直接空冷系统运行优化探讨

孙玉庆

(中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司，山西 太原 030001)

0 引言

直接空冷技术出现已有几十年，初期只是应用于一些小容量的联合循环机组或火电厂的汽轮发电机组[1-3]。随着工业技术水平的发展和经验的积累，在20 世纪70 年代后，直接空冷技术的应用得到进一步推广，2000 年后电厂直接空冷技术的应用开始进入快速发展期，在我国一些富煤缺水地区相继建设了300 MW、600 MW、1 000 MW 级大容量直接空冷机组。

随着直接空冷机组的持续运行，一些问题也逐步暴露出来。本文通过调研，对目前影响直接空冷系统主要的、共性的问题，如夏季运行背压过高、凝结水管道振动、防冻、噪声要求等进行了总结。

1 夏季运行背压过高

1.1 产生的问题

出于设备成本和煤炭价格的考虑，早期投运的空冷机组设计背压值已普遍偏高。近年来随着机组的运行，设备开始老化，机组实际排汽量大多高于设计值，同时由于环境气温逐年升高，尤其在夏季高温大风时，机组运行背压相比设计值更高，导致机组煤耗和热耗指标高，机组出力长期受限达10～20 MW 之间，甚至更多。负荷无法达到机组设计容量，不但造成电厂机组夏季运行期间调峰能力考核，同时也降低了机组参与当地电网现货市场的收益水平。

2004～2012 年已投产的数座600 MW 级直接空冷机组运行情况的调研结果见表1 所列，可见火电机组夏季运行背压普遍高出设计背压约4～7 kPa。

表1 部分600 MW级空冷机组运行情况

1.2 夏季运行背压过高的分析

1.2.1 受环境高温大风影响

环境自然大风对直接空冷机组运行影响较大，特别是高温大风，将对机组的运行产生严重影响。DL/T 5158—2012《电力工程气象勘测技术规程》中对高温大风作了说明，高温大风的选择条件应该符合如下3 种组合：“气温大于或等于26 ℃，且10 min 平均风速大于或等于3 m/s；气温大于或等于26 ℃，且l0 min 平均风速大于或等于4 m/s；气温大于或等于26 ℃，且l0 min 平均风速大于或等于5 m/s。”DL/T 244—2012《直接空冷系统性能试验规程》中要求“每一试验工况有效时间内，空冷凝汽器上边缘上方l m 处的平均环境风速不能超过5 m/s，超过10 m/s 的峰值l h 内发生次数不能超过20 次。”

遭遇高温大风时，一方面空冷系统风机的吸风量不足，导致风机入口处进风空气流量减少；另一方面会出现热风再循环，即空冷凝汽器排出的热气流在某种特定的条件下被风机再次吸入，导致空冷凝汽器的散热能力下降。在空冷系统运行时，通过空冷凝汽器表面升温后的空气上升，呈现羽流状况[4-6]。当大风从炉后吹向平台散热器，风速过高时，会出现热风再回流现象。根据风机运行维护经验，空冷平台四周设置的挡风墙并不能完全克服热风再循环对机组运行的影响[7-8]。

1.2.2 空冷岛布置朝向影响

在GB 50660—2011《大中型火力发电厂设计规范》中对空冷岛布置应符合“直接空冷平台朝向应根据全年、夏季、夏季高温大风的主导风向、风速、风频等因素，结合工艺布置要求，并应兼顾空冷机组运行的安全性和经济性综合确定”。

通常空冷平台朝向的布置主要依据夏季平均风向和夏季温度大于26 ℃且风速大于4 m/s和5 m/s 的大风趋势来确定，但在实际工程设计中，往往忽略其他温度区段与风速组合共同影响趋势。例如夏季温度20～26 ℃且风速大于7 m/s 的大风与温度大于26 ℃且风速大于5 m/s的大风对空冷系统影响程度是否一致；夏季温度18～20 ℃且风速大于10 m/s 的大风与温度大于26 ℃且风速大于5 m/s 的大风对空冷系统影响程度是否一致。

在个别的工程中，依据以往的环境高温大风趋势来确定空冷朝向会对工程产生错误的判断，从而影响机组的运行背压，需根据工程实际情况具体分析。

1.2.3 空冷凝汽器本体影响

早期已投运的直接空冷机组，由于运行时间比较长，会出现散热器管束老化、传热效率降低等现象，严重影响空冷系统的通风和散热性能，叠加因素造成机组负荷出力不足或煤耗升高。

1.3 改进措施

1.3.1 空冷系统增容

空冷系统增容是目前提高空冷凝汽器能力、降低空冷机组夏季运行背压的常用措施，包括增加尖峰系统和增加空冷散热面积裕量两个方案。

1)方案一：增加尖峰系统

在现有的空冷排汽管道上引接出一路乏汽管线，在空冷岛附近适宜的场地上新增一个小规模尖峰冷却设施，用于分担已有空冷机组的排汽冷却容量[9-11]，见表2 所列。

表2 600 MW级空冷机组采用尖峰改造后运行情况

由表2 可知，采用尖峰空冷改造后，空冷机组夏季运行背压降低效果明显。

2)方案二：增加空冷散热面积裕量

在现有的空冷排汽管道上引接出一路乏汽管线，在空冷岛附近的适宜场地上新增一列或一行空冷风机组，用于分担已有空冷机组的排汽冷却容量。在空冷系统设计时，人为增加空冷系统设计气温裕量，便于增大空冷系统配置面积。

3)方案对比

两种方案效果对比见表3 所列。

表3 空冷系统增容方案对比表

从表3 看，以上两种技术方案均具有可行性。若电厂无额外补水量且占地无限制的情况下，优先选择方案一中机力通风间冷塔措施；若电厂无额外补水量且占地受限的情况下，优先选择方案二；若电厂额外补水量充裕的情况下，优先选择方案一中的机力通风湿冷塔措施；若电厂额外补水量有限的情况下，优先选择方案一中的蒸发式凝汽器措施。

1.3.2 空冷系统+湿冷系统

基于降低造价的目的，提出一种空冷系统+湿冷系统的新配置方案：在干球温度30 ℃及以下时不喷水(假设空冷夏季设计气温为30 ℃)，仅直接空冷系统单独运行，湿冷系统不投运，汽轮机排汽压力为30 kPa；在干球温度30 ℃以上时，从直接空冷系统抽出部分蒸汽到表面凝汽器(两台机组可共用一台凝汽器，凝汽器面积按需要确定)，即直接空冷和部分湿冷系统并联运行。以确保机组在年耗水量最小的情况下，满足汽轮机排汽压力为26 kPa(预留4 kPa)；根据工程实际情况，也可以按照现场给出的最大耗水量，反算得出最经济性配置空冷系统(部分湿冷系统+直接空冷系统组合方案)的干球温度和配置空冷系统规模。

1.3.3 预留设计背压裕量

为防止空冷机组夏季背压运行过高，各个设计院往往采取“预留背压”措施，来弥补散热器不足而导致的运行背压升高。

结合机组实际运行情况，现在空冷标准关于“预留背压”的取值均不高，为避免今后机组出现夏季高温大风影响下运行背压升高过多现象，建议直接空冷机组在进行夏季设计背压性能考核时，预留至少4～6 kPa。

2 凝结水管道振动

2.1 产生的问题

通过调研发现，在高负荷阶段，直接空冷机组凝结水管道普遍产生振动现象，且比较严重，表现在回水管道由垂直段变为水平段处，水流撞击弯头发出刺耳声响，造成的原因主要有以下几点：

1)由于设计上的缺陷，造成凝结回水的水位控制存在偏差，导致水位在高负荷时过高，达到了水平管段位置，致使水中含汽量大，汽水两向流造成管路振动；

2)管路布置的不足，水流在弯头、三通及下降管中流场的流速分布不均匀引起管道振动；

3)各列回水管因距离、大风、冷凝程度不均等因素影响，使凝结水回水温度产生偏差，汇集后因水温不同会造成回水管路振动；

4)机组负荷过高时，凝结水流量增大，进入凝结水回水管路时易形成水塞，导致凝结水管振动。

2.2 改进措施

通过对已投运机组的空冷凝结水管路和支吊架设计优化，避开共振，降低凝结水管道气液两相流产生的噪音，从而减轻凝结水管道的振动。可采取的措施如下：

1)增大凝结水管道汇总管管径

正常凝结水管道流速在0.6～0.7 m/s 之间，通过计算，300 MW 级机组凝结水汇总管口径为DN600～DN700(单根管)，600 MW 级机组凝结水汇总管口径为DN600～DN700(两根管)。

2)改变空冷支柱管道支座结构型式

在尽量不改变原有凝结水管道布置的基础上，通过调整支座的结构型式来改变整个凝结水管路的固有频率，缩小整个管道系统的柔性，增强刚性，提高管系固有频率，减小了凝结水管道下降管的振动。按此对改造前后的下降管进行振动的数值模拟，空冷支柱上凝结水管道固有频率计算见表4 所列。

表4 凝结水管道固有频率对比表

3)检查已有空冷支柱上管道的支座焊接情况

通过现场检查，发现多数管道的支座出现点焊或焊接不全面的现象，极易造成焊缝开裂，对机组的稳定运行造成危险，此时需及时修补维护。

3 防冻问题

3.1 产生的问题

在严寒地区，机组直接空冷系统在冬季运行或者启机过程中往往存在凝结水过冷度大、空冷凝汽器冷热不均匀、管束局部结冰导致的变形等现象，对机组的安全造成影响。造成的原因主要有以下几点：

1)局部汽阻导致的过冷。未凝结蒸汽以及所含少量不凝气体不能顺利排至管束下联箱，不凝气体不能顺利排至逆流管束被抽出，导致该管段被过度冷却乃至产生结冰现象；

2)机组启机蒸汽流量过低。由于低温下的自然换热，饱和蒸汽在管束内流动过程中，蒸汽冷凝段缩短、凝结水冷却段增加，过冷度增大，若环境气温过低，凝结水过度冷却的程度会加重，继而导致管束基管内的凝结水过冷乃至产生结冰现象。

3.2 改进措施

1)增加空冷凝汽器温度场监测装置

采用空冷凝汽器温度无线监测系统对空冷凝汽器容易冻结部位进行温度监测，通常布置在凝汽器A 型装置外侧覆盖顺流中下部和逆流中上部，在A 型装置内侧各单元则根据实际需要布置温度测点。

2)缩短管束长度

在工程设计中管束长度一般不宜超过10 m，过长的管束不利于机组防冻。目前笔者所在公司设计的已投运机组中单排管束最长达到11.78 m。

缩短管束长度可减少被冻结危险，在严寒地区设计的直接空冷系统可以采用短管束，管束有效长度在5 m 左右(约为大通道大扁管长度一半)。

3)增加电动封闭百叶窗

在空冷凝汽器管束所在冷却单元内部的水平面上设置电动帆布装置或者电动百叶窗，通过控制流通截面控制冷空气量，以减少吹向空冷凝汽器的冷风量。

此方案已有多个应用实例且运行效果良好，在设计、安装、运行、控制方面应注意以下两点：目前电动百叶窗的开度基本为整体控制，若计划实现分段控制，需考虑增加进风阻力和风量；根据项目实地情况，确定气温降低到某一温度时，启动百叶窗的开度控制，使机组在更低的背压运行。

4 噪声要求

目前根据已投运的直接空冷电厂现场噪声监测数据的整理，以300 MW 机组为例，空冷系统噪声特性如下：

1)两台机组的60 台风机全部开启时，距离空冷平台150 m 处的噪声值达57 dB(A)；

2)当两台机组的60 台风机全部开启时，在距离空冷平台20 m 处的噪声值为70 dB(A)；

3)空冷平台噪声主要集中在100 Hz 到2 000 Hz，噪声频带较宽，高频噪声比低频稍高，但高频噪声衰减较快。从距离衰减比较分析，63 Hz 以下频带噪声在距离空冷平台外边缘40 m 距离内基本上没有任何衰减，70 m 距离以上时才开始有衰减。

大多数电厂建设在城市周边，远离村庄、学校等噪音敏感区，靠近空冷平台处的厂界噪声基本都超标，为节省工程造价，电厂应在项目招标前取得当地政府关于厂界外150 m/200 m区域为噪声防护区以及今后不规划建设噪声敏感建筑的函件，并列入环评报告中。这样在风机招标时，采用常规低噪音风机就可以满足要求。

5 结论

本文针对常规直接空冷系统在运行中出现的问题进行分析，通过对其进行技术改进和能效提升研究，得出以下结论：

1)直接空冷机组在进行夏季设计背压性能考核时，应预留4～6 kPa；

2)采用空冷系统增容可以提高空冷散热能力，但投资大、耗水量大、需要额外占地，建议在空冷系统设计阶段，增加空冷系统设计气温或空冷系统配置面积裕量，以弥补空冷系统散热能力不足；

3)基于降低造价的目的，提出一种配置方案部分湿冷系统+直接空冷系统组合方案，可根据环境气温或现场耗水量来配置其组合规模；

4)通过凝结水管路和支吊架设计优化，减小振动，降低了凝结水管道气液两相流产生的噪声；

5)可通过缩短管束长度来实现防冻，在今后运行中，可结合采用空冷凝汽器温度场监测装置来辅助防冻，使机组运行背压更低，降低煤耗，并考虑增加电动封闭百叶窗；

6)应充分考虑到电厂周边环境，在市区内应采取降噪措施来满足厂界噪音达标要求，若远离市区，应结合噪音噪声防护区来要求，可降低企业投资费用和电耗。