间接空冷系统冷端优化设计软件研发

薛海君，王永新，石磊

(1.双良节能系统股份有限公司，江苏 江阴　214444；2.北京交通大学 土建学院，北京　100044)



间接空冷系统冷端优化设计软件研发

薛海君1，王永新1，石磊2

(1.双良节能系统股份有限公司，江苏 江阴214444；2.北京交通大学 土建学院，北京100044)

为保证间接空冷电厂的安全、稳定和经济运行，采用年总费用最小法，开发了间接空冷系统优化设计软件，包括热端、冷端及塔型优化软件的编程思路、组成和框架、研究策略、实施步骤和计算方法，并通过间接空冷工程项目验证了程序的正确性。

工程热物理；间接空冷系统；优化设计；空冷塔；间冷散热器；冷端

0　引言

间接空冷(以下简称间冷)系统的优化对间冷电厂的安全、稳定和经济运行具有十分重要的意义。间冷系统的优化涉及整个热力系统的冷、热端及塔型等，主要包括汽轮机机型、凝汽器形式、间冷散热器(IDCR)性能、空冷塔塔型及循环冷却水管网等[1-4]。

凝汽器可分为表面式和混合式；空冷塔可分为钢筋混凝土塔、钢结构外覆铝板塔及钢索铝板塔；散热器按材质不同可分为钢管钢翅片、铝管铝翅片及钢管铝翅片；换热管按管型不同，分为圆管、椭圆管和扁管。同一管型，当基管间的行间距和列间距不同，翅片厚度和间距不同时，管束的翅化比也有所不同。散热器按管排数不同，分为2排、4排和6排管，可以在空冷塔外垂直周向布置或在空冷塔内水平布置。根据流程不同，IDCR水系统可分为单流程和双流程。汽轮发电机组与空冷塔按匹配方式不同，可分为1机1塔、1机2塔或2机1塔。给水泵汽轮机(又称小机)排汽可通过IDCR冷却或单独冷却。当采用排烟冷却塔时，可采用烟塔合一或3塔合一的方式。上述设备、构筑物和系统形式排列组合成了多种形式的间冷系统。间冷系统优化涉及机务、热动、给排水、结构等专业，系统复杂，设备多，开发难度大。

间冷系统优化和变工况理论研究并不多见[5-6]，主要集中在20世纪90年代200 MW级海勒式和哈蒙式机组引进阶段，并在优化中采取了一些简化。近年来，业界对间接空冷系统的认识水平有了较大提高。对工程项目进行简单方案比较和经济性分析早已不能满足项目要求，随着间冷项目的增多和竞争加剧，各设计单位对间冷系统的优化越来越重视，相关软件的开发迫在眉睫。以下简要介绍北京交通大学与广东省电力设计研究院有限公司联合开发的间冷优化设计软件[7]。

1　优化思路

间冷系统的优化设计是个技术经济问题，要进行多方案的比选。优化计算综合考虑初投资和运行费用，使空冷系统在寿命期内年总费用最小。同时，还要对工程投资、投资回收率、发电成本等因素进行敏感性分析[8-9]。

汽轮机低压缸排汽在凝汽器中被循环冷却水冷凝，凝结水经泵送回汽轮机回热系统。冷却水吸热，温度升高，进入空冷塔IDCR，被环境空气冷却后，再次回到凝汽器，如此循环。汽轮机低压缸排汽温度，循环冷却水进、出塔温度及空气进、出塔温度之间的关系见式(1)～(3)，曲线如图1所示。

(1)

(2)

(3)

式中：tc为凝汽器压力对应的饱和温度，℃；tw1,tw2分别为循环冷却水进、出塔温度，℃；Δt为凝汽器端差，℃；ta1,ta2分别为空气进、出塔温度，℃；tITD为间冷系统初始端差，℃；Δtw为循环冷却水温升，℃。

根据当地典型年气象资料，可确定设计气温和满发气温[10-11]。汽轮机机型不同，末级叶片的长度不同，相同机型汽轮机设计背压也不同，凝汽器结构形式、IDCR水流程、传热系数、传热面积和端差也有所不同。当汽轮机、凝汽器、循环水参数固定时，间冷系统的初始温差(ITD)设计保持不变，对系统参数的优化即为对固定ITD的优化；反之，则设计ITD

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随之改变，对系统参数的优化即为对设计ITD的优化。

图1　温度关系曲线

2　软件特点和组成

软件适用于不同类型的间冷系统，并与Excel软件连接，有效提升了其数据处理能力，极大地方便了使用者。软件的开发基于塔外垂直周向布置的铝管铝翅片IDCR，通过改变IDCR的传热和阻力特性，完成对塔外垂直周向布置的钢管铝/钢翅片IDCR和塔内水平布置IDCR的研究、优化、设计及校核计算，完成间冷塔的塔型优化和间冷系统各部分阻力、抽力和阻力平衡的计算。根据不同的汽轮机特性，完成机组变进汽量和出力状态下间冷系统的设计计算、变工况计算及综合优化。

固定ITD的优化是根据冷却管束性能对IDCR不同迎面风速和空冷塔型进行优化。设计ITD的优化涵盖了固定ITD的优化范畴，此外还包括对汽轮机和凝汽器参数的优化。优化计算包括间冷系统基本设计、方案设计、设备选型、全年变工况计算、经济性分析和方案优选。整个软件的基本组成和主要功能模块如图2所示，围绕软件基本组成详述软件的研究策略、关键技术、实施步骤及计算方法。

图2　间接空冷机组冷端系统优化设计软件组成

3　基本设计优化

根据计算或考核工况，一般为汽轮机额定功率(TRL)或最大连续功率(TMCR)工况，进行热力计算及校核计算。根据冷却管束参数，调整IDCR迎面风速和冷却三角个数，以满足汽轮机散热要求，即可确定IDCR的总计算散热面积和迎风面积，称为基本设计优化。

环境气象条件包括大气压力、环境温度及环境风速，由厂址气象台站提供。根据国际公式化委员会(IFC)制定的IAPWS-IF 1997公式通用计算模型[12]和Antoine方程[13]确定水和水蒸气物理参数，湿蒸汽参数可通过汽轮机排汽参数拟合公式或数值模拟[14]确定，根据汽轮机额定工况确定机组排热量。

各IDCR厂商的散热器材质、管型、布置形式和散热器水系统流程数有较大差异[15-16]，IDCR性能参数来源于空冷厂商提供的试验关联式，主要包括IDCR传热系数、空气侧阻力和水侧阻力特性等。

采用效能-传热单元数(ε-NTU)法进行热力计算和校核计算，确定某迎面风速下IDCR的总面积和总迎风面积[17-18]。

4　方案设计优化

根据基本设计优化的计算结果，综合考虑冷却管束的长和高、冷却三角设计方案及面积裕量，结合间冷塔塔型和结构进行优化，确定IDCR的布置方案、塔型、水系统设备选型参数，此优化过程称为IDCR方案设计优化。

不同IDCR供货厂商所提供的冷却管束、冷却元件、冷却柱和冷却三角规格存在较大差异，应针对不同工程选择合适的冷却三角及规格。

4.1IDCR布置和塔型优化

空气动力计算涉及塔型优化、空气侧系统阻力和空冷塔抽力的确定及平衡。空气侧阻力包括x柱阻力、进风收缩阻力、冷却三角总阻力(包括百叶窗本体阻力、冷却三角入口阻力、IDCR本体阻力、冷却三角射流阻力)、空冷塔入口阻力、出风扩张阻力以及空冷塔出口形状阻力、横向风对空冷塔系统阻力的影响等。

根据塔型优化研究成果和结构优化，结合热力计算和空气动力计算，可确定IDCR的布置、空冷塔的高度和出口直径、x柱0 m直径、进风口高度和直径、喉部高度和直径、壳体曲线等。

4.2水系统设备选型

循环冷却水在间冷系统中流动时，受到沿程阻力和局部阻力，压力不断降低。不同工况下，冷却水管道系统阻力与管道系统形式有关，如管径、管束形式、流程数、流速、水温及采用开式系统或闭式系统等。根据水力计算，确定循环水泵、充水泵、补水泵、膨胀水箱等设备选型。

5　变工况计算

针对某个设计迎面风速所对应的IDCR总散热面积、塔型及设备选型方案，可进行该方案全年的变工况优化计算。即根据典型年逐时气象数据，按照汽轮机运行模式和TMCR变工况特性表，进行全年变工况计算。

变工况计算包括典型年逐时气象参数、汽轮机运行模式及汽轮机、凝汽器变工况特性。典型年逐时气象参数及数据由气象部门结合厂址或周边气象站多年逐时气象数据研究确定，汽轮机运行模式包括不同环境温度下汽轮机的出力、运行小时数和利用小时数，汽轮机及凝汽器变工况特性一般由供货厂商提供。

通过变工况计算，确定间冷系统典型年变工况运行数据及各参数之间的相互关系曲线。根据变工况计算结果，可以确定间冷系统全年不同温度时段的运行优化表。

6　经济性分析

根据变工况运行优化表，进行经济性分析，确定各方案间冷系统的年总费用，包括年固定费用和年运行费用2部分。根据各方案的优化计算结果进行比较，选出年总费用最小的方案，即为最优方案。

7　实例分析

通过实际间冷工程项目验证程序的正确性。如某2×350 MW间冷工程项目TRL和TMCR考核工况，通过变工况计算，得到一系列间冷系统性能曲线，即间冷系统各参数与环境温度之间的关系曲线，如图3、图4所示(TRL工况下100%散热量为455 MW，空气干球温度为33 ℃，大气压力为891.9 hPa，水流量为37 970 m3/h，冷却塔出水温度≤ 52 ℃，10 m高环境风速为4 m/s；TMCR 工况下100%散热量为451 MW，空气干球温度为15.5 ℃，大气压力为900.8 hPa，水流量为37 970 m3/h，冷却塔出水温度≤ 33 ℃，10 m高环境风速为4 m/s)。冬季，汽轮机在阻塞背压工况下运行，虽然空冷塔具有较大的抽力，为防止IDCR冻结，调整其百叶窗开度，使出塔水温保持不变；随着环境温度的升高，IDCR迎面风速逐渐增大，当汽轮机排汽压力高于阻塞背压时，由于空冷塔抽力的限制，IDCR迎面风速略有增加，冷却塔的出水温度逐渐升高。

图3　出塔水温与环境温度的关系

图4　IDCR迎面风速与环境温度的关系

如图5、图6所示，冬季，汽轮机在阻塞背压工况下运行，随着环境温度的升高，机组出力、热耗保持不变；运行时，ITD逐渐升高，IDCR冷却能力(CPC)，即汽轮机排热量与运行ITD的比值逐渐减小。汽轮机在排汽背压高于阻塞背压工况下运行时，随着环境温度的升高，机组出力降低，热耗增加，汽轮机排汽量和热量略有增加，排汽背压升高，运行中ITD逐渐降低后略微升高，CPC逐渐上升后略微降低。

图5　机组出力、热耗与环境温度的关系

图6　运行ITD，CPC与环境温度的关系

8　结束语

采用年总费用最小法，介绍了间接空冷系统优化设计软件的编程思路、组成、框架、研究策略、实施步骤及计算方法。通过实际工程对软件的优化和设计结果进行了验证。随着环境温度的升高，冷却塔出水温度升高，机组出力下降，热耗增加；运行ITD逐渐降低，然后略微升高，CPC逐渐升高后略微降低。

[1]丁尔谋.发电厂空冷技术[M].北京:水利电力出版社,1992.

[2]KRÖGER D G. Air-cooled heat exchangers and cooling tower: thermal-flow performance and designⅠ&Ⅱ[M].Tulsa:Penwell Corporation,2005.

[3]西北电力设计院.电力工程水务设计手册[M].北京:中国电力出版社.2005.

[4]齐复东,贾树本,马义伟.电站凝汽设备和冷却系统[M].北京:水利电力出版社,1990.

[5]彭继业.表面式凝汽器间接空冷系统可靠性及优化设计探讨[J].中国电力,1996,29(2):18-21.

[6]张春雨,严俊杰,林万超.海勒式间接空冷系统变工况特性理论研究[J].工程热物理学报,2004,25(1):13-16.

[7]广东省电力设计研究院.间接空冷系统冷端优化及塔型优化研究与软件开发研究报告[R].北京:北京交通大学,2013.

[8]石磊,黄志祥,朱嵩,等.直接空冷系统优化设计软件研发及关键技术[J].汽轮机技术,2011,53(6):425-428.

[9]火力发电厂水工设计规范:DL/T 5339—2006[S].

[10]石磊,刘国银,薛海君,等.直接空冷系统优化及设计典型年探讨[J].热力发电,2010,39(9):1-4.

[11]张新海.电站空冷系统设计参数的确定[C]//中国电机工程学会.中国电机工程学会火电分会空冷专委会第四届学术年会论文集：2007.

[12]WANGER W,COOPER J R, DITTMANN A, et al.The IAPWS industrial formulation 1997 for the thermodynamic properties of water and steam[J].Transactions of the ASME,2000,122(1):150-182.

[13]刘晖,张洪涛,肖红.水饱和蒸汽压的Antoine方程常数比较[J].内蒙古石油化工,2009,(13):32-34.

[14]石磊,周云山,刘海峰,李星.SPX某直接排汽管道内湿蒸汽的数值研究[J].节能技术,2007(12):508-511.

[15]石磊,石诚,李少宁,等.表面式间接空冷散热器换热特性的数值研究[J].动力工程,2009,29(5):472-475.

[16]石磊,莫子高,石诚.小汽机表面式间接空冷散热器空冷塔流动和传热的数值研究[J].北京工业大学学报，2011,37(5):760-765.

[17]温高.发电厂空冷技术[M].北京:中国电力出版社，2008.

[18]马义伟.空冷器设计与应用[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1998.

(本文责编：弋洋)

2016-04-25；

2016-06-17

江苏省科技成果转化专项基金(BA2009023)

TK 262

A

1674-1951(2016)07-0011-04

薛海君(1956—)，男，河南新乡人，高级工程师，从事流体流动和换热方面的研究(E-mail:2729805887@qq.com)。

王永新(1973—)，男，江苏江阴人，高级工程师，从事换热器传热特性方面的研究(E-mail:wangyx@shuangliang.com)。

石磊(1973—)，男，河南信阳人，高级工程师，工学博士，从事复杂流动和传热方面的研究(E-mail:lshi@bjtu.edu.cn)。