电厂深度调峰状态下的间接空冷塔水温分布特性研究

姜平 赵保国 王珂 张海伟 印江 孟宏君

摘 要：为缓解热电机组供热和供电的矛盾，国家出台了鼓励火电厂开展灵活性改造的若干政策，各地方政府根据各自区域的实际情况也出台了火电机组深度调峰阶梯电价政策。热电机组受汽轮机低压缸最小冷却蒸汽流量的限制，机组在不做任何改造的情况下，维持低压缸进汽最小流量（最大供热工况下对应流量），实现深度调峰要求。低背压运行改造后，低压缸排汽流量大幅下降，研究间接空冷塔水温分布特性，制定较为合理的运行方式，既保证机组安全运行，同时对提高机组运行的经济性具有重要的意义。

关键词：自然通风间接空冷塔；水温分布；不平衡温差；数值模拟；防冻

中图分类号：TK264.1 文献标志码：A

0 引言

随着我国经济、能源和环保行业的发展，燃煤火力发电企业的发展进入了新的阶段，新能源的大规模投入进一步压缩了火电机组在发电市场中的份额，电能过剩现象将是今后一段时间内的主旋律，火力发电设备年利用小时数持续走低，使燃煤电厂的经营形势变得日益严峻；但同时国家能源政策决定了火电机组必须承担深度调峰的重要任务。

火电机组供热改造是实现“节能减排”的重要措施，更是“双降双低”电力新常态下火电能源结构调整的重要方向，具有节能减排、改善企业生存环境等优势；随着居民和工业用户对供热负荷需求的不断增加，电网对机组中低负荷率下的供热能力提出了更高的要求，必须提高供热机组的热电解耦运行能力，要求机组在保证供热能力的同时，最大程度地提高机组的宽幅调峰能力。

实现深度调峰、提高机组运行的灵活性，已成为决定火电企业生存的必要条件。但是，深度调峰后，特别是在冬季空冷塔散热翅片容易发生温度不均匀的情况，这样会使翅片局部冻结、冻裂，从而导致空冷塔翅片损坏发生停机事故。因此研究空冷塔水温分布特性的已经成了提高空冷塔工作可靠性的重要研究方向。深度调峰状态下的间接空冷塔水温分布特性研究，可以为电厂冬季深度调峰后，制定防冻措施提供理论依据，对提高空冷系统冬季的安全运行具有重要意义。

1 深度调峰状况下表面式间接空冷系统特性

1.1 电厂供热期低背压运行

机组在抽凝状态运行，当低压缸进汽压力降低至低压缸最小冷却流量时，需要继续降低机组负荷或增大抽汽量，背压与低压缸最小进气压力关系曲线，如图1所示。

1.2 表面式（哈蒙式）间冷系统原理

循环冷却水进入凝汽器，经过凝汽器的表面散热，冷却凝汽器汽侧的汽轮机排汽口排汽，经过表面凝汽器受热后的水通过高压水泵输送到间冷塔，然后经过金属空冷散热器与外界空气换热，高温循环水被低温空气冷却后再返回凝汽器去冷却汽轮机排汽，这样间接空冷系统的冷却水就构成了一个封闭的循环系统，间冷系统原理示意图如图2所示。

1.3 山西河坡电厂大型自然通风间接空冷塔及其冷却三角

图3为山西河坡电厂350 MW机组自然通风间接空冷塔示意图，塔出口直径为100 m，塔高为178 m，塔壳底部标高为27.5 m，散热器外围直径为154 m，金属冷却三角在塔进风口外部沿轴向均匀排列，分为10个部分。如图4所示，金属冷却三角由2个相同的长度的冷却柱呈46.58°的夹角组成。所用的冷却柱长2.67 m、高24 m、厚0.133 m，由铝管和铝翅片散热管束构成。冷却柱管数量为4个，即塔内部2排金属为上水管束，塔外部2排金属管为下水管束。

如图4所示，高温循环水由空冷塔内部冷却柱进水口进入上水侧2排管束，然后通过铝翅片散热管束与空气进行换热，在冷却柱上集箱混合，换热后的高温水进入下水侧2排管束，最后经过下水侧管束排水口流出。下水侧金属管束内循环水温经过换热后相对较低，且与外界没有换热的空气相接触，所以下水侧管束里的低温水相对更易冻结。

1.4 间冷塔在线监测系统

为方便运行人员准确、直观地监测间冷塔出风侧壁温的运行情况，及时发现并制定间冷塔防冻措施，对冷却扇区进行封堵后，可在未封堵区域表面增加测温电缆，测温点电缆分3层布置，测温点电缆与控制柜、监控台相连接，如图5所示。

2 ANSYS仿真

几何模型及网格划分：空冷塔散热器冷却三角沿塔周向均匀排列，SolidWorks三维模型图如图6所示。然后导入ANSYS做温度云图仿真。

空冷塔散热器做ANSYS温度云图仿真之前要进行网格划分，如图7所示。考虑到空冷塔散热器尺寸巨大，做温度云图，网格画得太大，误差就非常大；网格画的太小，计算时间数据量太大，计算时间太长。空冷塔散热器具有对称性，所以取其中一个冷却三角进行仿真，如图8所示。

将间冷塔在线监测系统测得的几个点的温度输入后，如格盟集团山西河坡发电有限责任公司，根据阳泉市气象站1959年实测采集到的年最低气温数据，其采用P-Ⅲ型频率曲线进行统计，得到60年一遇最低气温为-19.0 ℃。输入气温数据后，从而得到空冷塔散热器冷却三角与周围空气的温度云图，如图9所示。

3 结论

该文针对山西河坡电厂散热器间接空冷塔外垂直布置的间接空冷塔金属散热器进行研究，设计了间冷塔在线监测系统采集温度信息，然后建立ANSYS仿真模型，结合60年一遇的最低气温为-19.0 ℃工况下，冷却三角、冷却扇段及空冷塔出口水温分布特性的影响机制，明确了环境气温对空冷塔出口水温分布特性。低背压运行改造后，低压缸排汽流量大幅下降，为在不同工况下制定较为合理的运行方式提供理论依据，这样既保证了机组安全运行，同时提高了机组运行经济性。

参考文献

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