600MW直接空冷機組風機轉速優化

李慧君，劉學敏

(華北電力大學能源與動力工程學院，河北省保定市 071003)

600MW直接空冷機組風機轉速優化

李慧君，劉學敏

(華北電力大學能源與動力工程學院，河北省保定市 071003)

直接空冷機組風機轉速與其排汽壓力緊密相關，故直接影響機組運行經濟性。因此，基于環境溫度、風速及風向等影響因素，確定最佳風機轉速，對實現節能降耗具有較大意義。以某600 MW直接空冷機組為例，建立風機轉速優化目標函數，通過分別確定風機工作點、風機轉速與排汽壓力的關系及汽輪機功率背壓特性，得到目標函數值，利用適當的優化算法確定最佳風機轉速。結果表明：隨著環境溫度或風速或機組負荷的增加，排汽壓力逐漸提高，進而最佳風機轉速也隨之增大，反之降低；當環境溫度高于20 ℃時，對風機轉速的影響較為突出；環境風向對風機轉速也具有一定影響，其最佳值在x風向下最高，在主導風向下最低。

直接空冷機組；最佳風機轉速；環境因素；排汽壓力

0 引 言

隨著國內電力市場開放和電力體制改革，在煤炭價格大幅上漲和嚴格執行排放標準等形勢下，“降低供電煤耗，提高經濟效益”也已成為各電廠經營的立足點。長期的電力運行經驗表明，優化機組運行參數是提高機組運行經濟性的有效途徑之一[1]。因此，深入研究火電廠運行參數優化，提高其生產過程的能源轉換效率，對實現節能降耗具有較大意義，同時對我國經濟和社會可持續發展具有重大的戰略意義。

由于直接空冷機組節水率高達65%，廣泛應用于富煤缺水地區，自2003年以來，國內200，300，600 MW等級空冷機組相繼投運，且運行狀況良好[2-4]。但由于空氣傳熱能力較低，使空冷機組排汽壓力較高，進而導致煤耗較大。

影響直接空冷機組排汽壓力的主要因素包括排汽熱負荷、環境條件及空冷島風機運行轉速[5]。考慮環境因素影響，優化風機轉速是提高機組運行經濟性的有效途徑之一。席新銘等通過理論計算對直接空冷系統風機運行進行了分析，但未能考慮環境風的影響[6]。夏瑞春等通過對空冷島風機電耗進行分析，對風機優化運行提出了建議[7]。李海宏通過對空冷凝汽器進行數值模擬，確定了風機最佳運行方式[8]。郭民臣等通過對冷端系統進行變工況計算，在考慮環境溫度影響下，確定機組最佳排汽壓力[9]。

本文以某600 MW超臨界直接空冷機組為例，在考慮環境風影響下，建立最佳風機轉速目標函數，通過凝汽器變工況計算和確定風機工作點，得到不同工況和環境條件下的最佳風機轉速，以提高機組運行的經濟性，實現節能降耗的目的。

1 風機轉速優化模型

在機組負荷和環境條件一定時，提高風機轉速，可降低排汽壓力，在沒有超過阻塞背壓的前提下，機組功率將隨著排汽壓力的降低而增大，同時風機消耗功率也隨之增加。因此，增大風機轉速得到的發電功率的增量與對應風機耗功之差取最大值時，所對應的風機轉速即為最佳值，建立優化目標函數為

(1)

式中：ΔPe為增大風機轉速后機組功率的增量，W；N為風機耗功，W；n為風機轉速，r/min；nd為風機額定轉速，r/min；ta為環境溫度，℃；vf為環境風速，m/s。

2 風機轉速優化

由式(1)可知，確定最佳風機轉速，需分別計算機組功率增量和風機耗功，步驟如下：

(1)確定無環境風時風機工作點。假定風機轉速為n，根據風機比例定律，得到無環境風影響時，轉速n和環境溫度ta下風機性能曲線和空冷系統阻力特性曲線，其交點為風機工作點，兩線方程分別為

(2)

(3)

式中：ps為風機靜壓，Pa；Ga為風機空氣流量，kg/s；ta0為標準狀態下環境溫度，℃；ρa為實際環境狀態下空氣密度，kg/m3；Δps為空氣通過空冷單元時的壓降，Pa。

(2)確定環境風影響下風機工作點。當有環境風影響時，設風速為vf，將導致空冷單元進、出口阻力增加，即空冷系統阻力特性曲線上移，其上移量即由環境風造成的壓力損失δ[10]為

(4)

聯立式(2)～(4)，可得環境風影響下空冷系統阻力特性曲線方程，即

(5)

式中：Gan、psn分別為聯立式(2)、(3)所得到的無環境風時風機工作點相對應的流量、靜壓，kg/s、Pa。聯立式(2)、(5)可得環境風影響下風機工作點。

(3)由風機工作點確定風機耗功[11]為

(6)

式中：pt為風機全壓，Pa；η為風機效率；ηg為原動機效率；ηtm為傳動效率。

(4)確定空冷單元散熱器傳熱系數。對于直接空冷凝汽器換熱管，忽略管內換熱熱阻和管壁熱阻，以管外熱阻為主；且近似認為流體物性參數保持不變[12]。因此，實際運行工況下傳熱系數可根據設計值確定，即

(7)

式中：K為散熱器的傳熱系數，W/(m2·K)；vn為散熱器迎面風速，m/s；Ga為風機空氣流量，kg/s；下角標“d”表示設計工況數據。

(5)確定汽輪機排汽壓力。該值可由凝汽器壓力和汽輪機排汽口到凝汽器入口間的主要損失計算得到[6]。其中，凝汽器壓力可近似認為等于其內蒸汽壓力，而確定該值的關鍵是首先計算凝汽器蒸汽凝結飽和溫度ts[13]，再對所有空冷單元進行累加，即

(8)

式中：Qc為排汽熱負荷，W；cp為空氣的定壓比熱，J/(kg·K)；Fi為空冷單元散熱器的傳熱面積，m2。

結合汽輪機排汽口到凝汽器入口間的主要損失，確定機組排汽壓力為

(9)

式中：ΔP1為由排汽管道、彎頭及閥門等造成的壓力損失，Pa；ΔP2為由水蒸汽柱引起的壓差，Pa。

(6)確定機組功率增量。根據機組末級排汽面積和排汽流量，利用汽輪機功率背壓特性通用算法確定排汽壓力與發電功率增量的關系[14-15]，進而得到風機轉速n所對應的機組功率增量，即

(10)

式中：Gc為機組排汽量，kg/s；hd*、h*分別為設計工況和變工況下機組排汽滯止焓，J/kg。

(7)根據步驟(1)～(6)的計算結果，確定優化目標函數值。

同理，在考慮環境因素影響下，可確定任意風機轉速所對應的目標函數值；利用適當的優化方法，最終確定不同工況和環境條件下最佳風機轉速。當環境溫度較低時，因受風機調速范圍的限制，可能使機組背壓低于阻塞背壓，此時通過停運部分風機，重新確定最佳風機轉速。風機轉速優化計算框圖如圖1所示。

圖1 風機轉速優化計算框圖

2 計算實例

某600 MW超臨界直接空冷機組其風機主要設計參數如表1所示。

表1 空冷單元主要設計參數

2.1 計算結果

在不同環境溫度、風速及風向條件下，對100%、75%、50%及30%負荷工況進行計算。其中環境風向如圖2所示；以x風向為例，最佳風機轉速計算結果如圖3所示。

圖2 環境風向示意圖

圖3 x風向下各工況最佳風機轉速

為分析環境風向對風機轉速的影響，以75%和30%負荷為例，環境風速為3 m/s時，x、y及主導風向下，風機最佳轉速計算結果如表2所示。

表2 不同風向和工況下的最佳風機轉速

2.2 結果分析

對于直接空冷機組而言，影響風機轉速的主要因素為機組負荷、環境溫度、風速及風向等。

(1)在給定機組負荷條件下，隨著環境溫度或風速的提高，風機進風量減小，空冷系統換熱性能下降，為保證機組運行經濟性，最佳風機轉速隨之提高，如圖3所示；且在環境溫度高于20 ℃時，其對風機轉速的影響較為突出。

(2)在環境條件一定時，隨著機組負荷的增加，最佳風機轉速逐漸提高。

(3)其他影響因素一定時，環境風向不同，最佳風機轉速也將隨之改變。x風向與y風向相比較，由于其處于迎風面的風機數量較多，故最佳風機轉速較高；而在主導風向下，雖受影響的風機數量增多，但根據FLUENT模擬風場入口速度設置，可知該風向下風速在x、y方向分量減小，故其對應最佳風機轉速較低，如表2所示。

3 結 論

(1)直接空冷機組排汽壓力將直接影響其運行安全性和經濟性，而風機轉速是決定排汽壓力的直接因素。因此，考慮機組負荷、環境溫度、風速及風向等影響因素，優化風機轉速對提高機組運行經濟性和保證其安全性具有一定意義。

(2)本文考慮環境因素影響，建立最佳風機轉速目標函數，按照風機轉速優化計算步驟，確定各工況最佳風機轉速。

(3)隨著機組負荷或環境溫度或風速的增加，最佳風機轉速逐漸提高；除環境風向外其余影響因素一定時，最佳風機轉速在x風向下最高，在主導風向下最低。

[1] 萬文軍.優化算法及火電廠若干優化問題的研究[D].南京：東南大學，2005.

[2] 周蘭欣，李衛華，王勇，等.直接空冷機組運行特點分析及對策[J].電力建設，2009，30(4)：56-60.

[3]李鐵蒼,溫源.CCI旁路系統在600MW直接空冷機組的應用[J].中國電力,2011,44(4):45-49.

[4]陳思奇.大型直接空冷機組真空泵的選擇[J].中國電力,2005,38(2):18-21.

[5] 高增寶.關于空冷機組背壓選擇的問題[J].電力建設，2002，23(4)：4-8.

[6] 席新銘，楊勇平，杜小澤，等.電站直接空冷系統風機運行研究[J].現代電力，2007，24(2)：53-55.

[7] 夏瑞春，閆志華，梁純斌，等.300 MW直接空冷發電機組空冷島風機電耗分析[J].內蒙古電力技術，2007，25(5)：15-16.

[8] 李海宏.600 MW機組空冷凝汽器變工況風機優化運行研究[D].保定：華北電力大學，2011.

[9] 郭民臣，謝靜嵐，李鵬，等.直接空冷機組理論最佳背壓的研究[J].動力工程學報，2012，32(7)：543-546.

[10] 戚曉冬，石紅權，姜輝.橫向風對空冷風機影響的實驗與分析[C]//全國火電空冷機組技術交流論文集，山西：中國電力企業聯合會，2005： 265-270. [11] 何川，郭立君.泵與風機[M].北京：中國電力出版社，2008：55-82.

[12] 張學鐳，王金平，陳海平.環境風影響下直接空冷機組排氣壓力的計算模型[J].中國電機工程學報，2012，32(23)：40-47.

[13] 石維柱.直接空冷機組優化運行關鍵技術研究[D].北京：華北電力大學，2010.

[14] 明勇，王運民，徐大懋，等.汽輪機微增出力通用計算方法[J].汽輪機技術，2011，53(3)：177-178.

[15] 徐大懋，柯嚴，王世勇.汽輪機功率背壓特性的通用計算方法及其應用[J].熱能動力工程，2010，25(6)：605-608.

(編輯：蔣毅恒)

FanSpeedOptimizationfor600MWDirectAir-CoolingUnits

LI Huijun, LIU Xuemin

(School of Energy and Power Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, Heibei Province, China)

The fan speed of direct air-cooling unit related with exhaust pressure directly affects unit’s operation economy. Therefore, it is important to determine the optimal fan speed for energy saving, considering the influences of environmental temperature, wind velocity, wind direction and so forth. Taking a 600 MW direct air-cooling unit as example, the objective function of fan speed optimization was developed. The value of objective function was obtained through the relationship of fan’s working point, speed and exhaust steam pressure, as well as the back pressure characteristics of turbine, and then the optimal fan speed was determined through appropriate optimization algorithm. The results show that exhaust pressure increases with the increase of environmental temperature, wind speed or unit load, which will make the optimal fan speed increase; the contrary decreases. When environment temperature is higher than 20 ℃, its impact on fan speed is more significant. Wind direction also has an influence on the optimal fan speed, whose maximum value appears in thexwind direction, and minimum value appears in dominant wind direction.

direct air-cooling unit; optimal fan speed; environmental factors; exhaust pressure

TK 262

： A

： 1000-7229(2014)06-0133-04

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.06.025

2013-12-06

：2013-12-20

李慧君(1964)，男，教授，研究方向為強化換熱及數值計算、電廠熱力系統的節能理論與監測診斷；

劉學敏(1988)，女，碩士研究生，研究方向為電廠參數優化，E-mail：liuxuemin2011@126.com。