600MW超临界直接空冷机组空冷系统冬季优化运行研究

600MW超临界直接空冷机组空冷系统冬季优化运行研究孔昭文;焦晓峰;樊泽国;李文艳;张锋锋
【摘要】对某电厂600 MW超临界直接空冷机组进行了冬季优化运行调整试验,分析了不同负荷下环境温度对机组运行经济性的影响、冷却段运行方式对风机耗电量的影响、风机运行频率对耗电量的影响、机组排汽量和风机耗功关系等;对低背压运行中的防冻回暖、抽空气阀伴热带运行方式、真空严密性及散热器空气短路等提出了优化与改进建议;认为空冷系统保持各台风机的频率相同且低频运行、尽可能投入多列运行,风机耗电量会大幅降低.进行机组冬季运行优化后,600 MW工况时排汽量下降50.85 t/h,热耗下降402.9 kJ/kWh,供电煤耗下降13.7 g/kWh.【期刊名称】《内蒙古电力技术》
【年(卷),期】2011(029)005
【总页数】5页(P8-12)
【关键词】600 MW机组;超临界;直接空冷系统;防冻;优化运行
【作者】孔昭文;焦晓峰;樊泽国;李文艳;张锋锋
【作者单位】内蒙古电力科学研究院,内蒙古呼和浩特010020;内蒙古电力科学研究院,内蒙古呼和浩特010020;内蒙古电力科学研究院,内蒙古呼和浩特010020;内蒙古电力科学研究院,内蒙古呼和浩特010020;内蒙古电力科学研究院,内蒙古呼和浩特010020
【正文语种】中文
0 引言
近年来，北方富煤缺水地区大量采用了空冷机组，资源节约成效显著，为我国电源点建设提供了大量的成功范例。

但是由于这些地区冬、夏季环境温度相差很大（部分地区甚至达70℃），造成机组运行工况相差甚大。

与同类型湿冷机组相比，空
冷机组存在排汽背压高、真空低、厂用电率高、供电煤耗高、散热器易冻结等缺陷，运行调整、维护不当会明显影响机组的安全性与经济性[1]。

例如2011-01，某电
厂600 MW超临界、直接空冷机组为了防止冷却器发生冻损事故，将机组排汽压力控制在18～20 kPa，排汽温度达60℃，造成机组热耗率和煤耗率大幅增加，
严重影响了机组的运行经济性；又如某机组因运行调整、维护不当，造成了散热器管束冻结损坏故障。

在保证空冷系统安全的前提下，通过开展直接空冷机组冬季优化运行试验工作，提高空冷系统的运行效率，对于最大限度地提高空冷机组的运行经济性和安全性，以及为国内高寒地区直接空冷系统冬季运行积累经验等，都具有十分重要的意义。

1 机组概况
某电厂2×600 MW超临界直接空冷机组位于内蒙古自治区呼伦贝尔市，是目前国内首次在纬度最高、极寒地区采用的直接空冷机组。

该地区冬季长、环境温度低，而且昼夜温差很大。

根据气象部门多年实测资料，最冷月平均气温为－26.2℃，冬季极端气温最低达到-43.6℃。

2台机组均采用自主设计的国产化直接空冷系统，空冷散热器的管型为单面覆铝钢基管、铝翅片单排管。

每台机组共设有56个空冷凝汽器单元，分8列布置。

顺逆流冷凝器采用顺、逆流单元独立布置方式，顺、逆流比为5∶2。

每台机组空冷散
热器总散热面积为1 457 800 m2。

每个单元由10片管束组成，每列共有20片
逆流管束。

每个空冷凝汽器单元下部安装1台直径为9.14 m的轴流风机，所有风
机均采用变频调速。

2 优化运行试验项目及方法
2.1 风机不同运行方式下，空冷岛安全、经济性对比试验
在相同负荷工况下环境温度为-25～-10℃时，进行风机不同运行方式下空冷岛安全、经济运行对比试验。

排汽压力调整时由高到低，空冷系统自动功能投入，尽量保持各列风机的转速相同。

调整风机转速，使背压从18 kPa（对应排汽温度58～60℃）逐步降低至10 kPa（对应排汽温度45～46℃）左右，排汽压力每降2 kPa，进行1次测试。

测试过程中凝结水最低温度控制在40℃以上（过冷度5～6℃），保证空冷散热器不发生冻结；试验期间空冷散热器顶部平均风速不超过5 m/s，风速大于6 m/s时，排汽背压波动很大，无法维持稳定。

2.2 相同背压、不同负荷下，风机不同运行方式时，空冷岛安全、经济运行对比试验
分别进行 360、460、530、600 MW 负荷时试验，根据岛外环境温度和机组负荷调整风机投入列和顺、逆流风机转速。

测试过程中凝结水最低温度不低于40℃（过冷度5～6℃），保证空冷散热器不发生冻结；试验期间，空冷散热器顶部平均风速不超过5 m/s。

3 优化运行试验结果及分析
3.1 环境温度对机组运行经济性的影响
3.1.1 负荷维持360 MW，环境温度由-21.3℃上升到-1
4.8℃
冷却段投入5列，环境温度从-21.3℃升至-14.8℃，排汽压力由15.8 kPa逐渐下降至10.5 kPa，真空由-77.45 kPa变为-82.6 kPa，排汽温度实测值由56.1℃降低至47.8℃，凝结水温度由53.9℃降低至44.9℃。

空冷系统运行稳定，凝结水过冷度2.2～2.9℃，顺流风机频率由17 Hz增加到25 Hz，逆流风机频率为12.4～15.2 Hz。

10 kPa下风机电耗为510 kWh，增加 55%。

3.1.2 负荷维持460 MW，环境温度由-21℃上升到-15.6℃
机组负荷维持460 MW，冷却段投入6列，环境温度从-21℃升到-15.6℃时，排
汽压力由16 kPa逐渐降低到10.6 kPa，真空由-77.4 kPa变为-83.6 kPa，排汽
温度实测值由57.2℃降到48.1℃，凝结水温度由54.9℃降到45.6℃，排汽量平均下降71.5 t/h，机组热耗率下降405 kJ/kWh，凝结水过冷度2.3～2.5℃，空冷系统运行稳定。

顺流风机频率由15 Hz增加到22.8 Hz，逆流风机频率为11.3～16.4 Hz，10 kPa下风机耗电量550 kWh，增加50%，耗电量仅占夏季额定负荷工况风机耗电量的1/10左右。

负荷460 MW，环境温度-17℃，空冷背压10～11 kPa，空冷投运6列，真空泵
3台运行，空冷岛冷却三角温度分布情况如下：
第3、4、5、6顺流及逆流列温度均正常，且比较均匀。

第4列3号、4号单元相邻处管束有局部过冷现象，主要是各单元隔离墙密封不严造成的。

第2列（靠第1列侧）和第7列（靠第8列侧）的3、4、5单元管束都有较大面积过冷情况，过
冷位置主要在管束下部距凝结水管道约0.5 m处；通过降低对应风机转速，温度
可很快恢复正常。

第2、第7列1单元（第1、第8列侧）临近过道有5根管束
过冷，降低1号风机转速运行，温度可很快恢复正常。

3台真空泵运行时，顺、逆流结合部位最多有1根逆流管束冻结，而2台真空泵运行时则会有3—8根冻结。

3.1.3 负荷维持530 MW，环境温度由-16.3℃上升到-11.9℃
530 MW负荷下，冷却段投入6列，排汽压力由16.1 kPa逐渐降到10.27 kPa，真空由-77.3 kPa变为-83.6 kPa，排汽温度实测值由62.5℃降到50.6℃，凝结水温度由52.4℃降到43.2℃。

空冷系统运行稳定，但凝结水过冷度增加到7.4～10.1℃；顺流风机频率由22.8 Hz增加到31.5 Hz，逆流风机频率为12～15 Hz，风机耗电量由 482.6 kWh增加到993.5 kWh，增加1倍多。

3.1.4 负荷维持600 MW，环境温度从-16.7℃上升到-10℃
600 MW负荷下，冷却段投入6列，排汽压力由16.1 kPa逐渐下降到10.4 kPa，真空由-77.8 kPa变为-83.6 kPa，排汽温度实测值由60.1℃降到50.8℃，凝结水温度由54.2℃降到42.7℃。

空冷系统运行稳定，凝结水过冷度5.9～8.1℃，顺流风机频率由28.5 Hz增加到40.8 Hz，逆流风机频率为12.7～14.5 Hz，风机耗电量由764.2 kWh增加到1 752 kWh，约增加了1.3倍。

检查冷却三角温度发现，除个别顺流区下部局部位置温度偏低外（见图1），其余顺流区均正常；但是绝大多数逆流区域与顺流区域结合部位都有8—10根管束冻
结且温度非常低（如图2）。

虽然同时投入4台逆流风机加强回暖，但无化冻效果。

3.2 冷却段运行方式对风机耗电量的影响
机组排汽压力为18 kPa、不同负荷下冷却段运行方式对风机耗电量的影响情况如下。

3.2.1 负荷360 MW
冷却段运行方式由5列改为4列，其他参数相同时试验结果：顺流风机频率由21.8 Hz增加到34.7 Hz，风机耗电量由401.9 kWh增加到806.6 kWh，约增加
1倍；
3.2.2 负荷530 MW
冷却段运行方式由6列改为5列，其他参数相同时试验结果：顺流风机频率由25.5 Hz增加到35.5 Hz，风机耗电量由629.4 kWh增加到1037.9 kWh，约增
加64.9%；
3.2.3 负荷600 MW
冷却段运行方式由6列改为5列，其他参数相同时试验结果：顺流风机频率由30.7 Hz增加到42.1 Hz，风机耗电量由832.8 kWh增加到1 551.1 kW，约增加86.3%。

3.3 顺、逆流风机运行频率对耗电量的影响
逆流风机频率维持在10.9～16.4 Hz，冷却段6列运行时，顺、逆流风机运行频率和耗电量关系见表1所示。

表1 顺、逆流风机频率和耗电量关系?
由表1可以看出，随着风机运行频率的降低，风机耗电量明显下降，如20 Hz比40 Hz时的风机耗电量下降了约3/4。

正常运行期间，如果尽量保持各台风机频率相同，且低频运行，风机耗电量会大大降低，可较大幅度地降低厂用电量[2-3]。

3.4 机组排汽量和风机耗功的关系
不同负荷和排汽压力下，机组排汽量和风机耗功关系见图3、图4所示。

由图3、图4可以看出，风机的耗电量会随着机组排汽流量的增加而增加。

这种趋势在中、低负荷段不明显，但在高负荷段，排汽流量增加时，风机耗电量会迅速增加。

4 优化与改进
结合机组的自身特点与现场实际情况，进行了如下的优化与改进。

4.1 低背压运行中防冻回暖
机组背压在10 kPa运行时，各工况下都需要4台逆流风机同时运行回暖，而且需要运行人员不断进行手动调整，操作频繁且容易出错，故建议将回暖程控进行改进，即4台风机对过冷逆流区进行巡回回暖，不过冷时可暂时跳过。

回暖程控修改建议：
（1）当环境温度＜-15℃且投入列数大于4时，自动双列同时回暖，双列回暖的
复归温度可设定为环境温度＞-12℃。

（2）手动设定回暖转速及回暖后的正转转速。

目前的逻辑为回暖结束后，正转转速自动恢复到回暖前的转速，当环境温度较低时，很快又造成逆流区的过冷。

因此建议回暖后的正转转速由运行人员根据环境温度设定。

例如：环境温度-15℃时，
回暖转速可设定为20 Hz，回暖后的正转转速可设定为15 Hz；环境温度-25℃时，回暖转速可设定为15 Hz，回暖后的正转转速可设定为10 Hz。

（3）双列同时回暖时，需考虑对称回暖，如第1列与第8列、第2列与第7列、第3列与第6列、第4列与第5列对称回暖。

（4）双列同时回暖需考虑对机组背压的影响，逆流风机停运及顺流风机转速下降速率应合理设定，或将机组背压自动加入到双列同时回暖的前馈中，防止机组背压突升[4-5]。

（5）顺流防冻保护判断条件除原来的“凝结水温度低”外，最好加入“列凝结水温度偏差大于3℃”，以使防冻保护更加有效。

4.2 真空严密性治理
真空严密性对机组的经济性有明显影响，该电厂1号机真空严密性试验值为328 Pa/min，2号机真空严密性试验值为500 Pa/min，均大幅超出了标准规定的
<100 Pa/min。

真空系统严密性差，会导致散热器部分基管内 (逆流段顶部两侧边缘与顺流段接合处)积聚空气，冷凝蒸汽汽流被不凝结气体阻挡，不能畅通流动，
致使蒸汽的放热量小于基管的散热量，这是造成管内冷凝水结冰的首要原因，如图5所示。

真空严密性不合格时，需要及时进行真空系统检漏、堵漏工作。

冬季运行时，如果机组真空严密性严重超标，可考虑临时投运2台或3台真空泵以提高系
统内空气的抽吸能力，在提高机组真空的同时还有利于防冻。

4.3 抽空气阀伴热带及时解列
为了防冻，各抽空气阀都安装了伴热带。

如果散热器冷却列投运后还将伴热带投入，就会造成对该列抽空气介质真实温度的判断错误，耽误管束回暖最佳时机，这也是造成管束冰冻的又一原因。

运行中如果发现该列抽空气温度低于其他列3℃以上，
就应及时降低风机转速或采取倒转的方式以回暖。

另外，列投入后抽空气阀伴热带要及时解列。

4.4 逆流段与顺流段接合处空气短路
空冷岛周围空气场不稳定或因空冷散热器施工质量不佳造成逆流段与顺流段接合处空气短路时，特别容易造成散热器管束冻结情况，甚至会导致严重的变形损坏。

高负荷时顺流风机转速提高后，如果逆流段与顺流段接合处漏风量大，就会加重结合部位逆流段边缘管束的过冷冻结程度。

5 结论
（1）该厂600 MW直接空冷机组冬季优化运行后，经济性明显提高。

460 MW 工况时排汽量下降71.5 t/h，热耗率下降405 kJ/kWh，供电煤耗下降13.8
g/kWh；600 MW工况时排汽量下降50.85 t/h，热耗下降402.9 kJ/kWh，供电煤耗下降13.7 g/kWh。

（2）环境温度在-20～-10℃，机组负荷在额定负荷的60%及以上时，维持背压在12～13 kPa，空冷系统可安全稳定运行，只需对部分逆流段过冷区域利用1—2台风机进行回暖。

（3）空冷系统正常运行期间，保持各台风机的频率相同、且低频运行，风机耗电量会大幅降低。

（4）运行调整时，要尽可能使风机多列投入运行，可大幅降低风机耗电量。

如360 MW负荷及相同背压下，4列运行比5列运行风机耗电量会增加1倍；530 MW、600 MW负荷及相同背压下，5列运行比6列运行风机耗电量分别增加约65%和86%。

（5）机组背压在10 kPa运行时，如果4台风机同时对各列过冷逆流区进行巡回回暖，也可保证空冷系统的安全运行。

[参考文献]
【相关文献】
[1]田亚钊，晋杰.600 MW直接空冷机组冬季运行防冻要点[J].电力建设，2006，27（2）:4-6.
[2]李小军，王宝义，杨德荣，等.600 MW直接空冷机组经济运行分析[J].华北电力技术，2009
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