簡析直接空冷汽輪機運行的節能優化

王杰

摘 要：發電廠空冷技術是一種高效的節水型火力發電技術，它出色的節水效果不但解決了一些貧水地區的水資源使用問題，也能合理的調節富水地區的水資源分配。在我國北方地區，煤炭資源豐富卻較為干燥，水資源匱乏，直接空冷機組的應用和推廣也因此愈加廣泛。文章以600 MW直接空冷機組為范例，對它的安全性和經濟運行水平進行了優化和分析。

關鍵詞：600 MW直接空冷機組；缺水環境；冷卻方式；空氣冷卻

中圖分類號：TK267 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）05-0099-02

我國雖然地勢廣闊，但卻水資源貧乏且分布嚴重不平衡。尤其是以東北、西北和華北為主的“三北”地區，雖然能源豐富，但卻最為干旱，這大大影響了當地能源轉化的效率和質量。

據統計顯示，我國東北的煤炭儲量雖然占全國總儲量的41.44%，但是水資源卻只占到全國總儲量的17%。這就導致了我國在火力發電運行300 MW以上的機組時其平均耗水率比發達國家高出近1 m3/GWh。所以，為了從現實和長遠發展的角度考慮，應該在富礦缺水的三北地區采取直接空冷技術，從而為建設節水型發電廠打下基礎。

1 直接空冷系統

1.1 直接空冷機組

直接空冷機組主要利用環境中的空氣來冷卻汽輪機組的排氣裝置和發電裝置。較比濕冷機，它的冷卻系統部分更加復雜且系統種類更多。主要包括了空冷凝汽器、真空抽氣系統、排汽管道、沖洗系統和噴淋系統。空冷凝汽器作為直接空冷系統的核心，就是通過外界的空氣來為汽輪機排氣進行冷卻，所以在設備運行時，一定要重視空冷凝汽器的運行狀態，保證它的正常就是保證整個機組運行的安全與經濟性。

1.2 600 MW直接空冷系統的特性

可以說，600 MW直接空冷機組系統是傳統濕冷機組的強化，它的各項優點更為突出，比如它的設備系統設計更加簡化，所以占地面積小且基建投資少，它的空氣量調節更加靈活，可以適應各種氣候環境等，在運行特性和結構特點上也更有優勢。

1.2.1 運行特性

直接空冷系統的運行是隨著汽輪機組的運行背壓變化而變化，這涉及到大氣氣壓和溫度。我國東北地區四季分明且晝夜溫差變化較大，特別是大氣干球溫度變化大，所以汽輪機的背壓變化也會很大且變化頻繁，這就導致了直接空冷系統的運行環境復雜化和極強的適應性；而由于受背壓的大幅變化影響，末級葉片經常工作于過渡區，其蒸氣中的鹽分很容易沉積于末級葉片上，雖然有時被沖刷，但是過分的沉積也降低了葉片的應力作用，從而限制了它的應力水平。空冷葉片的連接部位有良好的熱膨脹性，更適應在惡劣環境下運行；另外，直接空冷機組具有相當龐大的真空系統，其容量是濕冷機組的30倍以上，所以它的系統嚴密性對于機組的運行更加經濟合理。為了避免機組真空嚴密性而導致的外部空氣進入空冷凝器使散熱器換熱效率下降，直接空冷機組的空冷凝汽器系統也進行了改造，它選用了更高質量的真空閥和可拆卸的打壓堵板來提高系統的氣密性。

1.2.2 結構特點

600 MW直接空冷機組采用的是四缸結構，它的低壓缸模塊就是在濕冷機組的基礎上進行改進的，主要是對于落地軸承座的改良，它增加了軸系工作的穩定性。這是考慮到600 MW空冷機組的背壓過高且變化幅度大，低壓缸的元件受溫差變化影響大而專門設計的結構；其次它采用了620 mm的末級葉片，這是因為低背壓工作中焓降，所以一定要選擇排氣面積更大的葉片，使它降低高背壓運行時所產生的余速損失。如果設計背壓在0.015 MPa，那么葉片的選取高度要在600 mm以上，保證它的排氣面積在4.5 m2左右，并將它的余速損失控制在12.6 kJ/kg的范圍內。

2 直接空冷機組的運行優化

600 MW直接空冷機組在我國三北地區的實踐運行經驗幾乎為零，理論方面的研究也很匱乏，其原因是多種多樣的，其中最主要的就是由于三北多變的氣候和水資源的不足。尤其是在東北地區，由于冬季氣候較為寒冷干燥而夏季高溫炎熱，這使得直接空冷機組經常會出現夏季出力受限、冬季凍傷、背壓過高等等機械問題。所以為了能夠讓直接空冷系統適應北方多變且兩極的氣候環境，就應該設計出一套優化直接空冷系統運行的方案，提高其安全性和運行經濟性。

2.1 直接空冷系統設計優化的目的

直接空冷系統需要較高的背壓和較小的換熱系數，這是傳統濕冷系統所無法比擬的。為了滿足空冷的這些高要求，就需要大面積的冷凝汽輪機換熱排氣和一組大功率的風機協助工作。如此一來設備的投資費用就會扶搖直上，所以為了保證空冷機組的高效率低成本運行，必須優化設計，采取多方面的經濟優化比較。這包括了合理的背壓設計、空冷凝汽器的冷卻面積和其他主要元件配置參數，這也就是直接空冷系統的經濟性運行目的所在。

2.2 設計參數的選取

系統設計溫度的選取。空冷機組對于電廠設計來說，氣溫是根本，它直接影響如何選取設計背壓，而合理的設計背壓又決定了汽輪機的選型，這一系列的選擇正確才能給電廠的運營帶來可觀的經濟效益。本文中提供了三種空冷機組設計氣溫的方案以供參考。

2.2.1 年平均氣溫法

首先抽取典型的年運行小時內氣溫值并從大到小依次進行分級排列，最終統計成典型年份的小時氣溫圖表。然后根據所繪制的氣溫圖表中的數據來編繪氣溫的頻率曲線，而曲線上正負兩者的面積相等的點所對應的氣溫就是設計氣溫。

2.2.2 6 000 h法

如果根據年平均氣溫法來作典型年份的小時氣溫統計表，那么表上6 000 h以內所對應的氣溫就是設計溫度。

2.2.3 30%頻率曲線法

根據頻率曲線圖在圖上找到30%的點所對應的氣溫就是設計氣溫。通常來說，所設計的氣溫其實就是機組實際運行時的年平均氣溫。不過從空冷系統防凍的角度看，機組如果在5 ℃左右的環境中通常是不會產生凍結的。但從機組阻塞的角度講，5 ℃時汽輪機組的狀態已經達到了阻塞背壓，即使氣溫再有變化也不會改變機組的出力。

2.3 設計背壓的選取

空冷機組的背壓設計也是整個空冷系統設計的基礎。實際上，背壓設計會被諸多外界因素所限制，例如汽輪機的進汽量、排汽量、環境溫度甚至是環境風速，這些參數都是空冷系統中必須綜合考慮的因素，隨后才有可能對汽輪機的背壓設計進行有針對性的優化。一般來說，排氣背壓所對應的溫度和排氣泡就是氣溫設計與ITD值的綜合，所以，一旦氣溫選定，ITD值得到確定并優化之后，汽輪機的排汽泡和溫度也基本確定，汽輪機的排汽背壓也宣告確定。在我國東北地區，設計背壓的值范圍很低，這是因為當地寒冷的氣候。

3 直接空冷系統的優化計算

3.1 經濟性優化

直接空冷系統的優化主要就是空冷凝汽器的優化。而根據優化目標的不同，空冷凝汽器的優化設計方法也不同。其中一些是以節能為主要目的，首要先綜合分析空冷凝汽器的各項參量例如熱力參量、集合參量以及它們之間相互制約的關系和聯系。其次要以凝汽器的最小重量作為優化目標，以保證其能夠滿足優化設計的各種要求。但是為了同時考慮凝汽器的運行參量和額外收益，本文采用了目前廣泛應用的年總費用最小法，就是要以空冷凝汽器的年總費用作為優化目標，并且依據設計參數的變化來確定設計運行方案。通過計算直接空冷系統的年度化經濟費用，在取值最小的時候同時選取最佳的設計參數。

因為年總費用的優化計算最終目標是Tc，所以年固定費用Tfc和年運行費用Toc的和就是Tc，得出下式：

Tc=Tfc+Toc

由于總投資費用Tic代表了投資前建設期間的空冷系統的總投資，所以系統的換熱單元費用Tmj、風機群費用Tfj和輔助設備費用Tfz之間就得出公式：

Tic=Tmj+Tfj+Tfz

根據以上公式可以得出直接空冷系統的優化目標函數為：

Tc=（Tmj+Tfj+Tfz）×i（1+i）n/（1+i）n-1+（Tpc+Yip+Tmc）

其中，i和n表示n年內的貸款年利率i。所以最后以空冷系統年總費用的優化目標函數就由此得出。它表明了空冷優化變量的經濟性分析，同時也分析了眾多變量對于電廠經濟性的諸多影響。總體而言，空冷系統所采用的核心空冷凝汽器的ITD值、環境溫度和迎面風速都是可以進行優化的變量。

3.2 冷凝器的冬季防凍優化

在每年冬季長時間（約1 540 h）處于低溫-5 ℃狀態下的大同地區，其最低溫度可達到-30.5 ℃。從設計選型的角度來說，對空冷系統冷凝器的防凍措施首先要考慮到600 MW直接空冷機組在冬季運行的特殊性，在機組啟動、運行和停機過程中，都要避免因為空冷凝汽器熱負荷較低而導致的設備凍壞現象的出現。所以，在實際運行中，應該根據600 MW空冷機組的運行實際情況來制定防凍措施。

首先，在任何情況下都要保證空冷島的每個排散熱器端部小門和冷卻單元的隔離門都在關閉狀態。一旦溫度低于3 ℃時，空冷機組的運行背壓必須要≥9.0 kPa。如果冬季出現大風氣候，運行人員應該適當的增加機組負荷或者提高運行背壓來防止大風天氣帶來的降溫，避免散熱器熱量分布不均所造成的管束凍結。

其次，運行期間的機組在任何情況下它的負荷都不能低于不同環境溫度下所對應的最低出力。另外，應該加強空冷島各散熱管束表面溫度偏差的檢查測量。單個散熱管束的表面溫度不能小于15 ℃，如果溫度低于15 ℃，應該降低風機的轉速或增加機組負荷。

4 結 語

從環境溫度的角度來看，當氣溫超過-10 ℃時，凝汽器的壓力就會隨著氣溫的升高而升高。環境溫度越高，它的變化也就越快。而當背壓變化幅度增大時，對于空冷的維護不當就很可能會引起機組運行的安全性和經濟性問題，給電廠帶來損失。所以無論是在高溫環境還是低溫環境下，對于直接空冷系統來說，通過對冷凝汽器的運行分析和參數預估，可以為我國三北地區的冬季安全運行提供更多實用的經驗，從而最大限度地提高直接空冷機組的利用率、工作效率和經濟性。

參考文獻：

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