余耀，王麗，張義江，郭民臣，李美寶

600MW機(jī)組空冷系統(tǒng)變工況對(duì)汽輪機(jī)出力的影響

余耀1，王麗1，張義江1，郭民臣2，李美寶2

（1.神華國(guó)能蒙東能源有限公司，內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021000；2.華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206）

直接空冷機(jī)組空冷系統(tǒng)變工況影響排汽壓力，進(jìn)而影響機(jī)組的出力。根據(jù)某電廠600MW超臨界直接空冷機(jī)組的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)，采用η-NTU法建立了空冷系統(tǒng)變工況分析的數(shù)學(xué)模型，分別計(jì)算了排汽壓力隨空氣入口溫度、排汽熱負(fù)荷、迎面風(fēng)速的變化規(guī)律，分析了對(duì)機(jī)組出力的影響，根據(jù)其影響規(guī)律，提出了風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速及風(fēng)量調(diào)節(jié)策略，為提高空冷機(jī)組運(yùn)行效率提供了理論依據(jù)。

直接空冷；變工況；機(jī)組出力；排汽壓力；排汽熱負(fù)荷

0 引言

由于水冷機(jī)組的耗水量大，空冷機(jī)組在我國(guó)富煤缺水地區(qū)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，近年來(lái)，空冷機(jī)組的裝機(jī)容量在該地區(qū)不斷增大。在直接空冷機(jī)組中，由于排汽壓力較高，空冷凝汽器的運(yùn)行特性對(duì)機(jī)組效率及出力的影響尤為突出，因此，深入研究空冷凝汽器的變工況特性極為重要。排汽熱負(fù)荷、空氣入口溫度以及迎面風(fēng)速是影響凝汽器真空系統(tǒng)的重要因素。本文建立了直接空冷機(jī)組冷端系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)某600MW機(jī)組的變工況特性進(jìn)行了分析，揭示了排汽熱負(fù)荷、空氣入口溫度以及迎面風(fēng)速等對(duì)機(jī)組背壓的影響規(guī)律，進(jìn)而分析這些因素對(duì)機(jī)組出力的影響。

1 直接空冷機(jī)組冷端系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

空冷凝汽器作為機(jī)組的冷端，需要提供盡可能低的排汽壓力，保證機(jī)組的效率及出力。影響排汽壓力pc的因素主要有空氣進(jìn)口溫度tal、迎面風(fēng)速vy、排汽熱負(fù)荷Qn及總傳熱系數(shù)K［1-4］，即

蒸汽在凝汽器中冷卻為飽和水，冷凝壓力與冷卻過(guò)程的飽和溫度存在著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，所以，只要計(jì)算冷凝過(guò)程的飽和溫度即可反映汽輪機(jī)排汽壓力的變化。根據(jù)凝汽器內(nèi)部的換熱過(guò)程及傳熱學(xué)原理，利用η-NTU法，可得到飽和溫度tn的關(guān)系式［5-8］

式中：ρa(bǔ)為空氣密度；cp為空氣定壓比熱容；Ay為迎風(fēng)面積；NTU為傳熱單元數(shù)，定義為熱容量較小的流體的溫度變化Δta（在直接空冷凝汽器的散熱過(guò)程中為空氣溫差）與平均溫差Δtm的比值，即

式中：A為總傳熱面積。

由式（3）可知，求出傳熱單元數(shù)NTU是得到tn的關(guān)鍵，而總傳熱系數(shù)K則是傳熱單元數(shù)NTU計(jì)算的關(guān)鍵。直接空冷凝汽器內(nèi)部的傳熱過(guò)程主要包括管內(nèi)蒸汽的凝結(jié)放熱、汽液兩相流的對(duì)流換熱以及空氣橫掠管束的對(duì)流換熱過(guò)程。因此，總傳熱系數(shù)K由對(duì)流換熱熱阻、管壁導(dǎo)熱熱阻以及管內(nèi)外的污垢熱阻決定，根據(jù)傳熱學(xué)原理可得到總傳熱系數(shù)K的關(guān)系式［9-10］

式中：Ai，Ao分別為管束內(nèi)、外表面積；Am為管壁對(duì)數(shù)平均表面積；αi，αo分別為管內(nèi)凝結(jié)換熱系數(shù)和管外對(duì)流換熱系數(shù)；εi，εo分別為管內(nèi)、外污垢熱阻；δ為基管的壁厚；λw為管壁導(dǎo)熱系數(shù)；ηo為肋面效率。

管壁對(duì)數(shù)平均表面積為［6］

肋面效率ηo為式中：A1為管外基管部分表面積；A2管外肋片部分表面積；ηf為肋效率。

管內(nèi)凝結(jié)換熱系數(shù)αi可由傳熱學(xué)原理得

式中：ρs為飽和蒸汽的密度；λs為飽和蒸汽的導(dǎo)熱系數(shù)；rs為蒸汽汽化潛熱；ηs為蒸汽動(dòng)力黏度；ts和tw分別為蒸汽飽和溫度和壁面溫度；g為重力加速度；l為特征長(zhǎng)度。

對(duì)于管外空氣的對(duì)流換熱系數(shù)αo，由試驗(yàn)公式［11］可得

式中：Nu＝αode／λa；Re＝vyde／va；λa和va分別為空氣在定性溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)和黏度系數(shù)；de為翅片管束的當(dāng)量直徑。

式中：h為肋高；δf為肋厚；sf為肋寬。

2 直接空冷系統(tǒng)變工況對(duì)排汽壓力的影響

為了分析空氣進(jìn)口溫度、迎面風(fēng)速、排汽熱負(fù)荷及總傳熱系數(shù)等因素對(duì)排汽壓力的影響規(guī)律，假定只有一個(gè)因素變化，而保持其他幾個(gè)因素不變。以600MW超臨界直接空冷機(jī)組為例，選定機(jī)組運(yùn)行的一組數(shù)據(jù)，分別分析空氣進(jìn)口溫度、排汽熱負(fù)荷和迎面風(fēng)速對(duì)排汽壓力的影響特性。所計(jì)算的600MW超臨界空冷機(jī)組熱耗率驗(yàn)收（THA）工況主汽壓力與溫度分別為24.2MPa和566℃，再熱蒸汽溫度為566℃，排汽壓為10 kPa，排汽熱負(fù)荷約為680MJ／s。空冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)49臺(tái)風(fēng)機(jī)，額定工況下迎面風(fēng)速為2.47 m／s，迎風(fēng)面面積為11 125 m2，散熱面積為1557016m2。

2.1 空氣進(jìn)口溫度對(duì)排汽壓力的影響

當(dāng)排汽熱負(fù)荷保持680 MJ／s、迎面風(fēng)速保持2.47m／s不變時(shí)，不考慮排汽管道造成的壓損，僅考慮空氣進(jìn)口溫度的影響。由圖1可知，在排汽熱負(fù)荷Qn＝680MJ／s時(shí)，排汽壓力隨著空氣入口溫度的升高而逐漸增大，當(dāng)空氣入口溫度升高到38℃時(shí)，排汽壓力將升高到約24.8 kPa，嚴(yán)重影響機(jī)組的出力和熱經(jīng)濟(jì)性，并對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行產(chǎn)生影響。

2.2 排汽熱負(fù)荷對(duì)排汽壓力的影響

在某一環(huán)境溫度下，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，勢(shì)必造成汽輪機(jī)排汽流量變化，那么排入空冷島的熱量也發(fā)生變化。當(dāng)迎面風(fēng)速保持2.47m／s不變時(shí)，分別對(duì)環(huán)境溫度為23，29和35℃時(shí)該600MW機(jī)組不同排汽負(fù)荷對(duì)汽輪機(jī)排汽壓力的影響進(jìn)行了理論

圖1 Qn＝680MJ／s時(shí)排汽壓力隨空氣入口溫度的變化

分析與模擬。排汽壓力隨排汽熱負(fù)荷的變化如圖2所示。

圖2 排汽壓力隨排汽熱負(fù)荷的變化

以空氣進(jìn)口溫度29℃為例，當(dāng)ta1不變時(shí)，排汽壓力隨著排汽熱負(fù)荷的升高而近似線性增大，隨著空氣進(jìn)口溫度的上升，排汽壓力隨排汽熱負(fù)荷上升趨勢(shì)更劇烈。

2.3 迎面風(fēng)速對(duì)排汽壓力的影響

當(dāng)Qn＝680MJ／s、維持ta1不變而改變迎面風(fēng)速時(shí)，排汽壓力隨迎面風(fēng)速而變化，如圖3所示。

圖3 Qn＝680MJ／s時(shí)排汽壓力隨迎面風(fēng)速的變化

由圖3可知，當(dāng)Qn＝680MJ／s，tal＝30℃時(shí)，排汽壓力隨著迎面風(fēng)速的增大而降低。圖3給出了20，25，30和35℃4個(gè)不同進(jìn)風(fēng)溫度下迎面風(fēng)速對(duì)背壓的影響曲線，空氣進(jìn)口溫度越高，排汽壓力受迎面風(fēng)速的影響越大。

3 直接空冷系統(tǒng)變工況對(duì)機(jī)組出力的影響

直接空冷機(jī)組排汽壓力升高對(duì)機(jī)組出力產(chǎn)生影響。通過(guò)計(jì)算分析可知，空氣進(jìn)口溫度、排汽熱負(fù)荷以及迎面風(fēng)速對(duì)排汽壓力都有一定的影響，因此有必要分析他們對(duì)機(jī)組出力的影響。

該600MW機(jī)組額定工況時(shí)的功率對(duì)排汽壓力的修正曲線如圖4所示。

圖4 600MW直接空冷機(jī)組背壓修正曲線

依據(jù)圖4給出的曲線，可分析機(jī)組在滿負(fù)荷時(shí)由于直接空冷系統(tǒng)變工況對(duì)機(jī)組出力的影響。根據(jù)圖1給出的結(jié)果，當(dāng)排汽熱負(fù)荷Qn＝680MJ／s、迎面風(fēng)速2.47m／s、空氣入口溫度約為20℃時(shí)，排汽壓力達(dá)到THA工況的10 kPa，那么很可能會(huì)出現(xiàn)如下情況。

（1）如果空氣入口溫度升高到30℃時(shí)，則排汽壓力將達(dá)到16 kPa，功率變化率為-4%，也就意味著機(jī)組出力將減少4%，即機(jī)組出力減少24MW。

（2）當(dāng)tal＝30℃時(shí)，如果迎面風(fēng)速?gòu)?.4m／s降為1.6m／s，由圖3可知，排汽壓力會(huì)從18 kPa提高到33 kPa，功率修正率將從-4.5%達(dá)到-12.0%，則機(jī)組出力將減少7.5%，即功率將減少45MW。

（3）排汽熱負(fù)荷對(duì)出力的影響分析比較復(fù)雜，因?yàn)榕牌麩嶝?fù)荷增加可能就是功率本身增大導(dǎo)致的，所以這里分析排汽熱負(fù)荷的變化指除功率本身以外其他因素導(dǎo)致的。比如，空冷凝汽器接收了一股原先沒(méi)有進(jìn)入空冷系統(tǒng)的熱量，若將小汽機(jī)的排汽引入空冷凝汽器就造成排汽熱負(fù)荷增大。設(shè)排汽熱負(fù)荷增大50MW，這里假定汽輪機(jī)排汽熱負(fù)荷從650MJ／s增大到700MJ／s，空氣進(jìn)口溫度保持29℃不變，根據(jù)圖2給出的排汽壓力結(jié)果，其壓力會(huì)從

15.6 kPa變化到17.2 kPa，根據(jù)機(jī)組背壓修正曲線，功率變化率約1%，即出力降低約6MW。

4 風(fēng)量對(duì)排汽壓力的影響

4.1 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)空冷凝汽器數(shù)學(xué)模型，利用η-NTU法，可得出空冷凝汽器內(nèi)的凝結(jié)溫度tn

式中：qm為風(fēng)機(jī)風(fēng)量。

而排汽壓力與凝結(jié)水溫度的關(guān)系式為

根據(jù)式（10）和式（11）可以得出排汽壓力與風(fēng)機(jī)風(fēng)量以及空氣進(jìn)口溫度之間的關(guān)系。

4.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)以上數(shù)學(xué)模型，分析了不同環(huán)境下排汽壓力隨風(fēng)量的變化規(guī)律。

由圖5可知，在Qn＝680MJ／s時(shí)，排汽壓力隨著風(fēng)機(jī)風(fēng)量的增加而逐漸減小，空氣進(jìn)口溫度越高，其下降趨勢(shì)越明顯，ta1＝29℃不同Qn時(shí)排汽壓力隨風(fēng)機(jī)風(fēng)量的變化如圖6所示。

圖5 不同ta1時(shí)排汽壓力隨風(fēng)機(jī)風(fēng)量的變化

圖6 ta1＝29℃不同Qn時(shí)排汽壓力隨風(fēng)機(jī)風(fēng)量的變化

由圖6可知，當(dāng)空氣進(jìn)口溫度ta1＝29℃時(shí)，排汽壓力隨著風(fēng)機(jī)風(fēng)量的增大也呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，隨著排汽熱負(fù)荷的增大，其下降趨勢(shì)更加明顯。

4.3 排汽熱負(fù)荷對(duì)風(fēng)機(jī)風(fēng)量的影響

排汽壓力隨著風(fēng)機(jī)風(fēng)量的增大會(huì)逐漸降低，即調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量的大小可使機(jī)組工作處于最有利的真空條件下，顯著提高機(jī)組出力。本文同時(shí)分析了不同排汽壓力時(shí)，風(fēng)機(jī)風(fēng)量隨排汽熱負(fù)荷的變化規(guī)律，pc＝15 kPa時(shí)風(fēng)機(jī)風(fēng)量隨汽輪機(jī)排汽熱負(fù)荷的變化如圖7所示，pc＝30 kPa時(shí)風(fēng)機(jī)風(fēng)量隨汽輪機(jī)排汽熱負(fù)荷的變化如圖8所示。

圖7 pc＝15 kPa風(fēng)機(jī)風(fēng)量隨汽輪機(jī)排汽熱負(fù)荷的變化

圖8 pc＝30 kPa風(fēng)機(jī)風(fēng)量隨汽輪機(jī)排汽熱負(fù)荷的變化

式中：P為風(fēng)機(jī)的功率，kW；p為風(fēng)機(jī)的全風(fēng)壓，Pa；qm0為單臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，m3／h；ta1為環(huán)境溫度，℃；FL為海拔修正系數(shù)；η1為風(fēng)機(jī)效率；η2為傳動(dòng)效率，齒輪箱傳動(dòng)，取值為0.96；η3為電動(dòng)機(jī)效率，取值為0.93。

由圖7和圖8可知，環(huán)境溫度越高，同樣的風(fēng)機(jī)風(fēng)量，所能帶走的汽輪機(jī)排汽熱量呈下降趨勢(shì)。在某一運(yùn)行工況，根據(jù)所需風(fēng)量的大小以及風(fēng)機(jī)的功率可得出所需運(yùn)行風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)優(yōu)化，減少風(fēng)機(jī)耗功，以提高機(jī)組效率和全廠的經(jīng)濟(jì)效益。風(fēng)機(jī)的運(yùn)行功率［9］為

5 結(jié)論

（1）由本文所建模型的計(jì)算結(jié)果可知，空氣進(jìn)口溫度、排汽熱負(fù)荷以及迎面風(fēng)速是影響直接空冷機(jī)組排汽壓力與出力的重要因素，空氣進(jìn)口溫度上升、排汽熱負(fù)荷增大和迎面風(fēng)速下降都會(huì)造成排汽壓力升高，機(jī)組出力減小，進(jìn)而影響機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性。

（2）根據(jù)風(fēng)機(jī)風(fēng)量對(duì)排汽壓力的影響關(guān)系，可以建立排汽壓力、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而可根據(jù)各運(yùn)行工況對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)以提高效率。例如當(dāng)環(huán)境溫度為25℃、背壓15kPa時(shí)，維持額定負(fù)荷所需的風(fēng)量大約為25000m3／s，此時(shí)就需要順逆流總共49臺(tái)風(fēng)機(jī)都全速運(yùn)行。

（3）根據(jù)空氣進(jìn)口溫度、排汽熱負(fù)荷以及迎面風(fēng)速對(duì)直接空冷機(jī)組出力的影響，在機(jī)組變工況運(yùn)行時(shí)，可以相應(yīng)地調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)保證機(jī)組效率和最有利真空。

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（本文責(zé)編：王書(shū)平）

TK 264.1

：A

：1674-1951（2015）03-0022-04

余耀（1968—），男，山東濟(jì)寧人，副總經(jīng)理，高級(jí)工程師，從事火力發(fā)電廠全面生產(chǎn)管理與技術(shù)管理工作方面的工作（E-mail：mdgsyy＠163.com）。

2014-08-04；

2014-11-18