火电机组直接空冷系统优化设计分析

秦占俊

（源和电站，山东 济南 250000）

火电机组直接空冷系统优化设计分析

秦占俊

（源和电站，山东 济南 250000）

直接空冷系统是火电机组中的主要组成部分，该系统的优化设计关系到火电机组的经济、安全、持久运行，且已经成为广大工程、科研人员关注的关键问题。本文主要对火电机组直接空冷系统进行详细的阐述，并对系统优化设计中涉及到的设计气温、设计背压、初始温差以及迎面风速等参数选取方法进行了着重的分析，以保证火电机组可以经济、有效的持久运行。

直接空冷系统；火电机组；参数；选取

燃煤电厂仍然是我国发电的主要来源，决定了我国的能源特点。然而，当前国内水资源的匮乏又决定了节水技术在燃煤电厂中的重要性。空冷技术在火电机组中的广泛使用大大的节约了电厂的用水量。

自20世纪30年代，空冷技术出现，并逐渐发展为直接空冷和间接空冷两种技术。直至20世纪70年代，电冷技术得到广泛推广，使得空冷系统的装机容量得到几何指数级的速度增长，直接空冷机组的装机容量占据较大比例。其中，总装机容量达到万千瓦的灵武公司已经成为“西电东送”的最大的火力发电厂之一和主要电源支撑点，这对于富煤缺水区域的电力行业的发展具有重大意义。本文主要对火电机组直接空冷系统进行详细介绍，并对直接空冷系统中各设计参数的选取优化进行详细分析，以供广大工程技术人员借鉴。

1 火电机组直接空冷系统的组成

火电机组的空冷系统利用空气将进入热交换器的汽轮机的排气进行热交换冷凝。火电机组直接空冷系统使用的空冷凝汽器是采用数量不等的双排或单排椭圆翅片管束组成的，且其空冷系统所需的冷却空气通常由机械通风方式提供。

火电机组直接空冷系统的汽轮排汽往往利用具有较大直径的排气管道输送到位于室外的主厂房前的空冷凝汽器中，轴流风机将冷空气输送至冷凝器外表面并对冷凝器内的排汽进行冷凝，冷凝成水的排汽将进行处理，并输送到锅炉的给水系统。

火电机组的直接空冷系统是指从冷凝水的泵入口至汽轮机低压缸排汽口之间的管道和机械设备，主要由以下几大系统组成：疏水系统、控制系统、空冷凝汽器冲洗系统、通风系统、凝结水系统、空冷凝汽器以及汽轮机排汽管道系统。在这所有的系统中，直接空冷汽器单元扮演着最重要的角色，其主要作用是将汽轮机的排汽冷凝成水。

2 火电机组直接空冷系统中设计参数的选取

与湿冷系统不同，直接空冷系统具有较高的背压和较小的换热系数，因此其换热面积需要足够大才能够实现对汽轮机排汽的良好冷凝效果，且直接空冷系统中要求有较多的大功率风机，这又增添了系统的投资和运输风机的交通费用。因此，如何对直接空冷机组系统进行优化设计成为节约成本、增加收益的关键。直接空冷系统的优化设计指的是通过综合考虑，对系统的配置进行各方面的经济优化，从而选取适合的背压、空冷凝器冷却的面积和其他主要部分的配置参数，从而使机组的正常运行得到保障，并使得火电机组直接空冷系统可持久处于最佳的工作状态。

2.1 系统设计气温的选取

空冷电厂的气温设计直接关系到设计背压的选取，而合理的设计背压对汽轮机的选型具有重要的指导作用，其将为电厂带来良好的经济效益。因此，直接空冷系统设计气温的选取对火电机组直接空冷系统的运行具有重要意义，其常规的选取方法主要有以下几种。

（1）6000小时法。6000小时法的原理是依据年平均气温法，绘制出典型年的小时气温统计表，将气温按从低到高的顺序排列，选取该表上5000小时所对应的气温作为设计气温。

（2）年平均气温法。按由大到小的顺序将典型年运行小时内气温进行排序，得到典型年的小时气温表，再根据典型年的小时气温表绘制出典型年的小时气温历时频率曲线，曲线上正负面积相等的点所对应的温度即为设计气温。

（3）5℃以上平均气温法。该法是以及年平均气温法的典型年的小时气温统计表，将5℃以下的气温作为5℃的条件下，并与5℃以上的气温进行加权平均计算，将得到的气温作为系统的设计气温。

（4）30%频率曲线法。该法是根据年平均气温法的典型年小时气温历时频率曲线，曲线中30%点对于的气温即为设计气温，该值与6000h法的设计气温值相差不大。

2.2 初始温差（ITD值）的选取初始温差的物理意义是指空冷凝器的散热能力的强弱，其能直观反映出火电机组直接空冷系统的规模。ITD值的选取主要考虑环境温度、直接空冷机组的投资成本和运行成本、燃料费和电价等因素。此外，在选取初始温度时，还需综合考虑技术经济的可行性和工程的实际需要。如电厂所在的区域周边用电需求量较大，则初始温度应选取较低值；若电厂所在区域的燃料价格较低，则初始温差可以选取稍高的值。在此基础上，通过综合优化并结合工程的实际需求确定合理的初始温差。

2.3 设计背压的选取

设计背压是设计部门、业主以及制造厂家对空冷系统最注重的关键问题，设计背压的选取是整个系统设计的基础。设计背压的确定主要受环境稳定与环境风速、汽轮机的排汽量和进汽量等因素的影响。设计背压由设计气温和初设温差确定。在我国寒冷地区，常常将设计背压确定在较低的值，相反，在温度较高的地区，设计背压则一般选择较高值。具体来看，空气温度对背压的影响体现在两个方面：首先，在环境气温较低的冬季，由于进气温度较低，导致汽轮机组背压下降，机组整体热消耗下降，在此情况下容易出现冻管现象；另一方面，高温条件下，过高的进气温度导致进风口温度升高、空冷散热器负荷增大、空冷系统输出功率降低，最终导致汽轮机组背压上升，严重时导致停机。下图是直接空冷系统中环境温度对汽轮背压的影响图。从图2中可以看出，背压随环境温度的升高而升高，温度越高背压上升的越快；随着环境温度的升高，汽轮机背压会升高，且随着环境温度升高背压急剧升高。

2.4 迎面风速的选取

火电机组直接空冷系统中，迎面风速对风机的选型有直接的影响，且还关系到总供电量的多少，并最终影响着设计背压和初始温差的选取。因此，迎面风速在整个直接空冷系统具有重要作用。针对散热面积较小的直接空冷凝汽器，为满足夏季满载发电的排热量需求，其迎面风速需选取较高值区间。相反，若直接空冷凝汽器的散热面积较大，则对于的迎面风速可选取相对较小的区间值。对迎面风速的选取，要求对整个系统优化过程中进行全面考量。在匹配最优散热面积和满足工程的实际需求的条件下确定迎面风速，并最终确定风机的型号。相对应的，提高机组的抗风能力是设计的重要内容，有以下几种方式可供选择：①减少热风再循环量，设置挡风墙可以有效降低空冷平台周围的风速；②降低平台进风口的风速，减少负压区的产生。

图2 直接空冷系统中环境温度对汽轮背压的影响图

3 结束语

火电机组直接空冷技术的广泛应用极大的节约了水资源，同时节省了电厂的供水系统的工程量与成本，为电厂火电机组的高效率、低成本运行提供了坚实的保障。针对火电机组直接空冷系统优化设计时各主要参数的选取，需要结合工程实际需求，并依据厂址环境（环境稳定）、投资运行成本、燃料费和电价等各因素进行确定，并最终保障火电机组的可靠、经济、持久的运行。

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1671-0711（2016）12（下）-0093-02