直接空冷机组冷端传热特性研究
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇直接空冷机组冷端传热特性研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
【摘要】由于直接空冷机组在实际的运行过程中，夏季汽轮机在运行时背压较高，对直接空冷系统的安全经济运行带来较大的影响。本文针对接空冷机组冷端传热的特性，提出了冷端传热改进的方案，并对其安全经济性进行了分析。
【关键词】直接空冷机组；冷端传热特性；尖峰冷却系统
引言
在煤炭资源较为丰富而水资源相对较为稀少的地区，电厂新投入的机组凝气设备多采用直接空冷系统。由于机组在实际的运行过程中，夏季的汽轮机在运行时背压较高，对直接空冷系统的安全经济运行带来较大的影响。在机组中加装喷水系统，通过喷水系统降温虽然具有一定的效果，但是因喷水量有限，对机组高温下高背压的情况无法从根本上解决，而且喷水降温还会导致散热器表面出现水垢现象，影响散热器本身的换热能力。为了使直接空冷机组夏季背压高的情况得到解决，就需要对汽轮机冷端的散热能力进行改进，提升机组冷端传热性能。
1、直接冷空机组的概述
直接冷空机组是利用环境空气来冷却汽轮机排汽的汽轮发电机组，在冷却部分上，直接冷空机组与湿冷机组有着很大的不同。直接空冷机组主要由排汽管道、空冷凝汽器、真空抽气系统、喷淋系统和冲洗系统五部分组成。[1]直接冷空机组这五个组成部分中，空冷凝汽器在系统中具有重要作用，占据核心部分，分主凝汽器和辅凝汽器，主要通过外接空气来使汽轮机排汽冷却，因此，直接空冷机组运行的经济性与空冷凝汽器所处的外在条件和运行的好坏密切相关。汽机排汽通过排汽管道，通过轴流冷却风机加强与空冷凝汽器换热，冷却风机带来的空气不断与空冷换热器换热冷凝成凝结水，冷凝成的水通过除氧、收集，最终由凝结水泵打入汽轮机的回热系统。在空冷凝汽器中，主凝汽器和辅凝汽器分别设计成气水顺流式和汽水逆流式。汽轮机的排汽大部分都是通过主凝汽器被冷却形成凝结水，另外一部分则通过辅凝汽器被冷却，而为了保证系统的真空度，在辅凝汽器的逆流管顶部设有真空系统以保证系统的真空度，避免不凝结气体导致冬季管束冻结的情况发生，或影响空冷凝汽器的换热效果[2]。
2、直接空冷机组增容改造
我国在早期生产的300MW级亚临界直接空冷机组，由于在设计方面存在含有许多缺陷的地方，所以这就引起了空冷系统散热面积不足够能满足实际需求和导致汽轮机与空冷散热系统不能够充分的匹配，从而使夏季汽轮机在运作时会有背压较高的问题。针对在夏季高温运行时汽轮机背压较高这一情况，电厂采取在空冷系统散热器表面喷水降温这一措施。可是即使喷水降温具有一定的效果，但是由于喷水量有限的原因，这种方法对机组高背压的这种情况不能从根本上解决这个问题。与此同时，喷水降温还会引起一些另外的问题。例如：导致散热器表面出现水垢，从而影响散热器本身的换热能力等等。为了解决直接空冷机组在夏季背压高这种问题，我们就必须改进汽轮机冷端的散热能力，以此来把汽轮机冷端的损失降到最低[3]。到目前为止，我们所能使用的增加汽轮机冷端散热能力的方式主要有：（1）直接空冷改造方案（2）面式间接空冷改造方案（3）蒸发式尖峰冷却器系统方案。
2.1直接冷空改造方案
直接冷空改造方案，是指通过增加一列或者多列风机单元，从而使直接空冷系统的散热面积得到扩大，再实现降温的目的。直接空冷系统中的空冷凝汽器可以通过排汽管道接受汽轮机排汽，汽轮机排汽在环境空气的作用下可以直接冷却凝结成水，从而使常规二次换热所需要的中间冷却介质，然后增加散热面的面积，从而使得夏季满发被限降低，同时可以减少对煤耗量。要让直接空冷系统的改造来实现降低夏季满发，我们就需要对空冷大排汽管道、凝结水管道、以及抽真空管道等一系列进行再设计和改造。[4]这套方案是在不增加新系统的情况下对原系统进行升级改造，这就需要对大排汽管道流量和管系的结构应力以及空冷平台结构再次核算，并且这对发电机出线和空冷平台下设备的布置等问题都会造成一定的影响。
2.2表面式间接空冷改造方案
表面式间接空冷改造方案就是通过分流一部分蒸汽经表面式凝汽器的循环冷却水冷凝成为凝结水，再将凝结水经凝结水泵送入汽轮机的回热系统。由于表面式凝汽器冷却水在运行过程中温度升高，而循环水泵会将温度升高的冷却水送到通风塔，冷却水冷却后会再次进入表面式凝汽器中对汽轮机排汽进行冷却，如此往复。[5]在实行表面式间接空冷改造方案时，我们需要增加凝汽器、循环水泵和间冷塔等一些的基础设施以及设备，然后对管道流量和管系结构应力也需要重新核算，与此同时，在布置循环水管道时，也需要对地下管线和设备进行全面考虑，并且间冷塔需要占据比较大的一块土地面积，而且资金投入会相对来说比较大。
2.3蒸发式尖峰冷却器系统改造方案
蒸发式尖峰冷却器系统方案就是以潜热换热为主，根据传热学理论，主要利用水蒸发潜热换热替代显热换热，由于水的蒸发潜热大，故用较少的循环水量即可满足换热需要，换热效率高。系统主要由换热模块、水循环系统及风机等部分组成。系统在原空冷岛主排汽管道上接出另接出蒸汽分配管蒸汽送至蒸发式冷却器进行冷凝，凝结水通过凝结水管道并入原空冷岛凝结水母管或送回至排汽装置，管外喷淋水吸收管内蒸汽冷凝放热蒸发变成水蒸气，在风机的作用下排到大气中，冷却水经喷嘴喷淋后，沿换热模块冷凝管的表面形成水膜层下流，通过水循环系统实现喷淋水的循环使用。蒸发式冷却器设置有抽真空管线，并入原空冷岛抽真空母管。在蒸汽分配管道上设有膨胀节和电动蝶阀，膨胀节用以吸收管道的横向和轴向等位移；电动蝶阀，在夏季机组运行背压高时，打开阀门使一部分蒸汽流至凝汽器进行冷却，缓解直接空冷散热器的压力，达到降低背压的目的。春、秋、冬季机组运行背压较低时，关闭阀门，仅直接空冷运行，达到节水节能之目的。这种方案和表面式间接空冷改造方案相似，同样需要增加换热模块、喷淋水泵和冷却风机等基础设施设备，对管道流量和管系结构应力需要重新进行核算，同时在布置循环水管道时，需要对地下管线和设备进行综合考虑，且需要增加用水量。增加汽轮机冷端散热能力的方式有直接空冷改造方案、表面式间接空冷改造方案和蒸发式尖峰冷却器系统方案，但在综合考虑改造方案所需要的场地和资源的情况下，采用蒸发式尖峰冷却系统方案是一种较为理想的方案。通过装设尖峰冷却系统，能对空冷系统的换热条件进行有效改善，使空冷散热器入口的温度得到有效降低，对直接空冷系统夏季真空度的提高具有重要作用。
3、蒸发式湿尖峰冷却器系统
3.1尖峰冷却器系统的降背压能力
尖峰冷却器系统的换热系统喷淋量，以及系统都对空冷散热器入口的空气温度具有决策性作用。喷淋能力和换热系统的喷水量则取决于空气的湿球温度与干球温度的差值。然而尖峰冷却器系统的降背压能力计算方法就是根据空气中的干球温度与湿球温度的差值来计算的。其算法为T=[d2（hv2-hf）-d1（hv1-hf）]/Cpa，d1=0.622Φ1pa1/（pa-pa1），d2=0.622Φ2pa2/（pa-pa2）。在上述关系中，hv1和hv2代表干球温度和湿球温度对应的蒸汽焓，d1，d2代表湿空气及饱和湿空气对应的比湿度，hf代表湿球温度下的饱和水焓，Φ1，Φ2代表相对湿度（Φ2=1），pa1，pa2代表干球温度对应的蒸汽饱和压力和湿球温度对应的蒸汽饱和压力，pa代表空气压力。[6]由关系式可知，空气吸水能力和空气湿度以及干球温度有密切联系，并且空气干球湿度与湿球温度差对其具有重要的决定作用。如，当干球温度为10℃时，空气湿度变化与干球温度比值在空气湿度为0时，其比值为4.015，当空气湿度为0.5时，其比值为4.072；当干起温度为28摄氏度时，空气湿度变化与干球温度比值在空气湿度为0时，其比值为4.052，当空气湿度为0.5时，其比值为4.183；当干起温度为40摄氏度时，空气湿度变化与干球温度比值在空气湿度为0时，其比值为4.072，当空气湿度为0.5时，其比值为4.309。而当空气湿度增加且干球温度降低时，那么空气的干球温度与湿球温度之间的差值当然会减少，空气的吸水的能力也就降低，并且降温能力减弱。当一般环境温度在30℃时，我们就需要喷淋系统发挥降温作用。在风机转速一定的情况下，风机的风温增加，那么风机的风量就会减少，而且喷淋系统在不同的温度下，空气冷却幅度将会持平。所以通过关系式计算可知，当环境温度处于30℃至40℃之间时，对应湿度下的干球和湿球差值处于8℃至10℃之间，但是因为理论效果与实际效果有一定不同，所以系统实际的冷却幅度一般会达到8℃左右。
3.2某660MW机组蒸发式尖峰冷却系统投运前后性能比较
蒸发式尖峰冷却系统在夏季高背压工况下，当最大冷却水量达304t/h，低于缸排汽压力降低11.64kpa，达到设计值，机组功率增加16.9MW；当环境温度在20-25℃时，负荷小于500MW时，排汽压力降低1.55kPa，机组功率增加3.94MW。当机组功率大于600MW时，环境温度小于20-25℃时，排汽压力降低4.07kpa，机组功率增加6.36MW。当运行机组背压小于15kPa，不需投入尖峰冷却装置。当环境温度在大于25℃时，负荷653MW，背压23.65kPa时，投入后排汽压力降低7.55 kPa，机组功率增加13.84MW；负荷644MW，背压32kPa时，投入后排汽压力降低11.63kPa，机组功率增加16.89MW；机组排汽压力的降低值和功率增加值受机组运行背压的影响，机组运行背压越高，投入尖峰冷却系统后。低压缸排汽压力降低值和发电机功率增加值越大。由直接冷空机组的尖峰冷却系统投用前后相关数据比较结果可知，先锋冷却系统夏季高背压投入以后，直接空冷机组运行背压显著降低，机组电功率明显增加。
4、设备改造投运后的经济分析
4.1用煤消耗情况
蒸发式尖峰冷却器投入使用以后，在额定负荷工况下，运行背压32kPa时，投入后背压下降幅度达到11.63KPa，降幅较大，汽机效率同比升高了4.42%。在锅炉效率一定的情况下，蒸发式尖峰冷却器投入使用以后，除厂用电率的影响因素，供电用煤消耗每千瓦时减少了14克。在运行背压23.65kPa时，投入后背压下降幅度达到7.55KPa，供电用煤消耗每千瓦时减少了9克。如果按这种标准算，由于每吨煤价为700元，设备于6、7、8月（共3月）运行，夏季运行小时数：3×30×24×5500/8760=1244小时。TRL工况，汽轮机满发背压为40kPa以上，环境温度25℃以上的实际运行负荷率为92%，改造后在环境温度为25℃至35℃以上全部满发，累计小时数1224h。增加发电收益为60×104kW×（1-92%）×1224h×5500h/8760h×0.386元/kwh =1423.86万元/年；每年节约用煤消耗达到7389.3---11494.5吨，为电厂节约燃料费用达到515.9----804.6万元。
4.2厂用电率
从目前计算情况来看，蒸发式尖峰冷却器投入使用以后，电厂机组用电功率增加了1600千瓦，在额定负荷工况一定的情况下，使厂用电率增加了0.12-0.24%左右。但是由于机组在尖峰冷却系统的投入使用后效率得到较大幅度的提高，而且用煤消耗量减少，使输煤系统、送风机、电泵等一系列设备和设施的用电消耗量大为减少，使尖峰冷却系统所增加的用电量得到有效的填补。目前输煤系统、送风机、电泵等一系列设备和设施的用电消耗量大为减少值与尖峰冷却系统所增加的用电量基本保持平衡，如果在对机组进行精细化调整，在运行方式上进行合理优化，厂用电量将进一步减少，而且对机组运行风险的降低具有重要的现实意义。
4.3发电水耗
蒸发式凝汽器循环水仅需保证换热管表面布水均匀即可，循环水量仅为水冷循环水量1/5。蒸发式凝汽器设备全封闭，在风机作用下形成微负压状态，蒸发温度低潜热大，降低蒸发用水。蒸发式凝汽器采用高效收水器，可保证风吹损失在0.01%以下，大大降低风吹损失。加利佛尼亚州能源委员会收录的文献指出蒸发式凝汽系统与带冷却塔的水冷凝汽系统相比，蒸发式凝汽系统的全年耗水量可降到水冷凝汽系统的50%。
按照目前尖峰冷却器机力塔实际补水量的计算分析，尖峰机力塔的按最大蒸发量为每小时220吨，每年补水量为37.8万吨，除开喷淋系统减少的补水量，在尖峰冷却系统投入使用以后，发电用水年增加中水补水量为37.8万吨。补水量的增加将使厂发电水耗预算增加，增加费用约为94.5万元。
4.4机组安全性
由于尖峰冷却系统的投入使用，使厂用煤消耗降低，而用煤消耗的减少，则会使锅炉磨损或者爆炸的几率进一步降低，而且由于制粉系统、电除尘、尾部烟道等系统的磨损也大大减少，从而使机组的整体运行安全性得到进一步提高。
4.5节能效果分析
由于直接冷空系统中的凝汽器运行背压，直接影响到排汽压力的降低和功率的增加，当凝汽器背压越高，低压缸排汽压力降低值就越大，且机组的发电功率也会相应增加。夏季尖峰冷却系统的投入使用时，凝汽器的背压状况得到改变，低压缸排汽压力降低，热耗率降低，减少了供电煤耗率，机组节能效果显著。
5、结语
然而直接空冷系统增加的蒸发式尖峰冷却系统，虽然节能效果强，但是随着增容量的增加量节能效果也将会逐渐趋于平缓，特别是在一些环境温度中、低的时段，由于系统增容过大，运行就会进入机组阻塞背压区域，系统增容就起不到太多的实际作用，而且还会增加系统的防冻压力。所以，合理确定系统的改造方法，增加容量，充分具体的考虑机组实际运行状况，并且控制运行参数和运行方式等综合因素，才能获得较好的技术经济性。增加蒸发式尖峰冷却系统，对于直接空冷机组在过夏安全经济运行中的问题的解决具有非常重要的现实意义，并且对直接空冷机组夏季背压高的情况下所出现的问题，使其可以得到根本性的解决，并同时可以大大提高机组运行的安全可靠性。并且尖峰冷却系统在直接空冷机组中的应用中，表现出了较为显著的效果，并且其技术经济性较强，是值得我们广泛推广的应用。