高海拔對間冷系統的影響及應對措施

梁婭莉，姚冬梅，顧紅芳

(1.西北電力設計院，西安 710075；2.西安交通大學，西安 710049)

本工程廠址位于某市某縣工業園區西區內。廠址地勢平坦開闊，平均海拔約2475 m，屬高海拔地區。

本工程系新建電廠性質，本期建設容量為2×660 MW空冷機組，預留再擴建條件。電廠年利用小時數為5500 h。

1 氣象特點

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計值

1.2 風向

廠址10 m高度全年的風向見圖1，主導風為SSE風；在風速＞3 m/s時主導風向見圖2為ESE和WNW。廠址50 m高度的風向分布見圖3和圖4，10 m高度主導風向稍有變化，風向順時針旋轉了22.5°，但高溫大風的主導風沒有變化，還是為ESE為主，并且出現的次數很少。

圖1 廠址10 m高度全年風向分布圖

圖2 10 m高度風速＞3 m/s的全年風向圖

圖3 廠址50 m高度全年風向分布

圖4 50 m高度風速＞3 m/s全年風向分布

2 散熱器垂直布置間接空冷系統幾何模型

本工程2×660 MW機組主機及小機排汽采用表凝式間接空冷系統，循環水系統采用單元制閉式循環供水系統。間冷系統采用一機一塔方案，散熱器垂直布置在間冷塔進風口處。建立的幾何模型見圖5。

圖5 2×660 MW一機一塔間接空冷系統幾何模型圖

3 設計基礎資料

本次對600 MW超臨界和超超臨界機組，以及660 MW超臨界和超超臨界機組分別進行了計算。汽機資料，見表2。

根據對廠址典型年累積干球溫度頻率表整理，本工程設計空氣干球溫度為 11℃，夏季滿發空氣干球溫度為24℃。

10 m高的環境風速3 m/s，環境溫度11℃，設計背壓10.5 kPa，主導風向ESE 風。

表2 汽機參數

4 海拔高度對間接空冷性能的影響

通過對海拔高度為0 m和300 m的模擬計算，并與廠址海拔高度2500 m進行比較，結果見圖6～圖9和表3。從數據結果看，隨著海拔高度增加，雖然迎面風速變化不大，但是空氣質量流量減少較多，散熱能力相差很大，出水溫度變化較大。從300 m海拔地區到2500 m的高海拔地區，隨著海拔高度的增加，同樣規模配置的空冷系統散熱能力會降低近12%，所以對高海拔地區的間接空冷系統的設計，在同樣的設計條件下需要加大約12%，才能承擔對應的設計散熱負荷。

表3 不同海拔高度下出塔水溫和迎面風速

圖6 1號塔各海拔高度下出水溫度

圖7 2號塔各海拔高度下出水溫度

圖8 1號塔各海拔高度下迎面風速

圖9 2號塔各海拔高度下迎面風速

5 不同海拔高度對應不同氣溫對空冷系統的影響

由表3可知，在同樣的設計條件下，同樣規模配置的空冷系統散熱能力會隨著海拔高度的增高而降低。

但隨著海拔高度變化，環境氣溫也會發生變化。通過對全國不同海拔地區氣象資料的比較匯總，可見在不同的海拔地區氣象資料隨之不同，幾個典型的比較見表4。從表中可以看出，由于各個地區海拔不同造成了自然氣候的差異，海拔高度增加，設計環境溫度降低。從表4和表5可以看出，隨著海拔高度的增加，會使得環境溫度降低，從而傳熱溫差和自然循環動力增加，各個扇段的出水溫度都降低，這就造成了隨著海拔增加所對應的空冷規模減小；然而，隨著海拔高度的增加，大氣壓力降低、空氣密度將減少，空冷系統性能將削弱，因此需要增加散熱面積和提高迎面風量；但是綜合到電廠廠址的環境參數的同步變化，以及空冷系統出于防凍考慮—5℃以下環境溫度均為無效低溫，因此海拔高度的增加引起環境溫度的變化在空冷系統的設計中無法進行準確定義，所以空冷系統的規模不是簡單的隨海拔高度的增加而增加。

表4 不同海拔地區的設計氣候條件

表5的設計條件：平均風速取10 m高的環境風速3 m/s，廠址海拔高度2470 m，大氣壓力737.0 hPa，相同的間冷系統配置，對應不同的環境氣溫。

表5 塔的性能隨環境溫度的變化

6 高海拔地區空冷系統與常規海拔地區空冷系統的比較

6.1 工藝的比較

(1)在表4列舉的三個典型設計環境參數條件下，在設計背壓都為10.5 kPa的工況時，針對不同的機組規模和不同機組參數進行了塔的初步設計，得到的各個海拔高度下的塔規模以及散熱性能參數，見表6。從計算數據看，在同樣的海拔高度下，超臨界機組的間冷系統規模要大于超超臨界，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，環境氣溫降低，同樣規模的機組需要的間冷系統規模將減小。

(2)表7為1×660 MW超超臨界機組在相同環境氣溫11℃、設計背壓都為10.5 kPa的工況時，對應不同海拔高度的間冷系統規模比較。由計算結果可知， 2500 m海拔高度空冷散熱器面積比0 m需要增加約12%，才能承擔對應的設計散熱負荷。

表6 不同機組參數在不同海拔高度、不同氣溫地區的規模比較

表7 660 MW超超臨界機組不同海拔高度、相同氣溫地區的規模比較

6.2 土建結構的比較

660 MW超超臨界機組不同海拔高度、不同氣溫地區的冷卻塔規模比較見圖8、圖9。

表8 660 MW超超臨界機組不同海拔高度、不同氣溫地區的冷卻塔規模比較

表9 660 MW超超臨界機組相同氣溫地區、不同海拔高度的冷卻塔規模比較

7 結論及措施

(1)隨著海拔高度的增加，設計環境溫度的趨勢是降低。若考慮海拔高度及環境溫度同時變化(見表4)，由表6可看出，汽機背壓不變，隨著海拔高度增加，間接空冷系統的配置規模是減小趨勢。由表8計算可以看出來，660 MW超超臨界機組相比600 m海拔，1000 m海拔所配置的間冷塔土建部分費用減少7.58%，2500 m 海拔所配置的間冷塔土建部分費用減少19.87%。其余機組類型所配間冷塔的發展趨勢同660 MW超超臨界機組。

(2)若考慮環境溫度不變，海拔高度變化，汽機背壓不變，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用增加15.9%。

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

(4)在一臺660 MW級機組規模的情況下，汽機背壓相同時，相同規模配置下,僅考慮海拔高度的變化，2500 m高海拔地區與600 ～1000 m低海拔地區相比，間接空冷系統設備費總投資增加約12%，土建部分費用增加約15.9%，總投資增加約2500萬元。

由于空冷散熱是以環境空氣作為冷卻介質，高海拔帶來的環境空氣的密度、濕度等物性參數的變化，必然導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行，因此對于間接空冷系統，應對高海拔的有效方法是增加塔的抽力和散熱面積，相應增加塔的高度和直徑，以達到滿意的換熱效果。