600MW机组直接空冷系统凝汽器管排选择.pdf

山东电力技 术 s handong d i anl i j i s hu 2 0 0 8 年第6 期( 总第1 6 4 期) 6 0 0 mw 机组直接空冷系统凝汽器管排选择 t h e ch o i c e o f c o n d e n s e r t u b e b u n d l e f o r t h e di r e c t ai r - c o o l i n g s y s t e m o f 6 0 0 mw un i t 张东文 ， 李克先 ( 山东电力工程咨询院 ， 山东济南2 5 0 0 1 3 ) 摘要 ： 对 比了两种空冷凝汽器管 型的优 、 缺点 ， 结合投资 、 设备供货 、 运行维护 、 环境条件等因素 ， 提 出了 6 0 0 m w 机组 直 接空冷系统凝 汽器管排选择方案 。 关键词 ： 空冷 ； 比较 ； 措施 ab s t r a c t ：t h e a r t i c l e c o mp a r e s t h e me rit s a n d s h o r t c o mi n g s b e t we e n t wo t y p e s o f c o n d e n s e r t u b e b u n d l e f o r a d i r e c t a i r c o o l i n g s y s t e m， c o n s i d e rin g mu c h f a c t o r s u c h a s i n v e s t me n t ， e q u i p me n t s s u p p l y 、 o p e r a t i o n ma i n t e n a n c e e n v i r o n me n t c o n d i t i o n s e t e ， t h e n p u t f o r wa r d a me t h o d t o c h o o s e t h e c o n d e n s e r t u b e b u n d l e for a d i r e c t a i r - c ool e d 6 0 0 mw u n i t ke y wo r d s ：a i r - c o o l i n g ； c o mp a ri s o n ； me a s u r e 中图分类号 ： t m6 2 1 4 文献标识码 ： b 文章编号 ： 1 0 0 7 9 9 0 4 ( 2 0 0 8 ) 0 6 7 6 0 5 0 引言 空冷是“ 富煤缺水”地区火力发电的主要的冷 却方式 ， 它改变了原来“ 以水定 电” 的被动局面 。 对 拓宽选厂区域具有重要的意义。 直接空冷是当前常 采用的系统 ， 研究该系统 的管排选择 ， 可 以实现在 保证电厂安全运行的同时 ， 控制工程造价。 1 冷却元件性能特点及应用 直接空冷系统 中常用 的冷却元件型式有单排 管和三排管。 1 1 外形及制造特点 单排管 ： 基管为大尺寸扁形碳钢管( 2 1 9 x 1 9 ) ， 管外镀铝层 ， 翅片为铝片钎焊在基管上 ， 不热浸镀 锌 。 三排管 ： 基管为椭圆碳钢管( 7 2 x 2 0 ) ， 翅片为椭 圆钢片， 缠绕在基管上 ， 整体热镀锌处理。 翅片间距 ( 5 3 3或 5 4 3 ) 。 1 2 主 要性 能特点 1 2 1 单 排管 ( 1 ) 由于采用大直径 的基管 ， 使得管内蒸汽流 7 6 通面积增大 ， 有利于汽液的分离和防冻。在极其寒 冷的地区在极端低温下防冻抗冻能力较强 在冬季 低温运行和启动时因防冻而要求的最小蒸汽流量 ( 热流量 ) 可以更低。 ( 2 ) 管内和空气侧阻力较小 ， 降低汽机背压 ， 而 减小了凝结水”压损过冷度” 提高锅炉回水的温 度 ， 节省了燃煤消耗 。 ( 3 ) 设计迎面风速较小 ， 换热面积相对需要较 大 。 ( 4 ) 对于翅片与基管间钎焊质量要求严格 ， 如果 制造质量控制不严 ， 间隙热阻增大使传热迅速恶化。 ( 5 ) 采用铝翅片， 整体略轻 ， 而清洗压力不能太 高， 对于风沙较大的地区， 表面污垢不易冲洗干净 。 ( 6 ) 翅 片的流道长 ， 因此清洗 时需要清洗头对 准流道 ， 对翅片质量要求严格 ， 否则翅片稍有变形 既使得 冲洗困难效率降低。且其翅片是封闭型流 道 ， 对清洗技术也要求较高。 因此 ， 单排管十分适合于空气环境相对比较清 洁和环境风速相对较小的场合 ， 在高污染区域不推 荐用。 1 2 2 三排 管 山东电力 技 术 s handong di anl i j i s hu 2 o 0 8 年第 6 期( 总第 1 6 4 期) 由于翅片是缠绕在基管上 ， 各处的翅片高度相 等 ， 翅片的换热效率高 ； 热镀锌寿命长 、 防腐效 果 好 、 无间隙热阻 、 强度高。 翅片之间无扰流物或定距 爪 ， 抵抗沙尘天气的能力强 ， 易清洗 ( 高压可 2 0 0公 斤以上) ，清洗效果好 ，防止污垢热阻降低传热效 率 。可提高迎面风速 ； 提高传热系数 ， 减少换热面 积 ， 与单 排管 相 比面积 减少 约 3 0 。采用 变化 的翅 片 间距 ( 5 m 3或 5 3 3或 4 3 3 ) ， 各排管 的蒸汽 流 量趋于均衡 可有效的防冻。 因此， 三排管最适合风速较高、 风沙较大的地区。 1 3 发展及应用情况 三排管的生产 历史较长 ， 运行业绩 较多 ， 而单 排管是上世纪 9 0年代才发展起来 的，生产历史较 短 ， 但近年发展较快 。目前国内电厂两种管型均在 应 用 。 1 - 3 1 采用单排管的电厂 单机容量 6 0 0 mw 机组 采用单排管 的主要电 厂如表 1 所 示 。 表 1 采用单排管的主要电厂 电厂 厂ac 商 c 投产 时间 电京能大 同第二发 电厂二期 2 6 0 0 mw 机 组 大唐托克托三期 2 6 0 o mw 机组大 唐托克托四期 2 6 0 0 m w 机组 囝华锦界电厂一期 2 6 0 0 mw 机组 国华锦界电厂二期 2 6 0 0 mw 机组 宁夏灵武电厂 2 x 6 0 0 mw 机组 华能北 方联 合 电力达拉 特 电厂 四 期 2 6 0 0 mw 机 组 京 能华 能 内蒙 丰 镇 电 厂 三期 2 6 0 0 mw 机 组 华 能北方 联合 电力 京能 上都( 正 蓝 ) 电厂二期 4 6 o o mw 机组 岱 海 电厂 二 期 2 6 0 0 mw 机组 华能铜川电厂一期 2 x 6 mw 机组 大唐山西运城 电厂 2 x 6 mw 机组 中电投霍林河坑 口电厂 2 6 0 0 mw 机组 1号 机 2 0 0 5年 2 o 0 5年 2 o o 6年 2 o o 6年 2 0 0 7年 2 0 0 7年 2 0 0 6年 1 2月 2 0 0 7年 6月 2 0 o 7年 6月 2 0 0 7年 1 1月 s p x 2 0 0 7年 1 1月 哈空 调2 0 0 7年 1 1月 s p x 2 0 0 7年 1 1月 哈 空 调2 0 0 7年 1 2月 1 3 2 采用三排管的电厂 单机容量 3 0 0 mw 及 以上机组 ， 采用三排管 的 主 要 电厂 如表 2所 示 。 表 2 采用三排管的主要电厂 2 单排 管和三排 管 的技 术经 济比较及选 择 依据 2 1 主要技术经济比较 两种管型各有优缺点 ， 单排管十分适合于空气 环境相对 比较清洁和环境风速相对较小的地区 。 三 排管最适合风速较高 、 风沙较大的地区。 从价格方面看 ， 三排管较便宜 ， 单排管稍贵 ， 但 单排管 由于采用铝翅片，重量相对三排管轻的多 对于钢结构支撑所耗钢材会相应降低 。 2 _ 2管型的选择 翅片管是空冷器 的核心和关键元件 它的性能 直接影响空冷器的性能和应用 。 对于翅片管的基本 性能要求主要有 ： 良好的传热性能 、 良好 的耐热性 能 、 良好 的耐热 冲击力 、 良好 的耐大气腐蚀能力 、 较 低 的制造费用 、 易于取得 的金属材料 、 足够的管 内 耐压力 ， 较低 的管内压降、 良好的抗械振动能力 、 较 小的空气阻力 、 易于清理尘垢 、 便于检漏 、 消漏。 空冷系统宜优先采用散热特性 优 ，阻力特性 队 队 雎 n 山东电力技 术 s hand ong di anl i j i s hu 2 0 0 8 年第6 期( 总第 l 6 4 期) 好 ， 易于清理尘垢 、 防冻性能优越的空冷管束。 同时 还要结合投资 、 设备供货 、 施工工期 、 运行维护 、 环 境条件等方面的因素 ， 综合而定。 3 三排管和单排管换热面积优化 3 1 计算方法 空冷 系统优化计算 。一般采 用年总费用最小 法 ， 即将空冷系统的投资按规定的回收率分摊到每 一 年中， 再加上一年的运行费 、 折 旧费、 大修费以及 微增出力引起的补偿电量的电费作为年总费用 ， 其 值最小的方案为最优。 计算结果中的年总费用不是 各方案的实际年总费用值 ， 而是各方案比较的相对 值。 空冷 系统年 总费 用 n f ：pl + i+ l (1 + f) ” 一 1 p为折算到第 m年的总投资。 p = ( 1 + ) i 式 巾 ： t 一 从 投资开_丁这一年起 到计算年 的年 数 ； m 一 包括工程部分投产年度在 内的施工年数 ； p l一 第 t 年的基建投资； i 一 投资回收率 ； h a - 年运行费用 ， 包括风机的电耗及微增功率收益 ； n 一 工程经济使用 年 限 3 _ 2 优化计算所需基础资料 气象参数 ：根据有代表性的典型年气温资料 ， 确定空冷系统设计气温 、 满发气温。 主机资料 ： 排汽量、 排汽焓等。 优化 比较 电价 ： 可按工 程 的发 电成 本 。 经济使用年限 ： 可取 2 0年。 内部收益率 ： 可取 8 。 机组全年运行小时数 ： 可取 5 5 0 0 h 。 3 3 计算 采用空冷散热器背压为定值 ，不同风速为变 量 ， 年利用小时按 比例平均分摊 到运行年内， 采用 多种面积 ， 多种电价进行优化计算 。 空冷系统的优化先对初始温差( i t d)进行优 78 化， i t d值越大， 空冷系统投资越小 ； i t d值越小 空 冷系统投资愈大 ， 根据我院近年来多个空冷机组 的 优化 ，并结合空冷厂家投标 的结果 ， i t d值范围多 在 3 4 一 3 9 q c 之 间 、 变幅不 大 。 在满足相同技术条件下( i t d值相同) ， 可以进 一 步对散热面积 、 迎风面风速 、 风机台数和空冷平 台高度等进行优化 。得 出年费用最小的方案。 根据优化计算结果 ，并考虑噪声及布置场地等 因 素 ， 初步确定空冷系统的主要设计参数。 3 。 4 主 要技 术参数 的选 取 3 4 1 气温典型年 典型年是指一个 能代表某一项 目在今后运行 中的气温平均年份 ， 是一个 气象 中的“ 平年 ” 的概 念 既不是冷年 ， 也不是热年 。 在实际工程 中经常会 出现多个年份的年平均 值与十年年平均值比较相近 ， 很难有一个唯一相等 的年份 ， 往往难以选取 ， 结果是同一个工程， 会选出 不同的典型年。根据统计典型年的意义和作用 ， 建 议增加了夏季三个月平均气温的二级 比较 ， 即典型 年不仅从年平均气温上是一个平均年， 而且在夏季 也是 平均 年 。 3 4 2 设 计气 温的选 择 ( 1 ) 十 5 以上气温加权平均法 ；即 ：从典型年 8 7 6 0 h由高到低排序表中， 只统计从+ 5 到最高气 温的加权平均值 ， 该平均值作为设计气温。 ( 2 ) + 5 气 温加 权 平 均法 ； 即 ： 从典 型 年 8 7 6 0 h 由高到低排序表中， + 5 以下按 5 到最高气温的 加权平均值 ， 该平均值作为设计气温 。 根据方法 1 计算出的设计气温偏高， 而根据方 法 2计算出的设计气温偏低 ， 建议根据工程所在地 区的气温条件 ， 对上述方法进行修正。有些工程的 地区气候寒冷 ， 应该是设计气温较低才合适 ， 否则 ， 采用高气温低背压计算的空冷散热面积过大 ， 不利 于防冻。 3 4 - 3 满发气温 根据 d i j t 5 3 3 9 2 0 0 6 ， 按电厂不满发小时数在 1 0 0 2 0 0 h内的相应气温确定。 3 4 4 i td 山东 电力 技 术 s handong di anh j i s hu 2 0 0 8 年第6 期( 总第1 6 4 期) 多在 3 4 3 9 之间， 变幅不大。 煤价和电价越 高、 空冷设备价格越低 ， 优化的 i t d值越小。 满发工 况下的 i t d值高于设计气温下的 i t d值 ，一般高 1 5 一 2 5 。 3 4 5 外界风速设计标准 外界风设计风速 系指蒸 汽分 配管顶 l m高 处 的风速并据此计算对风机静压 的影响程度。建议 ： 空冷系统外界风风速的设计标准应根据厂址处气 象统计资料选择 ， 结合上述的不满发小时数 ， 一般 可根据气温 2 5 且 l o分钟的平均风速每年平 均 不超过 5 0次的对应风速选取。 超越次数太多， 对今 后 的机组满发不利 ， 超越次数太少 ， 风机 附加静压 值太大 ， 风机选型困难 、 风机的配套电动机过大。 3 4 6 管束迎面风速 结合我国对噪音的实际考虑 、配套设备的选 择 、人们的对散热面积的认知度以及造 价等因素 ， 不同的管型应采用不同的迎面风速 。建议 ： 单排管 采用 1 8 2 3 m s 三排管采用 2 5 3 o l s 。 在换热面积不变的前提下 提高管束的迎风风 速 也 即提高通风量 ， 对提高空冷系统的换热效率 是有作用的。 但如果考虑换热面积的改变 。 即每个方案总是 满足相 同的工程条件 ， 来选择小迎 面风速 、 大散热 面积 ， 或者大迎面风速 、 小散热面积 ， 数模试验的结 果表 明： 提高管束迎 面风速 ， 起不到增强抵抗外界 风能力的作用。 3 4 7 设 计背压 、 满发背压 ： 以优化方案对应的机 组年运行加权平均背压值作为设计背压 ， 以该方案 对应 的满发背压值作为满发背压 。 4 三排 管直 接空冷系统的防冻 影响空冷凝汽器冻结的主要原 因有 ：气象条 件 ， 空冷凝汽器的进汽量 、 进汽参数 ， 空冷风机运行 方式的控制 ， 排汽参数的控制 ， 旁路系统的配合。 4 1 三 排管本 体 的防冻 措 施 从三排管空冷管束的空气流程看 ， 第二排接触 的是第一排出口的热风迎 风面 ， 第三排接触的是第 二排出口的热风。各排管 的放热量不一样 ， 第一排 管的蒸汽和空气温差较大 ， 则热交换量大 ， 凝结 的 蒸汽量也多 ， 管 内压力损耗最大 ， 蒸汽 出口压力最 小 。第二 、 三排 的出口蒸汽会流入第一排的出口侧 ( 逆流) ， 使蒸汽 中的微量惰性气体 ， 积蓄在第一排 管的下部部分区域 ， 造成该区域不仅不能进行热交 换 ， 冬季还有可能因为冻结而造成损伤。 为增加其防冻性能。 制造商大多对三排管采用 变 化的翅 片间距 ( 5 4 3或 5 3 3或 4 3 3 ) 、 大截 面 椭 圆基管 ， 使各排管的蒸汽流量趋于均衡 ， 各排翅 片管的冷却能力相近 不易形成过冷 区 ， 提高了冬 天防冻抗冻、 抗冻变形及冻裂能力 。 4 2三排 管空冷 系统 的整体 防 冻措 施 除了三排管本体 的防冻措施外 ， 整个空冷系统 还主要采取 以下防冻措施。 ( 1 ) 采用多列式布置 ， 并在部分蒸 汽分配管人 口处设置真空隔断 阀 ( 应保证能有效隔断 ，不泄 漏) ， 当冬季汽轮机低负荷运行或启动时， 切断某几 个散热段的阀门，将热量集中在剩余 的散热段中， 增加热负荷 ， 达到防冻 目的。 ( 2 )对每一列空冷凝汽器均采用顺逆流结构 ， 能有效地 防止凝结水在空冷凝汽器下部 出现过冷 而冻结 ，并使空气和不凝结气体 比较顺畅地排出， 不致形成“ 死区” 使冻结水冻结而冻裂翅片管。 顺流 与逆流的散热面积之比应经热力计算确定 。 ( 3 ) 采用变频调速风机 ， 通过程序分组控制风 机 ， 调节空冷凝汽器的进风量 ； 在环境温度低 于某 设定值时 ， 逆流冷却单元 的风机间断反转 吸入空 冷系统散出的热量 ， 是防冻的有效措施 。 ( 4 ) 加强系统监控 ， 在每个散热单元 中每一组 凝结水 出 口、 每个散热单元进汽 口、 凝结水 出水管 以及在逆流散热器风出 口处分别设温度 、压力 、 流 量等测点 ， 根据各测点数据调整风机的转速和运行 台数。 在冬季寒冷期 ， 系统运行必须采用 自动控制 采用冬季保护程序 自动运行。 在冬季运行中如出现 异常 ， 控制系统及时发出指令 ， 调整运行 。 同时发 出 警报 ， 提请运行人员注意。 ( 5 )在空冷平 台上布置了一定高度的挡风墙 在冬季能挡御寒风直接吹在凝汽器管束 ， 防止发生 7 9 山东 电力技 术 s han dong di anl i j i s hu 2 0 0 8 年第6 期( 总第1 6 4 期) 局部管束过冷而结冰的情况。 ( 6 ) 当机组在冬季停运时 ， 应首先关顺流凝汽 器风机， 然后关逆流凝汽器风机 ， 真空破坏阀打开 。 真空泵关闭 ， 所剩凝结水进入凝结水箱。 ( 7 ) 借鉴类似工程 的成熟经验 ， 进行合理运行 与管理。 如机组在低气温 、 低负荷 、 低排汽压力下运 行 ， 或在冬季启动 ， 或严寒来临时 ， 应定期检测管束 金属表面温度， 监视其运行状态 ， 警惕冻结发生 ， 做 到早发现 、 早判断 、 早处理， 保证机组不因管束冻裂 而停机。早期可以采用迅速提高排汽压力 ， 降低风 机转速 ， 利用蒸汽加热融化的方法。管束严重冻结 而堵塞时， 若风机有倒转功能 可使风机倒转 以吸 取空冷岛上方的热空气来加热管束。 因此， 直接空冷系统的防冻是一个复杂的系统 工程 ， 除与冷却元件的型式 、 加工制造有关 ， 主要与 空冷系统的整体设计有关 ， 又与空冷系统的运行控 制和维护管理息息相关。 5结语 两种空冷凝汽器管型各有优 、 缺点 都有很 多 的电厂正在或 即将使用 ，优先采用散热特性优、 阻 力特性好 、 易于清理尘垢 、 防冻性