空冷機組高背壓凝汽器夏季運行分析

摘 要：火電空冷機組在夏季運行時經常會因環境溫度高而導致機組背壓升高，出現無法帶額定負荷的情況。鑒于此，以某電廠660 MW超臨界直接空冷機組為模型，該機組為解決夏季高溫時段機組帶負荷問題，將高背壓凝汽器系統當作小型凝汽器，以提高機組夏季出力。通過對比該機組2021年未投運高背壓凝汽器系統與2022年同時段投運高背壓凝汽器系統的運行情況，計算出不同負荷下機組綜合煤耗最低的運行方式，得出空冷機組在投運高背壓凝汽器系統時，機組背壓投自動，高背壓凝汽器循環水系統投運一泵三風機的運行方式下最經濟，而且隨著溫度升高，對煤耗的節省效果更加明顯。

關鍵詞：空冷機組；高背壓凝汽器；運行方式；煤耗；背壓

中圖分類號：TK247" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）06-0059-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.06.016

0" " 引言

在國內，空冷系統獨特的優點使其在特定地域條件下表現出色。

首先，空冷機組的最大優勢之一是水耗相對低，相較于傳統的水冷系統，空冷機組無須大量水資源進行冷卻，使其在水資源匱乏的地區表現出明顯的優越性，特別適用于西北、華北等水資源相對稀缺的地區。這不僅有助于減輕當地水資源的壓力，同時也降低了水處理和供水系統的運營成本，提高了環境可持續性[1]。

其次，空冷機組的結構相對簡單，易于維護。相比于傳統的水冷系統，空冷系統中不涉及復雜的水冷管道、冷卻塔等設備，減少了設備的維護成本和頻率。這一特點使得空冷機組在一些偏遠地區或缺乏專業技術支持的地方更為適用，具有更好的可靠性和可維護性。

然而，空冷機組在夏季高溫條件下也面臨一些挑戰。由于空氣的熱比容較小，夏季溫度升高，空冷機組的背壓就會上升，進而影響了機組的發電效率。特別是在極端高溫條件下，可能導致機組出力受限的問題。

空冷機組通過調整空冷風機頻率，可以有效控制背壓，并在一定程度上影響廠用電率。這一關系與機組的煤耗和經濟性直接相關[2]。

實踐表明，空冷風機的頻率調整對機組背壓有直接影響。一般而言，隨著空冷風機轉速的增加，空冷系統的散熱能力提高，背壓相應降低。這是因為高轉速的風機能夠更有效地將熱量帶走，降低了空冷系統內氣體的溫度，從而減少了排氣時的壓力。通過控制空冷風機的頻率，可以在一定范圍內靈活地調整機組背壓，從而實現最佳運行狀態。

然而，需要注意的是，雖然通過調整空冷風機頻率可以有效降低背壓，但同時也會引起廠用電率的變化。通常情況下，空冷風機頻率的升高會導致風機電流增加，從而影響機組的廠用電率。因此，需要綜合考慮背壓降低帶來的煤耗減少和廠用電率升高對經濟性的影響[3]。

通常，直接空冷機組的設計標準是在環境溫度T下空冷系統運行時的背壓為P，在實際運行中，這一要求基本能夠得到滿足。然而，一旦環境溫度超過T，汽輪機的背壓就會上升，導致發電煤耗增加，而按額定工況修正的汽輪機背壓也已經偏離了設計值。

為提高直接空冷機組的夏季適應能力，降低機組在夏季及次高溫季節的運行背壓，以減少煤耗，必須加強冷端的散熱能力。

1" " 空冷機組計算實例

1.1" " 某電廠660 MW機組空冷系統介紹

某電廠660 MW超臨界直接空冷機組，配置56個單排管空冷凝汽器單元。布置分為8列，每列有7個單元，每個單元由10片管束組成，每列共有8片逆流管束。每個空冷凝汽器單元下部安裝一臺？準9 750 mm或？準9 140 mm的軸流風機，所有風機均采用變頻調速電機，連同驅動裝置都懸掛在空冷平臺的防振橋上。風機與電機是通過正齒輪聯動機構來驅動的，所有風機均采用調速電機，根據機組運行負荷和環境空氣溫度的變化進行最佳調節。

直接空冷汽輪機低壓缸排汽參數高，且變化范圍大。直接空冷汽輪機額定出力工況背壓一般在9～33 kPa范圍變化（背壓曲線設定區間8.5～12 kPa，即背壓大于12 kPa時，所有空冷風機頻率基本已達到上限）。一般運行中不允許超過33 kPa運行，因為超過33 kPa后，凝結水溫度過高，超過了凝結水精處理樹脂允許的使用溫度。

在夏季高溫時段，空冷機組背壓時常超過30 kPa，給機組安全經濟穩定運行帶來嚴峻考驗，同時隨著電網對負荷響應能力考核越來越嚴格，無法帶額定出力會給電廠帶來嚴重的經濟損失。為此，該機組在直接空冷基礎上配置高背壓凝汽器系統，作為保證安全背壓的補充措施。高背壓凝汽器系統設備性能數據如表1所示。

圖1為該系統汽水流程圖，通過將汽輪機排汽部分分流至高背壓凝汽器，實現排汽溫度和壓力的有效降低，減輕汽輪機內部排汽負荷，有效降低整體背壓水平。這不僅有助于提高機組的熱效率和發電性能，還能夠在不同負荷和環境條件下保持低背壓運行。

1.2" " 高背壓凝汽器系統優點

空冷機組增設高背壓凝汽器系統后，在夏季高溫時段既提高了機組帶負荷能力，也增強了機組的安全性。

1）提高蒸汽輪機的效率。當機組背壓降低時，排出的蒸汽溫度也降低，從而使得整個系統的效率得到提高。

2）在夏季高溫時段，機組能夠滿負荷發電運行，增加了發電量，提高了機組利用率。

3）使機組在夏季處于經濟工況下運行，增加了機組背壓的調整手段。

4）降低電廠的燃料消耗。由于背壓的降低使得蒸汽輪機的效率提高，因此單位發電量所需要的燃料就會減少，進而降低電廠的成本。

5）減輕設備負荷。低真空條件下，排氣系統的阻力較小，對汽輪機本身以及與之相連的設備產生的負荷較小，這有助于延長汽輪機和相關設備的使用壽命，減少設備的磨損。

1.3" " 機組高背壓凝汽器運行經濟性分析

空冷機組運行中，背壓與廠用電率成反比關系，即增加空冷風機的轉速會導致背壓下降，從而減少煤耗。然而，隨著轉速的提高，風機電流也會增加，這會導致廠用電率上升，進而使煤耗增加。在運行中，需要找到對應負荷下的臨界點，以確保降低背壓對煤耗減少的影響大于增加廠用電率對煤耗增加的影響，即為最佳背壓。根據660 MW超臨界機組的統計指標：每降低1 kPa的背壓，供電煤耗降低1 g/（kW·h），而廠用電率增加1%則導致供電煤耗增加3 g/（kW·h）。計算可知，為了經濟運行，每降低1 kPa的背壓，廠用電率上升值應小于1/3，即在0.333%以內。因此，機組的空冷島56臺風機、高背壓凝汽器循環水泵以及冷卻風機的總耗電量增加值在小于機組負荷乘以0.333%時才屬于經濟范圍[4]。

下面以該空冷機組配置高背壓凝汽器、一臺機力塔循環水泵和三臺機力塔風機為模型，進行對比計算。

選取該機組2021年4月至10月未投運高背壓凝汽器系統與2022年同時段投運高背壓凝汽器系統的機組運行數據1萬余項，進行對比計算。其中包括機組負荷、環境溫度、背壓、空冷變電流、廠用10 kV段電流、高背壓凝汽器循環水泵電流、風機電流、高背壓凝汽器循環泵、風機運行個數等。

具體計算過程如下：

1）背壓變化（kPa）：

ΔP=P1-P2

式中：ΔP為背壓變化；P1為未投運高背壓凝汽器時的機組背壓；P2為投運高背壓凝汽器時的機組背壓。

2）空冷節約廠用電率（%）：

Δξap1=（ΔPak/Pe）×100%

式中：Δξap1為空冷節約廠用電率；ΔPak=Pk1-Pk2，Pk1為未投運高背壓凝汽器時的機組空冷電耗，Pk2為投運高背壓凝汽器時的機組空冷電耗；Pe為發電機功率。

3）循環水系統增加廠用電率（%）：

Δξap2=（Pax/Pe）×100%

式中：Δξap2為循環水系統增加廠用電率；Pax為投運高背壓凝汽器時的機組循環水系統電耗。

4）凈降低煤耗率[kg/（kW·h）]：

Δbcp=ΔP×1+Δξap1×3-Δξap2×3

式中：Δbcp為凈降低煤耗率；1、3為系數。

5）凈降低標準煤耗率[kg標煤/（kW·h）]：

Δbscp=Δbcp·q/q1

式中：Δbscp為凈降低標準煤耗率；q為入爐煤發熱量；q1為標準煤低位發熱量，q1=29 307 kJ/kg。

1.4" " 計算結果

在高背壓凝汽器循環水泵和風機運行臺數相同的情況下（1泵3風機），對比背壓在自動和設定7 kPa時高背壓凝汽器系統投運對機組煤耗影響情況，計算結果如表2、3、4所示。

對表2、表3、表4的計算結果進行分析，可以得出結論：在不同的溫度和負荷條件下，當高背壓凝汽器循環水系統中投運1泵3風機時，選擇機組背壓處于自動模式時更為經濟。這表明，自動方式下機組背壓的調節更能夠適應復雜多變的運行環境，實現對系統的智能優化。這種模式下，機組能夠更有效地應對外部條件的變化，從而在不同工況下實現更為經濟可行的運行狀態。

在機組背壓自動狀態下，當高背壓凝汽器循環水系統中投運1泵3風機時，環境溫度分別為19、24、28 ℃時的不同負荷和煤耗降對比如表5所示。結果顯示，隨著環境溫度的升高，高背壓凝汽器系統的投運對空冷機組的發電煤耗具有顯著的節省效果。這說明在相對較高的溫度條件下，啟用高背壓凝汽器系統可以更有效地提高發電機組的能源利用效率。

2" " 空冷機組背壓影響其他因素

2.1" " 空冷風機運行數量的影響

根據風機與三相電動機相關理論，風機轉速的增加倍數與風量的增加倍數的一次方成正比，與電流增加倍數的三次方成正比，這勢必引起運行空冷風機電流大幅上升，導致廠用電率增加。因此，在機組正常運行中保持背壓一定時，降低全部風機頻率運行比停運部分風機運行經濟性好。日常運行中應加強風機消缺的及時性，保證風機運行。

2.2" " 環境溫度的影響

機組運行中，環境溫度升高時，若想維持機組背壓在一定值不變，那么空冷風機電流則會增加，廠用電率上升。且環境溫度越高，風機頻率越高，耗電率會大大增加[5]。因此，當環境溫度上升較快時，應密切監視每降低1 kPa背壓，廠用電率上升值是否小于0.333%，當廠用電率上升值大于0.333%時，應適當提高背壓值。

2.3" " 空冷管束表面清潔程度的影響

空冷管束表面清潔對于設備的正常運行至關重要。長時間運行中管束表面往往會積累灰塵、油脂和其他雜質，這些管束表面積聚的塵埃和雜質會阻礙空氣流通，導致散熱效果下降，影響設備穩定運行。因此，定期沖洗和檢查空冷管束是維持系統順暢運行的必要措施。通過清除附著在管束上的污物，可以恢復其原始散熱性能，提高設備的穩定性和效率。

3" " 結論

1）空冷機組投運高背壓凝汽器系統，在夏季高溫時段能有效降低機組背壓，節省發電煤耗，滿足機組帶額定負荷和安全經濟穩定運行的需求。

2）根據前面計算經濟性分析，在不同溫度和負荷下，高背壓凝汽器循環水系統投運1泵3風機時，機組背壓在自動方式下更經濟。在機組背壓自動狀態下，隨著環境溫度的升高，高背壓凝汽器系統投運對空冷機組發電煤耗的節省效果更明顯。

3）綜合考慮機組背壓降低對廠用電率的影響，得出結論：對于660 MW超臨界直接空冷機組，為確保經濟性，背壓每降低1 kPa，廠用電率的增加幅度應控制在小于0.333%的范圍內。雖然降低背壓有望提高發電機效率，但過度降壓可能導致系統內部損失減少不足以抵消其對廠用電率的不良影響。這樣的控制不僅可以有效降低單位發電量的燃料消耗，還能維持電廠的整體運行成本在可接受的范圍內，確保調整背壓是一項經濟有效的優化措施。

[參考文獻]

[1] 吳小雷.600 MW超臨界機組凝汽器真空異常分析[J].低碳世界，2020，10（3）：34-35.

[2] 孫玉慶.直接空冷系統運行優化探討[J].電力勘測設計，2023（9）：19-23.

[3] 俎海東，魏超，焦海峰.超臨界間接空冷機組乏汽外引高背壓供熱系統改造分析[J].內蒙古電力技術，2021，39（4）：78-81.

[4] 崔鴻海.660 MW空冷機組最佳背壓運行方式淺析[J].電力設備，2019，31（11）：58-59.

[5] 王明亮，朱全興.火電廠高背壓凝汽器分區域運行方式研究[J].價值工程，2023，42（17）：38-40.

收稿日期：2023-11-17

作者簡介：溫騁（1995—），男，山西臨汾人，助理工程師，研究方向：電廠集控運行。