600MW机组空冷系统变工况对汽轮机出力的影响

余耀，王丽，张义江，郭民臣，李美宝

600MW机组空冷系统变工况对汽轮机出力的影响

余耀1，王丽1，张义江1，郭民臣2，李美宝2

（1.神华国能蒙东能源有限公司，内蒙古呼伦贝尔 021000；2.华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206）

直接空冷机组空冷系统变工况影响排汽压力，进而影响机组的出力。根据某电厂600MW超临界直接空冷机组的结构参数和运行参数，采用η-NTU法建立了空冷系统变工况分析的数学模型，分别计算了排汽压力随空气入口温度、排汽热负荷、迎面风速的变化规律，分析了对机组出力的影响，根据其影响规律，提出了风机转速及风量调节策略，为提高空冷机组运行效率提供了理论依据。

直接空冷；变工况；机组出力；排汽压力；排汽热负荷

0 引言

由于水冷机组的耗水量大，空冷机组在我国富煤缺水地区得到了长足发展，近年来，空冷机组的装机容量在该地区不断增大。在直接空冷机组中，由于排汽压力较高，空冷凝汽器的运行特性对机组效率及出力的影响尤为突出，因此，深入研究空冷凝汽器的变工况特性极为重要。排汽热负荷、空气入口温度以及迎面风速是影响凝汽器真空系统的重要因素。本文建立了直接空冷机组冷端系统的数学模型，并对某600MW机组的变工况特性进行了分析，揭示了排汽热负荷、空气入口温度以及迎面风速等对机组背压的影响规律，进而分析这些因素对机组出力的影响。

1 直接空冷机组冷端系统数学模型

空冷凝汽器作为机组的冷端，需要提供尽可能低的排汽压力，保证机组的效率及出力。影响排汽压力pc的因素主要有空气进口温度tal、迎面风速vy、排汽热负荷Qn及总传热系数K［1-4］，即

蒸汽在凝汽器中冷却为饱和水，冷凝压力与冷却过程的饱和温度存在着一一对应的关系，所以，只要计算冷凝过程的饱和温度即可反映汽轮机排汽压力的变化。根据凝汽器内部的换热过程及传热学原理，利用η-NTU法，可得到饱和温度tn的关系式［5-8］

式中：ρa为空气密度；cp为空气定压比热容；Ay为迎风面积；NTU为传热单元数，定义为热容量较小的流体的温度变化Δta（在直接空冷凝汽器的散热过程中为空气温差）与平均温差Δtm的比值，即

式中：A为总传热面积。

由式（3）可知，求出传热单元数NTU是得到tn的关键，而总传热系数K则是传热单元数NTU计算的关键。直接空冷凝汽器内部的传热过程主要包括管内蒸汽的凝结放热、汽液两相流的对流换热以及空气横掠管束的对流换热过程。因此，总传热系数K由对流换热热阻、管壁导热热阻以及管内外的污垢热阻决定，根据传热学原理可得到总传热系数K的关系式［9-10］

式中：Ai，Ao分别为管束内、外表面积；Am为管壁对数平均表面积；αi，αo分别为管内凝结换热系数和管外对流换热系数；εi，εo分别为管内、外污垢热阻；δ为基管的壁厚；λw为管壁导热系数；ηo为肋面效率。

管壁对数平均表面积为［6］

肋面效率ηo为式中：A1为管外基管部分表面积；A2管外肋片部分表面积；ηf为肋效率。

管内凝结换热系数αi可由传热学原理得

式中：ρs为饱和蒸汽的密度；λs为饱和蒸汽的导热系数；rs为蒸汽汽化潜热；ηs为蒸汽动力黏度；ts和tw分别为蒸汽饱和温度和壁面温度；g为重力加速度；l为特征长度。

对于管外空气的对流换热系数αo，由试验公式［11］可得

式中：Nu＝αode／λa；Re＝vyde／va；λa和va分别为空气在定性温度下的导热系数和黏度系数；de为翅片管束的当量直径。

式中：h为肋高；δf为肋厚；sf为肋宽。

2 直接空冷系统变工况对排汽压力的影响

为了分析空气进口温度、迎面风速、排汽热负荷及总传热系数等因素对排汽压力的影响规律，假定只有一个因素变化，而保持其他几个因素不变。以600MW超临界直接空冷机组为例，选定机组运行的一组数据，分别分析空气进口温度、排汽热负荷和迎面风速对排汽压力的影响特性。所计算的600MW超临界空冷机组热耗率验收（THA）工况主汽压力与温度分别为24.2MPa和566℃，再热蒸汽温度为566℃，排汽压为10 kPa，排汽热负荷约为680MJ／s。空冷系统设计49台风机，额定工况下迎面风速为2.47 m／s，迎风面面积为11 125 m2，散热面积为1557016m2。

2.1 空气进口温度对排汽压力的影响

当排汽热负荷保持680 MJ／s、迎面风速保持2.47m／s不变时，不考虑排汽管道造成的压损，仅考虑空气进口温度的影响。由图1可知，在排汽热负荷Qn＝680MJ／s时，排汽压力随着空气入口温度的升高而逐渐增大，当空气入口温度升高到38℃时，排汽压力将升高到约24.8 kPa，严重影响机组的出力和热经济性，并对机组安全运行产生影响。

2.2 排汽热负荷对排汽压力的影响

在某一环境温度下，当机组负荷发生变化时，势必造成汽轮机排汽流量变化，那么排入空冷岛的热量也发生变化。当迎面风速保持2.47m／s不变时，分别对环境温度为23，29和35℃时该600MW机组不同排汽负荷对汽轮机排汽压力的影响进行了理论

图1 Qn＝680MJ／s时排汽压力随空气入口温度的变化

分析与模拟。排汽压力随排汽热负荷的变化如图2所示。

图2 排汽压力随排汽热负荷的变化

以空气进口温度29℃为例，当ta1不变时，排汽压力随着排汽热负荷的升高而近似线性增大，随着空气进口温度的上升，排汽压力随排汽热负荷上升趋势更剧烈。

2.3 迎面风速对排汽压力的影响

当Qn＝680MJ／s、维持ta1不变而改变迎面风速时，排汽压力随迎面风速而变化，如图3所示。

图3 Qn＝680MJ／s时排汽压力随迎面风速的变化

由图3可知，当Qn＝680MJ／s，tal＝30℃时，排汽压力随着迎面风速的增大而降低。图3给出了20，25，30和35℃4个不同进风温度下迎面风速对背压的影响曲线，空气进口温度越高，排汽压力受迎面风速的影响越大。

3 直接空冷系统变工况对机组出力的影响

直接空冷机组排汽压力升高对机组出力产生影响。通过计算分析可知，空气进口温度、排汽热负荷以及迎面风速对排汽压力都有一定的影响，因此有必要分析他们对机组出力的影响。

该600MW机组额定工况时的功率对排汽压力的修正曲线如图4所示。

图4 600MW直接空冷机组背压修正曲线

依据图4给出的曲线，可分析机组在满负荷时由于直接空冷系统变工况对机组出力的影响。根据图1给出的结果，当排汽热负荷Qn＝680MJ／s、迎面风速2.47m／s、空气入口温度约为20℃时，排汽压力达到THA工况的10 kPa，那么很可能会出现如下情况。

（1）如果空气入口温度升高到30℃时，则排汽压力将达到16 kPa，功率变化率为-4%，也就意味着机组出力将减少4%，即机组出力减少24MW。

（2）当tal＝30℃时，如果迎面风速从2.4m／s降为1.6m／s，由图3可知，排汽压力会从18 kPa提高到33 kPa，功率修正率将从-4.5%达到-12.0%，则机组出力将减少7.5%，即功率将减少45MW。

（3）排汽热负荷对出力的影响分析比较复杂，因为排汽热负荷增加可能就是功率本身增大导致的，所以这里分析排汽热负荷的变化指除功率本身以外其他因素导致的。比如，空冷凝汽器接收了一股原先没有进入空冷系统的热量，若将小汽机的排汽引入空冷凝汽器就造成排汽热负荷增大。设排汽热负荷增大50MW，这里假定汽轮机排汽热负荷从650MJ／s增大到700MJ／s，空气进口温度保持29℃不变，根据图2给出的排汽压力结果，其压力会从

15.6 kPa变化到17.2 kPa，根据机组背压修正曲线，功率变化率约1%，即出力降低约6MW。

4 风量对排汽压力的影响

4.1 数学模型

根据空冷凝汽器数学模型，利用η-NTU法，可得出空冷凝汽器内的凝结温度tn

式中：qm为风机风量。

而排汽压力与凝结水温度的关系式为

根据式（10）和式（11）可以得出排汽压力与风机风量以及空气进口温度之间的关系。

4.2 计算结果

根据以上数学模型，分析了不同环境下排汽压力随风量的变化规律。

由图5可知，在Qn＝680MJ／s时，排汽压力随着风机风量的增加而逐渐减小，空气进口温度越高，其下降趋势越明显，ta1＝29℃不同Qn时排汽压力随风机风量的变化如图6所示。

图5 不同ta1时排汽压力随风机风量的变化

图6 ta1＝29℃不同Qn时排汽压力随风机风量的变化

由图6可知，当空气进口温度ta1＝29℃时，排汽压力随着风机风量的增大也呈现逐渐减小的趋势，随着排汽热负荷的增大，其下降趋势更加明显。

4.3 排汽热负荷对风机风量的影响

排汽压力随着风机风量的增大会逐渐降低，即调节风机风量的大小可使机组工作处于最有利的真空条件下，显著提高机组出力。本文同时分析了不同排汽压力时，风机风量随排汽热负荷的变化规律，pc＝15 kPa时风机风量随汽轮机排汽热负荷的变化如图7所示，pc＝30 kPa时风机风量随汽轮机排汽热负荷的变化如图8所示。

图7 pc＝15 kPa风机风量随汽轮机排汽热负荷的变化

图8 pc＝30 kPa风机风量随汽轮机排汽热负荷的变化

式中：P为风机的功率，kW；p为风机的全风压，Pa；qm0为单台风机的风量，m3／h；ta1为环境温度，℃；FL为海拔修正系数；η1为风机效率；η2为传动效率，齿轮箱传动，取值为0.96；η3为电动机效率，取值为0.93。

由图7和图8可知，环境温度越高，同样的风机风量，所能带走的汽轮机排汽热量呈下降趋势。在某一运行工况，根据所需风量的大小以及风机的功率可得出所需运行风机的转速，进而对风机进行调节优化，减少风机耗功，以提高机组效率和全厂的经济效益。风机的运行功率［9］为

5 结论

（1）由本文所建模型的计算结果可知，空气进口温度、排汽热负荷以及迎面风速是影响直接空冷机组排汽压力与出力的重要因素，空气进口温度上升、排汽热负荷增大和迎面风速下降都会造成排汽压力升高，机组出力减小，进而影响机组热经济性。

（2）根据风机风量对排汽压力的影响关系，可以建立排汽压力、风机转速以及风机运行功率之间的对应关系，进而可根据各运行工况对风机进行适当的调节以提高效率。例如当环境温度为25℃、背压15kPa时，维持额定负荷所需的风量大约为25000m3／s，此时就需要顺逆流总共49台风机都全速运行。

（3）根据空气进口温度、排汽热负荷以及迎面风速对直接空冷机组出力的影响，在机组变工况运行时，可以相应地调节风机保证机组效率和最有利真空。

［1］苏咸伟.火电厂直接空冷凝汽器单元传热性能实验研［D］.北京：华北电力大学，2007.

［2］严俊杰，张春雨，李秀云，等.直接空冷系统变工况特性的理论研究［J］.热能动力工程，2000，15（6）：601-603.

［3］苏咸伟，杜小泽，席新铭，等.直接空冷凝汽器传热性能试验设计［C］／／中国工程热物理学会传热传质学术会议论文集.南京：中国工程热物理学会，2006.

［4］任浩仁，李蔚，盛德仁，等.火电机组变工况下运行指标应达值的分析［J］.中国电机工程学报，1999，19（9）：50-52.

［5］李高潮，朱宝田，陈胜利，等.空冷机组直接空冷系统变工况特性的计算分析［J］.热力发电，2008，37（10）：80-82.

［6］周兰欣，杨靖，杨祥良.300MW直接空冷机组变工况特性［J］.中国电机工程学报，2007，27（17）：78-8.

［7］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，2006：122-125.

［8］杨立军，郭跃年，杜小泽，等.环境影响下的直接空冷系统运行特性研究［J］.现代电力，2005，22（6）：39-42.

［9］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.

［10］尾花英郎.热交换器设计手册［M］.北京：石油工业出版社，1981.

［11］杜小泽，杨立军，金衍胜，等.火电站直接空冷凝汽器传热系数试验关联式［J］.中国电机工程学报，2008，28（14）：32-36.

（本文责编：王书平）

TK 264.1

：A

：1674-1951（2015）03-0022-04

余耀（1968—），男，山东济宁人，副总经理，高级工程师，从事火力发电厂全面生产管理与技术管理工作方面的工作（E-mail：mdgsyy＠163.com）。

2014-08-04；

2014-11-18