楊洪濤

摘 要：直接空冷機組用環(huán)境空氣取代循環(huán)水直接冷卻汽輪機排汽，導致機組煤耗高于同容量濕冷機組；與濕冷機組相比，直接空冷機組用于輸送冷卻空氣的軸流風機功耗達到機組發(fā)電功率的0.8%～1.5%。直接空冷機組能耗高的特點十分顯著。本文針對直接空冷電站空冷單元固有結構缺陷和不足，提出流場優(yōu)化組織思想，對于改善空冷凝汽器流動傳熱特性，降低機組運行背壓，提高機組運行的安全性和經濟性，具有重要的理論意義。

關鍵詞：電廠 空冷機組 優(yōu)化

中圖分類號：TK264 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）10（a）-0042-02

1 目前空冷機組存在問題

直接空冷機組存在夏季高溫時出力受限，冬季低溫換熱器管束局部凍裂，極端大風天氣運行背壓快速升高，甚至導致停機，換熱器管束表面積灰、熱空氣回流及太陽輻射等因素影響機組安全運行等問題。我國北方普遍存在年度高溫和低溫差別大，環(huán)境風向、風力大小復雜多變的情況，僅考慮全年平均氣象條件的空冷系統(tǒng)設計不僅不能滿足機組夏季滿負荷運行的需求，還存在夏季運行背壓居高不下，以及極端高溫、不利大風氣象條件下非正常停機的風險。同時，我國北方地區(qū)頻繁的環(huán)境風橫向流動導致空冷風機進口條件惡化，風場上游風機動力學性能急劇降低，對風機葉片安全構成影響，空冷凝汽器熱風回流加劇，使冷卻能力進一步受到限制。

直接空冷機組龐大的冷卻系統(tǒng)造成輸送冷卻空氣的大型軸流風機數量眾多，目前尚無應對惡劣氣象條件的風機群合理調整運行方式的合理辦法，實際運行的空冷機組廠用電率高于設計水平。通過該廠和多家直接空冷電站電話調研后發(fā)現，空冷單元內普遍存在空氣流場紊亂、空氣流通不暢等現象，從而導致空冷單元內空氣產生旋渦，并在空冷單元低部形成空氣流動“死區(qū)”，嚴重影響了空冷凝汽器換熱性能，機組運行能耗增加。特別是夏季高溫時段，空冷電耗率可達1.5%以上，對機組出力和經濟性有較大影響。

目前國內直接空冷機組空冷系統(tǒng)的改造方面主要是增加冷卻風機出力、采用局部換熱冷卻技術（噴（淋）霧冷卻技術）提高空冷凝汽器換熱性能。雖然對于提高凝汽器的散熱能力效果明顯，但這些技術措施均是以額外消耗能源或水資源為代價，增加風機出力使得風機電耗增加，提高了廠用電率，噴霧和頻繁清洗除增加電耗，還消耗了大量的水資源，從而削弱了空冷技術的節(jié)水效益。綜合考慮額外耗能因素，節(jié)能效果降低。

直接空冷系統(tǒng)經濟背壓與當地的環(huán)境條件、設備初期設計狀況、現場設備安裝、周邊相關建（構）筑物、機組運行情況等因素息息相關。目前國內在經濟背壓的研究應用方面較多的方案是進行冷端優(yōu)化試驗，采用簡單控制邏輯應用優(yōu)化結果。無實現不同季節(jié)、環(huán)境溫度下的最佳背壓連續(xù)運行和控制的實例。由于直接空冷風機葉片直徑較長，該公司330MW機組空冷風機葉片也在9m以上。外側橫向風進入風機后局部靜壓升高，轉換為對葉片的作用力，使得葉片上的附加應力增加，長期運行外側風機葉片易產生疲勞損傷裂紋，對空冷島設備、下部電氣設備和人身安全有潛在影響。外側風機占總風機數的50%，部分電廠已經出現葉片裂紋或裂紋跡象缺陷。

2 實施方案及措施

火電機組直接空冷系統(tǒng)由數十個呈A型結構的空冷凝汽器單元組成，每個單元由其下部的軸流風機輸運空氣冷卻翅片管束內的蒸汽。直接空冷系統(tǒng)運行過程中軸流風機產生的螺旋上升氣流在A型框架結構內呈現復雜的空氣動力學行為，特別是在空冷單元底部形成流動死區(qū)和渦流，在單元中心形成嚴重的回流，阻礙了風機出口空氣向翅片管束方向的順利流動，并造成流經翅片管束的空氣流量分配極不均勻，不同區(qū)域翅片管束的散熱能力呈現很大差異，以至于翅片管束傳熱面積利用率降低、流動傳熱性能變差、機組背壓和煤耗上升，并增加了冬季發(fā)生凍結事故的危險。

針對空冷單元固有結構缺陷，空冷單元內空氣動力學特性以及管束流量和熱負荷分配規(guī)律，發(fā)現了風機出口氣流不均勻、波動、速度雙峰分布特性，針對空冷單元A型結構內復雜空氣流場導致的對流換熱不均勻、傳熱惡化問題，在空冷單元冷卻空氣流動傳熱特性規(guī)律的基礎上，冷卻空氣氣流阻塞，渦流和回流的區(qū)域，提出“小范圍引導、多區(qū)域布置小尺寸導流裝置”的空氣流場優(yōu)化設計思想，安裝空冷單元內冷卻空氣導流系列技術及裝置，并進行結構優(yōu)化。通過在空冷單元內部流動狀況較差的位置多區(qū)域安裝擋風板和小尺寸導流板，實現了單元內空氣流場的重新組織，并降低了導流板的額外流動阻力，避免了導流板下游的流動分離。利用CFD模擬，不斷優(yōu)化導流裝置的結構、尺寸和空間位置，為空冷單元冷卻空氣導流技術的工程應用提供了關鍵設計參數。

在環(huán)境風場作用下空冷島熱力性能變化規(guī)律的基礎上，提出空冷島風場誘導的原則，即將環(huán)境風橫向流動的動能部分轉變?yōu)轱L機軸向流動的能量，以削弱環(huán)境風場的不利影響，改善風機進口流動條件，提高直接空冷機組抵御環(huán)境大風的能力，改進機組熱力性能，并開發(fā)風場誘導裝置。

最后針對優(yōu)化設計結果，進行空氣導流裝置的加工與制造，并對1臺機組的空冷凝汽器單元進行改造。通過熱力性能實驗，對改造前后的運行性能進行對比分析，獲得導流裝置改善空冷機組運行性能的定量結果。

3 優(yōu)化過程中主要技術問題

（1）考慮凝汽器單元內部的復雜支撐和橋架結構，開發(fā)空冷單元冷卻空氣導流技術，研制空氣導流裝置及安裝結構，解決導流裝置與空冷單元原有框架結構和風機橋架結構的匹配問題。

（2）建立綜合考慮空冷單元復雜支撐和橋架結構，以及噴霧冷卻裝置的三維物理模型。通過CFD數值手段，獲得不同結構、尺寸和空間方位的導流裝置對空冷凝汽器性能的改善效果，確定最優(yōu)的導流裝置結構。在空冷單元試驗臺上，進行空氣導流裝置性能試驗，驗證并改進數值模擬的結果。在660MW機組上進行工程實施，通過現場熱力性能試驗，獲得導流技術實施前后的空冷機組熱力性能。endprint

（3）通過環(huán)境風場作用下，空冷島熱力性能變化規(guī)律的CFD模擬，確定風場誘導的措施。針對不同結構形式的風場誘導措施，通過CFD計算分析，獲得優(yōu)化的結構參數和結構形式，最終開發(fā)系列化的環(huán)境風場誘導裝置。通過風場誘導技術的開發(fā)，顯著提高空冷系統(tǒng)抵御環(huán)境風場不利影響的能力。降低外側橫向風對直接空冷風機葉片的影響，降低外側橫向風對直接空冷風機葉片的影響，外側風機葉片裂紋缺陷發(fā)生率降低50%以上，提高風機葉片運行的安全性和使用壽命。

（4）綜合考慮空冷單元內實際框架支撐結構和風機橋架結構，以及其他設施，如霧化噴淋裝置等，設計導流板的框架和支撐結構，以實現導流裝置的空間定位和緊固安裝，解決空氣導流裝置與空冷凝汽器單元原有框架結構和風機橋架結構的匹配問題。

4 空冷島優(yōu)化后效果

我國相關研究機構如華北電力大學等單位提出了流場優(yōu)化組織思想，開發(fā)了冷卻空氣導流技術和裝置，對于改善空冷凝汽器流動傳熱特性，降低機組運行背壓，提高機組運行的安全性和經濟性，并應用于660MW空冷示范機組，使機組全年平均背壓降低1kPa以上。具體技術指標為以下幾個方面。

（1）空冷單元導流裝置可改善翅片管束表面冷卻空氣流場、溫度場的均勻性，提高空冷凝汽器的散熱能力，使空冷機組全年平均背壓下降0.5kPa。

（2）空冷島風場誘導裝置能顯著提高空冷機組抵御環(huán)境大風的能力，改善空冷系統(tǒng)的運行特性，使機組全年平均背壓下降0.5kPa。

（3）對空冷單元空氣導流裝置進行結構優(yōu)化，獲得滿足流場優(yōu)化組織功能需求的最佳結構，解決空氣導流裝置與空冷凝汽器單元原有支撐和橋架結構的耦合匹配問題，在600MW等級機組上進行應用。對冷卻空氣流場進行有效誘導的同時，導流裝置自身流阻同時下降，實現在不增加軸流風機功耗和廠用電消耗的前提下，空冷單元散熱能力的提高。

（4）降低外側橫向風對直接空冷風機葉片的影響，外側風機葉片裂紋缺陷發(fā)生率降低50%以上，提高風機葉片運行的安全性和使用壽命。

（5）提高空冷凝汽器的風機自動化控制水平。

（6）應用空冷單元空氣導流裝置，消除單元流場內部空氣的流動死區(qū)，增加冬季低溫運行條件下，凝汽器單元管束內部蒸汽流動的均勻性，有效預防低溫運行凍結事故的發(fā)生，增加冬季低溫條件下運行的安全性。

（7）在不影響機組正常運行、原有支撐結構強度和風機能耗基本不變的前提下，實現空氣導流裝置的安裝與調試，不需要額外消耗能量和水資源，彌補國內外其它提升空冷系統(tǒng)冷卻能力技術措施的不足。

參考文獻

[1] 郜寧.冷卻空氣導流技術在直接空冷機組中的應用研究[J].熱能動力工程，2014，29（5）：576-579.

[2] 楊立軍，賈寶榮，杜小澤，等.內部導流對空冷單元流動傳熱特性的影響[J].工程熱物理學報，2009，30（7）：1226-1228.

[3] 郭鈺鋒，秦華，于達仁，等.冷卻空氣迎面風速和溫度對直接空冷系統(tǒng)動態(tài)特性的影響[J].中國電機工程學報，2008（29）：22-27.endprint