空冷尖峰冷卻裝置在云岡熱電2×200MW機組應用的研究

馬洪波，王 京

（山西大唐國際云岡熱電有限責任公司，山西 大同 037039）

1 空冷尖峰冷卻裝置技改的背景

1.1 機組設計及運行基本情況

云岡熱電兩臺機組是2003年投產的，東方汽輪機廠設計制造的一次中間再熱、三缸兩排汽、直接空冷供熱凝汽式汽輪機。設計上，在國內首次采用空冷凝汽器（德國GEA公司技術）代替傳統的濕冷凝汽器，其節水效果與傳統機組相比可達65%以上。

我國的燃煤火電機組一般帶基本負荷，并要求有一定的調峰能力，對機組的運行特性要求是：機組的年運行小時數不宜少于7 500 h，年利用小時數不宜少于6 000 h。本工程設計時考慮到大同市是我國的煤炭基地，煤價相對較低，同時又是嚴寒地區，特別又是采暖供熱機組，冬季空冷系統的熱負荷很小，因此空冷凝汽器在冬季的防凍設計上是一個關鍵問題，種種原因要求空冷凝汽器的面積不宜過大，以避免給以后的冬季運行帶來不便，而且空冷系統過大投資激增會給企業帶來較大的經濟負擔。但同時考慮到本工程的直接空冷機組在我國尚屬首次應用，考慮了一定的裕量，最終確定空冷凝汽器面積為510 894 m2。

但直冷機組夏季背壓高，尤其在空冷凝汽器臟污、散熱面積設計余量較小的情況下，機組夏季不滿發小時將增加，機組進入夏季限負荷情況比較嚴重。

1.2 進行技術改造的原因

由于本公司機組電廠周圍環境質量差，空冷散熱器污物較多，夏季嚴重影響機組真空，為提高空冷散熱器清潔度，需加大空冷沖洗頻次。但限處理現象在進入夏季以來仍十分嚴重，圖1為2007年四季度電量完成情況。

圖1 2007年機組電量完成情況

從圖1可以看出，每年4—9月（第二、三季度）機組電量完成情況均較其他月份差，在空冷散熱器未沖洗時，環境溫度為28℃左右，機組僅能帶1/2的負荷。因此為提高機組夏季出力，減少夏季不滿發小時數，有必要采取一定的措施來最大程度地緩解機組夏季限負荷的情況。

1.3 系統技術改造的基本情況

1.3.1 擬進行改造的系統或設備的基本情況說明

兩臺機組的空冷凝汽器由12根直徑為3.6 m的鋼筋混凝土柱和鋼平臺支撐在主廠房A列處。鋼平臺頂面標高約34 m。

每臺機組的空冷凝汽器分6列布置在鋼平臺上，每列中間用隔墻分成4個冷卻單元。每個冷卻單元又由8片空冷凝汽器管束組成，分別布置在A形框架的兩側。每列4個冷卻單元中，有3個冷卻單元為順流凝汽器區域，有一個冷卻單元為逆流凝汽器區域，逆流凝汽器安排在第二個冷卻單元（從靠近主廠房側數），每個冷卻單元里安裝一臺軸流風機，順流區域的風機只允許順時針旋轉，逆流區域的風機允許正、反轉。

每列順流區域的空冷凝汽器上部聯箱入口由配氣管和排器母管與低壓缸排氣裝置的出口連通，逆流區域的空冷凝器上部聯箱出口由抽氣管道與水環式真空泵連通，用真空泵排出不凝氣體，以維持系統負壓。空冷凝汽器（順流和逆流）下部聯箱由凝結水管道與凝結水箱連通，由凝結水箱回收空冷凝汽器管束中的凝結水。

1.3.2 地址選擇及地理位置、路徑及方案

在兩臺機組凝結水泵房內的除鹽水補水管道上，開孔安裝管道升壓泵，將除鹽水升壓后排向空冷島，經布置在風機室內的管道和霧化噴頭將水排出，冷卻風機出口風溫。系統工藝流程見圖2。

圖2 空冷尖峰冷卻裝置系統工藝流程圖

2 空冷尖峰冷卻裝置工作原理與設計特點

為了提高直接空冷機組季運行的經濟性和安全性，采用增設空冷尖峰冷卻裝置來降低空冷器入口空氣溫度，以保證機組的夏季滿發的要求和運行的安全性。

2.1 空冷尖峰冷卻裝置的工作原理

由于直接空冷系統是直接利用干空氣進行冷卻，因此，較高的空氣溫度導致了空冷器冷卻能力的下降，從而降低了機組真空，還導致了機組不滿發小時數遠大于設計值。

對于直接空冷系統汽輪機的排汽溫度可由式（1）（2）確定[6]：

式中：ta1：空冷器入口空氣溫度；

ITD：初始溫差；

δtp：汽輪機排汽在排汽管道中壓降引起的溫度差。

△ta：空冷器的空氣溫升；

δt：空冷器傳熱端差。

圖3 直接空冷系統夏季運行工況示意圖

圖3是直接空冷機組夏季運行工況示意圖。由圖3可以看出，由于空氣溫度的變化，空冷器的初始溫差、傳熱端差均隨著入口空氣溫度的升高而增大，從而導致機組的經濟性下降。

圖4 直接空冷系統尖峰冷卻裝置示意圖

空冷尖峰冷卻裝置系統見圖4，其工作原理是：除鹽水經過高壓泵加壓后輸送到布置在空冷平臺的風機出口和散熱器入口之間的霧化噴嘴，然后將降溫后濕空氣送到空冷散熱器，以提高空冷島的換熱量。

2.2 空冷尖峰冷卻裝置的設計特點

所采用的空冷尖峰冷卻裝置系統給水管路布置示意圖見圖5。該系統從電廠除鹽水箱取水，除鹽水經過系統配備的過濾系統后進入高壓泵，經加壓后的水通過管路輸送到布置器入口之間霧化噴嘴進行冷卻換熱的。

圖5 給水管路布置圖

系統中噴嘴需要布置在距離風機出口一定高度，且需沿風機葉片圓周速度較大的位置布置，空冷島共有24個空冷單元，每個單元作為一個噴霧室。每個單元布置4排噴嘴，見圖6。在風機棧橋兩側各布置兩排，分別距風機棧橋中心線1 m和3 m。共設10個噴嘴，靠近風機的兩排各布置3個噴嘴，另兩排各布置2個噴嘴，高度為1 m，噴孔直徑為1.6 mm，噴霧方向向下，以有利于霧滴與空氣進行充分的熱濕交換。

圖6 噴嘴的布置圖

3 空冷尖峰冷卻裝置的數值分析

3.1 計算模型與邊界條件

為了研究空冷尖峰冷卻裝置的可行性，文章采用數值模擬的方法對其噴霧過程和特性進行研究分析。

模型的建立主要以空冷島中某一中間空冷單元為主體，空冷風機的結構和內部橋架等結構及相鄰單元的結構均進行了必要的簡化，考慮了研究對象單元的左右兩側空冷器出風對流場的影響。模型建立后，總網格數為627 864，最后生成的網格示意圖見圖7（中心面為對稱面）。

圖7 空冷單元噴霧模型網格劃分圖

文章基于SIMPLE算法，采用標準的兩方程湍流模型，空冷單元內噴嘴的霧化過程及霧滴與空氣的熱濕交換過程是利用Fluent內嵌的DPM模型模擬的，對象單元入口空氣溫度為307K（34℃），空氣流量為395 kg/s；鄰側單元出風流量為197.5 kg/s，溫度為341 K（68℃）；環境壓力為89 400 Pa；噴嘴的入口壓力0.5 MPa，噴孔直徑為1.6 mm，噴水流量為0.064 24 kg/s，噴水溫度為293 K（20℃），霧化角為120°，單元熱負荷為12.65 MW。

3.2 計算結果的分析與討論

為了更加清晰地對霧化空冷尖峰冷卻裝置的實際效果進行驗證和分析，分別對加入和未加入霧化空冷尖峰冷卻裝置的空冷單元進行了數值模擬，模擬結果以某些斷面的溫度等值線分布圖、壓力等值線分布圖及速度等值線分布圖等圖表來表示。

通過對空冷尖峰冷卻裝置前后空冷單元內的流場和溫度場模擬，結果見圖8、圖9。

圖8 未加入空冷尖峰冷卻裝置X=0 m斷面等值線圖

圖8為未加入空冷尖峰冷卻裝置之前X=0 m斷面的數值模擬結果，從圖中可以看出，空冷單元內部流場和溫度場分布是均勻的。

圖9 加入空冷尖峰冷卻裝置X=0 m斷面等值線圖

圖9為加入空冷尖峰冷卻裝置之后X=0 m斷面的數值模擬結果，從各斷面的壓力和速度分布可以看出，由于采用向下霧化方式，霧滴離開噴嘴后，其速度方向與氣流方向相反，因此先減速增壓，然后被高速氣流拖曳向上運動從而增速降壓，從而使與之接觸的空氣溫度降低，形成圖中的低溫區域。

為了定量地分析霧化前后整個計算區域的溫度變化情況，將主要溫度分布范圍劃分為以下幾個區間（ta1≤ta＜ta2）：307 K以下，307～315 K，315～320 K，320～325 K，325～330 K，330～335 K，335～340K，340K以上。霧化前后各溫度區間所占百分比見圖10。

圖10 加入空冷尖峰冷卻裝置前后各溫度區間所占百分比圖

從各斷面的溫度分布情況和統計結果可以看出，在霧化核心區域，水霧滴與空氣進行較強烈的熱濕交換后，能明顯降低空氣的溫度，幅度大約為5℃左右。

4 空冷尖峰冷卻裝置經濟核算

4.1 按照減少的真空可以降低煤耗計算，不考慮其他成本的變化

（1）水價按14元/t計算。

表1 標煤價按500元/t計算

（2）水價按10元/t計算。

表2 標煤價按500元/t計算

4.2 按照真空不變可以增加的發電量計算，不考慮其他成本的變化

表3 查看歷史曲線

從表3可以看出，在真空下降14.2 kPa，主汽流量基本不變大的情況下，負荷降低了10.4 MW，平均真空降低1 kPa，影響負荷下降0.73 MW。按真空增加1 kPa，負荷增加0.73 MW。水價按10元/t；電價按274元/MWh計算（不含稅）。

表4

但是查看歷史曲線，2008年2號機組大修后環境溫度27.5℃，主蒸汽流量660t/h，機組帶負荷200 MW，真空-55.74 kPa。見圖11。

2009年2 號機組投3.5.6組空冷尖峰冷卻裝置，環境溫度33.5℃，主蒸汽流量660 t/h，機組帶負荷200 MW，真空-54.5 kPa。見圖12。

圖11

圖12

4.3 環境溫度高，限制機組負荷情況下

通過以上對比可以看出，環境溫度大于28℃，隨著環境溫度的上升，為了保證機組安全運行，機組需要降出力運行。增加空冷尖峰冷卻裝置后增強了機組夏季帶負荷能力，為機組安全度夏，多發電創造了條件。

查詢2009年6月1日—7月13日環境溫度曲線，可以看出自6月24日開始，日環境溫度27℃以上時間長達15 h，最高時環境溫度達到35℃。

同期1號機組環境溫度33.2℃，真空已經降至46.2 kPa，機組只能帶151.5 MW（主汽流量539 t/h）。

圖13

圖14

假設機組在環境溫度高于27℃時，水空冷尖峰冷卻裝置投8 h，每天多發電8×50MW=400MW。1MWh稅后價274元，400MW電量稅后價109 600元；用水8×75×10=6 000元。按照2009年2月一期發電成本234元計算，日增加收入10 000元。

結論1：單為提高機組真空、降低供電煤耗而投運空冷尖峰冷卻裝置，從經濟效益角度考慮不合算；提高機組帶負荷能力，增發電量情況下，效益可觀。

結論2：機組真空不影響帶負荷時盡量不投空冷尖峰冷卻裝置。

結論3：安裝除鹽水升壓泵，將水升壓到規定值，從風機室中排列好的霧化噴嘴噴出，形成局部小氣候。對空冷散熱器進行吸熱降溫，以達到緩解機組夏季散熱能力不夠的現象。該項目問題分析準確、措施采取得當，使機組夏季限出力現象得以根治，從而提高了機組發電量。

結論4：改造后機組夏季限出力現象得到明顯緩解，機組出力達到100%，提高了發電量。

5 空冷尖峰冷卻裝置需注意的問題

空冷尖峰冷卻裝置需要空冷沖洗工作將空冷凝汽器表面充分沖洗干凈才能達到預期效果，從云岡熱電2010年仲夏的使用情況就能說明這點。

空冷尖峰冷卻裝置雖然在夏季可以增加機組發電能力，可以短時克服因冷卻面積不足造成的真空問題，但其實質是冷卻面積設計偏保守的高緯度寒冷地區空冷機組一種無奈的選擇，其存在的許多致命問題隨著投入時間的推移會漸漸顯現，可以說無異于飲鴆止渴。所以高緯度寒冷地區空冷機組在設計之初不能過分考慮空冷防凍而且要兼顧度夏問題，充分了解所在地的氣候因素和周邊環境因素，最好要將冷卻面積設計為可變形式，從根本上多下工夫，才不會有副作用。

6 結論

綜上所述，通過理論計算分析與投運噴濕系統試驗驗證表明，采用噴霧增系統可以降低空冷器入口空氣溫度，從而提高空冷器的散熱效率及機組的真空，可使直接空冷機組在炎熱的夏季也可以滿發。這不僅可以有效地緩解夏季機組出力受阻的矛盾，而且也提高了機組的經濟性和安全性。通過云岡熱電空冷噴霧增濕系統的成功應用，證明該方法對直接空冷機組具有一定的工程推廣價值。但在高緯度寒冷地區空冷機組在設計之初不能過分考慮空冷防凍而且要兼顧度夏問題，充分了解所在地的氣候因素和周邊環境因素，最好要將冷卻面積設計為可變形式，從根本上多下工夫，畢竟空冷尖峰冷卻裝置有一定副作用。所以選擇空冷尖峰冷卻裝置要慎重，全面衡量其利弊。

[1]邱麗霞，郝艷紅，李潤林，等.直接空冷汽輪機及其熱力系統[M].北京:中國電力出版社，2006.

[2]楊立軍，杜小澤，楊勇平，等.火電站直接空冷凝汽器性能考核評價方法[J].中國電機工程學報，2007，27（2）：59-63.

[3]楊勇平，劉彤，郭民臣,等.關于火電機組性能評價指標的探討[J].中國電機工程學報，2000，20（2）：56-60.

[4]嚴俊杰，張春雨，李秀云，等.直接空冷系統變工況特性的理論研究[J].熱能動力工程，2000，15（6）：601-603.