王杰

摘 要：發(fā)電廠空冷技術(shù)是一種高效的節(jié)水型火力發(fā)電技術(shù)，它出色的節(jié)水效果不但解決了一些貧水地區(qū)的水資源使用問題，也能合理的調(diào)節(jié)富水地區(qū)的水資源分配。在我國(guó)北方地區(qū)，煤炭資源豐富卻較為干燥，水資源匱乏，直接空冷機(jī)組的應(yīng)用和推廣也因此愈加廣泛。文章以600 MW直接空冷機(jī)組為范例，對(duì)它的安全性和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平進(jìn)行了優(yōu)化和分析。

關(guān)鍵詞：600 MW直接空冷機(jī)組；缺水環(huán)境；冷卻方式；空氣冷卻

中圖分類號(hào)：TK267 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）05-0099-02

我國(guó)雖然地勢(shì)廣闊，但卻水資源貧乏且分布嚴(yán)重不平衡。尤其是以東北、西北和華北為主的“三北”地區(qū)，雖然能源豐富，但卻最為干旱，這大大影響了當(dāng)?shù)啬茉崔D(zhuǎn)化的效率和質(zhì)量。

據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，我國(guó)東北的煤炭?jī)?chǔ)量雖然占全國(guó)總儲(chǔ)量的41.44%，但是水資源卻只占到全國(guó)總儲(chǔ)量的17%。這就導(dǎo)致了我國(guó)在火力發(fā)電運(yùn)行300 MW以上的機(jī)組時(shí)其平均耗水率比發(fā)達(dá)國(guó)家高出近1 m3/GWh。所以，為了從現(xiàn)實(shí)和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的角度考慮，應(yīng)該在富礦缺水的三北地區(qū)采取直接空冷技術(shù)，從而為建設(shè)節(jié)水型發(fā)電廠打下基礎(chǔ)。

1 直接空冷系統(tǒng)

1.1 直接空冷機(jī)組

直接空冷機(jī)組主要利用環(huán)境中的空氣來(lái)冷卻汽輪機(jī)組的排氣裝置和發(fā)電裝置。較比濕冷機(jī)，它的冷卻系統(tǒng)部分更加復(fù)雜且系統(tǒng)種類更多。主要包括了空冷凝汽器、真空抽氣系統(tǒng)、排汽管道、沖洗系統(tǒng)和噴淋系統(tǒng)?？绽淠髯鳛橹苯涌绽湎到y(tǒng)的核心，就是通過外界的空氣來(lái)為汽輪機(jī)排氣進(jìn)行冷卻，所以在設(shè)備運(yùn)行時(shí)，一定要重視空冷凝汽器的運(yùn)行狀態(tài)，保證它的正常就是保證整個(gè)機(jī)組運(yùn)行的安全與經(jīng)濟(jì)性。

1.2 600 MW直接空冷系統(tǒng)的特性

可以說(shuō)，600 MW直接空冷機(jī)組系統(tǒng)是傳統(tǒng)濕冷機(jī)組的強(qiáng)化，它的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)更為突出，比如它的設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)化，所以占地面積小且基建投資少，它的空氣量調(diào)節(jié)更加靈活，可以適應(yīng)各種氣候環(huán)境等，在運(yùn)行特性和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)上也更有優(yōu)勢(shì)。

1.2.1 運(yùn)行特性

直接空冷系統(tǒng)的運(yùn)行是隨著汽輪機(jī)組的運(yùn)行背壓變化而變化，這涉及到大氣氣壓和溫度。我國(guó)東北地區(qū)四季分明且晝夜溫差變化較大，特別是大氣干球溫度變化大，所以汽輪機(jī)的背壓變化也會(huì)很大且變化頻繁，這就導(dǎo)致了直接空冷系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜化和極強(qiáng)的適應(yīng)性；而由于受背壓的大幅變化影響，末級(jí)葉片經(jīng)常工作于過渡區(qū)，其蒸氣中的鹽分很容易沉積于末級(jí)葉片上，雖然有時(shí)被沖刷，但是過分的沉積也降低了葉片的應(yīng)力作用，從而限制了它的應(yīng)力水平?？绽淙~片的連接部位有良好的熱膨脹性，更適應(yīng)在惡劣環(huán)境下運(yùn)行；另外，直接空冷機(jī)組具有相當(dāng)龐大的真空系統(tǒng)，其容量是濕冷機(jī)組的30倍以上，所以它的系統(tǒng)嚴(yán)密性對(duì)于機(jī)組的運(yùn)行更加經(jīng)濟(jì)合理。為了避免機(jī)組真空嚴(yán)密性而導(dǎo)致的外部空氣進(jìn)入空冷凝器使散熱器換熱效率下降，直接空冷機(jī)組的空冷凝汽器系統(tǒng)也進(jìn)行了改造，它選用了更高質(zhì)量的真空閥和可拆卸的打壓堵板來(lái)提高系統(tǒng)的氣密性。

1.2.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

600 MW直接空冷機(jī)組采用的是四缸結(jié)構(gòu)，它的低壓缸模塊就是在濕冷機(jī)組的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的，主要是對(duì)于落地軸承座的改良，它增加了軸系工作的穩(wěn)定性。這是考慮到600 MW空冷機(jī)組的背壓過高且變化幅度大，低壓缸的元件受溫差變化影響大而專門設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)；其次它采用了620 mm的末級(jí)葉片，這是因?yàn)榈捅硥汗ぷ髦徐式?，所以一定要選擇排氣面積更大的葉片，使它降低高背壓運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的余速損失。如果設(shè)計(jì)背壓在0.015 MPa，那么葉片的選取高度要在600 mm以上，保證它的排氣面積在4.5 m2左右，并將它的余速損失控制在12.6 kJ/kg的范圍內(nèi)。

2 直接空冷機(jī)組的運(yùn)行優(yōu)化

600 MW直接空冷機(jī)組在我國(guó)三北地區(qū)的實(shí)踐運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)幾乎為零，理論方面的研究也很匱乏，其原因是多種多樣的，其中最主要的就是由于三北多變的氣候和水資源的不足。尤其是在東北地區(qū)，由于冬季氣候較為寒冷干燥而夏季高溫炎熱，這使得直接空冷機(jī)組經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)夏季出力受限、冬季凍傷、背壓過高等等機(jī)械問題。所以為了能夠讓直接空冷系統(tǒng)適應(yīng)北方多變且兩極的氣候環(huán)境，就應(yīng)該設(shè)計(jì)出一套優(yōu)化直接空冷系統(tǒng)運(yùn)行的方案，提高其安全性和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

2.1 直接空冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化的目的

直接空冷系統(tǒng)需要較高的背壓和較小的換熱系數(shù)，這是傳統(tǒng)濕冷系統(tǒng)所無(wú)法比擬的。為了滿足空冷的這些高要求，就需要大面積的冷凝汽輪機(jī)換熱排氣和一組大功率的風(fēng)機(jī)協(xié)助工作。如此一來(lái)設(shè)備的投資費(fèi)用就會(huì)扶搖直上，所以為了保證空冷機(jī)組的高效率低成本運(yùn)行，必須優(yōu)化設(shè)計(jì)，采取多方面的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化比較。這包括了合理的背壓設(shè)計(jì)、空冷凝汽器的冷卻面積和其他主要元件配置參數(shù)，這也就是直接空冷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行目的所在。

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)的選取

系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫度的選取。空冷機(jī)組對(duì)于電廠設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，氣溫是根本，它直接影響如何選取設(shè)計(jì)背壓，而合理的設(shè)計(jì)背壓又決定了汽輪機(jī)的選型，這一系列的選擇正確才能給電廠的運(yùn)營(yíng)帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。本文中提供了三種空冷機(jī)組設(shè)計(jì)氣溫的方案以供參考。

2.2.1 年平均氣溫法

首先抽取典型的年運(yùn)行小時(shí)內(nèi)氣溫值并從大到小依次進(jìn)行分級(jí)排列，最終統(tǒng)計(jì)成典型年份的小時(shí)氣溫圖表。然后根據(jù)所繪制的氣溫圖表中的數(shù)據(jù)來(lái)編繪氣溫的頻率曲線，而曲線上正負(fù)兩者的面積相等的點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的氣溫就是設(shè)計(jì)氣溫。

2.2.2 6 000 h法

如果根據(jù)年平均氣溫法來(lái)作典型年份的小時(shí)氣溫統(tǒng)計(jì)表，那么表上6 000 h以內(nèi)所對(duì)應(yīng)的氣溫就是設(shè)計(jì)溫度。

2.2.3 30%頻率曲線法

根據(jù)頻率曲線圖在圖上找到30%的點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的氣溫就是設(shè)計(jì)氣溫。通常來(lái)說(shuō)，所設(shè)計(jì)的氣溫其實(shí)就是機(jī)組實(shí)際運(yùn)行時(shí)的年平均氣溫。不過從空冷系統(tǒng)防凍的角度看，機(jī)組如果在5 ℃左右的環(huán)境中通常是不會(huì)產(chǎn)生凍結(jié)的。但從機(jī)組阻塞的角度講，5 ℃時(shí)汽輪機(jī)組的狀態(tài)已經(jīng)達(dá)到了阻塞背壓，即使氣溫再有變化也不會(huì)改變機(jī)組的出力。

2.3 設(shè)計(jì)背壓的選取

空冷機(jī)組的背壓設(shè)計(jì)也是整個(gè)空冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。實(shí)際上，背壓設(shè)計(jì)會(huì)被諸多外界因素所限制，例如汽輪機(jī)的進(jìn)汽量、排汽量、環(huán)境溫度甚至是環(huán)境風(fēng)速，這些參數(shù)都是空冷系統(tǒng)中必須綜合考慮的因素，隨后才有可能對(duì)汽輪機(jī)的背壓設(shè)計(jì)進(jìn)行有針對(duì)性的優(yōu)化。一般來(lái)說(shuō)，排氣背壓所對(duì)應(yīng)的溫度和排氣泡就是氣溫設(shè)計(jì)與ITD值的綜合，所以，一旦氣溫選定，ITD值得到確定并優(yōu)化之后，汽輪機(jī)的排汽泡和溫度也基本確定，汽輪機(jī)的排汽背壓也宣告確定。在我國(guó)東北地區(qū)，設(shè)計(jì)背壓的值范圍很低，這是因?yàn)楫?dāng)?shù)睾涞臍夂颉?/p>

3 直接空冷系統(tǒng)的優(yōu)化計(jì)算

3.1 經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化

直接空冷系統(tǒng)的優(yōu)化主要就是空冷凝汽器的優(yōu)化。而根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)的不同，空冷凝汽器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法也不同。其中一些是以節(jié)能為主要目的，首要先綜合分析空冷凝汽器的各項(xiàng)參量例如熱力參量、集合參量以及它們之間相互制約的關(guān)系和聯(lián)系。其次要以凝汽器的最小重量作為優(yōu)化目標(biāo)，以保證其能夠滿足優(yōu)化設(shè)計(jì)的各種要求。但是為了同時(shí)考慮凝汽器的運(yùn)行參量和額外收益，本文采用了目前廣泛應(yīng)用的年總費(fèi)用最小法，就是要以空冷凝汽器的年總費(fèi)用作為優(yōu)化目標(biāo)，并且依據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)的變化來(lái)確定設(shè)計(jì)運(yùn)行方案。通過計(jì)算直接空冷系統(tǒng)的年度化經(jīng)濟(jì)費(fèi)用，在取值最小的時(shí)候同時(shí)選取最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)。

因?yàn)槟昕傎M(fèi)用的優(yōu)化計(jì)算最終目標(biāo)是Tc，所以年固定費(fèi)用Tfc和年運(yùn)行費(fèi)用Toc的和就是Tc，得出下式：

Tc=Tfc+Toc

由于總投資費(fèi)用Tic代表了投資前建設(shè)期間的空冷系統(tǒng)的總投資，所以系統(tǒng)的換熱單元費(fèi)用Tmj、風(fēng)機(jī)群費(fèi)用Tfj和輔助設(shè)備費(fèi)用Tfz之間就得出公式：

Tic=Tmj+Tfj+Tfz

根據(jù)以上公式可以得出直接空冷系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為：

Tc=（Tmj+Tfj+Tfz）×i（1+i）n/（1+i）n-1+（Tpc+Yip+Tmc）

其中，i和n表示n年內(nèi)的貸款年利率i。所以最后以空冷系統(tǒng)年總費(fèi)用的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)就由此得出。它表明了空冷優(yōu)化變量的經(jīng)濟(jì)性分析，同時(shí)也分析了眾多變量對(duì)于電廠經(jīng)濟(jì)性的諸多影響?？傮w而言，空冷系統(tǒng)所采用的核心空冷凝汽器的ITD值、環(huán)境溫度和迎面風(fēng)速都是可以進(jìn)行優(yōu)化的變量。

3.2 冷凝器的冬季防凍優(yōu)化

在每年冬季長(zhǎng)時(shí)間（約1 540 h）處于低溫-5 ℃狀態(tài)下的大同地區(qū)，其最低溫度可達(dá)到-30.5 ℃。從設(shè)計(jì)選型的角度來(lái)說(shuō)，對(duì)空冷系統(tǒng)冷凝器的防凍措施首先要考慮到600 MW直接空冷機(jī)組在冬季運(yùn)行的特殊性，在機(jī)組啟動(dòng)、運(yùn)行和停機(jī)過程中，都要避免因?yàn)榭绽淠鳠嶝?fù)荷較低而導(dǎo)致的設(shè)備凍壞現(xiàn)象的出現(xiàn)。所以，在實(shí)際運(yùn)行中，應(yīng)該根據(jù)600 MW空冷機(jī)組的運(yùn)行實(shí)際情況來(lái)制定防凍措施。

首先，在任何情況下都要保證空冷島的每個(gè)排散熱器端部小門和冷卻單元的隔離門都在關(guān)閉狀態(tài)。一旦溫度低于3 ℃時(shí)，空冷機(jī)組的運(yùn)行背壓必須要≥9.0 kPa。如果冬季出現(xiàn)大風(fēng)氣候，運(yùn)行人員應(yīng)該適當(dāng)?shù)脑黾訖C(jī)組負(fù)荷或者提高運(yùn)行背壓來(lái)防止大風(fēng)天氣帶來(lái)的降溫，避免散熱器熱量分布不均所造成的管束凍結(jié)。

其次，運(yùn)行期間的機(jī)組在任何情況下它的負(fù)荷都不能低于不同環(huán)境溫度下所對(duì)應(yīng)的最低出力。另外，應(yīng)該加強(qiáng)空冷島各散熱管束表面溫度偏差的檢查測(cè)量。單個(gè)散熱管束的表面溫度不能小于15 ℃，如果溫度低于15 ℃，應(yīng)該降低風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速或增加機(jī)組負(fù)荷。

4 結(jié) 語(yǔ)

從環(huán)境溫度的角度來(lái)看，當(dāng)氣溫超過-10 ℃時(shí)，凝汽器的壓力就會(huì)隨著氣溫的升高而升高。環(huán)境溫度越高，它的變化也就越快。而當(dāng)背壓變化幅度增大時(shí)，對(duì)于空冷的維護(hù)不當(dāng)就很可能會(huì)引起機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性問題，給電廠帶來(lái)?yè)p失。所以無(wú)論是在高溫環(huán)境還是低溫環(huán)境下，對(duì)于直接空冷系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，通過對(duì)冷凝汽器的運(yùn)行分析和參數(shù)預(yù)估，可以為我國(guó)三北地區(qū)的冬季安全運(yùn)行提供更多實(shí)用的經(jīng)驗(yàn)，從而最大限度地提高直接空冷機(jī)組的利用率、工作效率和經(jīng)濟(jì)性。

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