直接空冷凝汽器傳熱系數與設計冷卻裕量選擇

顧國新

(安中國際工程技術(北京)有限公司，北京 100027)

1 傳熱系數與設計冷卻裕量的選擇是空冷凝汽器設計的關鍵技術問題

鑒于火力發電廠直接空冷系統具有系統簡單、防凍性能好、占地小、初投資低的特點，自2003年我國第一臺200MW直接空冷供熱機組成功投入商業運行，直接空冷機組在我國得到了飛速的發展，至2009年底短短的幾年時間，我國投入運行和在建的直接空冷機組有200臺左右，單機容量從50MW到1000MW，總容量達到了60000MW左右；單機容量、參數等級和裝機規模均已處于世界各國前列。

直接空冷機組在我國的應用基本上是成功的，但無可避免地也存在著一些問題，其中，直接空冷機組滿發背壓達不到設計值是一個主要的問題。據了解，大部分機組實際運行滿發背壓比設計值高出2kPa～8kPa，運行差的機組甚至達到8kPa～10kPa，在煤價逐年升高的情況下，給電廠的經濟性帶來很大的影響；而且背壓高，凝結水溫度也高，由于凝結水精處理離子交換樹脂的耐高溫性能所限，凝結水精處理還得退出運行；同時，也給直接空冷技術造成了負面影響。

影響直接空冷機組背壓升高的因素很多，本人認為空冷凝汽器傳熱系數與設計冷卻裕量選擇不準確是造成直接空冷凝汽器冷卻能力不夠，進而造成機組滿發背壓達不到設計值的主要原因。另外，真空泄漏率不合格與大風影響也是造成機組背壓升高的兩個主要因素，但真空泄漏率通過采取措施是可以控制在合格范圍以內；大風影響是瞬態的；所以這兩個因素都不考慮以增加空冷凝汽器設計冷卻裕量的方式解決。空冷凝汽器傳熱系數與設計冷卻裕量這兩個參數指標對直接空冷系統的造價和冷卻能力起著至關重要的作用。傳熱系數選大了，換熱面積會減小，直接空冷系統投資會減小，但相應的換熱面積減小，冷卻能力要降低，反之亦然。設計冷卻裕量選大了，直接空冷系統投資會增加，但空冷凝汽器冷卻出力也會增加，可降低運行背壓；設計冷卻裕量選小了，直接空冷系統投資會減少，但空冷凝汽器冷卻出力也會減小，造成機組背壓升高，煤耗增大。影響這兩個參數指標選取的因素很多，既有汽機方面的因素，也有空冷凝汽器方面的因素；既有自然影響的因素，也有人為影響的因素。國內目前在這方面的研究還很不夠，國內沒有標準，國外也沒有可參照的標準。從目前情況看，傳熱系數各工程選得都偏大，而設計冷卻裕量又選的偏小。

國內目前直接空冷工程的設計、設備和工程招標有幾種不同的模式，設計冷卻裕量是由電廠總體設計院負責考慮，還是由空冷凝汽器制造廠(或工程公司)負責考慮，或各自考慮哪些因素，責任劃分不明確，因此考慮不全面，缺乏統一性。就設計院內部而言，該問題涉及到熱機和水工兩個專業，若沒有統一的指揮協調，也會造成對影響直接空冷系統冷卻能力設計裕量選取的因素考慮不周。

根據本人多年從事直接空冷電廠設計、咨詢的經驗和對一些投運電廠的調研，以及最近幾年對直接空冷系統國產化工作的研究，對空冷凝汽器傳熱系數和設計冷卻裕量如何選取談談自己的觀點，供相關工程技術人員探討。不妥之處，敬請大家指正。

2 影響空冷凝汽器設計冷卻裕量選取的主要因素

2.1 汽輪機方面的影響因素

汽輪機方面影響空冷凝汽器設計冷卻裕量選取的主要因素是設計排汽量與實際排汽量的誤差。由于汽輪機的設計與制造誤差、安裝誤差，使得汽輪機廠提供的汽輪機設計排汽量與投運后的實際排汽量不一致，根據對已投運電廠和負責汽輪機性能試驗的電科院的調研，大多數工程汽輪機實際排汽量大于設計排汽量，范圍在3%～8%之間，影響背壓約1,5kPa～4kPa(對應汽機TRL工況)；超臨界機組小一些，亞臨界及以下機組大一些。若再考慮運行若干年后機組老化的影響，汽輪機排汽量的誤差還會進一步增加。

另外，汽輪機低壓旁路漏汽、低壓缸軸封漏汽、汽機本體及熱力系統疏水等進入汽輪機排汽裝置后，都會有一部分熱量帶入到空冷凝汽器；但這部分的熱量很小且不好測量，可以忽略不計，在排汽量誤差中給予統一考慮。以上這些因素將使得進入空冷凝汽器的熱量大大增加，而目前大部分工程的直接空冷系統設計只按汽輪機設計排汽量進行設計計算，沒有考慮這部分增加的熱量，因而設計的空冷凝汽器冷卻能力偏小。空冷系統性能考核試驗時把汽輪機排汽量修正到設計排汽量，這也是為什么空冷凝汽器系統通過了性能考核驗收試驗，而直接空冷機組實際運行背壓確達不到設計值的主要原因之一。

2.2 空冷凝汽器方面的因素

(1)由于缺少工程經驗或投標的原因，大多數工程的傳熱系數設計取值偏大，實際工程中達不到。以目前使用較多的鋼基管鋁翅片單排管空冷凝汽器為例，根據各個工程投標文件，傳熱系數取值大部分在30W/m2K左右及以上。而根據我們對鋼基管鋁翅片單排管空冷凝汽器所做的試驗研究，經試驗室性能試驗，單元性能試驗和工程應用檢驗，以及電科院通過對多個直接空冷凝汽器性能試驗進行分析的結果，傳熱系數實際在27W/m2K左右。傳熱系數與設計冷卻裕量之間又有著一定的關系，傳熱系數取值偏大而又沒有考慮足夠的設計冷卻裕量，必然造成空冷凝汽器冷卻能力不夠。

(2)空冷凝汽器管束批量生產的設計和制造誤差，施工現場的安裝誤差等都會造成換熱效率下降，這在空冷公司空冷凝汽器的設計中已經給予考慮，一般留有5%的換熱面積裕量。

(3)空氣中的污垢粘附在管束表面是造成空冷凝汽器傳熱效率下降的一個主要因素。德國VGB標準規定的空冷凝汽器性能試驗是在管束全新的狀態下進行。在國外公司進行的空冷凝汽器設計中也沒有因空氣中的污垢造成管束傳熱效率下降而專門考慮采取增加換熱能力的措施，他們認為管束臟了就應進行清洗，保證管束經常處在一個清潔的狀態。在早期的工程中采用國外空冷公司的產品，我們要求在空冷凝汽器設計中考慮空氣中污垢的影響增加換熱面積，國外公司不同意。他們認為空冷凝汽器設計中留有5%的換熱面積裕量，這其中已經包含了污垢的影響。但根據我國的實際情況，采用空冷機組的電廠大部分在我國西北地區，空氣質量較差，在很短的時間內就因為管束污垢造成機組背壓升高，污垢嚴重的會使得機組運行背壓比設計值高出10多個 kPa，因此需要進行頻繁的清洗；清洗不及時，背壓就升高；而漫長的冬季還不能清洗。而且運行若干年后，有些污垢已經清洗不下來，造成傳熱效率下降，背壓升高；因此，污垢對背壓應考慮1kPa左右的影響。

(4)根據我們所做的實驗和現場調研情況，運行多年后，空冷凝汽器管束翅片表面會出現較緊密的點蝕，使翅片表面變粗糙，風阻增大，傳熱效率下降。因目前直接空冷機組運行的年代還比較短，其對機組背壓升高的影響有多大還不好測量，可暫忽略不計，在污垢影響中統一考慮。

(5)太陽光輻射引起背壓升高根據有關方面進行的太陽輻射對空冷凝汽器運行影響的研究，發現在晴天有陽光照射的情況下，太陽輻射會引起空冷凝汽器壁面溫度有一定程度的升高，進而影響到凝汽器內部未凝蒸汽的溫度有相應的變化，從而導致凝汽器背壓有一定的升高。太陽輻射引起的凝汽器背壓變化范圍比較小，一般在1kPa以下。

3 傳熱系數與設計冷卻裕量的選擇

3.1 傳熱系數選擇

根據試驗室性能試驗，單元性能試驗和工程應用檢驗的結果，對于鋼基管鋁翅片單排管空冷凝汽器管束，其傳熱系數應在26W/m2K～28W/⑺m2K之間選擇較為合適。國內各個廠家的產品在型式、選材、外形尺寸及制造工藝方面都相差不多，其傳熱系數應該在這個范圍內。

3.2 設計冷卻裕量選擇

綜合上述分析，空冷凝汽器設計中必須留有足夠的冷卻裕量，才能夠保證空冷凝汽器的冷卻能力滿足汽輪機出力達到滿發背壓設計值的要求。影響空冷凝汽器設計冷卻裕量選擇的因素很多，主要影響因素是汽輪機排汽量誤差；空冷凝汽器的設計、制造、安裝誤差；空氣污垢等，并且有些因素不好測量或計算，必須靠一定的工程實踐去總結。根據我們對直接空冷系統國產化工作的研究和多個工程的調研分析，設計冷卻裕量要根據不同的汽輪機和空冷凝汽器進行選擇，綜合考慮汽輪機側和空冷凝汽器側各種因素的影響，考慮多年運行對機組經濟性的影響。對于鋼基管鋁翅片單排管空冷凝汽器，最大冷卻能力(對應汽機TRL工況)設計冷卻裕量選擇可按以下情況考慮：

(1)汽輪機側因排汽量誤差引起的背壓升高考慮留有1.5kPa～3.5kPa的裕量；

(2)空冷凝汽器側因管束批量生產的設計和制造誤差，施工現場的安裝誤差，清洗不掉的污垢、管束表面腐蝕和太陽輻射等因素引起的背壓升高考慮留有3.0kPa～3.5kPa的裕量；

根據以上分析，在正確選擇空冷凝汽器傳熱系數、真空嚴密性合格、設計環境風速條件下，空冷凝汽器最大冷卻能力(對應汽機TRL工況)設計冷卻裕量在4.5kPa～7kPa之間選擇較為合適。即是說，如果某臺機組直接空冷系統設計的保證滿發背壓是32kPa，那么根據汽輪機廠提供的設計排汽量設計的計算滿發背壓應在27.5kPa～25kPa之間。

4 結論

我國目前運行的直接空冷機組大部分存在著滿發背壓達不到設計值的問題，影響了機組長期運行的經濟性。而空冷凝汽器傳熱系數與設計冷卻裕量選擇不準確是造成直接空冷凝汽器冷卻能力不夠，進而造成機組滿發背壓達不到設計值的主要原因。經過試驗研究和調研分析，建議空冷凝汽器傳熱系數與設計冷卻裕量按下列原則選擇。

空冷凝汽器傳熱系數：應根據試驗室性能試驗，單元性能試驗和工程應用檢驗的結果來確定，對于鋼基管鋁翅片單排管空冷凝汽器，其傳熱系數建議在26W/m2K～28W/m2K之間選擇。

空冷凝汽器設計冷卻裕量：應根據不同的汽輪機和空冷凝汽器，綜合考慮汽輪機側和空冷凝汽器側各種因素的影響，考慮多年運行對機組經濟性的影響進行選擇。對于鋼基管鋁翅片單排管空冷凝汽器，空冷凝汽器最大冷卻能力(對應汽機TRL工況)設計冷卻裕量建議在4.5kPa～7kPa之間選擇。

另外，國內目前直接空冷系統冷卻出力性能考核試驗均是按汽輪機設計排汽量進行，未按實際排汽量進行，建議今后直接空冷系統冷卻出力性能考核試驗要對以上兩種工況都進行考核，看是否留足了冷卻裕量；性能保證值必須滿足汽輪機實際運行工況的要求。

[1]李武全，徐海云，石誠.我國大型空冷電站評估報告[J].電力建設，2009，(8).

[2]顧國新.排汽聯合裝置在直接空冷電廠的應用[J].電力建設，2009，(3).

[3]周蘭欣，李衛華，王勇.直接空冷機組運行特點分析及對策[J].電力建設，2009，(4).