電廠深度調峰狀態下的間接空冷塔水溫分布特性研究

姜平 趙保國 王珂 張海偉 印江 孟宏君

摘 要：為緩解熱電機組供熱和供電的矛盾，國家出臺了鼓勵火電廠開展靈活性改造的若干政策，各地方政府根據各自區域的實際情況也出臺了火電機組深度調峰階梯電價政策。熱電機組受汽輪機低壓缸最小冷卻蒸汽流量的限制，機組在不做任何改造的情況下，維持低壓缸進汽最小流量（最大供熱工況下對應流量），實現深度調峰要求。低背壓運行改造后，低壓缸排汽流量大幅下降，研究間接空冷塔水溫分布特性，制定較為合理的運行方式，既保證機組安全運行，同時對提高機組運行的經濟性具有重要的意義。

關鍵詞：自然通風間接空冷塔；水溫分布；不平衡溫差；數值模擬；防凍

中圖分類號：TK264.1 文獻標志碼：A

0 引言

隨著我國經濟、能源和環保行業的發展，燃煤火力發電企業的發展進入了新的階段，新能源的大規模投入進一步壓縮了火電機組在發電市場中的份額，電能過剩現象將是今后一段時間內的主旋律，火力發電設備年利用小時數持續走低，使燃煤電廠的經營形勢變得日益嚴峻；但同時國家能源政策決定了火電機組必須承擔深度調峰的重要任務。

火電機組供熱改造是實現“節能減排”的重要措施，更是“雙降雙低”電力新常態下火電能源結構調整的重要方向，具有節能減排、改善企業生存環境等優勢；隨著居民和工業用戶對供熱負荷需求的不斷增加，電網對機組中低負荷率下的供熱能力提出了更高的要求，必須提高供熱機組的熱電解耦運行能力，要求機組在保證供熱能力的同時，最大程度地提高機組的寬幅調峰能力。

實現深度調峰、提高機組運行的靈活性，已成為決定火電企業生存的必要條件。但是，深度調峰后，特別是在冬季空冷塔散熱翅片容易發生溫度不均勻的情況，這樣會使翅片局部凍結、凍裂，從而導致空冷塔翅片損壞發生停機事故。因此研究空冷塔水溫分布特性的已經成了提高空冷塔工作可靠性的重要研究方向。深度調峰狀態下的間接空冷塔水溫分布特性研究，可以為電廠冬季深度調峰后，制定防凍措施提供理論依據，對提高空冷系統冬季的安全運行具有重要意義。

1 深度調峰狀況下表面式間接空冷系統特性

1.1 電廠供熱期低背壓運行

機組在抽凝狀態運行，當低壓缸進汽壓力降低至低壓缸最小冷卻流量時，需要繼續降低機組負荷或增大抽汽量，背壓與低壓缸最小進氣壓力關系曲線，如圖1所示。

1.2 表面式（哈蒙式）間冷系統原理

循環冷卻水進入凝汽器，經過凝汽器的表面散熱，冷卻凝汽器汽側的汽輪機排汽口排汽，經過表面凝汽器受熱后的水通過高壓水泵輸送到間冷塔，然后經過金屬空冷散熱器與外界空氣換熱，高溫循環水被低溫空氣冷卻后再返回凝汽器去冷卻汽輪機排汽，這樣間接空冷系統的冷卻水就構成了一個封閉的循環系統，間冷系統原理示意圖如圖2所示。

1.3 山西河坡電廠大型自然通風間接空冷塔及其冷卻三角

圖3為山西河坡電廠350 MW機組自然通風間接空冷塔示意圖，塔出口直徑為100 m，塔高為178 m，塔殼底部標高為27.5 m，散熱器外圍直徑為154 m，金屬冷卻三角在塔進風口外部沿軸向均勻排列，分為10個部分。如圖4所示，金屬冷卻三角由2個相同的長度的冷卻柱呈46.58°的夾角組成。所用的冷卻柱長2.67 m、高24 m、厚0.133 m，由鋁管和鋁翅片散熱管束構成。冷卻柱管數量為4個，即塔內部2排金屬為上水管束，塔外部2排金屬管為下水管束。

如圖4所示，高溫循環水由空冷塔內部冷卻柱進水口進入上水側2排管束，然后通過鋁翅片散熱管束與空氣進行換熱，在冷卻柱上集箱混合，換熱后的高溫水進入下水側2排管束，最后經過下水側管束排水口流出。下水側金屬管束內循環水溫經過換熱后相對較低，且與外界沒有換熱的空氣相接觸，所以下水側管束里的低溫水相對更易凍結。

1.4 間冷塔在線監測系統

為方便運行人員準確、直觀地監測間冷塔出風側壁溫的運行情況，及時發現并制定間冷塔防凍措施，對冷卻扇區進行封堵后，可在未封堵區域表面增加測溫電纜，測溫點電纜分3層布置，測溫點電纜與控制柜、監控臺相連接，如圖5所示。

2 ANSYS仿真

幾何模型及網格劃分：空冷塔散熱器冷卻三角沿塔周向均勻排列，SolidWorks三維模型圖如圖6所示。然后導入ANSYS做溫度云圖仿真。

空冷塔散熱器做ANSYS溫度云圖仿真之前要進行網格劃分，如圖7所示。考慮到空冷塔散熱器尺寸巨大，做溫度云圖，網格畫得太大，誤差就非常大；網格畫的太小，計算時間數據量太大，計算時間太長。空冷塔散熱器具有對稱性，所以取其中一個冷卻三角進行仿真，如圖8所示。

將間冷塔在線監測系統測得的幾個點的溫度輸入后，如格盟集團山西河坡發電有限責任公司，根據陽泉市氣象站1959年實測采集到的年最低氣溫數據，其采用P-Ⅲ型頻率曲線進行統計，得到60年一遇最低氣溫為-19.0 ℃。輸入氣溫數據后，從而得到空冷塔散熱器冷卻三角與周圍空氣的溫度云圖，如圖9所示。

3 結論

該文針對山西河坡電廠散熱器間接空冷塔外垂直布置的間接空冷塔金屬散熱器進行研究，設計了間冷塔在線監測系統采集溫度信息，然后建立ANSYS仿真模型，結合60年一遇的最低氣溫為-19.0 ℃工況下，冷卻三角、冷卻扇段及空冷塔出口水溫分布特性的影響機制，明確了環境氣溫對空冷塔出口水溫分布特性。低背壓運行改造后，低壓缸排汽流量大幅下降，為在不同工況下制定較為合理的運行方式提供理論依據，這樣既保證了機組安全運行，同時提高了機組運行經濟性。

參考文獻

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