直接空冷凝汽器全工况运行特性分析

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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

2、。对于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3，因此 直接空冷

3、凝汽器一般采用翅片管束结构，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

4、汽轮机 背压在各个不同工况下的变化规律，如不同 的环境温度、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 e、传热单元数NTU的推导，可得到空冷凝 汽器内凝结温度 t 与各影响因素之间满足 s 下述关系4,5,6：m r1/八t =s-+ t(

5、1)s Av p c_KA a 1F F p 1 _ e afvf巴式中，m为凝结蒸汽量；r为凝汽器压力下s的汽化潜热； p 、 c 分别为空气密度和比 p热； A 、 v 分别为空冷凝汽器迎风面面积FF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； t 为冷却空气进口温度。a1 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：111 8 1 1=( + 8 ) + + ( + 8 )-KA h : A X - A h o 耳 Aoiiioo o(2)其中： 8 ，8 为空冷凝汽器

6、管内外污垢热 io阻； h ， h 为空冷凝汽器管内外对流换热 io系数； 8 ，X 分别为空冷凝汽器管壁厚度，导热系数； A ， A 为空冷凝汽器内外换热 ioA +耳A 面积；叶为肋壁总效率，耳=T f亠； ooAoA 为管外光管部分面积， A 为翅片表面积，12耳f为翅片效率。空冷凝汽器内为汽轮机排汽的凝结过 程，对于半顶角为0 (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 . 13 ig -cos 0 - p 2 - X 3 - rit-卩(t - t ) - Llsw(3)其中，p ， X，卩分别为凝结水密度，导lll热系数，动力粘度； r 为排汽凝

7、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 =密；l为管外空气对流换热的特征尺Xa度，根据不同翅片管形式选取不同的尺寸做为特征尺度。 X 为空气导热系数。 Re 为管 a外空气流动的雷诺数，Re = ； u为管外Va翅片空间空气流通截面A上的流速，v为 ma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：h = g ( v )(5)oF将通

8、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t,即汽轮机排s 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：p = f ( m , v , t , 8 , 8 )(6)ss F a 1 i o即汽轮机背压与空冷凝汽器凝结蒸汽量m，空冷凝汽器迎风面风速v，空冷凝汽 sF器进口空气温度 t ，空冷凝汽器管内外污a1垢热阻 8 、 8 有关。当不考虑污垢热阻的 io影响时，汽轮机背压仅与 m 、 v 、 t 有关，s F a 1即pf (m

9、, v ,t ) (7)s s F a 1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P =15kPa；设计环境空气温S度t 1=11.1C ；管束迎风面面积为6116m2, a1迎风面风速为2.45m/s ；空冷凝汽器总传热 面积为 793692m2。2.1 风机全速运行

10、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/(m2 K),逆流空冷凝汽 器传热系数为26.5 w/(m2 K)。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m为240kg/s, st 1为11.1C, P为15kPa。在设计凝结蒸汽a1 s量下，当环境温度达到30C时

11、，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

12、明空冷凝汽器性 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。908070P 60504030v59IOC1520 r一-30C -V-35X?1180200220240260280300320ms / kg/s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6050-2010040180200220240260280300ms / kg/s一 (TC-一5C

13、一一 10V159 -o-20V -o-25V 一一 30V -v-35X?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/(m2 K),逆流空冷凝汽 器传热系数为22.4 w/(m2 K)。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 1.225m/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

14、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 s 仍为240kg/s, t 1仍为11.FC，汽轮机背压 a1P则升高为44kPa，较风机全速运行时增加 s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 a130C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，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，

15、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0C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52C，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，

16、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。10100807050180200220240260280300叫 / kg/soc 一一 5 一 ior _一 15X? -O-20V -o-25C 一一 309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1401201006020dN 80ms / kg/s180200220240260280300-OC-一5C一10eC一

17、一 15C-20C -o=2sr -a-3o*c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，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

18、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)：12-15.2 马义伟 .发 电厂空 冷技 术的 现状与 进展J.电力设备，2006, 7(3)： 5-7.3 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，

19、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)： 601-603.5 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)： 39-42.6 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 CONDENSE

20、RS improvement of the direct air-cooled units in our country. Based on the 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

21、of the condenser were presented at 100% speed and half speed of axial fans. 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 ambi

22、ent air temperature and the heat load of the condenser. For the direct air-cooled condenser operating in cold winter, the fan should run at a low speed to ensure that the exhaust steam pressure was not smaller than the blocking pressure and prevent the condenser tube banks from freezing. For the dir

23、ect air-cooled condenser running in hot summer however, the fan should run at 100% or more than 100 speed to avoid the abnormal stopping of the unit due to high exhaust steam pressure and the bad economy.Key words: Direct air-cooled steam condenser Exhaust steam pressure Saturated exhaust steam flow

24、 rate Freezing prevention of condenser Axial fan Operation performance 作者简介：杨立军，男，1970 年出生，博士，主要研究方向 为传热强化基础理论及应用技术，火电站空冷岛设计与运行 关键技术，燃料电池内的流动传热现象。Email：yangljYANG 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 Ministry of Education, North China Electric Power University, Beijing 102206)Abstract: It is of great importance to investigate the performance of direct air-cooled steam condensers at various operation conditions for the running