火電機組直接空冷系統優化設計分析

秦占俊

（源和電站，山東 濟南 250000）

火電機組直接空冷系統優化設計分析

秦占俊

（源和電站，山東 濟南 250000）

直接空冷系統是火電機組中的主要組成部分，該系統的優化設計關系到火電機組的經濟、安全、持久運行，且已經成為廣大工程、科研人員關注的關鍵問題。本文主要對火電機組直接空冷系統進行詳細的闡述，并對系統優化設計中涉及到的設計氣溫、設計背壓、初始溫差以及迎面風速等參數選取方法進行了著重的分析，以保證火電機組可以經濟、有效的持久運行。

直接空冷系統；火電機組；參數；選取

燃煤電廠仍然是我國發電的主要來源，決定了我國的能源特點。然而，當前國內水資源的匱乏又決定了節水技術在燃煤電廠中的重要性。空冷技術在火電機組中的廣泛使用大大的節約了電廠的用水量。

自20世紀30年代，空冷技術出現，并逐漸發展為直接空冷和間接空冷兩種技術。直至20世紀70年代，電冷技術得到廣泛推廣，使得空冷系統的裝機容量得到幾何指數級的速度增長，直接空冷機組的裝機容量占據較大比例。其中，總裝機容量達到萬千瓦的靈武公司已經成為“西電東送”的最大的火力發電廠之一和主要電源支撐點，這對于富煤缺水區域的電力行業的發展具有重大意義。本文主要對火電機組直接空冷系統進行詳細介紹，并對直接空冷系統中各設計參數的選取優化進行詳細分析，以供廣大工程技術人員借鑒。

1 火電機組直接空冷系統的組成

火電機組的空冷系統利用空氣將進入熱交換器的汽輪機的排氣進行熱交換冷凝。火電機組直接空冷系統使用的空冷凝汽器是采用數量不等的雙排或單排橢圓翅片管束組成的，且其空冷系統所需的冷卻空氣通常由機械通風方式提供。

火電機組直接空冷系統的汽輪排汽往往利用具有較大直徑的排氣管道輸送到位于室外的主廠房前的空冷凝汽器中，軸流風機將冷空氣輸送至冷凝器外表面并對冷凝器內的排汽進行冷凝，冷凝成水的排汽將進行處理，并輸送到鍋爐的給水系統。

火電機組的直接空冷系統是指從冷凝水的泵入口至汽輪機低壓缸排汽口之間的管道和機械設備，主要由以下幾大系統組成：疏水系統、控制系統、空冷凝汽器沖洗系統、通風系統、凝結水系統、空冷凝汽器以及汽輪機排汽管道系統。在這所有的系統中，直接空冷汽器單元扮演著最重要的角色，其主要作用是將汽輪機的排汽冷凝成水。

2 火電機組直接空冷系統中設計參數的選取

與濕冷系統不同，直接空冷系統具有較高的背壓和較小的換熱系數，因此其換熱面積需要足夠大才能夠實現對汽輪機排汽的良好冷凝效果，且直接空冷系統中要求有較多的大功率風機，這又增添了系統的投資和運輸風機的交通費用。因此，如何對直接空冷機組系統進行優化設計成為節約成本、增加收益的關鍵。直接空冷系統的優化設計指的是通過綜合考慮，對系統的配置進行各方面的經濟優化，從而選取適合的背壓、空冷凝器冷卻的面積和其他主要部分的配置參數，從而使機組的正常運行得到保障，并使得火電機組直接空冷系統可持久處于最佳的工作狀態。

2.1 系統設計氣溫的選取

空冷電廠的氣溫設計直接關系到設計背壓的選取，而合理的設計背壓對汽輪機的選型具有重要的指導作用，其將為電廠帶來良好的經濟效益。因此，直接空冷系統設計氣溫的選取對火電機組直接空冷系統的運行具有重要意義，其常規的選取方法主要有以下幾種。

（1）6000小時法。6000小時法的原理是依據年平均氣溫法，繪制出典型年的小時氣溫統計表，將氣溫按從低到高的順序排列，選取該表上5000小時所對應的氣溫作為設計氣溫。

（2）年平均氣溫法。按由大到小的順序將典型年運行小時內氣溫進行排序，得到典型年的小時氣溫表，再根據典型年的小時氣溫表繪制出典型年的小時氣溫歷時頻率曲線，曲線上正負面積相等的點所對應的溫度即為設計氣溫。

（3）5℃以上平均氣溫法。該法是以及年平均氣溫法的典型年的小時氣溫統計表，將5℃以下的氣溫作為5℃的條件下，并與5℃以上的氣溫進行加權平均計算，將得到的氣溫作為系統的設計氣溫。

（4）30%頻率曲線法。該法是根據年平均氣溫法的典型年小時氣溫歷時頻率曲線，曲線中30%點對于的氣溫即為設計氣溫，該值與6000h法的設計氣溫值相差不大。

2.2 初始溫差（ITD值）的選取初始溫差的物理意義是指空冷凝器的散熱能力的強弱，其能直觀反映出火電機組直接空冷系統的規模。ITD值的選取主要考慮環境溫度、直接空冷機組的投資成本和運行成本、燃料費和電價等因素。此外，在選取初始溫度時，還需綜合考慮技術經濟的可行性和工程的實際需要。如電廠所在的區域周邊用電需求量較大，則初始溫度應選取較低值；若電廠所在區域的燃料價格較低，則初始溫差可以選取稍高的值。在此基礎上，通過綜合優化并結合工程的實際需求確定合理的初始溫差。

2.3 設計背壓的選取

設計背壓是設計部門、業主以及制造廠家對空冷系統最注重的關鍵問題，設計背壓的選取是整個系統設計的基礎。設計背壓的確定主要受環境穩定與環境風速、汽輪機的排汽量和進汽量等因素的影響。設計背壓由設計氣溫和初設溫差確定。在我國寒冷地區，常常將設計背壓確定在較低的值，相反，在溫度較高的地區，設計背壓則一般選擇較高值。具體來看，空氣溫度對背壓的影響體現在兩個方面：首先，在環境氣溫較低的冬季，由于進氣溫度較低，導致汽輪機組背壓下降，機組整體熱消耗下降，在此情況下容易出現凍管現象；另一方面，高溫條件下，過高的進氣溫度導致進風口溫度升高、空冷散熱器負荷增大、空冷系統輸出功率降低，最終導致汽輪機組背壓上升，嚴重時導致停機。下圖是直接空冷系統中環境溫度對汽輪背壓的影響圖。從圖2中可以看出，背壓隨環境溫度的升高而升高，溫度越高背壓上升的越快；隨著環境溫度的升高，汽輪機背壓會升高，且隨著環境溫度升高背壓急劇升高。

2.4 迎面風速的選取

火電機組直接空冷系統中，迎面風速對風機的選型有直接的影響，且還關系到總供電量的多少，并最終影響著設計背壓和初始溫差的選取。因此，迎面風速在整個直接空冷系統具有重要作用。針對散熱面積較小的直接空冷凝汽器，為滿足夏季滿載發電的排熱量需求，其迎面風速需選取較高值區間。相反，若直接空冷凝汽器的散熱面積較大，則對于的迎面風速可選取相對較小的區間值。對迎面風速的選取，要求對整個系統優化過程中進行全面考量。在匹配最優散熱面積和滿足工程的實際需求的條件下確定迎面風速，并最終確定風機的型號。相對應的，提高機組的抗風能力是設計的重要內容，有以下幾種方式可供選擇：①減少熱風再循環量，設置擋風墻可以有效降低空冷平臺周圍的風速；②降低平臺進風口的風速，減少負壓區的產生。

圖2 直接空冷系統中環境溫度對汽輪背壓的影響圖

3 結束語

火電機組直接空冷技術的廣泛應用極大的節約了水資源，同時節省了電廠的供水系統的工程量與成本，為電廠火電機組的高效率、低成本運行提供了堅實的保障。針對火電機組直接空冷系統優化設計時各主要參數的選取，需要結合工程實際需求，并依據廠址環境（環境穩定）、投資運行成本、燃料費和電價等各因素進行確定，并最終保障火電機組的可靠、經濟、持久的運行。

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1671-0711（2016）12（下）-0093-02