(陜西德源府谷能源有限公司，陜西 榆林 710075)

0 引言

ACC機(jī)組在夏季高溫時段背壓升高，出力降低，運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性差，火電廠作為節(jié)能減排的重點(diǎn)企業(yè)，積極采用了尖峰冷卻技術(shù)[1-4]?？绽錂C(jī)組增設(shè)尖峰凝汽器后，防峰過夏時背壓、煤耗等指標(biāo)明顯下降，保障機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[5]。國內(nèi)外ACC機(jī)組常用的尖峰冷卻技術(shù)有三角(六角、八角)干式空氣冷卻、蒸發(fā)式空氣冷卻、干濕并行冷卻、噴淋冷卻等技術(shù)。干式空氣冷卻技術(shù)在現(xiàn)有ACC并聯(lián)加裝立式空冷凝汽器[6]，蒸發(fā)式空氣冷卻技術(shù)分流乏汽送入板式蒸發(fā)式凝汽器進(jìn)行冷凝[7]。蒸發(fā)式空氣冷卻換熱能力較干式空氣冷卻強(qiáng)，這兩種技術(shù)都采用模塊化設(shè)計組裝，運(yùn)維簡單，但存在蒸汽管道壓損大、無法解決ACC機(jī)組背壓波動的問題[8]。干濕并行冷卻技術(shù)同時兼顧濕冷系統(tǒng)和空冷系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)[9-10]，提高真空效果好，運(yùn)行調(diào)節(jié)方便，缺點(diǎn)是增加設(shè)備較多，運(yùn)行費(fèi)用高，真空不穩(wěn)定問題改善較小，表面式凝汽器體積較大、端差大。噴淋冷卻技術(shù)在空冷島加裝噴淋裝置[11]，降背壓效果較好、改造相對簡單，但橫切風(fēng)和熱風(fēng)回流影響安全性[12]。

空冷機(jī)組大多在北方缺水地區(qū)，因此耗水尖峰冷卻技術(shù)受水資源條件限制，干式空氣冷卻技術(shù)同其他三種耗水技術(shù)相比理論可實(shí)現(xiàn)零水耗，但其與干濕并行冷卻技術(shù)一樣投資較大。同時干式空氣冷卻和噴淋冷卻需使用除鹽水，水處理成本高，其他兩種冷卻方式對水質(zhì)要求較低，噴淋冷卻和蒸發(fā)式空氣冷卻還存在換熱面結(jié)垢問題。在分析現(xiàn)有ACC機(jī)組尖峰冷卻技術(shù)的優(yōu)勢與不足后，提出具有零水耗、近零傳熱端差特性的間接空氣尖峰冷卻技術(shù)，其采用噴射式混合冷卻，凝汽器體積小且理論傳熱端差為零；將傳統(tǒng)海勒式間接空冷中的冷卻塔換為干式空冷換熱器，占地面積少、造價降低，尖峰冷卻效果好且受環(huán)境因素的影響較小。

1 間接空氣尖峰冷卻技術(shù)

1.1 系統(tǒng)工作原理

間接空氣尖峰冷卻技術(shù)采用ACC與海勒式間接空冷并聯(lián)冷卻的方式，系統(tǒng)工作原理如圖1所示。在汽輪機(jī)排汽中抽出部分蒸汽送入噴射式凝汽器冷卻，而后凝結(jié)水進(jìn)入干式空氣冷卻器中進(jìn)行冷卻，再由循環(huán)泵送回噴射式凝汽器完成循環(huán)。

1.2 系統(tǒng)運(yùn)行方式

間接空氣尖峰冷卻系統(tǒng)運(yùn)行方式如圖2所示，在汽輪機(jī)主排汽管抽出部分蒸汽送入噴射式凝汽器。噴射水泵B泵將通過管道“1”流入的循環(huán)冷卻水噴入噴射式凝汽器，從而被抽出的排汽與冷卻水換熱并凝結(jié)成飽和水。在凝汽器出口，經(jīng)凝結(jié)水泵a或b后，等抽汽量的水經(jīng)過精處理裝置返回主回?zé)嵯到y(tǒng)，剩余水量經(jīng)“2”管道回到干式強(qiáng)制通風(fēng)冷卻器被冷卻。

2 間接空氣尖峰冷卻系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

2.1 間接空冷系統(tǒng)熱量匹配

原機(jī)組未進(jìn)行間接空冷抽汽時，其熱量平衡式如下

Q=W·γ=K·A·ΔT

(1)

對于凝汽器空冷管束空氣側(cè)，其熱量平衡式

(2)

機(jī)組進(jìn)行抽汽優(yōu)化后的熱量匹配

Q′=QACC+QC

(3)

2.2 空冷系統(tǒng)熱力參數(shù)匹配計算

根據(jù)直冷系統(tǒng)設(shè)計計算的逆過程計算抽汽后汽輪機(jī)排汽溫度和背壓、ACC的熱負(fù)荷?；诔槠蟮闹崩湎到y(tǒng)與間冷系統(tǒng)的熱量匹配問題，還需計算間接空冷系統(tǒng)的熱負(fù)荷、換熱面積。ACC系統(tǒng)熱負(fù)荷為流體中的蒸汽在定性溫度下由濕蒸汽冷凝釋放的汽化潛熱，與少量液態(tài)水傳熱過程中溫度降低釋放的熱量

(4)

間接空冷系統(tǒng)熱負(fù)荷

QC=DCγC

(5)

QC=Wi×(T1-T2)×CPi

(6)

ACC凝汽器管內(nèi)為水蒸氣的冷凝，管內(nèi)膜傳熱系數(shù)

(7)

間接空冷系統(tǒng)循環(huán)水冷卻管內(nèi)膜傳熱系數(shù)

(8)

管外膜傳熱系數(shù)

蛇形翅片扁平管管外膜傳熱系數(shù)

h0=λa×Nu÷dr

(9)

熱浸鋅矩形鋼翅片橢圓管管外膜傳熱系數(shù)

(10)

干式空氣冷卻器空氣出口溫度必須根據(jù)熱平衡及傳熱速度共同確定。在已知空冷器管束的規(guī)格、數(shù)量和風(fēng)機(jī)的配置，再由風(fēng)機(jī)的正常風(fēng)量，根據(jù)熱平衡計算空氣的出口溫度。

t2=t1+Q/(VN·ρN·CP)

(11)

空氣冷卻器傳熱平均溫差

ΔT=ΔTm×Ft

(12)

總傳熱系數(shù)為各項熱阻之和的倒數(shù)

(13)

傳熱面積

(14)

實(shí)際傳熱面積比計算面積有一定的余量，面積裕量為

(15)

3 ACC機(jī)組計算實(shí)例

3.1 某電廠660 MW機(jī)組空冷系統(tǒng)介紹

某電廠660 MW超臨界ACC機(jī)組，TRL工況汽輪機(jī)排汽量為1 349 400 kg/h，實(shí)際ACC散熱器翅片管總面積為1 707 872 m2，空冷管束主要參數(shù)見表1。

表1 ACC管束主要參數(shù)

參數(shù)代號規(guī)格管長/mL10.5每片管束的迎風(fēng)面積/m2AFl23.87管束數(shù)量/片ngs560管心距/mPf0.061每片管束傳熱總根數(shù)n035扁平管外壁長軸×短軸/m×mAO×BO0.22×0.02管壁厚/mδt0.001 5管程數(shù)Ntp1蛇形翅片總寬度×高/m×mWs×HS0.2×0.019翅片厚/mδf0.000 3翅根直徑/mdr0.020 3每米管子的翅片數(shù)量/片·m-1Nc354翅片間距/mSf0.002 3

3.2 夏季白天平均溫度下熱力計算

以當(dāng)?shù)叵募景滋炱骄鶞囟?2℃滿發(fā)工況為例，加間接空冷系統(tǒng)之前汽輪機(jī)排汽量W為1 349 400 kg/h，排汽溫度Ts1為69.80℃，排汽壓力Pc0為30.93 kPa，熱負(fù)荷為829 644.855 kW。在環(huán)境溫度與環(huán)境風(fēng)速不變的工況下，抽取部分乏汽進(jìn)入間接空冷系統(tǒng)。熱負(fù)荷隨抽汽量的變化情況如圖3所示，ACC熱負(fù)荷隨抽汽量的增大而逐漸減小，間冷凝汽器的熱負(fù)荷逐漸增大，兩者總和呈緩慢上升趨勢。綜合考慮散熱能力與改造成本，選擇260 t/h抽汽量進(jìn)入間接空冷系統(tǒng)。以冷卻水循環(huán)倍率m=50計算，需循環(huán)冷卻水約13 000 t/h。

將環(huán)境溫度t1與進(jìn)入空冷島蒸汽量WACC代入計算模型，得加間接空冷系統(tǒng)后汽輪機(jī)排汽溫度Ts1為63.8℃機(jī)組背壓PC為23.73 kPa，較加尖峰系統(tǒng)之前背壓降低7.2 kPa，ACC現(xiàn)承擔(dān)熱負(fù)荷QACC為675 114.096 kW，間冷系統(tǒng)熱負(fù)荷為169 605.222 kJ/kg。間接空冷系統(tǒng)初步選用160片橢圓管套矩形翅片管束，管束參數(shù)見表2。迎面風(fēng)速選取2.9 m/s，匹配16臺風(fēng)機(jī)，空冷單元采取8×2背靠背方式布置。經(jīng)熱力計算得到傳熱面積AΣ為411 000 m2。

表2間接空冷管束主要參數(shù)

參數(shù)代號規(guī)格每片管束的迎風(fēng)面積/m2AFI32.774管束數(shù)量/片ngs160基管外壁長軸×短軸/mm×mma0×b036×14管壁厚/mmt1.5翅片外緣×高/mm×mmaf×bf60×35翅片厚/mmδ0.3翅根長軸×短軸/mm×mmar×br36.6×14.6

3.3 計算結(jié)果和分析

抽汽前后機(jī)組全年各時段背壓降、煤耗降變化見表3。當(dāng)抽汽前的背壓或抽汽后的背壓低于阻塞被壓7.4 kPa，無需使用間接空氣冷卻系統(tǒng)，故表3中春秋3的低溫時段與冬季時段背壓降未標(biāo)出具體數(shù)值。

表3抽汽前后機(jī)組背壓降及煤耗降

夏季春秋1春秋2春秋3冬季高溫時段低溫時段高溫時段低溫時段高溫時段低溫時段高溫時段低溫時段高溫時段低溫時段利用小時數(shù)/h1 600800650275650275450200350250平均溫度/℃3222271620.591214-6抽汽前背壓/kPa30.9320.0725.0415.3118.4311.0112.727.388.384.98排汽溫度/℃69.8060.1365.0054.3958.3047.7050.5940.0042.3932.80抽汽后背壓/kPa23.7315.0218.9511.2913.708.009.305.245.853.34排汽溫度/℃63.8054.0058.9048.2052.1041.5144.4033.7135.7025.88背壓降/kPa7.25.056.094.024.733.013.42煤耗降/g·(kWh)-17.25.056.094.024.733.013.42全年平均煤耗降/g·(kWh)-14.7

注：表中利用小時、平均溫度、抽汽前背壓、排汽溫度來源于本文研究的某電廠660 MW空冷機(jī)組，煤耗降計算值按背壓降低1 kPa煤耗降低1.0 g·(kW·h)-1計算。

在不同環(huán)境溫度下抽汽前后背壓的情況如圖4所示。由表3和圖4可知，間接空氣尖峰冷卻技術(shù)可降低該機(jī)組背壓3.01～7.2 kPa，全年平均煤耗降低4.7 g/kWh。平均溫度越高，機(jī)組背壓降低越多，尖峰冷卻效果越好。

4 結(jié)論

(1)ACC機(jī)組在夏季高溫時段背壓升高,不能滿負(fù)荷運(yùn)行,需采用尖峰冷卻技術(shù)降低背壓。在分析現(xiàn)有ACC機(jī)組尖峰冷卻技術(shù)的優(yōu)勢與不足后，本文提出間接空氣尖峰冷卻技術(shù)，能有效抵抗ACC機(jī)組背壓波動，且不耗水、傳熱端差小，實(shí)現(xiàn)尖峰冷卻目的。

(2)間接空氣尖峰冷卻技術(shù)有效地提高ACC機(jī)組夏季極端工況運(yùn)行真空，解決機(jī)組春夏秋三季真空差、煤耗高、帶不滿負(fù)荷和大風(fēng)引起的背壓波動等問題，提高機(jī)組運(yùn)行的安全性，降低發(fā)電成本。

(3)以某電廠660 MW直接空冷機(jī)組為研究對象，從原機(jī)組主排汽管道抽出260乏汽引入間接空氣尖峰冷卻系統(tǒng)，通過熱力計算得出，加裝間接空冷系統(tǒng)前后機(jī)組全年背壓降低3.01～7.2 kPa，折算全年平均煤耗降低4.7 g/kWh，需新增間冷傳熱面積411 000 m2。

符號表

A——空冷凝汽器總散熱面積/m2

AF——單位長翅片管的管外總面積/m2

Ay——凝汽器的迎風(fēng)面積/m2

Ai——單位長基管內(nèi)表面積/m2

ar——翅根長軸/m

A∑——計算面積/m2

br——翅根短軸/m

Ca——冷空氣的比熱容/J·(kg·℃)-1

Cpi——循環(huán)冷卻水的平均比熱容/J·(kg·℃)-1

Cp——風(fēng)的比熱容/J·(kg·℃)-1

CR——面積富裕量/[%]

Dc——干式間接空冷系統(tǒng)的抽汽量/kg·h-1

di——基管內(nèi)徑/m

dr——翅根直徑/m

dre——最窄截面處的當(dāng)量直徑/m

Ft——對數(shù)溫差修正系數(shù)

hACCx——蒸汽的焓/kJ·kg-1

hi——管內(nèi)膜傳熱系數(shù)/W·(m2·℃)-1

ho——管外膜傳熱系數(shù)/W·(m2·℃)-1

hf——以翅片總面積為基準(zhǔn)的管外膜傳熱系數(shù)/W·(m2·℃)-1

K——總傳熱系數(shù)/W·(m2·℃)-1

NP——管排數(shù)

Nu——努謝爾數(shù)

Pr——普朗特準(zhǔn)數(shù)

Q——汽輪機(jī)排汽熱負(fù)荷/kW

Q′——采用新型干式間接空冷系統(tǒng)后汽輪機(jī)的排汽熱負(fù)荷/kW

QACC——抽汽優(yōu)化后機(jī)組原有直接空冷散熱量/kW

QC——抽汽優(yōu)化后新增噴射式凝汽器散熱量/kW

Re——雷諾數(shù)

(Re)E——當(dāng)量雷諾數(shù)

rp——金屬熱阻/(m2·℃)·W-1

r∑——翅片垢阻/(m2·℃)·W-1

rf——翅片熱阻/(m2·℃)·W-1

ri——管內(nèi)垢阻/(m2·℃)·W-1

rj——間隙熱阻/(m2·℃)·W-1

S1——橫向管間距/m

S2——縱向管間距/m

T1,T2——循環(huán)冷卻水的進(jìn)出口溫度/℃

Ts1——空冷島入口乏汽溫度/℃

Ts2——空冷島出口凝結(jié)水溫度/℃

t1,t2——空氣的進(jìn)出口溫度/℃

VN——總風(fēng)量/Nm3·h-1

W——汽輪機(jī)排汽流量/kg·s-1

WACC——抽汽后進(jìn)入直接空冷蒸汽量/kg·h-1

Wi——循環(huán)冷卻水的質(zhì)量流量/kg·s-1

γ——原機(jī)組背壓為Pc下的蒸汽的汽化潛熱/kJ·kg-1

γc——抽汽后排汽的汽化潛熱/kJ·kg-1

ΔT——傳熱平均溫差/℃

Δta——冷空氣的溫升/℃

ΔTm——對數(shù)平均溫差/℃

vy——凝汽器的迎面風(fēng)速/m·s-1

λa——空氣在定性溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)/W·(m·℃)-1

λl——定性溫度下水的導(dǎo)熱系數(shù)/W·(m·℃)-1

ρN——風(fēng)密度/kg·m-3