直接空冷系統運行優化探討

孫玉慶

(中國能源建設集團山西省電力勘測設計院有限公司，山西 太原 030001)

0 引言

直接空冷技術出現已有幾十年，初期只是應用于一些小容量的聯合循環機組或火電廠的汽輪發電機組[1-3]。隨著工業技術水平的發展和經驗的積累，在20 世紀70 年代后，直接空冷技術的應用得到進一步推廣，2000 年后電廠直接空冷技術的應用開始進入快速發展期，在我國一些富煤缺水地區相繼建設了300 MW、600 MW、1 000 MW 級大容量直接空冷機組。

隨著直接空冷機組的持續運行，一些問題也逐步暴露出來。本文通過調研，對目前影響直接空冷系統主要的、共性的問題，如夏季運行背壓過高、凝結水管道振動、防凍、噪聲要求等進行了總結。

1 夏季運行背壓過高

1.1 產生的問題

出于設備成本和煤炭價格的考慮，早期投運的空冷機組設計背壓值已普遍偏高。近年來隨著機組的運行，設備開始老化，機組實際排汽量大多高于設計值，同時由于環境氣溫逐年升高，尤其在夏季高溫大風時，機組運行背壓相比設計值更高，導致機組煤耗和熱耗指標高，機組出力長期受限達10～20 MW 之間，甚至更多。負荷無法達到機組設計容量，不但造成電廠機組夏季運行期間調峰能力考核，同時也降低了機組參與當地電網現貨市場的收益水平。

2004～2012 年已投產的數座600 MW 級直接空冷機組運行情況的調研結果見表1 所列，可見火電機組夏季運行背壓普遍高出設計背壓約4～7 kPa。

表1 部分600 MW級空冷機組運行情況

1.2 夏季運行背壓過高的分析

1.2.1 受環境高溫大風影響

環境自然大風對直接空冷機組運行影響較大，特別是高溫大風，將對機組的運行產生嚴重影響。DL/T 5158—2012《電力工程氣象勘測技術規程》中對高溫大風作了說明，高溫大風的選擇條件應該符合如下3 種組合：“氣溫大于或等于26 ℃，且10 min 平均風速大于或等于3 m/s；氣溫大于或等于26 ℃，且l0 min 平均風速大于或等于4 m/s；氣溫大于或等于26 ℃，且l0 min 平均風速大于或等于5 m/s。”DL/T 244—2012《直接空冷系統性能試驗規程》中要求“每一試驗工況有效時間內，空冷凝汽器上邊緣上方l m 處的平均環境風速不能超過5 m/s，超過10 m/s 的峰值l h 內發生次數不能超過20 次。”

遭遇高溫大風時，一方面空冷系統風機的吸風量不足，導致風機入口處進風空氣流量減少；另一方面會出現熱風再循環，即空冷凝汽器排出的熱氣流在某種特定的條件下被風機再次吸入，導致空冷凝汽器的散熱能力下降。在空冷系統運行時，通過空冷凝汽器表面升溫后的空氣上升，呈現羽流狀況[4-6]。當大風從爐后吹向平臺散熱器，風速過高時，會出現熱風再回流現象。根據風機運行維護經驗，空冷平臺四周設置的擋風墻并不能完全克服熱風再循環對機組運行的影響[7-8]。

1.2.2 空冷島布置朝向影響

在GB 50660—2011《大中型火力發電廠設計規范》中對空冷島布置應符合“直接空冷平臺朝向應根據全年、夏季、夏季高溫大風的主導風向、風速、風頻等因素，結合工藝布置要求，并應兼顧空冷機組運行的安全性和經濟性綜合確定”。

通常空冷平臺朝向的布置主要依據夏季平均風向和夏季溫度大于26 ℃且風速大于4 m/s和5 m/s 的大風趨勢來確定，但在實際工程設計中，往往忽略其他溫度區段與風速組合共同影響趨勢。例如夏季溫度20～26 ℃且風速大于7 m/s 的大風與溫度大于26 ℃且風速大于5 m/s的大風對空冷系統影響程度是否一致；夏季溫度18～20 ℃且風速大于10 m/s 的大風與溫度大于26 ℃且風速大于5 m/s 的大風對空冷系統影響程度是否一致。

在個別的工程中，依據以往的環境高溫大風趨勢來確定空冷朝向會對工程產生錯誤的判斷，從而影響機組的運行背壓，需根據工程實際情況具體分析。

1.2.3 空冷凝汽器本體影響

早期已投運的直接空冷機組，由于運行時間比較長，會出現散熱器管束老化、傳熱效率降低等現象，嚴重影響空冷系統的通風和散熱性能，疊加因素造成機組負荷出力不足或煤耗升高。

1.3 改進措施

1.3.1 空冷系統增容

空冷系統增容是目前提高空冷凝汽器能力、降低空冷機組夏季運行背壓的常用措施，包括增加尖峰系統和增加空冷散熱面積裕量兩個方案。

1)方案一：增加尖峰系統

在現有的空冷排汽管道上引接出一路乏汽管線，在空冷島附近適宜的場地上新增一個小規模尖峰冷卻設施，用于分擔已有空冷機組的排汽冷卻容量[9-11]，見表2 所列。

表2 600 MW級空冷機組采用尖峰改造后運行情況

由表2 可知，采用尖峰空冷改造后，空冷機組夏季運行背壓降低效果明顯。

2)方案二：增加空冷散熱面積裕量

在現有的空冷排汽管道上引接出一路乏汽管線，在空冷島附近的適宜場地上新增一列或一行空冷風機組，用于分擔已有空冷機組的排汽冷卻容量。在空冷系統設計時，人為增加空冷系統設計氣溫裕量，便于增大空冷系統配置面積。

3)方案對比

兩種方案效果對比見表3 所列。

表3 空冷系統增容方案對比表

從表3 看，以上兩種技術方案均具有可行性。若電廠無額外補水量且占地無限制的情況下，優先選擇方案一中機力通風間冷塔措施；若電廠無額外補水量且占地受限的情況下，優先選擇方案二；若電廠額外補水量充裕的情況下，優先選擇方案一中的機力通風濕冷塔措施；若電廠額外補水量有限的情況下，優先選擇方案一中的蒸發式凝汽器措施。

1.3.2 空冷系統+濕冷系統

基于降低造價的目的，提出一種空冷系統+濕冷系統的新配置方案：在干球溫度30 ℃及以下時不噴水(假設空冷夏季設計氣溫為30 ℃)，僅直接空冷系統單獨運行，濕冷系統不投運，汽輪機排汽壓力為30 kPa；在干球溫度30 ℃以上時，從直接空冷系統抽出部分蒸汽到表面凝汽器(兩臺機組可共用一臺凝汽器，凝汽器面積按需要確定)，即直接空冷和部分濕冷系統并聯運行。以確保機組在年耗水量最小的情況下，滿足汽輪機排汽壓力為26 kPa(預留4 kPa)；根據工程實際情況，也可以按照現場給出的最大耗水量，反算得出最經濟性配置空冷系統(部分濕冷系統+直接空冷系統組合方案)的干球溫度和配置空冷系統規模。

1.3.3 預留設計背壓裕量

為防止空冷機組夏季背壓運行過高，各個設計院往往采取“預留背壓”措施，來彌補散熱器不足而導致的運行背壓升高。

結合機組實際運行情況，現在空冷標準關于“預留背壓”的取值均不高，為避免今后機組出現夏季高溫大風影響下運行背壓升高過多現象，建議直接空冷機組在進行夏季設計背壓性能考核時，預留至少4～6 kPa。

2 凝結水管道振動

2.1 產生的問題

通過調研發現，在高負荷階段，直接空冷機組凝結水管道普遍產生振動現象，且比較嚴重，表現在回水管道由垂直段變為水平段處，水流撞擊彎頭發出刺耳聲響，造成的原因主要有以下幾點：

1)由于設計上的缺陷，造成凝結回水的水位控制存在偏差，導致水位在高負荷時過高，達到了水平管段位置，致使水中含汽量大，汽水兩向流造成管路振動；

2)管路布置的不足，水流在彎頭、三通及下降管中流場的流速分布不均勻引起管道振動；

3)各列回水管因距離、大風、冷凝程度不均等因素影響，使凝結水回水溫度產生偏差，匯集后因水溫不同會造成回水管路振動；

4)機組負荷過高時，凝結水流量增大，進入凝結水回水管路時易形成水塞，導致凝結水管振動。

2.2 改進措施

通過對已投運機組的空冷凝結水管路和支吊架設計優化，避開共振，降低凝結水管道氣液兩相流產生的噪音，從而減輕凝結水管道的振動。可采取的措施如下：

1)增大凝結水管道匯總管管徑

正常凝結水管道流速在0.6～0.7 m/s 之間，通過計算，300 MW 級機組凝結水匯總管口徑為DN600～DN700(單根管)，600 MW 級機組凝結水匯總管口徑為DN600～DN700(兩根管)。

2)改變空冷支柱管道支座結構型式

在盡量不改變原有凝結水管道布置的基礎上，通過調整支座的結構型式來改變整個凝結水管路的固有頻率，縮小整個管道系統的柔性，增強剛性，提高管系固有頻率，減小了凝結水管道下降管的振動。按此對改造前后的下降管進行振動的數值模擬，空冷支柱上凝結水管道固有頻率計算見表4 所列。

表4 凝結水管道固有頻率對比表

3)檢查已有空冷支柱上管道的支座焊接情況

通過現場檢查，發現多數管道的支座出現點焊或焊接不全面的現象，極易造成焊縫開裂，對機組的穩定運行造成危險，此時需及時修補維護。

3 防凍問題

3.1 產生的問題

在嚴寒地區，機組直接空冷系統在冬季運行或者啟機過程中往往存在凝結水過冷度大、空冷凝汽器冷熱不均勻、管束局部結冰導致的變形等現象，對機組的安全造成影響。造成的原因主要有以下幾點：

1)局部汽阻導致的過冷。未凝結蒸汽以及所含少量不凝氣體不能順利排至管束下聯箱，不凝氣體不能順利排至逆流管束被抽出，導致該管段被過度冷卻乃至產生結冰現象；

2)機組啟機蒸汽流量過低。由于低溫下的自然換熱，飽和蒸汽在管束內流動過程中，蒸汽冷凝段縮短、凝結水冷卻段增加，過冷度增大，若環境氣溫過低，凝結水過度冷卻的程度會加重，繼而導致管束基管內的凝結水過冷乃至產生結冰現象。

3.2 改進措施

1)增加空冷凝汽器溫度場監測裝置

采用空冷凝汽器溫度無線監測系統對空冷凝汽器容易凍結部位進行溫度監測，通常布置在凝汽器A 型裝置外側覆蓋順流中下部和逆流中上部，在A 型裝置內側各單元則根據實際需要布置溫度測點。

2)縮短管束長度

在工程設計中管束長度一般不宜超過10 m，過長的管束不利于機組防凍。目前筆者所在公司設計的已投運機組中單排管束最長達到11.78 m。

縮短管束長度可減少被凍結危險，在嚴寒地區設計的直接空冷系統可以采用短管束，管束有效長度在5 m 左右(約為大通道大扁管長度一半)。

3)增加電動封閉百葉窗

在空冷凝汽器管束所在冷卻單元內部的水平面上設置電動帆布裝置或者電動百葉窗，通過控制流通截面控制冷空氣量，以減少吹向空冷凝汽器的冷風量。

此方案已有多個應用實例且運行效果良好，在設計、安裝、運行、控制方面應注意以下兩點：目前電動百葉窗的開度基本為整體控制，若計劃實現分段控制，需考慮增加進風阻力和風量；根據項目實地情況，確定氣溫降低到某一溫度時，啟動百葉窗的開度控制，使機組在更低的背壓運行。

4 噪聲要求

目前根據已投運的直接空冷電廠現場噪聲監測數據的整理，以300 MW 機組為例，空冷系統噪聲特性如下：

1)兩臺機組的60 臺風機全部開啟時，距離空冷平臺150 m 處的噪聲值達57 dB(A)；

2)當兩臺機組的60 臺風機全部開啟時，在距離空冷平臺20 m 處的噪聲值為70 dB(A)；

3)空冷平臺噪聲主要集中在100 Hz 到2 000 Hz，噪聲頻帶較寬，高頻噪聲比低頻稍高，但高頻噪聲衰減較快。從距離衰減比較分析，63 Hz 以下頻帶噪聲在距離空冷平臺外邊緣40 m 距離內基本上沒有任何衰減，70 m 距離以上時才開始有衰減。

大多數電廠建設在城市周邊，遠離村莊、學校等噪音敏感區，靠近空冷平臺處的廠界噪聲基本都超標，為節省工程造價，電廠應在項目招標前取得當地政府關于廠界外150 m/200 m區域為噪聲防護區以及今后不規劃建設噪聲敏感建筑的函件，并列入環評報告中。這樣在風機招標時，采用常規低噪音風機就可以滿足要求。

5 結論

本文針對常規直接空冷系統在運行中出現的問題進行分析，通過對其進行技術改進和能效提升研究，得出以下結論：

1)直接空冷機組在進行夏季設計背壓性能考核時，應預留4～6 kPa；

2)采用空冷系統增容可以提高空冷散熱能力，但投資大、耗水量大、需要額外占地，建議在空冷系統設計階段，增加空冷系統設計氣溫或空冷系統配置面積裕量，以彌補空冷系統散熱能力不足；

3)基于降低造價的目的，提出一種配置方案部分濕冷系統+直接空冷系統組合方案，可根據環境氣溫或現場耗水量來配置其組合規模；

4)通過凝結水管路和支吊架設計優化，減小振動，降低了凝結水管道氣液兩相流產生的噪聲；

5)可通過縮短管束長度來實現防凍，在今后運行中，可結合采用空冷凝汽器溫度場監測裝置來輔助防凍，使機組運行背壓更低，降低煤耗，并考慮增加電動封閉百葉窗；

6)應充分考慮到電廠周邊環境，在市區內應采取降噪措施來滿足廠界噪音達標要求，若遠離市區，應結合噪音噪聲防護區來要求，可降低企業投資費用和電耗。