高海拔對(duì)間冷系統(tǒng)的影響及應(yīng)對(duì)措施

梁婭莉，姚冬梅，顧紅芳

(1.西北電力設(shè)計(jì)院，西安 710075；2.西安交通大學(xué)，西安 710049)

本工程廠址位于某市某縣工業(yè)園區(qū)西區(qū)內(nèi)。廠址地勢(shì)平坦開闊，平均海拔約2475 m，屬高海拔地區(qū)。

本工程系新建電廠性質(zhì)，本期建設(shè)容量為2×660 MW空冷機(jī)組，預(yù)留再擴(kuò)建條件。電廠年利用小時(shí)數(shù)為5500 h。

1 氣象特點(diǎn)

1.1 氣候特征及氣象要素特征值

氣象站地處青藏高原和黃土高原過渡地帶，深居內(nèi)陸，屬于高原大陸性氣候。多年各氣象要素特征值見表1。

表1 氣象站累年基本氣象要素統(tǒng)計(jì)值

1.2 風(fēng)向

廠址10 m高度全年的風(fēng)向見圖1，主導(dǎo)風(fēng)為SSE風(fēng)；在風(fēng)速＞3 m/s時(shí)主導(dǎo)風(fēng)向見圖2為ESE和WNW。廠址50 m高度的風(fēng)向分布見圖3和圖4，10 m高度主導(dǎo)風(fēng)向稍有變化，風(fēng)向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)了22.5°，但高溫大風(fēng)的主導(dǎo)風(fēng)沒有變化，還是為ESE為主，并且出現(xiàn)的次數(shù)很少。

圖1 廠址10 m高度全年風(fēng)向分布圖

圖2 10 m高度風(fēng)速＞3 m/s的全年風(fēng)向圖

圖3 廠址50 m高度全年風(fēng)向分布

圖4 50 m高度風(fēng)速＞3 m/s全年風(fēng)向分布

2 散熱器垂直布置間接空冷系統(tǒng)幾何模型

本工程2×660 MW機(jī)組主機(jī)及小機(jī)排汽采用表凝式間接空冷系統(tǒng)，循環(huán)水系統(tǒng)采用單元制閉式循環(huán)供水系統(tǒng)。間冷系統(tǒng)采用一機(jī)一塔方案，散熱器垂直布置在間冷塔進(jìn)風(fēng)口處。建立的幾何模型見圖5。

圖5 2×660 MW一機(jī)一塔間接空冷系統(tǒng)幾何模型圖

3 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資料

本次對(duì)600 MW超臨界和超超臨界機(jī)組，以及660 MW超臨界和超超臨界機(jī)組分別進(jìn)行了計(jì)算。汽機(jī)資料，見表2。

根據(jù)對(duì)廠址典型年累積干球溫度頻率表整理，本工程設(shè)計(jì)空氣干球溫度為 11℃，夏季滿發(fā)空氣干球溫度為24℃。

10 m高的環(huán)境風(fēng)速3 m/s，環(huán)境溫度11℃，設(shè)計(jì)背壓10.5 kPa，主導(dǎo)風(fēng)向ESE 風(fēng)。

表2 汽機(jī)參數(shù)

4 海拔高度對(duì)間接空冷性能的影響

通過對(duì)海拔高度為0 m和300 m的模擬計(jì)算，并與廠址海拔高度2500 m進(jìn)行比較，結(jié)果見圖6～圖9和表3。從數(shù)據(jù)結(jié)果看，隨著海拔高度增加，雖然迎面風(fēng)速變化不大，但是空氣質(zhì)量流量減少較多，散熱能力相差很大，出水溫度變化較大。從300 m海拔地區(qū)到2500 m的高海拔地區(qū)，隨著海拔高度的增加，同樣規(guī)模配置的空冷系統(tǒng)散熱能力會(huì)降低近12%，所以對(duì)高海拔地區(qū)的間接空冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在同樣的設(shè)計(jì)條件下需要加大約12%，才能承擔(dān)對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)散熱負(fù)荷。

表3 不同海拔高度下出塔水溫和迎面風(fēng)速

圖6 1號(hào)塔各海拔高度下出水溫度

圖7 2號(hào)塔各海拔高度下出水溫度

圖8 1號(hào)塔各海拔高度下迎面風(fēng)速

圖9 2號(hào)塔各海拔高度下迎面風(fēng)速

5 不同海拔高度對(duì)應(yīng)不同氣溫對(duì)空冷系統(tǒng)的影響

由表3可知，在同樣的設(shè)計(jì)條件下，同樣規(guī)模配置的空冷系統(tǒng)散熱能力會(huì)隨著海拔高度的增高而降低。

但隨著海拔高度變化，環(huán)境氣溫也會(huì)發(fā)生變化。通過對(duì)全國不同海拔地區(qū)氣象資料的比較匯總，可見在不同的海拔地區(qū)氣象資料隨之不同，幾個(gè)典型的比較見表4。從表中可以看出，由于各個(gè)地區(qū)海拔不同造成了自然氣候的差異，海拔高度增加，設(shè)計(jì)環(huán)境溫度降低。從表4和表5可以看出，隨著海拔高度的增加，會(huì)使得環(huán)境溫度降低，從而傳熱溫差和自然循環(huán)動(dòng)力增加，各個(gè)扇段的出水溫度都降低，這就造成了隨著海拔增加所對(duì)應(yīng)的空冷規(guī)模減小；然而，隨著海拔高度的增加，大氣壓力降低、空氣密度將減少，空冷系統(tǒng)性能將削弱，因此需要增加散熱面積和提高迎面風(fēng)量；但是綜合到電廠廠址的環(huán)境參數(shù)的同步變化，以及空冷系統(tǒng)出于防凍考慮—5℃以下環(huán)境溫度均為無效低溫，因此海拔高度的增加引起環(huán)境溫度的變化在空冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中無法進(jìn)行準(zhǔn)確定義，所以空冷系統(tǒng)的規(guī)模不是簡單的隨海拔高度的增加而增加。

表4 不同海拔地區(qū)的設(shè)計(jì)氣候條件

表5的設(shè)計(jì)條件：平均風(fēng)速取10 m高的環(huán)境風(fēng)速3 m/s，廠址海拔高度2470 m，大氣壓力737.0 hPa，相同的間冷系統(tǒng)配置，對(duì)應(yīng)不同的環(huán)境氣溫。

表5 塔的性能隨環(huán)境溫度的變化

6 高海拔地區(qū)空冷系統(tǒng)與常規(guī)海拔地區(qū)空冷系統(tǒng)的比較

6.1 工藝的比較

(1)在表4列舉的三個(gè)典型設(shè)計(jì)環(huán)境參數(shù)條件下，在設(shè)計(jì)背壓都為10.5 kPa的工況時(shí)，針對(duì)不同的機(jī)組規(guī)模和不同機(jī)組參數(shù)進(jìn)行了塔的初步設(shè)計(jì)，得到的各個(gè)海拔高度下的塔規(guī)模以及散熱性能參數(shù)，見表6。從計(jì)算數(shù)據(jù)看，在同樣的海拔高度下，超臨界機(jī)組的間冷系統(tǒng)規(guī)模要大于超超臨界，并且隨著海拔高度的增加兩者之間的差距加大；在不同的海拔高度下，隨著海拔高度的增加，環(huán)境氣溫降低，同樣規(guī)模的機(jī)組需要的間冷系統(tǒng)規(guī)模將減小。

(2)表7為1×660 MW超超臨界機(jī)組在相同環(huán)境氣溫11℃、設(shè)計(jì)背壓都為10.5 kPa的工況時(shí)，對(duì)應(yīng)不同海拔高度的間冷系統(tǒng)規(guī)模比較。由計(jì)算結(jié)果可知， 2500 m海拔高度空冷散熱器面積比0 m需要增加約12%，才能承擔(dān)對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)散熱負(fù)荷。

表6 不同機(jī)組參數(shù)在不同海拔高度、不同氣溫地區(qū)的規(guī)模比較

表7 660 MW超超臨界機(jī)組不同海拔高度、相同氣溫地區(qū)的規(guī)模比較

6.2 土建結(jié)構(gòu)的比較

660 MW超超臨界機(jī)組不同海拔高度、不同氣溫地區(qū)的冷卻塔規(guī)模比較見圖8、圖9。

表8 660 MW超超臨界機(jī)組不同海拔高度、不同氣溫地區(qū)的冷卻塔規(guī)模比較

表9 660 MW超超臨界機(jī)組相同氣溫地區(qū)、不同海拔高度的冷卻塔規(guī)模比較

7 結(jié)論及措施

(1)隨著海拔高度的增加，設(shè)計(jì)環(huán)境溫度的趨勢(shì)是降低。若考慮海拔高度及環(huán)境溫度同時(shí)變化(見表4)，由表6可看出，汽機(jī)背壓不變，隨著海拔高度增加，間接空冷系統(tǒng)的配置規(guī)模是減小趨勢(shì)。由表8計(jì)算可以看出來，660 MW超超臨界機(jī)組相比600 m海拔，1000 m海拔所配置的間冷塔土建部分費(fèi)用減少7.58%，2500 m 海拔所配置的間冷塔土建部分費(fèi)用減少19.87%。其余機(jī)組類型所配間冷塔的發(fā)展趨勢(shì)同660 MW超超臨界機(jī)組。

(2)若考慮環(huán)境溫度不變，海拔高度變化，汽機(jī)背壓不變，由表9可看出相比600 m海拔，1000 m海拔所配置的間冷塔土建部分增加5.8%，2500 m海拔所配置的間冷塔土建部分費(fèi)用增加15.9%。

(3)表6可見，在同樣的海拔高度下，超臨界機(jī)組的空冷系統(tǒng)規(guī)模要大于超超臨界機(jī)組，并且隨著海拔高度的增加兩者之間的差距加大。

(4)在一臺(tái)660 MW級(jí)機(jī)組規(guī)模的情況下，汽機(jī)背壓相同時(shí)，相同規(guī)模配置下,僅考慮海拔高度的變化，2500 m高海拔地區(qū)與600 ～1000 m低海拔地區(qū)相比，間接空冷系統(tǒng)設(shè)備費(fèi)總投資增加約12%，土建部分費(fèi)用增加約15.9%，總投資增加約2500萬元。

由于空冷散熱是以環(huán)境空氣作為冷卻介質(zhì)，高海拔帶來的環(huán)境空氣的密度、濕度等物性參數(shù)的變化，必然導(dǎo)致滿足同樣散熱條件的需要的空氣流量增加或者散熱面積增加，這樣才能保證同樣的背壓運(yùn)行，因此對(duì)于間接空冷系統(tǒng)，應(yīng)對(duì)高海拔的有效方法是增加塔的抽力和散熱面積，相應(yīng)增加塔的高度和直徑，以達(dá)到滿意的換熱效果。