火電廠1 350 MW級汽輪機高位布置直接空冷系統設計

密長海，高 洋，馮 璟，董 照

(中國電力工程顧問集團華北電力設計院有限公司，北京 100120)

0 引言

為降低能耗、減少污染物排放并改善環境，我國常規火電技術飛速發展，單機容量不斷提高，從1 000 MW正在向1 350 MW邁進。大容量機組采用汽輪機高位布置有利于進一步提高機組熱效率，同時可縮短主汽和再熱管道，顯著降低管道部分的投資成本。

目前國內外尚無采用直接空冷技術的1 350 MW級及以上容量(超大容量)的火電機組，與1 000 MW級及以下容量(常規容量)的機組相比，其空冷系統更加龐大、空冷單元數更多、空冷平臺更高，加之汽輪機采用高位布置，因此需對常規容量且汽輪機低位布置的直接空冷系統的設計原則適用性做進一步分析。此外，超大容量機組對運行的安全性和穩定性要求更高，環境風對更龐大的空冷系統布置及換熱效果的影響無法依靠過往經驗評估，尤其是汽輪機采用高位布置的情況，需結合數學模型試驗進行研究。本文依托某2×1 350 MW直接空冷火電機組，對此進行分析。

1 工程概況

依托工程為2×1 350 MW二次再熱直接空冷燃煤機組，廠址位于山西省境內，海拔高度934 m，汽輪機擬采用高位布置方案。空冷氣象數據見表1所列。

表1 空冷氣象數據表

依托工程所采用的汽輪機特性參數見表2所列。

表2 汽輪機特性參數表

2 1 350 MW機組直接空冷系統設計方案

直接空冷系統設計方案主要包括空冷凝汽器管排數及管束長度、風機選型、迎面風速、設計背壓等參數的確定。

2.1 空冷凝汽器選型

本依托工程的直接空冷凝汽器選擇當前工程中較多采用的鋼管鋁翅片，其換熱、防凍性能較好，且為易清洗的單排管形式。

空冷凝汽器管束長度越大，空冷單元數越少，風機配置數量也越少，但單排管管束長度上限也應考慮生產制造能力、結構強度、管束壓降、散熱器利用效率以及防凍效果。本依托工程采用11.5 m長度管束。

2.2 風機選型

直接空冷系統中在相同空氣流量下，宜選用直徑較大的軸流風機以降低噪聲并減少風機數量。目前實際工程應用的直接空冷系統軸流風機最大直徑為10 360 mm，本依托工程也采用該直徑的風機。為抵抗大風的影響，風機所配電動機最高轉速按額定轉速的110%考慮，但本依托工程所在地累年平均風速相對較低(氣象站10 m高處僅2.4 m/s)，因此風機電動機最高轉速按額定轉速105%考慮。

2.3 迎面風速

考慮到直接空冷所采用的低壓電動機的功率不宜大于185 kW，并兼顧工程運行的經濟性，工程中配套大直徑軸流風機的單排管空冷凝汽器的迎面風速宜在1.8～2.6 m/s范圍內選擇。

2.4 設計背壓

在機組外部氣象條件、煤價、電價確定的情況下，機組容量越大，則設計背壓越低經濟性越高(下限為阻塞背壓)。研究結果顯示：受限于汽輪機現有末級葉片長度的限制，1 350 MW級二次再熱空冷機組設計背壓最低可降到6～7 kPa。但最終設計背壓的選取還應結合具體工程的設計氣溫和標煤價格進行經濟比較后確定。針對依托工程設計氣溫(14 ℃)下不同標煤價格，計算得出的機組推薦設計背壓見表3所列。

表3 直接空冷機組推薦的設計背壓與標煤價格的關系表

由表3可知，在當前標煤價格約550元/t時，應選擇9 kPa作為依托工程的設計背壓，對應的單臺機組總散熱面積為3 548 380 m2、迎面風速為2.35 m/s。

3 1 350 MW汽輪機高位布置下直接空冷平臺布置特點

汽輪機高位布置下的超大容量機組，其直接空冷平臺布置與常規容量機組的區別主要包括空冷平臺占地、空冷平臺高度、與汽機房的間距和蒸汽隔離閥口徑選擇等方面。

3.1 空冷平臺占地

為縮短汽輪機排汽管道的長度、減少壓降，空冷平臺一般布置在汽機房A列外，其長度方向按照汽機房長度和固定端與擴建端兩側道路內側間距確定。2×1 350 MW機組汽機房長度約230 m，加上固定端與擴建端側兩道路內側空間(考慮道路拐彎半徑、電除塵器的尺寸以及消防要求)后約290 m；而空冷平臺的布置要考慮其豎向投影面在道路內側(也可根據實際布置適當超出)，因此2×1 350 MW機組的空冷平臺總長度應不大于290 m，即單臺1 350 MW機組的空冷平臺長度應不大于145 m，具體占地布置示意如圖1所示。此外，空冷平臺的寬度或進深也應考慮單列蒸汽分配管的管徑(詳見3.3節)，并結合主變壓器電壓等級及其布置確定。

圖1 2×1 350 MW機組主廠房區域各設施占地布置示意圖

不同地區機組的空冷設計氣溫和最優設計背壓雖不同，但在當前空冷設備、標煤價格(約600元/t)的市場行情下，設計氣溫和最優設計背壓呈近似線性的關系，因此所配置的直接空冷系統容量比較接近，則占地尺寸也基本接近。

未來如果煤價上漲，機組最優背壓相應下降，則空冷系統容量繼續增大，空冷單元數隨之增加。可采用增加空冷平臺行列數的方式解決，因此空冷平臺占地可能成為限制主廠房區域兩側道路間距的主要因素，從而對廠區整體布置產生一定影響。針對不同設計氣溫、不同設計背壓的直接空冷系統占地尺寸見表4所列。由表4可知，設計氣溫為14 ℃且設計背壓不高于9 kPa時，空冷平臺占地最小。

表4 不同設計氣溫和設計背壓的直接空冷系統占地尺寸(1×1 350 MW)

3.2 空冷平臺高度

采用汽輪機低位布置的機組，其直接空冷平臺的最佳高度隨機組容量增加而提升[1]，一般可按照空冷平臺下部進風口沿高度上的平均空氣流速不大于4 m/s的原則，并控制空冷平臺高度不低于汽機房高度，因此1 000 MW級機組的空冷平臺高度為50～55 m。綜合考慮進風阻力與空冷平臺支撐柱投資，1 350 MW級超大容量機組的直接空冷平臺高度按60 m左右較為合適(不同地區的工程受海拔對空氣密度的影響會有所不同)。

采用汽輪機低位布置的機組應控制空冷平臺高度不低于汽機房屋面高度，主要是為減少爐后方向來風引起的空冷平臺與汽機房間空隙處產生的大量熱回流，從而減弱大風對空冷系統散熱效果的影響。但汽輪機高位布置后汽機房高度較高，房頂處可達90 m左右，如按此原則執行，則空冷平臺支撐柱的投資成本將大幅增加，故空冷平臺不必高于汽機房屋面。

3.3 與汽機房的間距

對于汽輪機低位布置下的直接空冷機組，考慮到不同環境風速下綜合換熱效果，空冷平臺與汽機房的間距宜縮小[2]，但排汽管道從汽機房A列貼零米地面穿出并向上爬升數十米后至空冷平臺，需同時兼顧排汽管道的布置以及吊裝施工方便，因此間距對于常規容量機組一般控制在15 m左右較好。對于1 350 MW級汽輪機高位布置的機組，排汽管道需采用2根直徑DN8500左右的管道直接由汽機房約60m高處穿出接至空冷平臺(空冷支撐柱處設置鋼支架以支撐管道)。為減少高懸的大排汽管道震動對空冷平臺結構的影響，平臺與汽機房的間距應盡量縮小，且縮小間距后也可減少爐后來風時的熱回流影響；同時考慮到主排汽管道的安裝檢修空間，因此凈距可控制在13 m左右。

3.4 蒸汽隔離閥口徑選擇

設置蒸汽隔離閥的作用是為滿足冬季啟停機以及運行最小防凍流量的要求，因此主要受鍋爐啟動運行性能、汽輪機旁路容量以及環境氣溫影響，其中環境氣溫是影響隔離閥數量的最主要因素。對于純凝機組一般按照歷年最冷月平均氣溫下滿足正常啟停機來要求；對于抽汽或供熱機組，還應按當地極端最冷氣溫校核是否滿足冬季最小流量運行來要求。

蒸汽分配管的蒸汽隔離閥對密封要求較高，隔離閥通常不宜大于DN3800口徑。對于1 350 MW級直接空冷機組，其單列空冷單元數較多，蒸汽分配管始端往往需要較大口徑，因此蒸汽隔離閥的口徑也可能會限制單列空冷單元的數量，從而影響空冷平臺布置，具體結合依托工程說明如下：

1)如每臺機組的90個空冷單元按9行10列形式布置，應設置6套蒸汽隔離閥，分設在兩側蒸汽分配管始端，蒸汽隔離閥采用DN3800口徑時，TMCR工況下蒸汽分配管內蒸汽流速約80 m/s，阻塞背壓工況下蒸汽流速約114 m/s，滿足技術和經濟要求，推薦采用此方案；

2)如每臺機組的90個空冷單元按10行9列形式布置，應設置5套蒸汽隔離閥，分設在兩側蒸汽分配管始端，若蒸汽隔離閥繼續采用DN3800口徑時，TMCR工況下蒸汽分配管內蒸汽流速約89 m/s，阻塞背壓工況下蒸汽流速約127 m/s，管道內蒸汽壓降大引起所需空冷凝汽器面積加大，或采用訂制口徑為DN4000的隔離閥。

4 汽輪機高位布置下環境風對空冷系統的影響

汽輪機采用高位布置時，汽機房比低位布置時高出很多，高聳的廠房對環境風的擾流會影響空冷系統的散熱效果。

4.1 環境風對汽輪機常規低位布置的空冷系統的影響分析

汽輪機低位布置下的直接空冷機組，空冷平臺主進風口宜面向夏季主導風向，并兼顧全年主導風向[3]，要避免鍋爐房后出現較高風頻風速[4](特別是爐后斜向的高溫來風)，否則容易形成熱回流，降低直接空冷系統的換熱效率，嚴重時導致背壓迅速升高甚至引起汽輪機跳機。因此，空冷平臺的朝向主要受工程廠址處的環境風影響。

環境風對直接空冷系統產生重要影響的原因如下：環境風過大會使迎面風速降低，冷卻空氣流量下降，同時使空冷單元進口空氣溫度升高，最終使凝汽器凝結溫度升高，汽輪機排汽壓力升高；此外，環境風過大還會引起空冷凝汽器出口熱空氣回流，引起邊緣處某些空冷單元的散熱器換熱效果下降，同樣導致汽輪機排汽壓力升高。

針對環境風的影響除通過調整直接空冷系統主進風口朝向進行應對，一般還采取在空冷平臺上方加裝擋風墻的方式，從而在空冷凝汽器四周形成具有擋風作用的屏障，其高度一般不宜低于蒸汽分配管最大管徑處的管頂，對于高溫大風地區，擋風墻可繼續加高2～3 m[5]或將擋風墻進行下延1～2 m形成擋風板[6]。

上述措施中，無論是主進風口朝向調整還是設置擋風板均是就汽輪機低位布置形式而言。1 350 MW級汽輪機采用高位布置后，直接空冷蒸汽分配管頂部由比汽機房高約35 m變為較汽機房矮近20 m，如圖2和圖3所示。環境風和空冷單元出口熱氣流由于高位布置汽機房的阻礙，流場均發生變化，因此上述結論是否仍然適用需進一步研究，尤其是空冷平臺與夏季主導風向、爐后風向的關系。

圖2 汽輪機低位布置下直接空冷平臺與汽機房的高度關系圖

圖3 汽輪機高位布置下直接空冷平臺與汽機房的高度關系圖

4.2 環境風對汽輪機高位布置的空冷系統的影響分析

針對環境風對直接空冷系統散熱效果的具體影響，一般采用商用計算流體力學(computational fluid dynamics，CFD)軟 件 建 立數學模型的方式進行研究。目前已有研究人員進行了600 MW等級汽輪機高位布置下的直接空冷系統的數模研究[7]，筆者參照其建模及研究方法，并按照本依托工程的邊界條件，進一步做了1 350 MW級機組的相關驗證研究。由于本依托工程按照IEC60045-1991標準定義機組容量，故后續研究結果主要針對銘牌工況(即TMCR工況)。

驗證研究顯示汽輪機高位布置相比低位布置對機組背壓有不利影響，主進風口方向(年主導風向同時也是夏季主導風向，南風)時影響不明顯，但斜爐后風向(年次主導風向，東偏北風；年次次主導風向，西偏北風)時影響較明顯，這一趨勢與黃晨希等人[7]的研究結果是一致的。具體結果為：在設計氣溫14℃、設計環境風速4 m/s條件下，雖然汽輪機高位布置后主排汽管道縮短使得乏汽的管損壓降減小，但在主進風口風向時汽輪機背壓較低位布置時仍高約0.3 kPa，而在斜爐后風向時汽輪機背壓較低位布置時高約2 kPa。因此，汽輪機高位布置時直接空冷主進風口仍應按朝向主導風向設置。對于按GB/T 5578—2007《固定式發電用汽輪機規范》定義銘牌功率的機組應按朝向夏季主導風向并兼顧年主導風向，這一點與汽輪機低位布置是相同的。

已有660 MW級汽輪機高位布置的機組投運，參照投運工程的設計經驗并結合本依托工程情況做適當調整，本研究進一步驗證了以下三種應對措施的效果，具體結果如下：

1)增加空冷系統的換熱面積：增加10%時，主進風口風向時汽輪機背壓可降低約0.8 kPa，斜爐后風向時汽輪機背壓也可降低約1 kPa；

2)在空冷平臺與汽機房的間隙處增加下斜垂型防風板：其傾斜部分長5 m、垂直部分長13 m，主進風口風向時汽輪機背壓可降低約0.6 kPa，斜爐后風向時汽輪機背壓可降低約1.5 kPa；

3)以上兩種措施組合：主進風口風向時汽輪機背壓可降低約1.2 kPa，斜爐后風向時汽輪機背壓可降低約2 kPa。

因此針對本依托工程采用兩種措施組合，即散熱面積增加10%的同時增加下斜垂型防風板，可基本抵消汽輪機高位布置對機組背壓(或空冷凝汽器換熱效果)所帶來的不利影響，保證其銘牌出力。但對于按國標定義銘牌功率的機組，應按照夏季工況核算其所采取措施的詳細數據。

此外，有設計院建議也可采用加大靠近汽機房的風機風量以減弱大風影響的方式，但本研究不推薦該方案，原因有：

1)效果較差，背壓僅可降低約0.3 kPa；

2)增加管理維護的難度，需至少兩種規格電機，且備品備件均需準備兩套；

3)對風速監測控制系統要求高，因在環境大風時才有必要加大風量運行，風機轉速需對瞬時大風做及時響應調整，若不論環境風大小都采用大風量連續運行又過于浪費。

5 結論

通過對1 350 MW級汽輪機高位布置下的直接空冷系統設計選型、布置原則研究以及環境風的影響驗證分析，得出如下結論：

1)1 350 MW級汽輪機高位布置下，直接空冷系統在占地、平臺高度、蒸汽隔離閥設置、主進風口朝向與低位布置下的原則相似，但空冷平臺與汽機房間距較低位布置宜減少，且空冷平臺高度按滿足系統需求即可，不追求高于汽機房；

2)1 350 MW級汽輪機高位布置下，汽機房對機組背壓的影響相比低位布置，在主進風口風向時影響不明顯，但在斜爐后風向時影響較明顯，可采用增大空冷凝汽器換熱面積，或在空冷平臺與汽機房的間隙處設下斜垂型防風板，或同時采取以上兩種方式以抵消影響。工程實際應用中，具體配置方案還應在直接空冷系統定標后由空冷廠商根據設計方案做具體研究分析。