直接空冷系统运行特性变工况研究

韩永魁，卢家勇，石红晖

（山西电力科学研究院，山西 太原 030001）

0 引言

北方富煤缺水地区大规模火电站的建设，促进了电站空冷技术的迅速发展和广泛应用。针对空冷机组夏季运行经济性恶化、限负荷运行严重等问题，通过投用喷雾冷却系统，可使机组运行背压得到有效降低[1]，但存在除盐水耗水量大，空冷散热面长时间喷水降温，表面易腐蚀受损的隐患。

空冷机组的运行背压受环境温度及热负荷的影响很大，而运行背压对机组整体经济性的影响，除受空冷岛本身性能影响外，还与运行环境温度的时间分布、机组负荷率分布有直接关系，因此，在对机组运行工况的统计分析和空冷系统性能的全面掌握的基础上，开展机组和空冷系统的变工况特性分析研究，对指导空冷优化运行及系统的技术改造工作具有重要作用。

1 空冷机组运行参数的统计分析

为掌握机组环境气温变化及负荷背压的变化情况，对机组全年运行参数进行了统计分析。统计分析结果表明：环境气温特性、机组负荷、背压随日小时的变化规律存在一定的规律性，同时也存在一定的随机性，这跟当地季节雨季特性有关系；整体上，机组运行背压随环境温度及负荷的升高而明显升高，且机组负荷率高的时段往往处在环境温度相对较高的时间段，该时段也正是电网“迎峰渡夏”电负荷需求最大的时间段，因此，日气温特性和负荷特性的不同，对机组经济性的影响会有较明显差异。

2 空冷机组冷端变工况计算分析

空冷凝结器的容量是在一定运行条件下，根据主机排汽参数设计确定的。汽轮机负荷的变动，环境气温的变化，空气流量的变化均会改变空冷凝汽器的工作状态，从而导致汽轮机排汽背压的变化，而排汽压力的变化又会改变机组的排汽热负荷，因此，把空冷系统与主机作为一个整体进行全面的变工况计算，对掌握机组冷端的实际运行特性，研究空冷系统和机组性能变化及其相互影响；对掌握机组经济性的影响，进而确定空冷系统的增容改造容量及其技术经济性的评估都具有重要作用。

根据空冷系统结构参数和主机设计特性，通过空冷系统变工况计算可以确定机组的冷端变工况特性；通过改变风机转速、机组负荷可得到不同环境温度下的冷端参数，进而可以确定相关参数变化对经济性的影响。初步计算表明：机组背压随环境温度升高及负荷率增加而增加。图1为机组及空冷系统设计特性下，风机转速为额定时不同机组负荷率的机组背压与环境温度关系。

结果表明：在额定风机转速下，以最高运行背压35 kPa为限，满负荷对应的最高环境温度34℃，极端温度40℃对应的最高负荷为81%。从设计角度空冷系统可基本保证机组满负荷运行。

图1 设计特性下机组背压与环境温度的关系

图2为考虑主机性能影响后，机组及空冷系统实际运行特性下机组背压与负荷风温的关系。

结果表明：由于空冷系统换热能力下降和机组排汽热负荷增加，机组的运行背压有了明显升高。在额定风机频率下，以最高运行背压35 kPa为限，满负荷对应的最高环境温度25℃，极端温度40℃对应的最高负荷为60%。以最高运行背压40 kPa为限，满负荷对应的最高环境温度27℃，极端温度40℃对应的最高负荷为67%。

根据上述机组及空冷系统的设计特性和实际运行特性，进一步计算分析空冷系统及主机热力性能变化对背压及煤耗的影响程度。

图2 实际特性下机组背压与环境温度的关系

由于机组实际热耗水平高，同时运行背压的升高对其经济性会产生进一步的恶化。在相同环境温度下，维持机组相同背压系统的情况下，排汽热负荷增加的附加热负荷也增加了机组的煤耗水平，同时考虑空冷性能和机组性能下降，对机组经济性的影响更为明显。

基于上述分析，进一步研究表明，采取增加空冷系统容量等技术手段减小进入原空冷系统的热负荷，可起到降低机组的背压，进而提高机组的经济性的作用。通过改变空冷系统不同比例的进汽热负荷变工况计算，分析了不同环境温度下，100%风机转速下机组及空冷实际特性机组煤耗下降与热负荷减小率的关系，见图3。

计算结果表明，机组背压随空冷系统的热负荷减小率的增加而下降，并随环境温度的增加和负荷的升高其下降幅度增加，而且在机组实际性能下时其效果更为明显。

图3 100%风机频率机组及空冷设计特性机组煤耗下降与热负荷减小的关系

减小进入现有空冷系统的进汽热负荷的措施，除了增加空冷散热单元外，还可采用干、湿冷复合冷却的方式。从机组排汽系统中抽取部分比例的蒸汽，采用湿式冷却系统进行冷却，在夏季工况的中高温时间段投入，起到尖峰冷却的作用。利用环境温度高、相对湿度低的特点，干、湿冷复合冷却高气温时段，干、湿球温差大，湿冷系统的相对出力增加，能更好地起到补偿空冷系统冷却能力不足的作用。

图4 不同湿冷设计容量下煤耗下降与环境温度及负荷的关系

通过选取机组典型工况进行复合冷却系统的冷却能力模拟计算，确定了不同温度下，不同的湿冷容量，实际运行煤耗下降与基准热负荷率的关系见图4。在相同基准热负荷率下，机组背压和煤耗水平的下降幅度随负荷及环境温度的升高明显；随着基准热负荷率的减小，机组背压和煤耗水平的下降幅度也随之增加，但相对增幅趋缓。

3 结论与建议

a）实际运行及试验结果表明，空冷系统性能不良，主机热耗水平高严重恶化了机组冷端的运行条件，对机组经济运行产生严重的影响，并导致机组限负荷严重，不满发小时数增加。

b）采用增加空冷系统冷却单元、提高风机转速和增设湿式尖峰冷却系统等不同增容改造方式，可以达到降低机组运行背压、提高经济性的效果，但其变工况特性及节能效果有较大的差异。

c）通过增容减小现有空冷系统的进汽量，是控制运行背压过高，提高经济性的有效手段，其效果在高气温、高负荷下更为明显。

d）系统改造的节能效果随增容量的增加趋于平缓，特别是在环境温度中、低的时段，系统增容后运行背压下降幅度会较高气温区明显减小，冬季运行时还会增加系统的防冻压力，合理确定系统的改造方式，增容容量可获得较好的技术经济性。

e）系统增容的实际效果与环境温度的分布、调度调峰运行方式、机组负荷率及其分布有很大的关系，节能改造的经济性评估需依据机组实际运行情况来确定。

［1］ 马庆中，张龙英.直接空冷凝结器尖峰冷却系统的研究与应用［J］.山西电力，2009（1）：20-24.