認(rèn)識空冷型發(fā)電機組

認(rèn)識空冷型發(fā)電機組

1．  發(fā)電機組空冷系統(tǒng)
    1．1  空冷系統(tǒng)的單機容量
    目前國內(nèi)外電站空冷是二大類：一是間接空氣冷卻系統(tǒng)，二是直接空氣冷卻系統(tǒng)。其中間接空氣冷卻系統(tǒng)又分為混合式空氣冷卻系統(tǒng)和表面式空氣冷卻系統(tǒng)。世界上第一臺1500KW直接空冷發(fā)電機組，于1938年在德國一個坑口電站投運，已有60多年的歷史，幾個典型空冷機組是：1958年意大利空冷電站2X36MW機組投運、1968年西班牙160MW電站空冷機組投運、1978年美國懷俄明州Wodok電站365MW空冷機組投運、1987年南非Matimba電站6X665MW直接空冷機組投運。當(dāng)今采用表面式冷凝器間接空冷系統(tǒng)的最大單機容量為南非肯達爾電站6X686MW；采用混合式凝汽器間接空冷系統(tǒng)的最大單機容量為300MW級，目前在伊朗投運的325MW(哈爾濱空調(diào)股份有限公司供貨)運行良好。全世界空冷機組的裝機容量中，直接空冷機組的裝機容量占60％，間接空冷機組約占40％。
    1．2  直接空冷系統(tǒng)的特點
    無論是直接空冷，還是間接空冷電廠，經(jīng)過幾十年的運行實踐，證明均是可*的。但不排除空冷系統(tǒng)在運行中，存在種種原因引發(fā)的問題，如嚴(yán)寒、酷暑、大風(fēng)、系統(tǒng)設(shè)計不夠合理、運行管理不當(dāng)?shù)取?/span>
    這些問題有的已得到解決，從國內(nèi)已投運的200MW空冷機組運行實踐證明了這一點。
    從運行電站空冷系統(tǒng)比較，直接空冷系統(tǒng)具有主要特點：
    (1)背壓高；
    (2)由于強制通風(fēng)的風(fēng)機，使電耗大；
    (3)強制通風(fēng)的風(fēng)機產(chǎn)生噪聲大；
    (4)鋼平臺占地，要比鋼筋混凝土塔為小；
    (5)效益要比間接冷卻系統(tǒng)大30％左右，散熱面積要比間冷少30％左右；
    (6)造價相比經(jīng)濟。

 2．  直接空冷系統(tǒng)的組成和范圍
    2．1  直接空冷系統(tǒng)的熱力系統(tǒng)
    直接空冷系統(tǒng)，即汽輪機排汽直接進入空冷凝汽器，其冷凝水由凝結(jié)水泵排入汽輪機組的回?zé)嵯到y(tǒng)。
    2．2  直接空冷系統(tǒng)的組成和范圍
    自汽輪機低壓缸排汽口至凝結(jié)水泵入口范圍內(nèi)的設(shè)備和管道，主要包括：
    (1)汽輪機低壓缸排汽管道；
    (2)空冷凝汽器管束；
    (3)凝結(jié)水系統(tǒng)；
    (4)抽氣系統(tǒng)；
    (5)疏水系統(tǒng)；
    (6)通風(fēng)系統(tǒng)；
    (7)直接空冷支撐結(jié)構(gòu)；
     (8)自控系統(tǒng)；
    (9)清洗裝置。

 3．  直接空冷系統(tǒng)各組成部分的作用和特點
    3．1排汽管道
    對大容量空冷機組，排汽管道直徑比較粗，南非Matimba電站665MW直接空冷機組為2缸4排汽，采用2XDN5000左右直徑管道排汽，目前國內(nèi)幾個空冷電站設(shè)計情況來看，300MW機組排汽管道直徑在DN5000多，600MW機組排汽管道在DN6000左右。
    排汽管道從汽機房A列引出后，橫向排汽母管布置，目前有兩種方式，一種為低位布置、一種為高位布置。大直徑管道的壁厚優(yōu)化和制造是難點，同時也是影響工程造價的重點之一。
    3．2  空冷凝汽器的冷卻裝置
    (1)A一型架構(gòu)：
一般雙排管束由鋼管鋼翅片所組成，為防腐表面渡鋅。單排管為鋼管鋁翅片，釬焊在大直徑矩形橢園管上。它上端同蒸汽配管焊接，下端與凝結(jié)水聯(lián)箱聯(lián)結(jié)。每8片或10片構(gòu)成一個散熱單元，每個單元的管束為59.50—60.50角組成A一型架構(gòu)。
(2)冷卻元件：
    冷卻元件即翅片管，它是空冷系統(tǒng)的核心，其性能直接影響空冷系統(tǒng)的冷卻效果。對翅片管的性能基本要求：
    a．  良好的傳熱性能；b.  良好的耐溫性能；c. 良好的耐熱沖擊力；d．  良好的耐大氣腐蝕能力；e．  易于清洗塵垢：f.  足夠的耐壓能力，較低的管內(nèi)壓降：g.較小的空氣側(cè)阻力；h．  良好的抗機械振動能力；i.  較低的制造成本。
    空冷凝汽器冷卻元件，采用園管外繞翅片為多排管，如福哥式冷卻元件。后發(fā)展為大口徑橢園管套矩形翅片為雙排管，近期發(fā)展出大口徑扁管翅片管，又稱之為單排管。應(yīng)當(dāng)說此三種冷卻元件在直接空冷系統(tǒng)中都得到了成功的應(yīng)用。目前生產(chǎn)鋼制多排管的主要是德國巴    克杜爾(BDT)公司，國內(nèi)生產(chǎn)基地位于張家口市；生產(chǎn)雙排管的主要是德國基伊埃(GEA)公司，國內(nèi)生產(chǎn)基地在太原市捷益公司、哈爾濱空調(diào)股份有限公司；原比利時哈蒙(HAMON)公司生產(chǎn)單排管，國內(nèi)沒有生產(chǎn)線，去年被BDT公司總部購并后，與BDT合并為同一家公司，于今年在天津上了兩條生產(chǎn)線，到目前為至，三種管型均在國內(nèi)有了合資生產(chǎn)線，或獨立生產(chǎn)。
    (3)  雙排管的構(gòu)成
    橢園鋼管鋼翅片，管徑是100X20mm的橢園鋼管，纏繞式套焊矩形翅片，管兩端呈半園，中間呈矩形。首先接受空氣側(cè)的內(nèi)側(cè)管翅片距為4mm，外側(cè)管翅片距為2．5mm。管距為50mm，根據(jù)散熱面積大小，可以變化管子根數(shù)，多根管數(shù)組成一個管束，每8片或10片管束構(gòu)成一個散熱單元，兩個管束約成60度角構(gòu)成“A”字形結(jié)構(gòu)。    單排管的構(gòu)成：橢園鋼管鋼翅片，管徑是200×20mm，兩端呈半園，中間呈矩形。蛇形翅片，釬焊在橢園鋼管上。 
    翅片管的下端同收集凝結(jié)水的集水箱聯(lián)結(jié)。集水箱同逆流單元相結(jié)。在逆流單元管根部留有排汽口。
    (3)  散熱單元布置
    每臺機組布置成垂直、平行汽機房方向有列、行之分。300MW機組布置6列4行或5行單元數(shù)，單元總數(shù)為24或30；600MW機組布置8列6行、7行或8行單元數(shù)，單元總數(shù)有48、56、64散熱單元。ko結(jié)構(gòu)
    散熱單元有順流和逆流單元之分。其順流是指明蒸汽自上而下，凝結(jié)水也是自上而下，當(dāng)順流單元內(nèi)蒸汽不能完全冷凝，而剩余蒸汽在逆流單元冷凝，在這里蒸汽與冷凝水相反方向流動，即蒸汽由下而上，水自上而下相反方向流動。
    眾所周知，機組運行蒸汽內(nèi)總是有不可凝汽體隨蒸汽運動，設(shè)置逆流單元主要是排除不可凝汽體和在寒冷地區(qū)也可以防凍。
    在寒冷地區(qū)，順、逆流單元面積比，約5：1，單元數(shù)相比約2．5：1。在600MW機組的散熱器每列是2組逆流單元，而在300MW機組的散熱器每列是1組逆流單元。每臺機組順、逆流單元散熱面積之和，為散熱總面積。這面積為渡夏要求有一定裕量，因為管束翅片上實際污染要比試驗值大、大風(fēng)地區(qū)瞬間風(fēng)速高于4.0m/s、管束機械加工質(zhì)量缺陷，尤其電廠投產(chǎn)后溫度場變化，其溫度要比氣象站所測溫度高出2．0 C以上，豐鎮(zhèn)間冷是3．0 C。這些問題應(yīng)引起重視。
    3．3抽氣系統(tǒng)
    在逆流單元管束的上端裝置排氣口，與設(shè)置的抽汽泵相聯(lián)。抽氣泵是抽氣，分運行和啟動，啟動抽氣時間短，300MW機組的系統(tǒng)容積大約5300m3，抽氣同時在降背壓，使之接近運行背壓。時間約40分鐘。
    在抽氣時注意，蒸汽和不凝氣體的分壓力，抽氣不可抽出蒸汽。抽氣系統(tǒng)也是保證系統(tǒng)背壓的。
    3．4凝結(jié)水系統(tǒng)
    冷卻單元下端集水箱，從翅片管束收集的凝結(jié)水自流至平臺地面或以下的熱井，通過凝結(jié)泵再將凝結(jié)水送往凝結(jié)水箱并送回?zé)崃ο到y(tǒng)。
    3．5  通風(fēng)系統(tǒng)
    直接空冷系統(tǒng)散熱目前均采用強制通風(fēng)，大型空冷機組宜采用大直徑軸流風(fēng)機，風(fēng)可為單速、雙速、變頻調(diào)速三種。根據(jù)工程條件可選擇任一種或幾種優(yōu)化組合方案。就目前國內(nèi)外設(shè)計和運行經(jīng)驗，在寒冷地區(qū)或晝夜溫差變化較大的地區(qū)，采用變頻調(diào)速使風(fēng)機有利于    變工況運行，同時也可降低廠用電耗。為減少風(fēng)機臺數(shù)，通常采用大直徑軸流風(fēng)機，直徑達9．14m、10．36m；減速齒輪箱易發(fā)生漏油和磨損，目前以采用進口設(shè)備比較安全；變頻調(diào)速器國內(nèi)已有合資公司，比進口設(shè)備造價有較大幅度的降低；為降低噪音，風(fēng)機葉片的選型很重要，葉片材質(zhì)為玻璃鋼，耐久性強，不宜破損。近年來，國內(nèi)直接空冷電站對風(fēng)機所產(chǎn)生的噪音日益嚴(yán)格，按照環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)區(qū)三類標(biāo)準(zhǔn)要求在距空冷凝汽器平臺150m處的風(fēng)機噪音聲壓水平，白天不得超過65dB(A)，夜間不得超過55dB(A)，風(fēng)機選型一般是低噪音或超低噪音風(fēng)機。此類風(fēng)機國內(nèi)目前生產(chǎn)水平難以滿足噪音標(biāo)準(zhǔn)要求，通常采用的進口風(fēng)機有意大利COFIMCO公司和波蘭HOWDEN公司生產(chǎn)的軸流風(fēng)機在直接空冷系直接空冷系統(tǒng)的運行受環(huán)境在溫度、機組負(fù)荷等因素變化影響較敏感，并且變化頻次也較多，自控系統(tǒng)對空冷凝汽器的安全、經(jīng)濟運為達到上述三項任務(wù)，必須對空氣流量和蒸汽流量進行控制。為散熱器單元都要裝配清洗泵，用以翅片管上的污垢，如大風(fēng)產(chǎn)生的雜物、平時積累的灰塵等。清洗有高壓空氣或高壓水，后者優(yōu)于前者，高壓水泵的壓力在130ram(大氣壓)，每小時10噸。一般每年清支撐結(jié)構(gòu)是直接空冷裝置的主要承重設(shè)備，上部為鋼桁架結(jié)構(gòu)，下部為鋼筋混凝土支柱和基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)體系龐大，受各種荷載作用復(fù)雜。國外對此已經(jīng)有了成熟的設(shè)計制造經(jīng)驗，同國際先進水平相比，國內(nèi)目前針對大型直接空冷機組支撐結(jié)構(gòu)方面的研究工作較晚，對支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計及力學(xué)計算屬于需要開發(fā)。目前國內(nèi)在建的幾個空冷電站支撐結(jié)構(gòu)鋼桁架均由國外公司設(shè)計完成。

4．  直接空冷系統(tǒng)有待研究的幾個問題
    直接空冷系統(tǒng)在國內(nèi)處于起步階段，在設(shè)計和運行上均缺乏更多經(jīng)驗，電廠業(yè)主關(guān)注的不僅是空冷系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化的經(jīng)濟性，更關(guān)心的是空冷系統(tǒng)的安全性，所謂安全性主要包括兩個方面：一是夏季高溫能否保證設(shè)計考核點的滿發(fā)，二是在冬季低溫條件下能否有效防凍。    為此，在直接空冷系統(tǒng)設(shè)計和運行過程中有必要研究和總結(jié)以下幾方面的課題：
    4．1  大風(fēng)影響
    直接空冷系統(tǒng)受不同風(fēng)向和不同風(fēng)速影響比較敏感，特別是風(fēng)速超過3．0m／s以上時，對空冷系統(tǒng)散熱效果就有一定影響，特別是當(dāng)風(fēng)速達到6．0/s以上時，不同的風(fēng)向會對空冷系統(tǒng)形成熱回流，甚至降低風(fēng)機效率。為了使大風(fēng)的影響降低到最低限度，設(shè)計上必須研    究夏季高溫時段，某一風(fēng)速出現(xiàn)最大頻率的風(fēng)向，在設(shè)計布置時應(yīng)避開，甚至適當(dāng)拉大與A列的距離。在運行期間通過氣象觀測收集有關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)電廠發(fā)電負(fù)荷的變化進行總結(jié)，工程實施前進行必要的物?；驍?shù)模試驗，以指導(dǎo)設(shè)計和今后運行采集的數(shù)據(jù)進行對比總結(jié)。
    4．2  熱風(fēng)再回流
    電廠運行時，冷空氣通過散熱器排出的熱氣上升，呈現(xiàn)羽流狀況。當(dāng)大風(fēng)從爐后吹向平臺散熱器，風(fēng)速度超出8m／s，羽流狀況要被破壞而出現(xiàn)熱風(fēng)再回流。熱氣上升氣流被爐后來風(fēng)壓下至鋼平臺以下，這樣的熱風(fēng)又被風(fēng)機吸入，形式熱風(fēng)再循環(huán)。甚至最邊一行風(fēng)機出現(xiàn)反向轉(zhuǎn)動。在工程上是增設(shè)擋風(fēng)墻來克服熱風(fēng)再循環(huán)，擋風(fēng)墻高度要通過設(shè)計而確定。
    4．3  平臺高度
    支撐結(jié)構(gòu)平臺高度與電廠總體規(guī)劃、空冷系統(tǒng)自身的要求綜合考慮。平臺高度的確定原則是使平臺下部有足夠的空間，以利空氣能順利地流向風(fēng)機。平臺越高，對進風(fēng)越有利，但增加工程造價。如何合理確定平臺高度，目前沒有完善的理論公式，各家只有習(xí)慣的經(jīng)驗設(shè)    算，解決此問題的途徑是根據(jù)多家經(jīng)驗，通過不同條件的模型計算和現(xiàn)場運行期間的測試，研究總結(jié)出一個較理想的計算方法。
    4．4  防凍保護
    直接空冷系統(tǒng)的防凍是影響電廠安全運行的一個重要問題，從國外設(shè)計和運行經(jīng)驗有許多措施來保證防凍是有效的。
    a．  設(shè)計上采用合理的順流與逆流面積比，即K／D結(jié)構(gòu)。對嚴(yán)寒地區(qū)“K／D”取小值，對炎熱地區(qū)取大值。
    b.  加設(shè)擋風(fēng)墻，預(yù)防大風(fēng)的襲擊。
    c．  采用能逆轉(zhuǎn)風(fēng)機，以形成內(nèi)部熱風(fēng)循環(huán)。
    d．  正確計算汽機排汽壓力與環(huán)境氣溫的關(guān)系，以確定風(fēng)機合理運行方式。
    e．  先停順流單元風(fēng)機，后停逆流單元風(fēng)機。
    f.  嚴(yán)格控制凝結(jié)水的過冷度。
    g．  嚴(yán)格控制逆流管束出口溫度，及時調(diào)節(jié)逆流風(fēng)機的運行時數(shù)。以上是設(shè)計和運行兩方面對防凍保護的一些措施，如何應(yīng)用合理得當(dāng)，仍要在設(shè)計和現(xiàn)場根據(jù)不同的工程條件進行必要的研究和總結(jié)。

5.空冷汽輪機的運行工況
    5.1  空冷汽輪機的運行工況
    a.TRL工況一能力工況
    b.T—MCR工況一最大連續(xù)工況
    c. VWO工況一閥門全開工況
    d. THA工況一額定工況
    e. 阻塞背壓。
    5.2  空冷機組的匹配關(guān)系
    (1)鍋爐容量與汽機VWO工況進汽量相匹配；
    (2)發(fā)電機最大連續(xù)功率與機組相匹配；
    (3)空冷裝置匹配關(guān)系應(yīng)同時滿足下列條件：
    a. 空冷裝置容量應(yīng)保證在規(guī)定的夏季某氣溫條件下的T—MCR工況發(fā)額定功率，并留有一定空冷單元或相當(dāng)風(fēng)量裕量；
    b.空冷裝置在典型年最高溫條件下，機組進汽量為VWO工況汽量的背壓值與機組安全限制背壓之間留有15kpa以上的裕量，以適應(yīng)不利的環(huán)境風(fēng)速變化下安全運行；
    c.  當(dāng)一個空冷單元風(fēng)機停運或檢修時，機組正常運行背壓在限制背壓以內(nèi)。

6．  結(jié)語
    大型發(fā)電機組直接空冷系統(tǒng)的設(shè)計在國內(nèi)應(yīng)用較晚，在內(nèi)蒙地區(qū)更晚，目前上都電廠、豐鎮(zhèn)三期、托電三期、烏拉山等空冷電廠只進入施工詳圖設(shè)計階段或投標(biāo)階段，設(shè)計和運行缺乏經(jīng)驗。

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