电站空冷系统设计参数的确定

1,电站空冷系统设计参数的确定,山西省电力勘测设计院张新海中国电机工程学会火电分会空冷专委会第四届学术年会论文，2007.4.杭州,2,1.0前言,随着近几年多台空冷机组的投产，暴露出一些问题，也取得了一些经验，人们对空冷系统有了更深入的熟悉和掌握、甚至有了许多创新，技术研究和讨论已不仅仅停留在泛泛的、宏观上的讨论，而是越来越深入、越来越精细、越来越具体。本文对关键的设计参数进行分析、归纳总结，提出建议，希望达成共识。本文对目前空冷界的某些提法进行分析研究，提出不同观点，与大家共同讨论。,3,2.0气温典型年,典型年是指气温典型年，风资料不存在典型年。典型年是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。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。,4,有些文献和火力发电厂水工设计规范最新版的条文说明中是采用多年年平均气温最作为比较基准，并说明某年的年平均气温与该比较基准相等的年份为典型年。根据空冷系统统计典型年的目的，需要考虑的是今后实际运行中的气温情况，所以不宜采用历史上多年的年平均气温作为比较基准，因为随着全球气候的变暖，最近10年的多年年平均气温比历史上多年年平均气温要高，而且具有普遍性，如山西某工程，多年年平均气温为12.5，而最近十年年平均气温为13.5。又如山西某工程，多年年平均气温为6.5，而最近十年年平均气温为8.0，又如内蒙某工程，多年年平均气温为7.2，而最近十年年平均气温为8.2，厂址处相关分析后最近十年年平均气温为11。同时，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。,5,因此，为便于统一和具有可操作性：建议首先需要统计最近10年的逐年年平均气温、夏季三个月平均气温以及10年平均的年平均气温、夏季三个月平均气温（而不是当地历史上多年的年平均气温），然后将逐年的年平均气温与10年平均的年平均气温比较，比较接近的年份为备选典型年。然后再进行二级比较，即将各备选典型年逐年夏季三个月平均气温与10年平均的夏季三个月平均气温比较，比较接近的并为正偏差的年份确定为典型年。如果进行了二级比较后还有两个及以上备选典型年，可选择近5年内的年份作为典型年。,6,有时，在前期工程中确实无相近工程或气象站资料参考、难以工作时，可以采用正态分布函数确定小时气温来进行前期初步工作，此时可采用多年平均气温和极端最热气温来得出模拟典型年的资料，此时采用5及以上气温方法统计的设计气温可按TMCR工况确定空冷系统规模。气温小时数可按下列公式计算，温度区间取1。,7,3.0设计气温,设计气温的确定问题是一个提法较多，争论较多的问题。以前，空冷设计气温的确定方法主要来源于国外。国外空冷设计人员根据空冷系统的特点和实际运行的经验，结合汽轮机THA工况的特性，采用了几种经验方法来确定设计气温。后来，我国设计人员也对设计气温进行多种形式的探讨，也提出了几种经验方法。针对各种方法在上世纪90年代也进行过做统一规定的尝试。但限于当时国内仅有8台间接空冷机组，空冷的普及率还很低，意见还不统一，所以在DL5000-94火力发电厂设计技术规程的1999年版中虽经尝试仍未列入规程。,8,设计气温归结起来目前有以下几种确定方法：1)6000小时法；即：从典型年8760小时由高到低排序表中，从低温到高温累计到6000小时，此时对应的气温作为设计气温。2)5以上气温加权平均法；即：从典型年8760小时由高到低排序表中，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。3)年平均气温法（不是全年的算术平均值，而是正、负气温频率平衡法）；即：利用典型年8760小时由高到低排序表，绘制累计小时或累计频率（横坐标）气温（纵坐标）曲线，计算0以下气温与横坐标之间的低气温区面积，然后试算从最高气温开始平行横坐标画水平线截取到某一气温所形成的高气温面积，使高气温面积与低气温面积相等，则截取点的气温作为设计气温。该方法是匈牙利EGI公司首先提出和通常使用的。,9,值得注意的是：有些出版物或教科书上标出的这种方法具体操作步骤可能是错误的。如有些书上，将高温段的面积写成或图示成从拟选设计气温处画平行纵坐标的线与横坐标轴线之间的面积，这种方法会导致设计气温很高。又如有些教科书上将0以上的面积取值是从0开始往高温方向取值的，而不是从最高温度向低温方向取值的，这种方法导致得出的错误的设计气温。可以设想，如果采用这种方法，越寒冷的地方，0以下气温与横坐标之间的低气温面积会越大，为了得到相同的0以上从0开始的气温与横坐标之间的面积也就会越大，设计气温就越高；反之，越热的地方，如南非matimba电厂，极端最低气温2，0以下气温与横坐标之间的面积会很小，导致设计气温可能会很小。这种方法最终会得出：越冷的地方，设计气温越高；越热的地方，设计气温越低。最新版的火力发电厂水工设计规范条文说明中的解释当属于这里列举的后两种概念。,10,4)30%频率法；即：从最高气温累计到30%频率时的气温，作为设计气温。与6000小时法相比，仅差132小时，也可以说是6132小时法。5)与阻塞背压相适应的气温值及以上所有气温的加权平均法，仅在前几年的文章中有这种提法，未见工程实践。6)年净发电量最大法；即：某个气温下的小时数乘以其机组出力减去风机功耗等，累计净出力最大，该气温为设计气温。仅在前几年的文章中有这种提法，未见工程实践。7)年算术平均气温；作为设计气温，该方法仅在某些教科书中用于与其它方法比较，不能作为工程应用方法，也没有工程实践。最新版的火力发电厂水工设计规范条文说明中的解释也将其列为一种确定设计气温的方法，这是不合适的。,11,8）近两年又有专家提出一种方法，即：5气温加权平均法；即从典型年8760小时由高到低排序表中，从5到最高气温加权平均，将5以下气温小时数，按5气温也将其计入加权平均值中，得出的全年加权平均值作为设计气温。这也是近期我国的空冷创新的一点。这种方法的提出是针对第二种方法的，其理由可能是：为什么只考虑5以上的小时数，而不考虑5以下的小时数？5以下的小时数机组也要运行，正如湿冷机组一样，冬季的冷却水温也要加权平均到全年的冷却水温中。,12,经分析认为：提出这种问题，也同样会有：6000小时法为什么不考虑其余的2760小时？正负气温频率平衡法为什么不考虑中间气温段？其实，空冷设计气温的确定是采用的经过多年积累的经验方法，与湿冷的概念还是有区别的，虽然表面上看似没有统计某一温度段的气温，但是，一个项目，当典型年确定后，全年的气温、小时数是相互关联的，如：全年8760小时中，5以下小时数多了，超过5以上的小时数自然少了，采用5以上气温统计和考虑全年气温统计是一样会随工程的变化而变化的，并不是只有采用了全年的气温才能得出设计气温。其次，第2种方法选取5作为最低气温计算点是有道理的，一般空冷系统在某一低气温点运行时达到最低运行背压点，再低于此气温，气温越低、负荷越低，为了防冻的要求，背压不是降低，而是要提高才行，所以不同地区有时统计的结果相近，这正是空冷系统的特点。根据这种实际运行情况，为简化计算，是已经考虑了低温的条件后不再计入低温段气温才采用的+5低温界点的经验方法。当然，并不是一种方法适合所有的地区。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，为此，可采用不同的统计方法来解决。,13,当然：如果要非把5以下气温也计入到全年加权平均气温中，那么，应采用实际运行的低气温段内实际背压值所对应的大于0以上气温值才对（即第一象限的气温背压曲线），这样计算很烦琐。在最新版的火力发电厂水工设计规范中说明应采用THA进行优化的，同时条文说明中的解释也说明低温界点的取法目前看法尚不一致，其建议暂按5计，这也说明这种方法还是不成熟的。如果也要像第2种方法一样，将低温段的气温按某个低温界点计入，则该低温界点应比5高才合理。鉴于目前有些设计单位采用TMCR工况的参数进行优化的情况，为了比对并得出相同的设计背压，我们通过多个工程的计算，如果把8作为低温界点、8以下按8考虑，得出的设计气温可以作为TMCR工况下的设计气温，但不能作为THA工况的设计气温。这样，可以为采用TMCR工况优化的设计单位提供一个试用的方法。,14,总之，鉴于目前有多种计算方法，且得出的结果不一样，有些相差较大，只能结合汽机特性（要考虑满发背压与满发气温的关系）和空冷在冬季运行中往往高于其计算的背压等实际因素，在现阶段应采用一些比较成熟的、经实践验证的方法来确定设计气温。第1、2、3、4种方法确定的设计气温在中气温段相差不大，其中第1、2种方法比较简单，是最常用的方法。这两种方法确定的设计气温均是针对采用THA工况优化确定设计背压的。第8种方法，如果将低温界点暂定8，此时采用TMCR工况优化，可以试用，但不推荐。小结：常用的方法是有区域性的，炎热地区和极其寒冷地区不宜采用第3种方法；年算术平均气温超过9的宜采用第2种方法，低于6的宜采用第1种方法，在69之间的可优先采用第3种方法。,15,4.0满发气温,首先，空冷系统中不能采用10%频率的概念，其次，小时数的选取上，是否采用湿冷的折算后的“200小时”也颇有争议。事实上，湿冷系统中湿球温度每天之内也是发生变化的，有高于平均值的，有低于平均值的，影响有多少个小时不满发，并无考证和统计结果，同时，由于采用的是湿球温度，与干球温度相比，其变化并不象干球温度那样敏感，而空冷系统使用的干球温度变化较大，特别是空冷系统受到外界风的影响较大，若不利大风出现在不满发气温小时数内的，汽轮机发电负荷将更低；若不利大风出现在满发气温内的，也可能会有不满发情况的出现，其结果是加大了全年的不满发小时数。若出现的为较大的风，则会出现较大的降低负荷的情况，严重时会造成停机。因此，即使采用与湿冷一样的小时数，也肯定达不到湿冷机组的效果，考虑空冷机组出力受外界气象条件的影响较大，为了能够达到或与湿冷机组基本持平，同时满足人们对湿冷机组的习惯概念，除了其它的设计措施外，建议在外界风风速设计条件下，直接空冷系统的不满发小时暂按100150小时左右考虑，间接空冷系统不满发小时暂按150200小时考虑，据此确定计算的“满发气温”。否则，应根据优化计算结合汽机特性、机炉匹配的原则，在最优的方案中，反算满发气温，这样可能会出现五花八门的结果，有些工程从计算上可能会全年满发，有些工程可能会有较多的不满发小时数，目前还不太容易让人接受。,16,5.0设计背压、满发背压,采用空冷系统时，对采用的初始温差值（ITD值）应根据当地气象条件与汽轮机特性因素进行优化，以确定汽轮机额定背压和装设适量的散热器。根据电厂机组的特定条件，采用THA流量下的变工况特性（补水率为0%）进行优化计算。或者采用TMCR流量下的变工况特性（补水率为0%）进行优化计算。优化计算中方案不宜少于5个（即5种不同的ITD值），采用年费用最小法进行。对优化计算结果经综合分析后，选取合理的优化方案，在优化方案数据表中，查出对应设计气温的背压值取整后作为汽轮机的设计背压。查出对应计算“满发气温”的背压值取整后作为汽轮机的满发背压。满发背压应与汽机厂推荐的末级叶片变工况性能相协调，满发背压应与机炉容量匹配相协调。满发背压还应结合已有空冷电站运行经验合理选择。,17,上述的优化过程大家都很熟悉，但在优化过程中，冬季最低运行背压应考虑防冻、过冷度以及实际运行情况、空冷机组热耗曲线特点统筹考虑，对于低温段的背压考虑建议如下：对于直接空冷系统，如采用单排管时，在+5以下气温时宜按平均最低运行背压910kPa取值；如采用双排管、三排管时，在+5以下气温时宜按平均最低运行背压1012kPa取值。对于供热机组，根据具体供热工况合理确定最低运行背压，但不宜低于8kPa。对于间接空冷系统，在+5以下气温时宜按平均最低运行背压78kPa取值。举例：有些厂冬季运行，控制过冷度达不大于6；有些厂冬季就是按设计背压运行的。,18,需特别指出设计背压的取值是在最终优化方案中查出对应设计气温的背压，根据定义，ITD值是空冷凝汽器（或空冷塔）入口汽温（或水温）与设计气温的差值，所以设计背压应是设计气温加ITD值还要加上从低压缸到空冷凝汽器之间的排汽管道压降（间冷为凝汽器端差），才是实际的设计背压。如果忽略了后一项，在设计背压特别是设计背压较低时管道的压降较大，导致设计背压误差较大。在热力计算中的ITD值也应该是该含义，国外标准中的定义也是如此，而不应该是低压缸排汽温度与设计气温的差值，否则，实际的ITD值比这个ITD值要小，散热能力不够。在最新版的火力发电厂水工设计规范中对ITD值没有明确定义，但含义却是排汽背压下的汽温与设计气温的差值，这是不准确的。另外，该规范中还建议了三种设计气温下的设计背压取值，按其ITD的含义通过计算，ITD值在38.639之间，如果按此建议，也就是说，今后不必进行ITD值的优化，只要确定了设计气温，就确定了设计背压，从减轻设计人员工作量上同意。,19,但这种建议可能是不恰当的。因为它无论工程具体条件如何，规定了几乎一个ITD值。比如寒冷地区气温虽低、煤价却很便宜，为什么不可以有高的设计背压？而对于较热地区，煤价较高，又为什么不可以有较低的设计背压？等等，这些都是需要根据实际工程进行优化的。设计背压的确定不是唯一与气温有关，相反，在一些严寒地区，由于冬季防冻的需要，往往低温、低负荷运行时，背压要提高来运行，冬季气温越多，提高的背压权值越大，全年加权平均背压（即设计背压）越难达到较低的水平，要达到较低的设计背压，面积一定要加大，才可以降低管束中低背压时的蒸气阻力；而较高气温地区，由于防冻问题淡化，如果需要或愿意，反而更容易做到较低的设计背压，无非是加大空冷系统的投资而已。所以ITD值不应是定值，更不是设计气温低设计背压就一定要低，应结合工程具体条件、特别是冬季运行的背压问题经优化确定。否则，就会出现越寒冷的地区，空冷面积越大的现象。除非当新建工程与以往工程有相似性和可比性，可以不必进行优化ITD值。,20,6.0外界风速设计标准,直接空冷系统：外界风设计风速系指蒸汽分配管顶1m高处的风速并据此计算对风机静压的影响程度；在2005.10苏州召开的空冷会上，各位专家纷纷提出了外界风设计标准的问题，因为VGBR131me标准中规定的是3m/s，针对中国的实际情况，并不完全适合，那么，针对具体工程如何确定当时并未讨论。通过多个工程的经验，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25且10分钟的平均风速每年平均不超过50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，经测算，按此确定的设计风速，在目前实际工程中具有可操作性。间接空冷系统：外界风设计风速系冷却塔外10m高处的风速，并通过经验公式换算到塔顶处风速来确定影响程度。,21,在直冷前期工程或间接空冷系统中，当仅有10m高处10分钟平均风速时，可采用下列经验公式计算设计高度的设计风速：VH=V10（H/10）0.2根据设计高度的设计风速VH，可按下列经验公式确定直接空冷风机的附加静压值：P=0.5VH2根据设计高度的设计风速VH，可按下列经验公式确定塔外垂直布置散热器的间接空冷系统循环水的附加温升：TITD0.005VH1.73,22,7.0管束迎面风速,管束的迎面风速取值也是争论较为激烈的一个话题，国内实际工程中直接空冷采用的迎面风速根据管型不同在1.83m/s3m/s之间，在国外，迎面风速针对不同管型有其一般的经济迎面风速范围：单排管采用1.82.2m/s；双排管采用2.53m/s，三排管采用2.83.3m/s。特殊噪音要求的除外，在国内，早期由于风机功耗折价的因素，一些工程的迎面风速较低，导致冷却面积过大；而近一、二年又有些观点提出，提高迎面风速，可增大上部蒸汽分配管处的出口空气流速，因此可增强抵御外界风影响的能力。笔者持有不同观点，认为从23m/s管束迎面风速考虑，上部出口处可近似按46m/s流速计算，则，最高流速与最低流速之间的动压差仅为10Pa左右，对外界大风的抬升力微乎其微，而外界大风来临时造成风机的风量急剧减少、由于冷空气源严重不足才是造成汽机背压升高的主要原因，从经验来看，机组越大、风机排数越多，影响程度越大。否则，是否可以说三排管历来设计迎面风速就高，抗外界风能力就好？,23,所以，笔者分析：提出增加设计迎面风速的观点可能来自于国内的某些数模计算，有些数模计算中的模型是保持散热面积不变时进行的，此时提高迎面风速可降低汽机的背压，这是确定散热面积后提高风机风量人人皆知的结果。它与从开始设计时就采用较高的迎面风速有着本质上的区别。比如，同样对于30气温汽机背压为30kPa的项目，选择2m/s迎面风速和选择2.5m/s迎面风速可以得出两个不同散热面积的方案，此时对应的均是同样设计条件的下气温和背压，如果在每个方案中均保持散热面积不变，增大风机通风量，也就是提高了迎面风速，不用做试验也能知道当然能降低汽机背压，这也是我们为什么使用110%变频调速的理由之一。但是，并没有有力证据证明采用2.5m/s的设计方案就比采用2m/s的设计方案更能抗外界大风。,24,还有，有些文章中不分管束形式，统一建议了一个迎面风速不小于2.3m/s（举例）的标准，为了限制面积、节省投资是可以理解的，但如果是为了增强抗外界大风能力或者对所有管型的规定，这可能是不恰当的。首先看下面直接空冷系统中常采用的三种管型的传热系数曲线和空气侧阻力曲线（根据众多实际工程中采用的数值整理而得）。,25,图中纵坐标分别为传热系数或和阻力值，横坐标为管束迎面风速，K1、P1为单排管；K2、P2为双排管；K3、P3为三排管。从图中可清楚地看出各种管型的差异，单排管的K值比较平缓，从2.0m/s到2.5m/sK值提高不足5%，而P值增加28%；三排管具有较高的K值和较低的P值，双排管也有较高的K值，但P也较高，由此可知：为什么有时一个具体工程中迎面风速相差很大、导致散热面积相差很大的原因。,26,结论，根据上述所述，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：直接空冷系统：单排管采用1.82.3m/s；双排管采用2.02.5m/s；三排管采用2.53.0m/s。间接空冷系统：鉴于塔体的技术经济考虑，宜采用1.61.9m/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。,27,8.0空冷系统散热裕量,由于散热器在使用过程中，会产生污垢、热岛效应以及设计、制造、安装等误差，特别是各冷却单元的散热不均匀度以及一个单元中的不均匀度，所以必须考虑一定的散热裕量，一般有下列几种方式：1)空冷系统热力计算中，散热器实验室试验数据考虑安全使用系