盧日時(shí),趙云云
(哈爾濱汽輪機(jī)廠輔機(jī)工程有限公司,哈爾濱 150090)
我國的能源結(jié)構(gòu)決定了在未來很長一段時(shí)間內(nèi)燃煤火力發(fā)電廠會(huì)占據(jù)電力行業(yè)中的較大份額?;鹆Πl(fā)電需要消耗大量的水資源,而我國又是一個(gè)貧水國家,人均占有水量僅有世界人均水平的1/4,是世界上人均占有水資源最貧乏的13個(gè)國家之一。近年來,日益凸顯的缺水問題限制了部分地區(qū)火力發(fā)電廠建設(shè)和發(fā)展。所以空冷機(jī)組在水資源缺乏的地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用,并具有廣闊的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
國內(nèi)先后引進(jìn)投產(chǎn)了200MW、300MW、600MW 和1000WM 等級的空冷機(jī)組,這些大型空冷機(jī)組的投運(yùn),提升了國內(nèi)空冷機(jī)組的應(yīng)用水平。尤其是世界上首臺1000WM 超超臨界直接空冷機(jī)組2010 年在靈武電廠的成功引進(jìn)投產(chǎn),標(biāo)志著我國在直接空冷機(jī)組應(yīng)用技術(shù)方面走在了世界前列。由于1000MW 超超臨界機(jī)組在發(fā)電煤耗、減少污染物排放、節(jié)約水資源等方面具有明顯的優(yōu)勢,將是我國未來空冷機(jī)組建設(shè)的優(yōu)選。直接空冷機(jī)組的整體性能體現(xiàn)在設(shè)計(jì)和運(yùn)行兩個(gè)方面,針對直接空冷系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn),在直接空冷機(jī)組設(shè)計(jì)和運(yùn)行必須考慮空冷凝汽器的背壓、散熱面積、風(fēng)機(jī)電耗、環(huán)境因素等方面的相互關(guān)系,以期使直接空冷機(jī)組的安全性、經(jīng)濟(jì)性得到保證和優(yōu)化。
本文著眼于1000MW 超超臨界直接空冷機(jī)組空冷系統(tǒng)主要參數(shù)關(guān)系模型建立,其研究成果對發(fā)展我國超(超)臨界直接空冷機(jī)組自主設(shè)計(jì)與生產(chǎn)技術(shù)具有重要意義。
直接空冷系統(tǒng)又稱空氣冷凝凝汽器(ACC)系統(tǒng),是指汽輪機(jī)的排汽直接用環(huán)境空氣通過散熱器蒸汽冷凝成凝結(jié)水。直接空冷系統(tǒng)凝汽器由散熱器組成,根據(jù)散熱器管束內(nèi)部蒸汽和凝結(jié)水的相對流動(dòng)方向,又分順流空冷和逆流空冷。其中順流空冷冷卻大部分(約75%~80%)的汽輪機(jī)排汽,未凝結(jié)的蒸汽進(jìn)入到逆流空冷系統(tǒng)中凝結(jié),最后由逆流凝汽器上部的真空抽吸設(shè)備抽出不凝結(jié)氣體,避免在運(yùn)行過程中空冷系統(tǒng)內(nèi)部的形成死區(qū),導(dǎo)致?lián)Q熱惡化。
研究直接空冷系統(tǒng)的變工況特性就是要確定空冷凝汽器壓力的影響因素,找出各因素對空冷凝汽器壓力的影響規(guī)律。通過對空冷凝汽器全工況運(yùn)行性能研究,分析汽輪機(jī)背壓在各個(gè)不同工況下隨初始溫差等因素的變化規(guī)律,為優(yōu)化運(yùn)行直接空冷系統(tǒng)和提高空冷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性提供了理論依據(jù)。
式中,Qs為管內(nèi)蒸汽凝結(jié)放熱量,kJ;Gs為汽輪機(jī)排汽量,kg/s;hs為汽輪機(jī)排汽焓,kJ/kg;hc為凝結(jié)水焓,kJ/kg。
式中,Qa為管外空氣吸熱量,J;vF-空冷凝汽器迎面風(fēng)速,m/s;ta1為空氣進(jìn)口溫度,℃;ta2為空氣出口溫度,℃;AF為空冷凝汽器迎風(fēng)面積,m2;ρa(bǔ)為空冷凝汽器入口空氣密度,kg/m3;ca為空氣比熱,J/(kg·K)。(3)空冷凝汽器總換熱量不考慮空冷凝汽器的散熱損失,根據(jù)熱平衡原理有:
式中,Q為空冷凝汽器總換熱量,J;A為空冷凝汽器總換熱表面積,m2;k為空冷凝汽器總換熱系數(shù),W/(m2·K);Δtm為對數(shù)換熱溫差,℃。
(4)空冷凝汽器的傳熱單元數(shù)NTU 及效率η
式中,AF為散熱器的迎風(fēng)面積,m2;AG為散熱器光管外表面積,m2;kG為光管換熱系數(shù),W/(m2·K);Z為光管面積與迎風(fēng)面積之比Z=AG/AF。
(5)空氣通過散熱器溫升Δta
(6)空冷凝汽器蒸汽的凝結(jié)溫度ts及排汽溫度
通過對空冷凝汽器傳熱方程、能量平衡方程、空冷凝汽器效能、傳熱單元數(shù)的推導(dǎo),可計(jì)算出空冷凝汽器內(nèi)凝結(jié)溫度:
排汽管道的散熱損失,一般慣例都是采用對溫度取溫降的方法處理。溫降的取值由管道直徑、保溫厚度、管道走向、長度決定,通常數(shù)值基本相同,為2℃~3℃。
空冷凝汽器壓力查水蒸氣性質(zhì)表可得。
汽輪機(jī)末級排汽壓力(汽輪機(jī)背壓)或者凝汽器壓力一般被理解為冷端壓力,如果嚴(yán)格一點(diǎn)來說,二者卻是兩個(gè)完全不同的壓力。一般來說低壓缸末級動(dòng)葉片出口截面處的靜壓力是汽輪機(jī)背壓,以pk表示。而空冷凝汽器內(nèi)部靜壓力稱為凝汽器排汽壓力,以pc表示。
由于空冷機(jī)組的凝汽器壓力和背壓在數(shù)值上是有很大差別的,考慮壓損,存在以下計(jì)算模型:
式中,pk為汽輪機(jī)末級排汽壓力,kPa;pc為空冷凝汽器的壓力,kPa;Δp1為排汽管道中的壓力損失,kPa;Δp2為水蒸汽柱引起的壓差,kPa。
式中,D0表示末級排汽流量;下角標(biāo)od 代表變工況。
電站直接空冷系統(tǒng)是在額定工況下設(shè)計(jì)的(簡稱設(shè)計(jì)工況),各設(shè)計(jì)參數(shù)如設(shè)計(jì)背壓、冷卻面積、設(shè)計(jì)汽溫是通過多種經(jīng)濟(jì)技術(shù)方案的比較優(yōu)化得到的,直接空冷系統(tǒng)在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行,理論上應(yīng)該能達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)。
排汽壓損與空冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有關(guān),目前沒有統(tǒng)一的數(shù)值和計(jì)算方法,如給定空冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸,可以通過理論計(jì)算和數(shù)值模擬方法進(jìn)行計(jì)算,作為設(shè)計(jì)參考依據(jù)。目前通常采用如下方法,初設(shè)時(shí)采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)值設(shè)計(jì),待設(shè)計(jì)院提供管道設(shè)計(jì)結(jié)果后,對管道內(nèi)流動(dòng)通過數(shù)值軟件進(jìn)行核算,根據(jù)計(jì)算結(jié)果修訂取值。
直接空冷系統(tǒng)初始溫差(ITD),即汽輪機(jī)排汽飽和溫度與進(jìn)入空冷凝汽器的空氣溫度之差。當(dāng)確定了環(huán)境溫度和ITD 值后,汽輪機(jī)的排汽的相關(guān)參數(shù)(飽和溫度、壓力、出力和排放的熱量)也隨之確定。因此,ITD 值的高低影響到機(jī)組發(fā)電量和空冷凝汽器面積。ITD 值直接反映了空冷系統(tǒng)初投資和運(yùn)行費(fèi)用的關(guān)系。ITD 值高,空冷凝汽器可利用的傳熱溫差就大,根據(jù)傳熱學(xué)公式,那么所需散熱面積相對就小,那么空冷系統(tǒng)初投資就少,但汽輪機(jī)熱效率降低,機(jī)組煤耗上升,運(yùn)行費(fèi)用上升;ITD 值低,則反之。所以,需要綜合考慮多種因素確定ITD 值。
直接空冷系統(tǒng)的優(yōu)化最常用的方法就是年費(fèi)用最小法,即計(jì)算某工程多種可能實(shí)施方案的一次性投資,以及在經(jīng)濟(jì)服務(wù)年限內(nèi)逐年支付的運(yùn)行費(fèi)用;然后按動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)規(guī)律將投資與運(yùn)行費(fèi)用換算到指定年,再在經(jīng)濟(jì)服務(wù)年內(nèi)等額均攤,最后比較各方案的年總費(fèi)用,最佳方案為年最少費(fèi)用的方案。所以選取空冷系統(tǒng)的年總費(fèi)用作為尋優(yōu)過程的目標(biāo)函數(shù)。計(jì)算過程:首先假設(shè)一系列ITD值,根據(jù)假設(shè)值計(jì)算出的各個(gè)ITD 對應(yīng)的年總費(fèi)用,其中最小的年總費(fèi)用對應(yīng)的ITD 值為最佳ITD。
本模型使用Excel 表結(jié)合VB 程序?qū)崿F(xiàn),輸入界面如圖1。分別以某電廠1000MW 空冷機(jī)組為例驗(yàn)證模型計(jì)算的準(zhǔn)確性。
(1)散熱面積設(shè)計(jì)結(jié)果
電廠所處環(huán)境夏季溫度為29.3℃,排汽壓力為33kPa,考核工況設(shè)計(jì)結(jié)果1971780m2小于設(shè)計(jì)工況結(jié)果2132278.225m2,最終結(jié)果取值為設(shè)計(jì)工況設(shè)計(jì)結(jié)果80個(gè)散熱單元,2132278.225m2,結(jié)果輸出見表1、表2。
圖1 模型輸入界面
表1 1000MW 空冷機(jī)組不同設(shè)計(jì)溫度下散熱面積輸出結(jié)果
表2 空冷凝汽器系統(tǒng)考核工況計(jì)算及要求
表3 不同ITD 值輸出結(jié)果
電力設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)結(jié)果為2133220m2,數(shù)值差別為(2133220-2132278.225)/2133220=0.04%。散熱單元數(shù)相同。
(2)設(shè)計(jì)背壓計(jì)算
散熱面積為2133220m2(電力設(shè)計(jì)院結(jié)果),散熱器迎面風(fēng)速2.1m/s,環(huán)境溫度為14.00℃時(shí)機(jī)組背壓為12.8kPa(設(shè)計(jì)工況)。環(huán)境溫度33.00℃時(shí)機(jī)組背壓為25.75kPa(考核工況)。
(3)ITD 優(yōu)化結(jié)果
受上網(wǎng)電價(jià)、煤價(jià)、水價(jià)、空冷凝汽器單價(jià)、風(fēng)機(jī)單價(jià)等數(shù)據(jù)限制,本設(shè)計(jì)實(shí)例ITD 優(yōu)化結(jié)果為估算。ITD 優(yōu)化結(jié)果前5 名為38、37、39、36、40。受夏季考核工況的限制,為滿足機(jī)組夏季運(yùn)行背壓要求,設(shè)計(jì)ITD應(yīng)小于:43.7℃。不同ITD值輸出結(jié)果見表3。
針對直接空冷系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn),在直接空冷機(jī)組設(shè)計(jì)和運(yùn)行必須考慮空冷凝汽器的背壓、散熱面積、風(fēng)機(jī)電耗、環(huán)境因素等方面的相互關(guān)系,通過建立空冷系統(tǒng)主要參數(shù)相互關(guān)系的模型,根據(jù)模型的計(jì)算結(jié)果選擇ITD 最佳值,分析直接空冷機(jī)組的運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性,從而為直接空冷系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行和提高經(jīng)濟(jì)性提供理論依據(jù)。
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