空冷平台提升换热效率装置的监测实验研究

赵耿彬

(山西尚风科技股份有限公司，太原030006)

现今，火力发电在我国电力供应中仍然占有很高的比重。空冷火电厂由于节水性能优秀，在多煤少水的北方，更加适合当地的特点和经济发展，而被广泛采用。

南非马廷巴电厂直接空冷系统从1991年1月至1992年9月的20个月间，因环境风的影响损失发电量约3.38亿kW·h；2005年6月22日，漳山公司300 MW直接空冷系统受到15 m/s炉后风影响，汽轮机背压由44.2 kPa升高到64.9 kPa，机组自动保护跳闸停机。因此解决环境风对直接空冷系统不利的影响成为世界上一个普遍性的难题[1]。

文献[2-5]提出在空冷平台加装防风网或导流网对空冷机组的影响进行了研究，防风网的设置虽能够在大风工况条件下使风速降低，保证风机出风量，却在小风工况条件下阻碍空冷凝汽器换热[6]。空冷平台提升换热效率装置旨在克服上述缺点，提供一种结构简单、经济实用可改善各种环境风工况下空冷平台换热能力的装置，使得在不同的风向、风速、气温组合的大多数工况条件下汽轮机背压降低到预警背压状态以下或者稳定在正常工作状态。

1 物理模型

1.1 厂址概况

神华国神集团哈密电厂建设规模为4×660 MW 直接空冷燃煤发电机组，是新疆地区总装机容量最大的火力发电厂，坐落在哈密市大南湖地区的南湖戈壁之中。受大风影响异常严重。

1.2 空冷平台提升换热效率装置模型

空冷平台提升换热效率装置设置在空冷机组的空冷平台下方，呈十字形状布置，长200 m，宽100 m，高50 m，固定的风障叶片单元约7 m，可旋转的风障叶片单元模块约42 m，为轴流风机风筒下沿至地面，将空冷平台下方全封闭。以哈密电厂1#、2# 660 MW直接空冷平台为研究对象,详见图1。机组空冷平台上布置64个空冷单元，8排8列布置，每个空冷单元下面布置1台轴流风机。

图1 神华哈密电厂4×660 MW直接空冷机组平台提升换热效率装置模型

1.3 装置的组成

空冷平台提升换热效率装置包括钢架及网架支撑结构、旋转风障叶片单元模块、智能控制风障叶片单元模块开启系统以及环境风速监测、采集系统及传感器等。

1.3.1 钢架及网架支撑结构

空冷平台提升换热效率装置支架结构设置在地面基础和混凝土空心管柱侧表面上。风筒下沿至空冷钢桁架下弦的空冷平台上设置固定形式的空冷平台提升换热效率装置。空冷平台A1-A18轴线柱间距为22.65 m，AA-AI轴线柱间距为24.03 m，柱间自下而上通过H型钢与圆管构成的网架横檩组件实现网格支架结构。详见图2.在相邻钢筋混凝土空心管柱之间的网络支架结构上布置空冷平台提升换热效率装置中可旋转风障叶片单元模块。

图2 空冷平台提升换热效率装置安装骨架

1.3.2 旋转网板技术要求

空冷平台提升换热效率装置的风障叶片采用高分子复合板材，规格3 000 mm*250 mm*3 mm(长*宽*厚)，外形呈蝶形。旋转风障叶片本身具有一定开孔率。每5块风障叶片构成一组标准旋转风障模块，由锁紧装置锁紧，标准旋转风障模块长3 m，宽1.04 m。“六行×三列”标准旋转风障模块作为一个大单元，详见图3.空冷平台A1-A18轴线柱纵向布置共4组，横向布置14组标准旋转风障模块大单元，AA-AI轴线柱纵向布置共5组，横向布置8组标准旋转风障模块大单元。每竖列旋转风障模块配套电动旋转机构，详见图4。旋转风障叶片单元模块能够自水平向垂直可做-90°至90°旋转或固定，垂直于地面时，旋转风障叶片单元模块通风量为0，网板旋转至平行于地面时，旋转风障叶片单元模块通风量为100%.空冷平台提升换热效率装置前后的压差通过调节开度实现。

图3 标准风障叶片模块大单元正视图

图4 传动机构总图

1.3.3 智能控制开启装置

所述智能控制开启装置包括动力装置、传动装置、风速、风向传感器、PLC控制柜等。整套装置中，风速、风向传感器主要对实时风速、风向进行监测、采集；传送到PLC控制系统数据库中，PLC控制系统随即将数据传回到工控机，经过分析、计算、比对处理后将执行指令传输给PLC控制器，PLC控制器通过给定信号线对角行程执行机构发出指令使配备套角行程电动执行器电动机转动，通过联轴器与变速箱带动钢丝绳卷筒使链轮与主传动轴转动，详见图5。使每个旋转标准风障叶片模块绕自己的中心轴做出相应角度的转动，以达到风机组最佳工作状态。电动机转动方向决定叶片的开启和关闭[7]。

图5 开启装置主视图

2 理论基础

2.1 工作原理

空冷平台直接空冷凝汽器布置在约50 m高的建筑平台上，利用大型轴流风机强制通风，由于空气冷凝器暴露在空气中，直接与周围空气进行热交换，以周围空气作为冷却汽轮机乏汽的介质，对不同风向和风速比较敏感。电厂运行，冷空气通过散热器排出的热气上升，呈现羽流状况。当风速超过3 m/s以上时，对空冷系统散热效果就有一定影响，当大风从炉后吹向平台散热器，风速超出8 m/s时，形成的高速涡流会造成风机出力降低，使得空冷凝汽器通过的空气量减小，羽流状况被破坏而出现热风再回流。热气上升气流被炉后风压下至空冷平台以下，这样使热风又被风机吸入，形成热风再循环。甚至最边一行风机出现反向转动。出现热空气回流等不利现象[8]。导致空冷平台的换热效率降低，蒸汽的热量不能及时与周围空气产生热量交换，从而引起汽轮机背压升高，电厂工作效率降低。如果该情况与夏季高温等极端条件同时出现，会对电厂运行产生危险，甚至会导致停机。空冷平台提升换热效率装置利用旋转风障叶片单元模块导风孔的抑风特性,对大风进行抑制，通过空冷平台提升换热效率装置开启系统传感器迅速采集现场的风向角、风速和温度等数据,自动调节不同高度、区域旋转风障模块的开度,调节进风量和对气流进行导流，从而获得在大风工况下更高的风机送风量,进而提高冷凝器与周围空气热量交换,降低背压,同时在小风工况下系统根据传感器监测的数据自动调节使旋转风障模块的开度增大，保证在小风工况下风机的进风量，保证冷凝器与周围空气换热效率[9]，提高空冷系统运行的安全性和经济性，提高电厂运行性能。

3 影响因素确定

3.1 空冷平台换热效率影响因素变量控制

本次研究主要针对其他条件一定的情况下空冷平台提升换热效率装置旋转风障叶片模块在不同环境风向、风速风况下开启到最佳角度时，比较设置空冷平台提升换热效率装置前后空冷机组风机进风量变化情况，以及空冷机组背压变化情况。

由于影响空冷平台换热效率的因素众多，例如机组的脱开距离、风障叶片单元模块布置形式、风障叶片板型的选择(开孔率、孔型及孔的排列形式)、所在环境的温度、环境风向、风速及各风况下风障叶片单元模块开启的角度等等。

本次研究是以空冷机组脱开距离为50 m，所有结构强度都符合要求，控制机构正常运转为前提下进行的CFD数值模拟分析。以下是几项影响因素变量的控制：

1)由于出现电厂风环境恶劣的情况主要在夏季，因此模拟针对夏季38 ℃的情况进行考察。夏季风玫瑰如6所示。结合电厂朝向，由风玫瑰可见，夏季平台正前方来流较多，侧向来流(E向)最多，另外锅炉房后方ESE向来风也较多。确定模拟的环境温度是夏季38 ℃的情况。

图6 厂址处风玫瑰图

2)确定风障叶片的选型，在风障叶片阻力特性模拟中，给出了三种板型，如图7.按照旋转风障叶片模块由高到低布置原则，通过模拟，最顶层固定风障叶片采用风障叶片板1，其他所有开度可控区域风障叶片板3.

图7 风障叶片板型图

3)对于空冷平台提升换热效率装置A1-A18轴线最底层，通过模拟，对风机送风量影响不大，从有利于空冷平台底部建筑设置及布线方面考虑，取消A1-A18轴线最底层旋转风障叶片模块。

3.2 确定各风向、风速工况条件下旋转风障叶片模块的最佳开启角度

当以上这些影响因素变量都确定之后，首先要确定在不同风向角及不同风速的组合工况下，空冷平台提升换热效率装置旋转风障叶片模块的最佳开启角度。开度绝对值取0，15，45，75，90五种情况。此项数据通过数值模拟确定。

数值模拟使用计算流体力学方法：通过建立电厂周围流场数值模型，将空间离散，生成网格，数值求解流场中的流体(空气)连续性方程、动量方程、湍流方程(由于不考虑温度影响，因此不用求解能量方程)。数值模拟采用的是定常计算，因此控制方程不包含非定常项。数值模拟控制方程如下。

连续性方程：

动量方程：

采用k-ε湍流模型，湍流方程包含湍动能(k)方程和湍动能耗散(ε)方程，分别为：

湍动能方程：

湍动能耗散方程：

模拟风环境的计算域为大空间，边界条件给定速度进口、压力出口，地面及墙面均为无滑移壁面条件。冷凝器设定为具有阻力源项的多孔介质，该多孔介质阻力随通过冷凝器的风速而变化，阻力系数由TRL工况下的条件确定。风机采用风机PQ曲线。

通过数值模拟得出结论，本次只详细列出当地盛行风向对空冷机组影响较大的几个来流方向对应的空冷平台提升换热效率装置旋转风障叶片模块最佳开度随风速变化情况，具体见图8-图10.其中横坐标为环境风速(m/s)，纵坐标为开度绝对值。拟定其他几个来流方向对应的旋转风障叶片模块已开启到最佳开度。

图8 E 向来流最佳开度随风速变化规律

图9 ENE向来流最佳开度随风速变化规律

图10 ESE向来流最佳开度随风速变化规律

4 监测结果对比与分析

监测1#、2#空冷机组风机进风量变化情况，监测风速范围从0至24 m/s，风向包含16个来流方向。采集数据如下，具体见图11-图13.

图11 6 m/s风速下1#、2#机组空冷平台设置提升换热效率装置前后机组进风量对比曲线

图12 16 m/s风速下1#、2#机组空冷平台设置提升换热效率装置前后机组进风量对比曲线

图13 24 m/s风速下1#、2#机组空冷平台设置提升换热效率装置前后机组进风量对比曲线

6 m/s风速下1#、2#机组空冷平台设置提升换热效率装置前后进风量对比曲线如图11。由图11可以看出，设置旋转风障叶片开度根据风速和风向变化的空冷平台提升换热效率装置后比不设置前1#机组在各个方向上进气量都有所增加，尤其在N-NE风向下进风量增加927～1 805 m3/s.2#机组在各个方向上进气量都有所增加，尤其在N-NW风向下进风量增加1 503～2 532 m3/s.可见由于空冷平台提升换热效率装置的作用对1#、2#机组在N-NE风向、N-NW风向下，进气量有明显的增大。

16 m/s风速下1#、2#机组空冷平台设置提升换热效率装置前后进风量对比曲线如图12。由图12可以看出，设置旋转风障叶片开度根据风速和风向变化的空冷平台提升换热效率装置后比不设置前1#机组在各个方向上进气量都明显增加，尤其在SSE-NNW风向下进风量增加2 860～5 109 m3/s.2#机组在各个方向上进气量都明显增加，尤其在在NNE-NW风向下进风量增加3 150～7 390 m3/s.可见在16 m/s风速下由于空冷平台提升换热效率装置的作用对1#、2#机组在SSE-NNW风向、NNE-NW风向下，进气量陡然增大，个别风向下增加进气量25%.

24 m/s风速下1#、2#机组空冷平台设置提升换热效率装置前后进风量对比曲线如图13。由图13可以看出，设置旋转风障叶片开度根据风速和风向变化的空冷平台提升换热效率装置后比不设置前1#机组在各个方向上进气量持续增加，尤其在在SSE-N风向下进风量增加4 337～10 932 m3/s.2#机组在在各个方向上进气量都持续增加，尤其在NNE-NW风向下进风量增加3 645～8 981 m3/s.可见在24 m/s风速下由于空冷平台提升换热效率装置的作用对1#、2#机组在SSE-N风向、NNE-NW风向下，进气量持续增加，个别风向下甚至增加进气量30%，但还有个别风向上进气量减少。

对比图11-图13，空冷平台设置提升换热效率装置前后各个风向风机进气量随风速的变化，进气量随风速的增大而增大，但在风速大于16 m/s之后，个别风向上风机进气量降低，降低幅度不大，最大不超过8%.可见空冷平台设置提升换热效率装置能够在绝大多数情况下提高风机的进风量。

监测1#、2#空冷机组背压变化情况，监测风速范围从0至24 m/s，风向包含16个来流方向。采集数据如下，具体见图14-图16.

图14 6 m/s风速下1#、2#机组空冷平台设置提升换热效率装置前后机组背压对比曲线

图15 16 m/s风速下1#、2#机组空冷平台设置提升换热效率装置前后机组背压对比曲线

图16 24 m/s风速下1#、2#机组空冷平台设置提升换热效率装置前后机组背压对比曲线

6 m/s风速下1#、2#机组空冷平台设置提升换热效率装置前后机组背压对比曲线如图14.由图14可以看出，设置旋转风障叶片开度根据风速和风向变化的空冷平台提升换热效率装置后比不设置前1#、2#机组在大多数风向上机组背压都有所降低，但在个别风向上机组背压都有所增大。在小风风况下，大多风向下换热效果也能够得到保证并稍有改善，个别风向稍稍不利，但影响很小，最大背压增加量没超过4%.

16 m/s风速下1#、2#机组空冷平台设置提升换热效率装置前后机组背压对比曲线如图15.由图15可以看出，设置旋转风障叶片开度根据风速和风向变化的空冷平台提升换热效率装置后比不设置前1#、2#机组在大多数风向上机组背压都明显降低，1#机组在E-NNW风向下，机组运行背压在62.5 kPa附近，个别风向下甚至超过停机背压65 kPa,对于直接空冷机组而言，运行背压在62.5 kPa将使汽轮机末级工作在及其恶劣的环境下，接近停机背压65 kPa,此时背压恶化的速率快，很快将停机，这是不允许的。空冷平台提升换热效率装置能在风速大时起到阻挡环境风的作用，降低从中穿过的环境风速度，使得边缘空冷单元入口静压力升高，风机流量增大，稳定机组平均风机流量，从而稳定运行背压。

24 m/s风速下1#、2#机组空冷平台设置提升换热效率装置前后机组背压对比曲线如图16。由图16可以看出，设置旋转风障叶片开度根据风速和风向变化的空冷平台提升换热效率装置后比不设置前1#、2#机组在大多数风向上机组背压都明显降低，E向、NNE向、N向机组背压降低11～20 kPa，将机组运行背压控制在停机背压以下。最大背压降低超过27%.

5 结论

(1)空冷平台下设置空冷平台提升换热效率装置，在小风工况条件下传感器根据监测的数据自动调节不同高度、区域风障叶片单元模块的开度,使开度增大，保证空冷平台下空气流动，小风条件6 m/s风速工况条件下机组平均风机流量高于或不显著低于(6%变化范围内)未设置空冷平台提升换热效率装置条件。保证在小风工况条件下的换热效率，几乎不影响单元风机入口平均温度，大多风向下换热效果也能够得到保证并稍有改善，个别风向稍稍不利，但影响很小，最大背压增加量没超过4%.

(2)空冷平台下设置空冷平台提升换热效率装置，较不设置该装置和设置固定防风网，利用风障叶片单元模块抑风特性,对大风进行抑制，通过传感器自动调节不同高度、区域风障叶片单元模块的开度,调节进风量和对气流进行导流，在各个风向上16 m/s风速工况下，可获得更高的风机进风量,个别风向下增加进气量25%.甚至在24 m/s风速工况下个别风向，设置空冷平台提升换热效率装置后，机组背压降低11～20 kPa，最大背压降低超过27%，将机组运行背压控制在停机背压65 kPa以下。

(3)空冷平台提升换热效率装置尽可能的改善了空冷平台周围的流场，从而改善风机工作环境，可以在各种不同环境风工况条件下提升散热效果，提高空冷系统运行的安全性和经济性，提高电厂运行性能，提高发电量，同时节能减排，大大减少电厂的煤炭消耗。