直接空冷凝汽器全工况运行特性分析-杨立军-华北电力大学

1、直接空冷凝汽器全工况运行特性分析杨立军 杜小泽 杨勇平 刘登瀛（华北电力大学能源与动力工程学院，电站设备状态监测与控制教育部重点实验室 北京102206）摘要：掌握火电站直接空冷凝汽器在各种工况下的运行特性，对于提高我国直接空冷机组的运行水平具有重要意义。以300MW空冷机组直接空冷凝汽器为例，分析了反映机组运行性能的汽轮机背压的影响因素，针对轴流风机全速和半速运行工况，计算得到了汽轮机背压随凝汽器凝结蒸汽量和进口空气温度的变化规律。结果表明：随凝汽器凝结蒸汽量和进口空气温度增加，汽轮机背压增加；随轴流风机风速降低，汽轮机背压升高。轴流风机运行方式的调整，依赖于环境温度和机组热负荷的变化。对于

2、冬季低温运行的空冷凝汽器，为防止出现汽轮机背压低于阻塞背压和凝汽器管束冻裂，风机需减速运行。反之，在夏季高温条件下运行的空冷凝汽器，为避免汽轮机背压过高带来的非正常停机和机组运行经济性的下降，风机需全速甚至超设计风量运行。关键词：直接空冷凝汽器 汽轮机背压 凝结蒸汽量 凝汽器防冻 轴流风机 运行特性 中图分类号：TK124 TK264.10 引言水资源的日益匮乏，使直接空冷机组在我国北方富煤贫水地区得到了快速发展1,2。直接空冷机组以环境空气做为汽轮机排汽的冷却介质，完全不同于水冷机组。由于空气和水相比，热容量小，导热系数低，其冷却能力远远低于水的冷却能力，因此直接空冷凝汽器一般采用翅片管束结

3、构，汽轮机排汽在管内进行凝结放热，管外为翅片结构，冷却空气在轴流风机作用下，流经管外翅片空间对管内蒸汽进行冷却。直接空冷凝汽器根据翅片管形式划分，有椭圆管矩形翅片、椭圆管椭圆翅片、扁平管蛇形翅片等。根据管束形式划分，有单排管、双排管和三排管。由于具有优良的抗冻和流动传热性能，现有大容量直接空冷机组都采用蛇形翅片单排扁平管束结构。众所周知，冷端系统设计、运行的经济性好坏，都是通过汽轮机背压直接反映的，因此汽轮机背压是冷端系统的综合指标，是整个空冷装置运行优劣的集中体现，它的经济性直接关系到整个机组的经济性。研究直接空冷凝汽器全工况运行特性，掌握汽轮机背压在各个不同工况下的变化规律，如不同3的环境

4、温度、轴流风机转速、凝结蒸汽量、空冷凝汽器管内结垢、不凝性气体含量、管外积灰等对汽轮机背压的影响，对于保证直接空冷系统安全高效运行具有重要意义。1 直接空冷凝汽器理论模型当忽略排汽由汽轮机出口流向凝汽器入口以及蒸汽在凝汽器内的流动压降时，凝汽器压力可认为是汽轮机排汽压力，即汽轮机背压，空冷凝汽器内发生的是等温凝结过程。通过对蒸汽侧和空气侧能量平衡方程、空冷凝汽器传热方程以及空冷凝汽器效能、传热单元数NTU的推导，可得到空冷凝汽器内凝结温度ts与各影响因素之间满足下述关系4,5,6：ts=srmAFvFcp-KAAFvFcp+ta1 (1)1-es为凝结蒸汽量；r为凝汽器压力下式中，m的汽化潜热

5、；、cp分别为空气密度和比热；AF、vF分别为空冷凝汽器迎风面面积和迎风面风速；K、A为空冷凝汽器传热系数和传热面积，传热面积通常取管外侧面积，即管外光管部分和翅片部分的面积之和；ta1为冷却空气进口温度。大容量空冷机组常用的蛇形翅片扁平管结构的空冷凝汽器传热系数K通过如下计算公式获得：1KA=(1+i)1+o)1ohiAiA+(1ih+ooAo(2)其中：i，o为空冷凝汽器管内外污垢热阻；hi，ho为空冷凝汽器管内外对流换热系数；，分别为空冷凝汽器管壁厚度，导热系数；Ai，Ao为空冷凝汽器内外换热面积；o为肋壁总效率，A1+fA2o=A；oA1为管外光管部分面积，A2为翅片表面积，f为翅片效

6、率。空冷凝汽器内为汽轮机排汽的凝结过程，对于半顶角为（一般为30°）的“A”型管束，管内凝结换热系数按如下公式计算7：h=1.131gcos2l3lri (3)l(ts-tw)L其中，l，l，l分别为凝结水密度，导热系数，动力粘度；r为排汽凝结潜热；tw为管壁温度；L 为翅片管的长度；g为重力加速度。空冷凝汽器外侧为空气强迫对流换热，其换热系数一般由空冷凝汽器供应商提供，通常通过如下实验关联式计算：Nu=f(Re) (4)其中，Nu为空气对流换热的Nusselt数，Nu=hol；l为管外空气对流换热的特征尺a度，根据不同翅片管形式选取不同的尺寸做为特征尺度。a为空气导热系数。Re为管

7、外空气流动的雷诺数，Re=ul； u为管外a翅片空间空气流通截面Am上的流速，a为空气运动粘度。根据迎面风速的定义，最终可以得到管外空气对流换热系数与迎面风速的关系：ho=g(vF) (5)将通过式（3）和（5）得到的换热系数和相应污垢、积灰热阻代入公式（2），即可获得空冷凝汽器传热系数。然后代入公式（1）即可得出凝汽器温度ts，即汽轮机排汽温度，从而获得汽轮机背压。2 直接空冷凝汽器全工况运行特性公式（1）表明，汽轮机背压的影响因素可用如下关系描述：ps=f(ms,vF,ta1,i,o) (6)即汽轮机背压与空冷凝汽器凝结蒸汽量ms，空冷凝汽器迎风面风速vF，空冷凝汽器进口空气温度ta1，空

8、冷凝汽器管内外污垢热阻i、o有关。当不考虑污垢热阻的影响时，汽轮机背压仅与ms、vF、ta1有关，即ps f(ms,vF,ta1) (7)考察汽轮机背压随汽轮机凝结蒸汽量、空冷凝汽器迎面风速以及空冷凝汽器入口空气温度的变化规律，对于保证空冷岛安全高效运行具有重要意义。下面根据某300MW机组典型参数，计算汽轮机背压随各运行工况的变化，进行直接空冷凝汽器全工况运行特性分析。计算分析以两个迎风面风速工况，即轴流风机全速运行和半速运行为例。该300MW直接空冷机组设计参数为：汽轮机设计背压Ps=15kPa；设计环境空气温度ta1=11.1；管束迎风面面积为6116m2，迎风面风速为2.45m/s；空

9、冷凝汽器总传热面积为793692m2。2.1 风机全速运行时直接空冷系统运行特性轴流风机全速运行时，顺流空冷凝汽器传热系数为30.7w/(m2K)，逆流空冷凝汽器传热系数为26.5 w/(m2K)。根据上述设计参数，即可获得风机全速运行时直接空冷系统运行特性。图1和图2分别给出了凝汽器温度、汽轮机背压随环境温度和凝汽器凝结蒸汽量的变化曲线。可以看到，随空冷凝汽器进口空气温度升高，凝汽器凝结温度和汽轮机背压也相应升高。随凝汽器凝结蒸汽量增加，凝汽器凝结温度和汽轮机背压也增加。在该性能曲线上，可以找到空冷凝汽器设计点，即ms为240kg/s，ta1为11.1，Ps为15kPa。在设计凝结蒸汽量下，

10、当环境温度达到30时，汽轮机背压达到33.6KPa，此时背压很高，机组运行经济性明显下降。因此，在温度较高的夏季，如果保证汽轮机安全经济运行，就需要降低凝汽器热负荷，导致机组达不到设计出力。反之，如果保证机组满发，汽轮机就要在高背压下运行，机组运行的经济性降低。 空冷凝汽器性能考核验收实验也是以该性能曲线为依据。按照VGB-R131Me导则，可有两种方法进行空冷凝汽器性能考核验收。第一种方法是考核凝汽器凝结蒸汽量，即在一定的汽轮机背压和环境气温条件下，测量凝汽器的凝结蒸汽量。当所测得的凝结蒸汽量超过性能曲线上相同背压、相同气温条件下查得的蒸汽量，就表明空冷凝汽器满足设计要求，反之，表明空冷凝汽

11、器性能考核达不到要求。第二种方法在本质上和第一种方法一致，通过考核汽轮机背压来考核空冷凝汽器性能，即在一定的凝结蒸汽量和环境气温条件下，测量汽轮机背压。当所测得的汽轮机背压低于性能曲线上相同凝结蒸汽量、相同气温条件下查得的汽轮机背压，就表明空冷凝汽器满足设计要求。图1 凝汽器凝结温度随环境温度和凝汽器凝结蒸汽量的变化曲线图2 汽轮机背压随环境温度和凝汽器凝结蒸汽量的变化曲线2.2风机半速运行时直接空冷系统运行特性轴流风机半速运行时，顺流空冷凝汽器传热系数为25.3w/(m2K)，逆流空冷凝汽器传热系数为22.4 w/(m2K)。半速运行时，冷却空气流量近似减小为原来的一半，即迎面风速为1.22

12、5m/s。图3和图4分别给出了轴流风机半速运行时，凝汽器温度、汽轮机背压随环境温度和凝汽器凝结蒸汽量的变化曲线。同样，随环境温度升高，凝汽器凝结温度和汽轮机背压也相应升高。随凝汽器凝结蒸汽量增加，凝汽器凝结温度和汽轮机背压也增加。轴流风机半速运行时，当凝汽器凝结蒸汽量m s仍为240kg/s，ta1仍为11.1，汽轮机背压Ps则升高为44kPa，较风机全速运行时增加了29KPa，机组运行经济性显著下降。保持凝结蒸汽量不变，当环境温度ta1升高为30时，汽轮机背压则升高为88kPa，已经超过了汽轮机能够安全连续运行的最高允许背压 65kPa和跳闸背压 80kPa，将出现非正常停机事故。另一方面，

13、当机组冬季低温运行时，由于环境温度较低，在轴流风机全速运转时，可能导致汽轮机背压过低，如果低于汽轮机阻塞背压，机组将不能正常工作。更为严重的情况是在冬季极低温条件下，如果机组负荷较低，可能使凝结水温低于结冰温度，导致空冷凝汽器内出现结冰现象，翅片管束被胀裂，机组出现非正常停机。因此轴流风机在冬季通常采取减速运行的方式，以防止管束冻裂现象发生。从图2可以看出，在轴流风机全速运行的条件下，当凝结蒸汽量为180kg/s，环境温度为0时，汽轮机背压仅仅为5KPa，已经低于汽轮机阻塞背压7.6KPa。而当轴流风机半速运行时，从图4中可知，此时汽轮机背压为13.8KPa，高于汽轮机阻塞背压。凝结水温度为5

14、2，也远远高于水的结冰温度，不会发生管束冻裂情况。可见，风机运行方式的调整，依赖于环境温度和机组热负荷的变化。在温度较低的冬季，为防止汽轮机背压低于阻塞背压和空冷凝汽器管束冻裂事故的发生，风机需减速运行，而且凝汽器热负荷不能过低。反之，在夏季高温条件下运行的空冷机组，为防止出现汽轮机背压过高带来的非正常停机事故和机组运行经济性的降低，需要风机全速甚至变频超速运行。图3 凝汽器凝结温度随环境温度和凝汽器凝结蒸汽量的变化曲线图4 汽轮机背压随环境温度和凝汽器凝结蒸汽量的变化曲线3 结论(1) 在凝汽器凝结蒸汽量不变的情况下，随空冷凝汽器进口空气温度升高，空冷凝汽器内冷凝温度相应升高，汽轮机背压升高

15、，机组运行经济性下降。环境温度不变时，当凝汽器凝结蒸汽量增加时，也会使空冷凝汽器内冷凝温度升高，汽轮机背压增加。(2) 随风机转速降低，在凝结蒸汽量和进口空气温度相同时，汽轮机背压升高，机组运行的经济性变差，但风机功率减小，厂用电量降低。因此存在一个合理的空冷凝汽器迎面风速，既能保证发电收益最大，又能使风机转速维持在一个合理的水平，满足当地对风机噪声的要求。 (3) 冬季低温情况下，为防止汽轮机背压低于阻塞背压和空冷凝汽器管束冻裂事故发生，风机需减速运行。反之，在夏季高温条件下运行的空冷机组，为防止汽轮机背压过高带来的非正常停机事故和机组运行经济性的降低，轴流风机需全速甚至超设计风量运行。参

16、考 文 献1王佩璋，徐明600MW空冷机组直接空冷散热器与风机的新进展 J电站辅机， 2003 (1)：12-152马义伟发电厂空冷技术的现状与进展J电力设备，2006，7(3)：5-73杨立军，杜小泽，杨勇平，等火电站直接空冷凝汽器设计及校核计算和性能分析J现代电力，2007，24(?)：-(已接收)4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（90）：601-6035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)：39-426杨立军，杜小泽，杨勇平，等火电站直接空冷凝汽器性能考核评价方法J中国电

17、机工程学报，2007，27(2)7杨世铭，陶文铨传热学M第三版北京：高等教育出版社，1998PERFORMANCE ANALYSES AT ALL OPERATION CONDITIONS FOR DIRECT AIR-COOLED STEAM CONDENSERSYANG Lijun DU Xiaoze YANG Yongping LIU Dengying(School of Energy and Power Engineering, Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment of

18、 Ministry of Education, North China Electric Power University, Beijing 102206)Abstract: It is of great importance to investigate theperformance of direct air-cooled steam condensers at various operation conditions for the runningimprovement of the direct air-cooled units in our country. Based on the

19、 direct air-cooled condenser of a 300MW unit, the factors that affect the exhaust steam pressure were analyzed. The variations of the exhaust steam pressure with saturated exhaust steam flow rate and the inlet air temperature of the condenser were presented at 100% speed and half speed of axial fans

20、. The results show that the exhaust steam pressure increases with increasing the saturated exhaust steam flow rate and the inlet air temperature and decreasing the axial fan speed. The regulation of the fan depends on the ambient air temperature and the heat load of the condenser. For the direct air-cooled conde