實際項目中夏季不滿發的方案

3.1 實際項目中機組設計性能指標和出力受阻現狀

某電廠5～8號空冷機組的汽輪機為東方汽輪機廠設計制造600MW亞臨界、中間再熱、三缸四排汽、單軸、沖動式凝汽汽輪機，型號為NZK600-16.7/538/538；汽輪機排汽采用直接空氣冷卻技術進行冷卻，空冷島主要設備由德國GEA能源技術有限公司和北京基依埃能源技術有限公司供貨，GEA公司保證的空冷系統性能如下：

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

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

根據空冷系統廠家保證的性能指標可以看出，在環境溫度為32℃時，汽機的排汽背壓不大于30 kPa,在汽輪機的安全背壓范圍內，表明此時是能保證機組滿出力運行的，而且在5、6號機組投運不久，該廠對5、6號機空冷系統進行了性能保證試驗，試驗結果表明空冷系統完全滿足設計性能。但在實際運行后不久，即2006年夏季，環境溫度達到30℃以上高溫時，出力受限情況非常大，如在2006年7月17日，當時氣溫是32℃，5號機限負荷到430MW，6號機背壓最高達到50 kPa，機組最多只能帶410MW負荷，煤耗嚴重偏離設計值。

3.2 實際項目中機組出力受阻運行分析和對策

該廠出現夏季機組出力嚴重受限的問題后，對問題進行了分析。分析結果表明：根據該電廠5、6號機組的性能保證試驗，該電廠空冷系統的設計是合理的，不存在設計上的限出力問題。

機組出現限出力的主要原因為：空冷系統散熱片臟，導致空冷系統性能下降嚴重。因該電廠地處黃土高原，再加上近年來草原沙化嚴重，春季多風，因此每刮大風，必起黃沙。黃沙和地表的一些雜草、雜物飛揚，覆蓋在空冷系統的表面上，造成空冷系統散熱器表面臟污，這嚴重影響了空冷系統的散熱性能，進而影響到機組性能。另外，電廠運行人員缺乏空冷機組的運行經驗，沒有在夏季大負荷前對空冷系統進行全面徹底的沖洗，因此才會導致機組出現限出力的問題。

2006年夏季空冷機組出力嚴重受限時，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）使用空冷島沖洗設備不間斷沖洗空冷散熱片。一般情況，空冷島經全面水沖洗后，汽輪機背壓能降低5～10 kPa，機組可以多帶負荷50～100MW，能有效減輕夏季出力受限問題。但是由于原設計空冷系統沖洗設備容量小，水壓低，不能保證沖洗的最佳效果，而且沖洗周期長（往往1臺機組的空冷系統沖洗要半個月的時間），這就嚴重影響了空冷系統的經濟性。

（2）各空冷風機除保證全部投運外，按照空冷風機變頻性能，使各風機變頻到55 Hz運行（設計變頻范圍為10～55 Hz）。通過對空冷風機的各項運行參數監視表明，空冷風機在此頻率下長期運行是安全的。采用該措施后，機組實際運行數據如表1所示。

表1 風機頻率對機組真空影響情況Tab.1 The impact of fan frequency to the unit vacuum

從表1可以看出，在600MW負荷下，空冷系統全部風機頻率都由50 Hz變頻到55 Hz運行，汽輪機背壓能降低6 kPa左右。按照600MW空冷機組運行經驗：機組每降低1 kPa的背壓，可以多帶10MW的負荷。因此，變頻后機組可以多帶負荷約60MW。

（3）提高機組真空嚴密性。定期進行機組真空嚴密性試驗，空冷機組真空嚴密性試驗結果應達到100 Pa/min的試驗結果，如果發現機組真空嚴密性超標，應立即利用各種方法進行查漏，消除真空泄漏對機組出力的限制。

（4）全面治理閥門內漏缺陷，定期進行閥門查內漏工作，并及時消除閥門內漏造成的熱損失，提高機組運行經濟性。

通過采取以上方法，在一定程度上緩解了機組出力受限問題。另外，參照其他電廠空冷機組運行經驗，在2007年底對空冷島增設了1套噴淋裝置，在夏季高溫天氣對空冷島進行全面噴淋降溫。

3.3 實際項目中安裝輔助噴霧系統

在實際項目中通過安裝輔助噴霧系統解決夏季不滿發問題，該直接空冷凝汽器布置為8×7方式，噴淋降溫系統方案由多級水泵裝置、管路、噴淋裝置、控制裝置4個部分組成。

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

（2）管路部分：在多級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上，在平臺上橫向安裝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的電動蝶閥，在A型塔內部安裝1路DN100的不銹鋼分管路，2臺機組共設16組分管路。在2臺機組的橫向不銹鋼管中間安裝1只手動截止閥，可使2臺機組的水泵互為備用。

（3）噴淋裝置：在每根不銹鋼分管路上安裝噴淋裝置，1臺空冷風機上安裝2路DN25噴淋分管路，在每路噴淋分管路上安裝4只方形噴射實心錐形噴嘴（TG-SQ-1/4型，如圖1所示），每只噴嘴可以實現3 800 mm×3 800 mm的噴淋面積，在每臺空冷風機上方的管束上可實現大于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。噴嘴的噴射區呈現方形，噴射效果在其噴射區內分布均勻，液滴大小中等到偏大。這種噴射非常適合矩形區域覆蓋或噴射，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：每臺機組配1個程控柜，可實現對多級水泵啟停、DN100的不銹鋼分管路上電動蝶閥（編為1～8號）的開關的控制，每臺機組運行流程為，打開1號電動蝶閥→10 s后啟動多級水泵→1 min后打開2號電動蝶閥→10 s后關閉1號電動蝶閥→1 min后打開3號電動蝶閥→10 s后關閉2號電動蝶閥…至關閉8號電動蝶閥打開1號電動蝶閥，多級水泵連續運行。即分8個單元對1臺機組空冷器管束進行噴淋冷卻。

3.4 安裝輔助噴霧系統產生的經濟效益

通過投運噴淋裝置，使空冷島降溫6℃左右，機組背壓降低10 kPa左右，在夏季環境溫度最高時，汽輪機背壓保持在45 kPa以下，能帶滿負荷運行，比現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施，在2008年夏季氣溫最高的時候，各空冷機組運行狀況有了明顯的改觀，各臺機組最高出力都基本能達到580MW以上，有效緩解了夏季出力受限問題，在夏季滿發背壓下達到額定功率。

4 結論

（1）提高直接空冷機組的夏季帶負荷能力，降低直接空冷機組的夏季不滿發小時數，涉及設計、設備、檢修、運行等諸多方面。針對某電廠600MW直接空冷機組夏季出力不足的問題，采取了解決機組真空的嚴密性、對散熱器進行加藥弱酸清洗和高壓水沖洗、解決環境風對空冷凝汽器的影響、安裝輔助噴霧系統這4種措施，有效地解決了問題。

（2）影響直冷機組非滿發的各種因素很多，要在實踐經驗的基礎上，結合實際情況分析，有針對性地采取相應措施，經濟、合理地加以解決。

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