孫玉慶，嚴 君

（1.中國能源建設集團山西省電力勘測設計院有限公司，山西太原 030001；2.山西財經大學，山西太原 030006）

0 引言

現階段，業(yè)主普遍認為直接空冷系統(tǒng)的設計背壓越低越好，一些設計院為了迎合業(yè)主的需求，把機組的設計背壓優(yōu)化的比較低（最低已達9.5 kPa）。但隨著近幾年煤價上漲，全國經濟放緩，加上現在許多地區(qū)比較適合選址的平坦區(qū)域已被選完，多數電廠需要開挖山體或填埋溝壑建廠，對廠址的總體布置限制性比較大。因此，在直接空冷系統(tǒng)優(yōu)化設計中參數的確定至關重要。

1 影響直接空冷系統(tǒng)設計的主要因素

在直接空冷系統(tǒng)優(yōu)化設計中考慮的主要因素有設計工況、設計氣溫、散熱器面積、風機組數量、環(huán)境風、設計背壓、設計流速等。

1.1 設計工況的確定

現階段國內多數汽輪機廠已將汽輪機最大連續(xù)功率TMCR（turbine maximum continuous rating）工況作為空冷機組的銘牌功率，取代以往按照熱耗率驗收功率THA（turbine heat-rate acceptance power）工況作為機組的銘牌功率，便于今后適應機組的各種調度方式[1]。一般TMCR 工況的排汽量比THA 多10%，其發(fā)電量比THA、汽輪機額定功率或銘牌功率TRL（turbine rated load）增加3%左右。

1.2 設計氣溫的確定

在實際工程中，國內對空冷系統(tǒng)設計氣溫的確定有3 種方法，即6 000 h 法、＋5 ℃以上氣溫加權平均法、年平均氣溫法（不是全年的算術平均值，而是正、負氣溫頻率平衡法）?，F階段，結合汽輪機TMCR工況的特性，中國能源建設集團山西省電力勘測設計院有限公司（以下簡稱我院）提出空冷采用＋8 ℃及以下氣溫加權平均法[2]來計算設計氣溫，通過實踐證明可以滿足實際工程需要，且留有裕量。某工程TMCR 工況對應的設計氣溫如表1 所示。

表1 某工程TMCR 工況對應的設計氣溫

其中＋5 ℃及以下氣溫加權平均法為《火力發(fā)電廠水工設計規(guī)范》和《大中型火力發(fā)電廠設計規(guī)范》中規(guī)定的計算方法，大多數設計院在工程設計時需要在此基礎上再預留出一定余量（1～2 ℃）來提高設計溫度值，即設計氣溫=計算值+（1～2 ℃）。與采用＋8 ℃及以下氣溫加權平均法來計算的設計氣溫值基本相當。

1.3 散熱器面積的確定

空冷系統(tǒng)的散熱面積是指與空氣直接接觸的所有傳熱元件的總外表面積，不包括排汽管道外表面積，即等于散熱器管束的迎風面面積×翅化比。由于不同空冷廠家關于散熱器的翅化比計算值相差較大，在相同的迎風面積時，造成各空冷廠家的散熱器面積不一致，其實各空冷廠家的散熱面積是一樣的。我院根據現有各空冷廠家的散熱器管束尺寸（220 mm×19 mm）及翅片尺寸（厚度0.3 mm），經過計算得出真實的單排管翅化比為123。

因此，在評標時，需要將各空冷廠家的散熱器面積統(tǒng)一進行折算，即各空冷廠家散熱總迎風面面積×123 或各空冷廠家散熱器面積/各自翅化比×123。

1.4 風機組數量的確定

以某350 MW 直冷機組為例，若采用超臨界、小機排汽與主機排汽一起冷卻，TMCR 工況對應的排汽量約為740 t/h，比300 MW 亞臨界直冷機組（小機直排）的排汽量多70 t/h（相當于小機的排汽量）。某350 MW 工程直接空冷系統(tǒng)風機組配置比較如表2 所示。

表2 某350 MW 工程直接空冷系統(tǒng)風機組配置比較表

從表2 可看出，超臨界350 MW 直冷機組適合采用36 臺風機配置，在2015 年前投運的亞臨界300 MW 直冷機組均采用30 臺風機配置，兩者之間不可等同，究其原因，一是排汽量不一樣，二是設計背壓不一樣。

直接空冷系統(tǒng)的散熱由散熱器面積和風機組組合搭配來完成，若散熱器面積達到一定程度（散熱器管束夾角為180°），可不需要風機組來驅動散熱，這種情況是最理想的，但一次投資成本將急劇增加。從中可看出，影響直冷散熱的主要因素為空冷散熱器面積，因此不建議在犧牲空冷散熱器面積的基礎上增加風機組功率，即縮小風機組的臺數，應找出空冷散熱器面積和風機組的最佳匹配。

在編制空冷招標文件時，應對單臺機組風機組數量及單臺電機額定功率做限定要求，否則各投標廠家在空冷方案配置時，會以增加單臺電機的功率來換取較小的空冷散熱面積，這樣可減小一次性投資，對投標方有利，但對業(yè)主長遠運行不利，不但增加了電耗，而且空冷系統(tǒng)受環(huán)境高溫大風的影響程度也增大。

在優(yōu)化計算時，直接空冷系統(tǒng)的迎面風速取值不宜太高（2.1～2.2 m/s），當迎面風速發(fā)生變化時，對應的散熱器面積也會發(fā)生變化（迎面風速提高，散熱器的面積減小，風機組耗電量增大）。在某350 MW機組的空冷系統(tǒng)投標中，當單臺電機功率為160 kW時對應的散熱面積比采用132 kW 的單臺機組散熱面積減少約25 萬m2。

綜上所述，業(yè)主應根據具體條件來確定適合本工程的方案。一般超臨界350 MW 直冷機組需要配置36 臺風機組（單臺電動機的額定功率不超過132 kW）；超臨界600 MW 直冷機組需要配置56 臺風機組（單臺電動機的額定功率不超過132 kW）。若場地受限，無法布置36/56 臺風機組，可減小風機組的數量，但單臺電動機的額定功率不宜超過160 kW。

1.5 環(huán)境風的影響

目前，在前期空冷系統(tǒng)比較階段，一提到直接空冷機組，業(yè)主普遍擔心直接空冷系統(tǒng)受環(huán)境風尤其是高溫大風的影響比較大，極易造成不滿發(fā)情況比較多，影響機組的經濟性[3]。

經過對新疆（該地區(qū)環(huán)境風均比較大）多個運行間冷機組的調研，初步得出在夏季7—8 月時，3～5 級高溫大風對機組影響有限，背壓升高約3～4 kPa，5～6級高溫大風影響比較大，7 級大風且氣溫在35 ℃以上時，機組背壓將由50 kPa 升到60 kPa，升高約10 kPa，與其幾十千米外的直冷機組（在地面采用十字形防風措施）相比，間冷系統(tǒng)（目前無實際運用抗風裝置）抗風能力不如直冷機組（采用防風措施），負荷也不如直冷機組（在高溫6 級以上大風時，背壓平均升高4～5 kPa）。當高溫大風來襲時，間冷系統(tǒng)塔內風向比較紊亂，同時塔與塔之間也相互影響，當某一朝向來風時，迎風側的機組比背風側機組的背壓高出約4～5 kPa。

因此，間冷系統(tǒng)和直冷系統(tǒng)均受環(huán)境風影響，只是在間接空冷系統(tǒng)中，凝汽器通過中間介質水來換熱，水又具有熱惰性，有個反應時間遲滯的階段，不像直接空冷那樣反應快，所以給人的印象是直冷機組受環(huán)境風更敏感。目前，對直接空冷防風措施的研究比較多[4]，工程中已有成功運用，例如，在擋風墻下四周加裝防風網、在地面加裝十字形防風網等措施。而間冷系統(tǒng)現階段無防風措施實際運用，僅停留在理論研究階段。

目前，高溫大風對直冷機組的安全性已不造成威脅。在機組實際運行時，當處于低背壓運行時，可通過調控汽機主氣門的進氣量來保持機組的出力不變，當有大風突然來襲時（6～8 m/s，甚至瞬間更高風速），機組的快速減負荷RB（runback）功能并不馬上投運（只有瞬間背壓例如速率升高10 kPa/min 時，才啟動RB 功能），這時背壓會穩(wěn)步升高（2 kPa/min），將進入下一個運行模式，機組將在高背壓段運行（不超過機組跳機背壓），可通過增加汽機的排汽量（背壓越高，排氣量越大）來繼續(xù)維持機組的出力不變，只有當背壓達到例如45 kPa 時（具體可根據運行需求設定），背壓在瞬間升高（例如2～3 kPa/min）才啟動RB 功能。即當高溫大風來襲時，RB 功能并不馬上啟動降負荷，而是機組可通過自身滑壓運行，通過變工況調節(jié)排汽量，繼續(xù)維持機組的出力不變，只有當極限情況下（將要超過機組跳機背壓時），才啟動RB 功能，降負荷運行。

1.6 設計背壓的確定

設計背壓是指通過空冷系統(tǒng)優(yōu)化計算確定的對應“設計氣溫”下的汽輪機背壓值。在計算空冷系統(tǒng)的設計背壓時，不應忽略排汽裝置和排汽管道壓降值[5]，在實際運行時，排汽裝置的壓降往往比汽機廠提供的偏大。以300 MW 機組為例，汽機廠提供的壓降值為0.3 kPa 左右[6]，一般現場實測值約0.5 kPa。因此，在進行空冷系統(tǒng)性能考核時，在低壓缸排汽處壓力無法測得，應在排汽裝置出口處進行測試。

在空冷系統(tǒng)優(yōu)化計算時，方案不宜少于5 個（即5 種不同的背壓值），采用年費用最小法進行計算。對優(yōu)化計算結果經綜合分析后，選取合理的優(yōu)化方案，在優(yōu)化方案數據表中，比較每個方案的年總費用大小，理論上較小者即是較為經濟、合理的配置方案，即該方案設計氣溫對應的汽輪機背壓為最佳的空冷機組設計背壓。在最優(yōu)的方案中，利用TMCR 工況對應空冷系統(tǒng)的冷卻容量反算TRL 工況對應空冷機組的設計背壓，一般至少可預留出3 kPa的背壓富裕量，同時還能保證空冷散熱面積不超出原有散熱面積（不發(fā)生變化）。

結合我院最近投運工程的優(yōu)化結果，TMCR 工況對應排汽背壓為11 kPa 時直接空冷系統(tǒng)年總費用相對較小。

應業(yè)主的需求，現在許多正在招標或已招標的空冷機組的設計背壓都向小的方向優(yōu)化，直冷最低設計背壓已達到9.5 kPa。以某超臨界350 MW 直冷機組為例，當TMCR 工況對應設計背壓由11 kPa 降到9.5 kPa 時，單臺機組的空冷散熱面積將增加約25 萬m2，增加的設備費用主要靠增加的發(fā)電量來彌補。從近2 a 空冷廠家投標價格看，空冷設備價格還保持在一個高價區(qū)間，以350 MW 機組為例，2019年2 臺直冷系統(tǒng)設備價格比2016 年高出約2 000萬元，通過計算，不足以抵消因設計背壓降低而引起空冷系統(tǒng)設備費用的增加部分。

在實際中，經過對多個電廠的調研，北部地區(qū)空冷機組常常不能滿負荷發(fā)電[7]，機組利用小時數更低（有些機組停一臺運行一臺）。因此，若一味追求降低機組的設計背壓，只會增加企業(yè)的運行負擔。

1.7 設計流速的確定

排汽管道的壓降與管道中介質流速的平方成正比關系，在低背壓時可選擇高流速，在高背壓時可選擇低流速[8]。例如，當10.5 kPa 時對應的排汽管道流速和12 kPa 時對應的排汽管道流速是不一樣的[9]。按照國標《火力發(fā)電廠直冷系統(tǒng)設計規(guī)范》（送審稿）中要求“校核阻塞背壓工況下介質流速不大于130 m/s”，例如某超臨界350 MW 機組，從排汽裝置接出1 根DN6 000 mm 排汽管道時，在安全運行低背壓（7～8 kPa）下介質流速約為122 m/s，可滿足要求。因此，對于300 MW（單根）、600 MW 級（2 根）機組，通過計算得出，排汽管道直徑采用DN6 000 mm即可，不宜再擴大。

2 結論

結合目前實際工程優(yōu)化結果對影響直接空冷系統(tǒng)配置的一些設計參數（設計工況、設計氣溫、散熱器面積、風機組數量、環(huán)境風、設計背壓等）進行分析和總結，得出以下結論。

a）按照TMCR 工況對應的排汽參數作為直接空冷系統(tǒng)考核的邊界條件。

b）TMCR 工況對應設計氣溫按照＋8 ℃及以下氣溫加權平均法來計算，通過實踐證明可以滿足實際工程需要。

c）在進行直接空冷散熱器面積計算時，應按照散熱總迎風面面積×123 或統(tǒng)一把空冷廠家的散熱器面積折算到翅化比為123 時對應的散熱器面積。

d）目前，高溫大風對直冷機組的安全性已不造成威脅，直冷系統(tǒng)（采用防風措施）抗風能力比間冷系統(tǒng)（目前無實際運用抗風裝置）強。

e）結合現階段煤價、機組利用情況、設備費用等，同時考慮今后直冷系統(tǒng)度夏（抗高溫大風）的富裕量，其設計背壓取值在10.5～11 kPa 范圍內，不宜再盲目降低。

f）對于300 MW（單根）、600 MW 級（2 根）機組，排汽管道直徑采用DN6 000 mm 即可，不宜再擴大。

g）采用單臺電機額定功率不超過132 kW 來確定空冷系統(tǒng)的風機組數量，若現場廠址條件限制，可采用單臺電動機額定功率不超過160 kW 來確定空冷系統(tǒng)的風機組數量。