直接空冷岛换热量与机组背压关系的探讨

丁振宇，梁晋丽，王 鹏，田永兴

（1.宁夏电力公司能源科技有限公司，宁夏 银川 750011；

2.宁夏水利电力工程学校，宁夏 银川 750006）

热动技术

直接空冷岛换热量与机组背压关系的探讨

丁振宇1，梁晋丽2，王 鹏1，田永兴1

（1.宁夏电力公司能源科技有限公司，宁夏 银川 750011；

2.宁夏水利电力工程学校，宁夏 银川 750006）

针对600 MW直接空冷机组运行期间背压不稳定且较高，影响机组负荷输出稳定性及满负荷发电的问题，基于空冷凝汽器η-NTU算法，对直接空冷岛换热量与机组背压的关系进行分析论证。结果表明：空冷岛换热量与机组的背压成反向变动关系,为同类型机组安全运行及背压预判提供理论依据。

空冷岛换热量；空冷凝汽器；机组背压；直接空冷

随着我国电力工业的快速发展，以及“西电东送”工程的加快建设，为了缓解用水紧张的局面，在我国西北地区陆续建设了一批大容量、高参数的直接空冷机组。近年来直接空冷技术蓬勃发展，该技术的使用使得机组耗水量较传统湿冷机组节省80%以上，以2×600 MW机组为例，年节约水资源将达到13×106t，可见其节水效果相当显著［1］。直接空冷机组的运行特点决定了其运行过程必然受到外界环境的影响，尤其是夏季炎热气候会导致机组不能满发电，甚至有跳机的风险［2］。外界环境对直接空冷机组的经济性及安全性的影响，有可能制约直接空冷机组在我国的发展。本文以国内某600 MW直接空冷机组为例，分析直接空冷机组在受到外界环境温度影响时，空冷岛换热量变化对机组背压的影响，从而为直接空冷机组的安全稳定运行提供参考。

1 直接空冷系统介绍及空冷机组运行特点

1.1 直接空冷系统

直接空冷系统［3］又称空气冷凝系统，是指汽轮机的排汽直接用空气来冷凝，空气与蒸汽间进行热交换的封闭系统。所需冷却空气，通常由轴流风机供应。直接空冷系统主要由空冷凝汽器、排汽管道系统、凝结水收集系统、抽真空系统、控制系统和空冷凝汽器清洗装置等6个子系统组成（见图1）。

图1 直接空冷系统组成

1.2 直接空冷机组

直接空冷机组是指装有直接空冷系统的发电机组。直接空冷机组的工作流程如图2所示。蒸汽由汽轮机低压缸排出，通过粗大的排汽管道送到室外的空冷凝汽器内，轴流冷却风机使空气流过空冷凝汽器散热器的外表面，将排汽冷凝成水，凝结水再经泵送回到汽轮机的回热系统。

图2 直接空冷机组的工作流程

1.3 直接空冷机组运行特点及问题

1.3.1 直接空冷机组运行特点

（1）用水量少

据理论计算与实测结果[4]可知，同等容量的湿冷机组与直接空冷机组相比，空冷系统本身可以节水97%以上，全厂性节水约65%，因此直接空冷机组在富煤缺水地区很受欢迎，直接空冷机组的规模也在不断壮大。

（2）排汽管道长，真空系统庞大

空冷凝汽器本身容积很大，而且位于主厂房外，再加上排汽管道长、直径大，所以直接空冷系统真空容积远远大于湿冷机组。大多数电厂因此设置有3台100%容量的真空泵，从而满足机组的启动需求。

（3）机组背压高、变化大

空气热容量远远小于水，因此空冷机组的冷却能力较小，虽然空冷凝汽器有很大的换热面积，但机组背压还是比湿冷机组高很多，一般设计背压为15 kPa或35 kPa，因而供电煤耗比湿冷机组高约3%～5%。气温变化和环境风对机组背压有很大影响，如某电厂一台直接空冷机组夏季背压达50 kPa，冬季背压可达10 kPa［4］。此外风机运行方式也直接影响机组背压的变化。

1.3.2 直接空冷机组运行中存在的问题

由直接空冷机组凝汽器结构和换热特性知，直接空冷机组在运行中存在不少的问题。例如直接空冷机组易受环境风、夏季高温限负荷、冬季防冻、凝结水含氧量及过冷度等问题的影响，其中前2个问题至今都没有一个很好的办法彻底解决，成为制约直接空冷机组发展的直接因素。

2 直接空冷岛换热量与机组背压的关系

由于受到外界环境温度及环境风的影响，使得空冷机组在运行期间背压不稳定且较高。直接影响到了空冷机组的满发电及负荷输出的稳定性，从而造成电网整体负荷受到限制及机组经济性较差。而环境因素的影响及变化直接导致空冷岛换热量的变化，因此有必要对空冷岛换热量与机组背压的关系进行深入研究。

2.1 直接空冷凝汽器热力计算

工业换热器的热力计算有平均温差法与η-NTU法2种。在设计计算和校核计算时，直接空冷凝汽器的热力计算多采用η-NTU法［5］，因为它计算方便，不用试算空气温升，直接利用迎风面积和基管面积的关系就可求得所需数据。

2.1.1 NTU的基本概念

NTU是表示散热器换热能力大小的一个无量纲量，也是反映空冷散热器综合技术经济性能的指标。其定义为流体中热容量较小的流体温度变化△ta与传热平均温差△tm之比，即

式中：K—总传热系数，W/(m2·K)；

A—传热总面积，m2；

L—空气量，kg/s；

Ca——空气的比热容，J/(kg·k)。

2.1.2 散热器的效率η

η是指空冷凝汽器的实际散热量Qr与最大散热量Qmax之比，即

式中：ITD—直接空冷凝汽装置的初始温差，℃；

ta—环境温度，即直接空冷凝汽装置的进口空气温度，℃；

ta2—直接空冷凝汽器装置的出口空气温度，℃；

t1—直接空冷凝汽器装置进口蒸汽温度，℃；

E—空气温升率。

2.2 直接空冷岛换热量计算

空冷岛换热量是指在空冷凝汽器设计完成后，机组在实际运行中空冷凝汽器系统的整体换热量。空冷岛换热量的计算公式如下：

式中：Qd—空冷岛换热量，MW；

Qn—单个空冷凝汽器的换热量，MW；

n—空冷岛所含凝汽器的个数；

D—单个空冷凝汽器的空气流量，kg/s；

Td—凝汽器内蒸汽温度，℃；

Ta—环境温度，℃；

η—凝汽器换热效率；

Cp—空气定压比热，J/(kg·℃)。

假设空气经过散热器后温度与凝结水温度相同，即假设 η=1。其计算还需假设条件［5］：

（1）传热系数不变；

（2）各流体的流量不变；

（3）各流体比热不变；

（4）各流体不发生相变；

（5）散热损失不计。

2.3 空冷岛换热量与排汽质量流量的关系

式（5）为空冷岛换热量与排汽质量流量之间的关系，凝结过程为等温凝结,无热量损失。

式中：△mAV——排汽质量流量变化量，kg/s；

mAVs——设计换热量下排汽质量流量，kg/s；

mAVn——实际凝结质量流量，kg/s；

Qs—空冷岛设计散热量，kJ；

Qn—空冷岛换热量，kJ；

Hp—汽轮机排汽焓，kJ/kg；Hn—凝结水焓，kJ/kg。

2.4 排汽质量流量与排汽背压的关系

排汽质量流量与排汽背压的关系［5］如式（6）、式（7）、式（8）所示。

式中：ΦG—等温凝结工作特性；

NTUG—凝结传热单元数。

式中：ℐDG—设计状态下的凝汽器入口温度，16℃；

ℐL1G—设计入口空气温度；

ℐL2G—设计出口空气温度。

式中：a—常数，a=23.308 417；

b—常数，b=3 888.11；

c—常数，c=229.95；

pDG—设计状态下的凝汽器入口压力，Pa。

式中：pAG—设计状态下的排汽压力，Pa。

式中：pAV—由排汽质量流量换算出的排汽压力，Pa；

mAG—设计状态下的排汽质量流量，kg/s；

mAV—排汽质量流量，根据试验实测的排汽压力和入口空气温度在供货商提供的空冷凝汽器性能特性曲线上查得，kg/s。

3 实例分析

利用以上公式，以国内某600 MW直接空冷机组为例，探讨THA工况机组背压随空冷凝汽器入口空气温度变化的关系。机组相关参数如下：THA工况下，汽轮机背压，13.2 kPa；机组功率，600.274 MW；汽轮机排汽焓，2 423.7 kJ/kg；空冷岛设计散热量，680 MW；凝结水焓，214.96 kJ/kg；环境温度，16℃；排汽温度，51℃。假设空冷凝汽器换热效率为1，空冷岛换热量与机组背压的变化量，见表1。

表1 计算结果

4 效果评价

通过实例计算，由表1可以看出，凝汽器入口空气温度每升高1℃，空冷岛换热量减少近20 MJ，机组的背压就要升高近0.8 kPa。以东方600 MW空冷机组为例：汽轮机真空每提高1 kPa,供电煤耗下降2.103 g/（kW·h）；厂用电率下降1%，供电煤耗下降3.662 g/（kW·h），机组背压与空冷岛换热量二者呈反向变动关系，该结果可为同类型机组的背压预判及安全运行提供理论依据。

5 结论

（1）通过分析发现空冷岛换热量直接影响机组背压的变化，并且二者呈反向变动关系，以600 MW直接空冷机组为例，空冷岛换热量减少20 MJ，机组的背压就要升高近0.8 kPa。

（2）在不考虑其他因素影响的前提下，得到环境温度与机组背压的关系，可以利用气象预报提前预判机组背压，从而提早做好负荷调度及事故预想，提高机组的安全性及经济性。

［1］ 北京龙源冷却技术有限公司.电站直接空冷技术发展趋势[C].全国火电空冷机组技术交流论文.呼和浩特：2007.

［2］ 高增宝，柴靖宇.关于空冷机组在夏季炎热期满发的问题.电力建设[J].1998,9:28-31.

［3］ 胡汉波，李隆键，张义华，等.直接空冷凝汽器三维流场特性的数值分析[J].动力工程，2007，27(4):592-595.

［4］ 王军孝.直接空冷技术几个问题的探讨[C].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.杭州：2007.

［5］ 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，2006：75-134.

Relationship between direct air cooled island heat exchange capacity and unit back pressure

DING Zhenyu1，LIANG Jinli2,WANG Peng1,TIAN Yongxing1
(1.Ningxia Electric Power Energy Science&Technology Co.,Ltd.,Yinchuan Ningxia 750011,China;
2.Ningxia Hydraulic and Electric Engineering School,Yinchuan,Ningxia 750006,China)

Aiming at the problems of higher and unstable backpressure affecting the full load generation and the load output stability in 600 MW direct air-cooling units operation,based on η-NTU algorithm of the air-cooled steam condenser,analyzes and expounds the relationship between direct air cooled island heat exchange capacity and unit back pressure.The result shows that the direct air cooled island heat exchange capacity and unit back pressure is the contrary change relation. it can provide theoretical basis for safe operation and back pressure forecasting of same type unit.

air cooled island heat exchange capacity;air-cooled steam condenser;back pressure of the unit;direct air cooling

TK264.1

A

1672-3643（2017）01-0063-04

10.3969/j.issn.1672-3643.2017.01.013

2016-11-13

丁振宇（1984），男，工程师，主要从事汽轮机及辅机节能方面的技术研究工作。

有效访问地址：http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-3643.2017.01.013