秦占俊

（源和電站，山東 濟南 250000）

火電機組直接空冷系統(tǒng)優(yōu)化設計分析

秦占俊

（源和電站，山東 濟南 250000）

直接空冷系統(tǒng)是火電機組中的主要組成部分，該系統(tǒng)的優(yōu)化設計關(guān)系到火電機組的經(jīng)濟、安全、持久運行，且已經(jīng)成為廣大工程、科研人員關(guān)注的關(guān)鍵問題。本文主要對火電機組直接空冷系統(tǒng)進行詳細的闡述，并對系統(tǒng)優(yōu)化設計中涉及到的設計氣溫、設計背壓、初始溫差以及迎面風速等參數(shù)選取方法進行了著重的分析，以保證火電機組可以經(jīng)濟、有效的持久運行。

直接空冷系統(tǒng)；火電機組；參數(shù)；選取

燃煤電廠仍然是我國發(fā)電的主要來源，決定了我國的能源特點。然而，當前國內(nèi)水資源的匱乏又決定了節(jié)水技術(shù)在燃煤電廠中的重要性。空冷技術(shù)在火電機組中的廣泛使用大大的節(jié)約了電廠的用水量。

自20世紀30年代，空冷技術(shù)出現(xiàn)，并逐漸發(fā)展為直接空冷和間接空冷兩種技術(shù)。直至20世紀70年代，電冷技術(shù)得到廣泛推廣，使得空冷系統(tǒng)的裝機容量得到幾何指數(shù)級的速度增長，直接空冷機組的裝機容量占據(jù)較大比例。其中，總裝機容量達到萬千瓦的靈武公司已經(jīng)成為“西電東送”的最大的火力發(fā)電廠之一和主要電源支撐點，這對于富煤缺水區(qū)域的電力行業(yè)的發(fā)展具有重大意義。本文主要對火電機組直接空冷系統(tǒng)進行詳細介紹，并對直接空冷系統(tǒng)中各設計參數(shù)的選取優(yōu)化進行詳細分析，以供廣大工程技術(shù)人員借鑒。

1 火電機組直接空冷系統(tǒng)的組成

火電機組的空冷系統(tǒng)利用空氣將進入熱交換器的汽輪機的排氣進行熱交換冷凝?；痣姍C組直接空冷系統(tǒng)使用的空冷凝汽器是采用數(shù)量不等的雙排或單排橢圓翅片管束組成的，且其空冷系統(tǒng)所需的冷卻空氣通常由機械通風方式提供。

火電機組直接空冷系統(tǒng)的汽輪排汽往往利用具有較大直徑的排氣管道輸送到位于室外的主廠房前的空冷凝汽器中，軸流風機將冷空氣輸送至冷凝器外表面并對冷凝器內(nèi)的排汽進行冷凝，冷凝成水的排汽將進行處理，并輸送到鍋爐的給水系統(tǒng)。

火電機組的直接空冷系統(tǒng)是指從冷凝水的泵入口至汽輪機低壓缸排汽口之間的管道和機械設備，主要由以下幾大系統(tǒng)組成：疏水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、空冷凝汽器沖洗系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)、空冷凝汽器以及汽輪機排汽管道系統(tǒng)。在這所有的系統(tǒng)中，直接空冷汽器單元扮演著最重要的角色，其主要作用是將汽輪機的排汽冷凝成水。

2 火電機組直接空冷系統(tǒng)中設計參數(shù)的選取

與濕冷系統(tǒng)不同，直接空冷系統(tǒng)具有較高的背壓和較小的換熱系數(shù)，因此其換熱面積需要足夠大才能夠?qū)崿F(xiàn)對汽輪機排汽的良好冷凝效果，且直接空冷系統(tǒng)中要求有較多的大功率風機，這又增添了系統(tǒng)的投資和運輸風機的交通費用。因此，如何對直接空冷機組系統(tǒng)進行優(yōu)化設計成為節(jié)約成本、增加收益的關(guān)鍵。直接空冷系統(tǒng)的優(yōu)化設計指的是通過綜合考慮，對系統(tǒng)的配置進行各方面的經(jīng)濟優(yōu)化，從而選取適合的背壓、空冷凝器冷卻的面積和其他主要部分的配置參數(shù)，從而使機組的正常運行得到保障，并使得火電機組直接空冷系統(tǒng)可持久處于最佳的工作狀態(tài)。

2.1 系統(tǒng)設計氣溫的選取

空冷電廠的氣溫設計直接關(guān)系到設計背壓的選取，而合理的設計背壓對汽輪機的選型具有重要的指導作用，其將為電廠帶來良好的經(jīng)濟效益。因此，直接空冷系統(tǒng)設計氣溫的選取對火電機組直接空冷系統(tǒng)的運行具有重要意義，其常規(guī)的選取方法主要有以下幾種。

（1）6000小時法。6000小時法的原理是依據(jù)年平均氣溫法，繪制出典型年的小時氣溫統(tǒng)計表，將氣溫按從低到高的順序排列，選取該表上5000小時所對應的氣溫作為設計氣溫。

（2）年平均氣溫法。按由大到小的順序?qū)⒌湫湍赀\行小時內(nèi)氣溫進行排序，得到典型年的小時氣溫表，再根據(jù)典型年的小時氣溫表繪制出典型年的小時氣溫歷時頻率曲線，曲線上正負面積相等的點所對應的溫度即為設計氣溫。

（3）5℃以上平均氣溫法。該法是以及年平均氣溫法的典型年的小時氣溫統(tǒng)計表，將5℃以下的氣溫作為5℃的條件下，并與5℃以上的氣溫進行加權(quán)平均計算，將得到的氣溫作為系統(tǒng)的設計氣溫。

（4）30%頻率曲線法。該法是根據(jù)年平均氣溫法的典型年小時氣溫歷時頻率曲線，曲線中30%點對于的氣溫即為設計氣溫，該值與6000h法的設計氣溫值相差不大。

2.2 初始溫差（ITD值）的選取初始溫差的物理意義是指空冷凝器的散熱能力的強弱，其能直觀反映出火電機組直接空冷系統(tǒng)的規(guī)模。ITD值的選取主要考慮環(huán)境溫度、直接空冷機組的投資成本和運行成本、燃料費和電價等因素。此外，在選取初始溫度時，還需綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟的可行性和工程的實際需要。如電廠所在的區(qū)域周邊用電需求量較大，則初始溫度應選取較低值；若電廠所在區(qū)域的燃料價格較低，則初始溫差可以選取稍高的值。在此基礎(chǔ)上，通過綜合優(yōu)化并結(jié)合工程的實際需求確定合理的初始溫差。

2.3 設計背壓的選取

設計背壓是設計部門、業(yè)主以及制造廠家對空冷系統(tǒng)最注重的關(guān)鍵問題，設計背壓的選取是整個系統(tǒng)設計的基礎(chǔ)。設計背壓的確定主要受環(huán)境穩(wěn)定與環(huán)境風速、汽輪機的排汽量和進汽量等因素的影響。設計背壓由設計氣溫和初設溫差確定。在我國寒冷地區(qū)，常常將設計背壓確定在較低的值，相反，在溫度較高的地區(qū)，設計背壓則一般選擇較高值。具體來看，空氣溫度對背壓的影響體現(xiàn)在兩個方面：首先，在環(huán)境氣溫較低的冬季，由于進氣溫度較低，導致汽輪機組背壓下降，機組整體熱消耗下降，在此情況下容易出現(xiàn)凍管現(xiàn)象；另一方面，高溫條件下，過高的進氣溫度導致進風口溫度升高、空冷散熱器負荷增大、空冷系統(tǒng)輸出功率降低，最終導致汽輪機組背壓上升，嚴重時導致停機。下圖是直接空冷系統(tǒng)中環(huán)境溫度對汽輪背壓的影響圖。從圖2中可以看出，背壓隨環(huán)境溫度的升高而升高，溫度越高背壓上升的越快；隨著環(huán)境溫度的升高，汽輪機背壓會升高，且隨著環(huán)境溫度升高背壓急劇升高。

2.4 迎面風速的選取

火電機組直接空冷系統(tǒng)中，迎面風速對風機的選型有直接的影響，且還關(guān)系到總供電量的多少，并最終影響著設計背壓和初始溫差的選取。因此，迎面風速在整個直接空冷系統(tǒng)具有重要作用。針對散熱面積較小的直接空冷凝汽器，為滿足夏季滿載發(fā)電的排熱量需求，其迎面風速需選取較高值區(qū)間。相反，若直接空冷凝汽器的散熱面積較大，則對于的迎面風速可選取相對較小的區(qū)間值。對迎面風速的選取，要求對整個系統(tǒng)優(yōu)化過程中進行全面考量。在匹配最優(yōu)散熱面積和滿足工程的實際需求的條件下確定迎面風速，并最終確定風機的型號。相對應的，提高機組的抗風能力是設計的重要內(nèi)容，有以下幾種方式可供選擇：①減少熱風再循環(huán)量，設置擋風墻可以有效降低空冷平臺周圍的風速；②降低平臺進風口的風速，減少負壓區(qū)的產(chǎn)生。

圖2 直接空冷系統(tǒng)中環(huán)境溫度對汽輪背壓的影響圖

3 結(jié)束語

火電機組直接空冷技術(shù)的廣泛應用極大的節(jié)約了水資源，同時節(jié)省了電廠的供水系統(tǒng)的工程量與成本，為電廠火電機組的高效率、低成本運行提供了堅實的保障。針對火電機組直接空冷系統(tǒng)優(yōu)化設計時各主要參數(shù)的選取，需要結(jié)合工程實際需求，并依據(jù)廠址環(huán)境（環(huán)境穩(wěn)定）、投資運行成本、燃料費和電價等各因素進行確定，并最終保障火電機組的可靠、經(jīng)濟、持久的運行。

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