直接空冷机组空冷岛地下进风技术研究

周兰欣，王 喆，吴红杰

(华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003)

0 引言

直接空冷机组凝汽器是用空气来冷却汽轮机排汽的，其换热性能受环境参数影响很大，空气温度每降低1℃，凝汽器压力降低1 kPa左右，发电煤耗降低约2.5 g/kW·h。

目前，直接空冷机组凝汽器布置于标高40余m的空冷平台上。因为进风口高位布置，受环境条件影响大[1～3]，容易出现热风回流[4]、倒灌，凝汽器翅片表面不清洁，凝结水含氧量高和冬季设备冻结等问题[5];其中，夏季排汽压力高和传热管传热系数低的问题尤为突出。

已有学者针对空冷岛的结构做了优化研究工作[6，7]。本文提出空冷凝汽器采取地下进风的布置方式，可缓解上述诸多问题，为空冷岛结构优化设计提供一个新思路。

1 空冷岛地下进风技术方案

1.1 结构布置

所谓空冷岛地下进风，是将空冷平台高度由目前的40余m，降低到如图1所示的接近地面布置图，环境空气通过地下通道进入到风机的入口，如图2。

空冷平台低位放置后，除汽机房一侧外，其他三侧各布置一个地下进风通道。在进风口处加装空气滤网，在地下风道里布置除盐水喷雾装置，对进入的空气进行冷却降温和净化，风道的内壁装设不锈钢板，以方便回收除盐水。

图1 当前空冷岛高位布置结构示意图Fig.1 Fig．1 Structure diagram of air-cooled island of high altitude layout

图2 空冷岛地下进风结构示意图Fig.2 Structure diagram of air-cooled island with underground ventilation

1.2 通流面积计算

某600 MW直接空冷机组有56个空冷单元，每个单元的凝汽器迎风面面积约为220 m2，空冷岛56台风机的总通流面积约为2 710 m2。

夏季额定工况下，维持凝汽器压力与热负荷不变，计算得到地下风道内空气流速不同时，所需风道通流面积与空气温度的关系，如图3。

图3 风道通流面积与空气温度关系Fig.3 Relationship between the flow area of wind channel and air temperature

2 地下进风结构优势分析

空冷岛地下进风布置方式，主要有以下优势:

(1)避免了热风回流和倒灌。空冷岛地下进风方式中，冷空气经过地下风室进入散热器，风室内空气流场相对均匀稳定。风机入口没有横向风的影响，进入空冷单元的空气分布均匀，通风量稳定，可有效防止“热风回流”和“倒灌”现象的发生，减少环境大风对凝汽器通风量的影响。

(2)地下土壤层是一个大的蓄热体，温度较为恒定，地下室冬暖夏凉。在高温的夏季，经由地下风道进入风室的空气，会得到一定程度的冷却，温度有所降低;冬季，空气得到壁面的加热，有利于凝汽器防冻。

(3)净化空气，提高传热效果。在地下风道入口处加设筛型滤网，通道内部设喷雾装置，不但对空气有增湿降温的作用，而且还可以对流动空气中的杂物及灰尘进行过滤，避免了对换热器翅片的污染，有利于传热。

(4)回收除盐水。为了保证夏季凝汽器真空，直接空冷机组都采用除盐水进行“喷雾增湿”。600 MW机组在夏季高温时段喷水量约200 t/h，而每年由于喷雾损失掉的除盐水量近80 000 t，经济损失约200万元。空冷岛地下进风结构，在地下风道的内壁面装设不锈钢板，以回收过量的除盐水，沉淀、净化处理后循环使用，节约用水。

(5)减小排汽阻力，提高凝汽器真空。空冷平台高度降低以后，通往凝汽器的粗大排汽管道长度大大缩短，管道阻力损失降低，且垂直排汽管里的蒸汽柱压降减小，使汽轮机背压降低。经计算，600 MW空冷机组在额定负荷工况下，由于标高降低而缩短的管道的沿程阻力损失[8]约为0.033 kPa，蒸汽柱产生的压降约为0.063 kPa，上述两项损失之和为0.096 kPa。

(6)减少投资。排汽管道随空冷平台高度的降低而变短，减少了管道钢材使用量;同时，空冷平台钢筋混凝土支柱及其它管线变短，降低了空冷岛的整体造价。

3 凝汽器压力计算

600 MW空冷机组额定工况下排汽热负荷为773 MW，下面分别从翅片表面积灰以及环境风温、风速三方面，对空冷岛地上进风和地下进风方式下的凝汽器压力进行计算和比较分析。

3.1 凝汽器传热计算

空气在翅片间流动处于层流状态，采用Sieder-Tate公式[9]计算其对流传热系数:

式中:l为沿空气流动方向上翅片长度，m;d为翅片间隙当量直径，m;λ为空气导热系数，W/(m·K);ηf和ηw分别为平均温度和壁面温度下的空气动力粘度，Pa·s。

空气侧对流传热热阻是凝汽器散热的主要热阻，翅片管内蒸汽凝结热阻以及管壁导热热阻数量级很小[10]，在此计算中忽略不计，同时不考虑管内污垢热阻，近似认为空气侧对流换热系数即为凝汽器传热系数。

考虑到翅片表面积灰对传热的影响，凝汽器传热系数[11]:

式中:k0和k'0分别为翅片表面清洁和积灰条件下的传热系数，W/(m2·K);δd为积灰厚度，m;λd为灰导热系数，W/(m·K);c为积灰系数，取为0.4;β为翅片管肋化系数，取14.88。

由效能—传热单元数法[12]，计算凝汽器内的蒸汽温度t1。凝汽器压力与蒸汽温度的关系[13]:

3.2 积灰对凝汽器的影响

在地下通道内，经过用除盐水喷雾，进入风机的空气变得干净，使空冷单元内侧的翅片表面积灰减少(裸露在空冷单元外侧的翅片积灰情况没有变化)。翅片表面积灰的变化会影响到散热器的传热系数和通风量。

3.2.1 凝汽器传热系数

根据凝汽器翅片管束的特征尺寸，考虑迎面风速以及翅片表面积灰的影响，计算得出不同条件下的凝汽器传热系数，如图4。

3.2.2 通风量对凝汽器压力的影响

凝汽器翅片表面积灰和其它杂质沉积，不仅使凝汽器传热系数降低，而且使翅片间通流面积减少，通风量降低[14]。本算例中凝汽器翅片间距为2.3 mm，翅片表面积灰厚度每增加0.1 mm，翅片间隙的通风面积降低4.35%，通风量也相应减小。

图4 不同条件下的凝汽器传热系数Fig.4 Condenser heat transfer coefficients under different conditions

考虑空冷单元内侧翅片表面积灰减少，对通风量产生的影响，得到凝汽器压力与通风量的关系，如图5。

图5 凝汽器压力与通风量的关系Fig.5 Relationship between condenser pressure and air volume flow rate

由图5可知，在环境温度30℃时，翅片表面积灰厚度每增加0.046 mm，使凝汽器通风量减少2%，压力升高1 kPa左右。空冷岛采用地下进风的方式，使空冷单元内侧翅片表面洁净，传热系数增加，且空气流通顺畅。与地上进风方式相比，若翅片表面积灰厚度减少0.138 mm，通风量由此增加6%，可使凝汽器压力降低3～3.5 kPa。

3.3 风温不同时的凝汽器压力比较

空气温度对凝汽器压力的影响十分明显。不考虑翅片表面积灰变化，散热器的迎面风速为2 m/s，计算不同环境温度下的凝汽器压力，结果如图6。

地上进风方式，由于热风回流使凝汽器入口空气温度高于环境大气温度约0.6℃。空冷岛采用地下进风方式后，避免了空冷单元入口空气温度升高;相反，由于地下风道的喷淋作用，可使凝汽器入口的空气温度降低5～6℃，达到对应状态下的湿球温度[15]。由图6可知，随着风温的降低，凝汽器压力降低;在相同环境温度下，空冷岛地下进风方式相比于地上进风，可使凝汽器压力降低5～7 kPa。

图6 风温对凝汽器压力的影响Fig.6 Effect of wind temperature on condenser pressure

3.4 风速不同时的凝汽器压力比较

环境风会影响空冷岛的通风量，尤其当风速较大时，会使部分空冷单元发生倒灌，严重影响凝汽器的正常通风与换热。在风温为30℃的工况下，不考虑翅片表面积灰变化，计算不同环境风速时的凝汽器压力，如图7。

图7 风速对凝汽器压力的影响Fig.7 Effect of wind velocity on condenser pressure

由图7可知，地上进风时，随着环境风速的增大，凝汽器压力明显升高，且当风速大于8 m/s时，凝汽器压力将超过35 kPa的极限值;采用地下进风方式时，其通风量受环境因素影响很小，环境平均风速3 m/s时，凝汽器压力比地上进风低2.04 kPa，并且，其差别随风速的增大而增大。

3.5 两种凝汽器布置方式综合比较

夏季工况，空气相对湿度为65%，环境风速为3 m/s。与地上进风方式相比，在地下风道内对空气进行喷水降温，使凝汽器入口空气温度降低6～7℃，翅片表面平均积灰厚度减少0.2 mm，传热系数由25.66 W/(m2·K)增大为28.88 W/(m2⋅K)。

根据上述条件，两种进风方式下的凝汽器压力差别，如图8。

图8 凝汽器压力综合比较Fig.8 Comprehensive comparison of condenser pressure

由图8看出，环境温度为30℃时，地上进风的凝汽器压力将达到33.29 kPa;采用地下进风的方式，压力会下降到 20.48 kPa，降低了 12.81 kPa。与目前地上进风方式相比，空冷岛地下进风可使凝汽器压力降低10～14 kPa，且环境温度越高，压力降低幅度越大。

4 结论

本文提出了空冷岛地下进风方式，讨论了空冷岛地下进风在节约用水、降低排汽压力等方面的优越性，对比分析了环境风温、风速等因素对两种进风方式凝汽器压力的影响，结论如下:

(1)空冷岛采取地下进风布置方式后，每年可回收利用喷雾增湿除盐水约80 000 t，减少喷水费用约200万元;

(2)空冷岛高度降低以后，由于竖直排汽管道变短而使排汽阻力损失降低约0.096 kPa。

(3)空冷岛地下进风方式，能显著改善空冷单元的工作性能。在夏季同一工况下，可使凝汽器压力降低10～14 kPa。

(4)空冷平台下方需设置一定通流面积的地下风室和风道，其内部空气流场分布以及凝汽器换热效果，需通过实验或数值模拟进一步验证。

[1]何纬峰，戴义平，马庆中．环境风对空冷单元运行性能影响的数值研究[J]．中国电机工程学报，2011，31(20):13－18．

[2]杨立军，杜小泽，杨勇平．环境风影响下的空冷岛运行特性[J]．工程热物理学报，2009，30(2):325－328．

[3]Yang Liyong，Du Xiaoze，Yang Yongping．Wind effect on the thermo-flow performances and its decay characteristics for air-cooled condensers in a power plant[J]．InternationalJournalofThermal Sciences， 2012，(53):175－187．

[4]段会申，刘沛清，赵万里．电厂直接空冷系统热风回流的数值模拟[J]．动力工程．2008，28(3):395－399．

[5]石维柱．直接空冷机组优化运行关键技术研究[D]．北京:华北电力大学，2010．

[6]周兰欣，李建波，李卫华，等．600MW机组空冷岛外部流场的数值模拟与结构优化[J]．中国电机工程学报，2009，29(17):38－42．

[7]周兰欣，白中华，李卫华．直接空冷机组空冷岛结构优化研究[J]．汽轮机技术，2008，50(2):95－97．

[8]孔珑，杜广生，赵兰水．流体力学[M]．北京:等教育出版社，2004．

[9]杨世铭，陶文铨．传热学 (第四版)[M]．北京:高等教育出版社，2006．

[10]周兰欣，杨靖，杨祥良．300MW直接空冷机组变工况特性[J]．中国电机工程学报，2007，27(17):78－82．

[11]郭民臣，任德斐，李鹏．空冷凝汽器积灰对运行调节影响的计算分析[J]．中国电机工程学报，2012，32(11):60－65．

[12]邱丽霞，郝艳红，李润林，等．直接空冷汽轮机及其热力系统[M]．北京:中国电力出版社，2006．

[13]赵静．直接空冷机组冷端热力特性仿真与节能研究[D]．唐山:河北联合大学，2010．