戴家涨
浙能阿克苏热电有限公司 新疆 阿克苏 843000
摘要：本文对直接空冷空冷岛经济运行进行理论分析，完成了空冷凝汽器经济背压寻优试验研究。测试了不同频率下空冷风机耗功，得到单台空冷风机运行功率随频率的关系。根据汽轮机厂家资料计算出空冷凝汽器背压对汽轮机功率影响因数，通过汽轮机空冷岛经济背压寻优试验，得到160MW、250MW、330MW在环境温度25℃～30℃下最佳经济运行背压以及运行频率，提出相关应对措施及结果分析，为同类型机组经济运行提供参考依据。
关键词：350MW 直接空冷机组 背压优化 经济运行 参考依据
1项目背景
浙能阿克苏热电有限公司项目为2×350MW超临界直接空冷机组。锅炉选用上锅生产的超临界直流炉，锅炉型号：SG-1173/25.5-M4418，是单炉膛、一次再热、平衡通风、紧身封闭、固态排渣、全钢架悬吊结构锅炉。汽机选用东汽生产的350MW超临界、一次中间再热、单轴、高中压分缸,三缸双排汽、直接空冷、双抽汽凝汽式汽轮机。空冷系统采用机械通风直接空冷系统，选用哈尔滨空调设备股份有限公司的单排管直接空冷设备，每台空冷岛配置30组冷却单元，共分六列，每一列分五组单元，所有空冷岛单元搁置在空冷平台上，平台标高为35m。空冷岛整个系统主要包括：管束、A型冷却单元段、风机、齿轮箱、电动机、蒸汽分配管、真空抽空气系统等设备，空冷岛管束是由成排翅片管所组成，翅片管为钢覆铝管钎焊铝翅片结构。
2. 直接空冷空冷岛传热理论模型
直接空冷空冷岛以环境空气作为汽轮机排汽的冷却介质，环境空气在空冷风机的作用下流过空冷机组的翅片管束，将空冷岛内的汽轮机排汽冷凝成水。图2-4表示空冷岛工作过程中蒸汽与空气沿流程的温度变化示意图。针对该传热过程，分别列出蒸汽、空气的能量平衡方程以及空冷机组的传热方程如下：
.png)
其中：m&s、m&a分别为饱和蒸汽和空气流量；hs、hw为凝汽器压力下饱和蒸汽和饱和水焓，二者之差即为冷凝温度下的汽化潜热r；cpa为空气定压比热；K、A为空冷岛传热系数和传热面积；ta1、ta2、ta分别为空气进出口温度及温差；tm为空冷机组对数平均温差；ITD为空冷岛初始温差，定义为：
ITD=ts-ta1 (2-4)
其中ts为空冷岛内的凝结温度。
该传热过程的传热单元数NTU可表示为：
.png)
(2-5)
其中：AF、vF分别为迎风面面积和迎风面风速；ρ为空气密度。
空冷岛效能ε可表示为
ε=Δta/ITD (2-6)
对于饱和蒸汽的等温凝结过程，效能和传热单元数之间满足如下关系：
ε=1-e
-NTU (2-7)
联立方程(2-1)、(2-2)、(2-5)、(2-6)、(2-7)，得到空冷岛内的凝结温度为
.png)
(2-8)
式(2-8)反映了空冷岛凝结温度和各影响因素之间的关系。可以看到，凝结温度与空冷岛进口空气温度、饱和蒸汽流量、迎风面面积、迎风面风速、空冷岛的传热系数、总传热面积有关。即
.png)
(2-9)
通过式(2-8)获得了空冷岛凝结温度后，可用下式近似计算空冷岛压力和凝结温度之间的关系：
.png)
(2-10)
当不考虑空冷岛管内外污垢热阻时，由式(2-9)、(2-10)，最终得到汽轮机背压的影响因素：
Ps=f(m
s,ν
F,t
a1) (2-11)
汽轮机排汽背压主要与进入空冷岛蒸汽量m&s、迎面风速vF以及风机进风温度ta1相关，其中蒸汽量m&s与机组负荷有关，迎面风速vF受风机运行方式和横向风的影响，而ta1与环境温度和热风回流有关。
.png)
图2-4 空冷岛传热过程温度变化示意图
3. 空冷岛经济运行背压理论分析
3.1 空冷岛能量平衡方程与传热速率方程
汽轮机排汽放热量方程为: Qn=qmn(hn-hsn)，式中:qmn 为汽轮机排汽量，kg/s；为汽轮机排汽焓hn，由排汽干度和排汽温度确定) ，kJ/kg；hsn 为空冷岛的凝结水焓，kJ/kg。空冷岛传热方程为：Q=1000KA1Δtm，式中：K为空冷岛传热系数，W/M2·℃；A1为空冷岛换热面积，m2；为对数平均温差，℃。联合上述两个公式可求解出Δtm。根据传热过程的特点，对数平均温差为：
.png)
.png)
3.2 汽轮机的净功率增量
.png)
3.3 直接空冷空冷岛经济运行背压
依据东方汽轮机厂提供的热平衡图，分别按照上文所述的计算方法，理论上求解出负荷为350MW、300MW、250MW、160MW，环境温度为-10，-5，0，5，10，15，20，25，30℃工况下的经济运行背压及对应的空冷风机运行频率，其他负荷工况进行线性插值。不同负荷、不同环境温度下机组经济运行背压曲线如图3-5所示。
.png)
图3-5 不同负荷、不同环境温度下机组理论经济运行背压曲线
4. 空冷岛经济运行背压寻优试验研究
4.1 空冷风机耗能测试
空冷风机耗能测试30%～110%风机转速下的风机耗能，试验在环境温度变化±3℃、环境风速1～2m/s的条件下进行。30台空冷风机在不同等频率下各运行30分钟，通过整体调整风机频率 15Hz、25Hz、35Hz、40Hz、45Hz、50Hz、55Hz等七个工况，从DCS得到空冷PC1A、1B段电流、电压，计算得到各个频率下整个30台空冷风机所耗电，再计算得到单台空冷风机的耗能。
在环境温度25℃、环境风速1～2m/s的条件下，通过将机组空冷岛30台风机同步变频，通过整体调整空冷风机频率 至15Hz、25Hz、35Hz、40Hz、45Hz、50Hz、55Hz等七个工况，从DCS得到空冷PC1A、1B段电流、电压，计算得到各个频率下整个30台空冷风机所耗电，得到单台空冷风机的耗能。
从表 4-5可知，风机运行功率随风机频率基本成线性关系，额定频率50Hz单台风机功率为83.32kW，超频至55Hz空冷风机功率增加至108.56kW，降至最低频率15HZ单台风机功率仅为额定频率的7.9%，说明空冷风机变频节能效果明显。单台风机功率随频率变化关系图见图4-6所示。
表4-5 空冷风机运行功率随风机频率的关系
.png)
图4-6 单台风机运行功率随频率的关系曲线图
4.2 汽轮机排汽背压对发电功率影响因数
根据汽轮机热力特性可知，在TMCR工况进汽量1120t/h、不同背压条件下汽轮机发电功率、低压缸排汽量、排汽焓、排汽干度等特性数据随背压的变化见下表4-6，根据表4-6数据可得背压对发电功率的修正曲线，见图4-7所示。经计算可知：（1）在汽轮机堵塞背压和设计背压之间（即6.74kPa～15.4kPa），汽轮机排汽背压每kPa影响 0.298%的发电功率；（2）在汽轮机排汽背压大于设计背压时（即＞15.4kPa），汽轮机排汽背压每kPa影响0.342%的发电功率。
表4-6 TMCR工况汽轮机特性数据随背压的变化表
.png)
图4-7 背压对发电功率修正曲线
4.3 夏季经济背压寻优试验结果
（1）160MW负荷夏季工况经济运行试验结果
在机组负荷160MW、环境温度25.6℃工况下，30台风机从35HZ开始，每增加5HZ各测试20min，直至超频55HZ，分别测试得到每个频率下最后稳定的汽轮机排汽背压。利用图4-7所示的背压对发电功率修正曲线，计算前一个风机频率对应背压与下一个风机频率对应背压差所产生的发电功率增加值。根据表4-7得到前一个风机频率与下一个风机频率风机功率增加值，若发电功率增加值大于风机功率增加值，说明采用下一个风机频率带来正收益，反之说明增加空冷风机频率，反而不节能。
由表4-7可知，机组负荷160MW、环境温度25.6℃工况下，30台空冷风机运行频率在40Hz时与35Hz相比，空冷风机增加耗电419.84kW，汽轮机排汽背压可降低1.3kPa，可增加发电功率619.84kW，机组整体多供电200kW。若风机频率继续增加至45Hz，汽轮机背压降低较小，整体反而多耗电89.47kW。
由表4-8可知，机组负荷160MW、环境温度31.5℃工况下， 30台空冷风机运行频率在50Hz时与45Hz相比，空冷风机增加耗电633.15kW，汽轮机排汽背压可降低1.8kPa，可增加发电功率858.24kW，机组整体多供电225.09kW。若风机超频至55Hz，汽轮机背压降低较小，空冷风机耗电增加较多，整体反而多耗电232.62kW。
.png)
（2） 250MW负荷夏季工况经济运行试验结果
在机组负荷250MW、环境温度25.6℃工况下， 30台风机从35HZ开始，每增加5HZ各测试20min，直至超频55HZ，试验并计算得到相关数据见表4-9所示，30台空冷风机运行频率在55Hz时与50Hz相比，空冷风机增加耗电757.10kW，汽轮机排汽背压可降低0.9kPa，可增加发电功率769.5kW，机组整体多供电12.4 kW。
在机组负荷250MW、环境温度31.5℃工况下， 30台空冷风机运行优化数据见表4-10所示，运行频率在55Hz时与50Hz相比，空冷风机增加耗电757.10kW，汽轮机排汽背压可降低2kPa，可增加发电功率1710kW，机组整体多供电952.90kW。
.png)
（3） 330MW负荷夏季工况经济运行试验结果
在机组负荷330MW、环境温度25.6℃工况下，试验并计算得到相关数据见表4-11所示，30台空冷风机运行频率在55Hz时与50Hz相比，空冷风机增加耗电757.10kW，汽轮机排汽背压可降低2.6kPa，可增加发电功率2934.36kW，机组整体多供电2177.26kW。
表 4-11 330MW负荷、环境温度28.5℃空冷风机优化运行试验结果表
.png)
2.4.4 冬季经济背压寻优试验结果
（1） 215MW负荷冬季工况经济运行试验结果
在机组负荷215MW、环境温度5℃工况下，机组带50t/h工业抽汽和230t/h采暖抽汽，汽轮机低压缸排汽量约240t/h（相当于机组130MW纯凝负荷工况）。汽轮机排汽背压分别在8.7kPa、15.2kPa及21.8kPa三种工况下各运行30分钟，三种工况下空冷岛风机耗电见表4-12所示。当汽轮机排汽背压从21.8kPa下降到15.2kPa，空冷风机只需增加30.76kW，排汽背压下降而增加的发电功率达4852.98kW。当汽轮机排汽背压继续从15.2kPa下降到8.7kPa，空冷岛风机也只需增加335.41kW，排汽背压下降而增加的发电功率达4164.55kW，机组净增功率达3829.44kW。
表 4-12 215MW负荷、环境温度5℃空冷风机优化运行试验结果表
.png)
（2）300MW负荷冬季工况经济运行试验结果
在机组负荷300MW、环境温度4℃工况下300MW负荷，另机组带50t/h工业抽汽和230t/h采暖抽汽，汽轮机低压缸排汽量约340t/h（相当于机组180MW纯凝负荷工况）。汽轮机排汽背压分别在9.7kPa、15.1kPa及24.5kPa三种工况下各运行30分钟，三种工况下空冷岛风机耗电见表4-13所示。当汽轮机排汽背压从24.5kPa下降到15.1kPa，空冷岛风机只需增加146.71kW，排汽背压下降而增加的发电功率达9644.4kW。当汽轮机排汽背压继续从15.1kPa下降到9.7kPa，空冷岛风机运行功率增加较多，约1094.11kW，但排汽背压下降而增加的发电功率达4827.6kW，机组净增功率达3733.49kW。
表4-13 300MW负荷、环境温度4℃空冷风机优化运行试验结果表
.png)
4. 结语
根据机组夏、冬季在不同环境温度、不同工况下背压寻优试验结果分析，建议运行人员按以下汽轮机背压和空冷风机频率进行控制调整：
（1）夏季工况机组负荷160MW，环境温度25.6℃以下，建议空冷风机运行频率40Hz，汽轮机背压12.7kPa。
（2）夏季工况机组负荷160MW，环境温度25.6℃-31.5℃之间，建议空冷风机运行频率50Hz，汽轮机背压14kPa。
（2）夏季工况机组负荷250MW，环境温度25.6℃以下，空冷风机超频运行具有一定收益，但是收益较小，鉴于空冷风机超期超频对电机与风机有一定影响，建议空冷风机频率50Hz，汽轮机背压为17.2kPa。
（3）夏季工况机组负荷250MW，环境温度25.6℃-31.5℃之间，空冷风机超频运行具有较大经济效益，建议空冷风机频率55Hz，汽轮机背压18.1kPa。
（4）夏季工况机组负荷330MW，环境温度25.6℃以下，空冷风机超频运行具有较大经济效益，建议空冷风机频率55Hz，汽轮机背压25.8kPa。
（5）冬季工况机组负荷215MW，环境温度≥2℃，空冷岛没有结冻危险时，汽轮机背压为8.7kPa，利用较冷的环境温度但又非结冻气温有利条件，空冷风机只需增加较小电功率，就可以大幅度降低汽轮机排汽背压。
（6）冬季工况机组负荷300MW，环境温度≥2℃，空冷岛没有结冻危险时，160MW纯凝负荷工况，汽轮机排汽经济背压为9.7kPa，利用较冷的环境温度但又非结冻气温有利条件，空冷风机只需增加较小电功率，就可以大幅度降低汽轮机排汽背压。
通过以上汽轮机背压优化控制策略，扣除空冷风机增加厂用电电耗费用外，预计全年单台机组平均降低汽轮机背压1kPa，供电煤耗约降低1.2g/kW.h，按单台机组年发电量15000万kW.h，共节省标煤约18000吨，按标煤400元/吨计算，可节约燃煤成本720万元。因此，采取措施优化降低机组背压运行的经济性是非常可观的。
参考文献：
[1] 张学海 600 MW直接空冷机组背压修正曲线及经济运行背压研究 《华电技术报》,2017
[2] 肖金平, 发电厂直接空冷系统迎峰度夏措施的数值分析 《现代电力》, 2010
[3] 贾金荣，空冷凝汽器空气流动传热特性的数值模拟《华北电力大学（北京）硕士论文》2009
[4] 杨立军，火电站直接空冷凝汽器性能考核评价方法 《中国电机工程学报 》， 2007
作者简介：
戴家涨，（1976-），男，工程师，浙江温州永嘉人，毕业于中国地质大学，本科，主要从事火力发电厂生产设备管理工作。单位：浙能阿克苏热电有限公司，新疆 阿克苏市，邮编：843000