电厂直接空冷系统方面的问题分析

电厂直接空冷系统方面的问题分析
作者：刘志枫
来源：《中国科技博览》2014年第07期
[摘要]我国华北、西北、东北地区普遍寒冷缺水，电站建设往往受制于水源。

作为一项在富煤缺水地区很有前途的生产方式，空冷技术已经显示出巨大的发展潜力。

空气冷却分为间接冷却和直接空冷两种，与间接空气冷却相比，直接空冷机组更适于寒冷的地区运行，其最大特点是防冻性能好、节水、占地面积小、投资低、更环保。

[关键词]发电厂直接空冷空冷技术
中图分类号：TM621.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）07-0039-01
引言
发电厂采用翅片管式的空冷散热器，直接或间接用环境空气来冷凝汽轮机的排汽，称为发电厂空冷。

采用空冷技术的冷却系统成为空冷系统。

采用空冷系统的汽轮机机组成为空冷机组。

采用空冷技术的发电厂称为空冷电厂。

发电厂空冷系统也称干冷系统。

它是相对于常规发电厂的湿冷系统而言。

常规发电厂的湿冷冷却塔（凉水塔）是把塔内的循环水以“淋雨”方式与空气直接接触进行热交换的，其整个过程处于“湿”的状态，其冷却过程称为湿冷系统。

空冷发电厂的冷却塔，其循环水与空气是通过散热器间接进行热交换的，整个过程处于“干”的状态，所以空冷塔又成为干式冷却塔或干冷塔。

1.我国火电厂直接空冷系统
1.1 直接空冷系统的特点
无论是直接空冷，还是间接空冷电厂，经过几十年的运行实践，证明均是可行的。

但不排除空冷系统在运行中，存在种种原因引发的问题，如严寒、酷暑、大风、系统设计不够合理、运行管理不当等。

这些问题有的已得到解决，从国内已投运的200MW空冷机组运行实践证明了这一点。

从运行电站空冷系统比较，直接空冷系统具有主要特点：背压高；由于强制通风的风机，使电耗大；强制通风的风机产生噪声大；钢平台占地，要比钢筋混凝土塔为小；效益要比间接冷却系统大30%左右，散热面积要比间冷少30%左右；造价相比经济。

2.直接空冷系统的组成和范围
2.1 直接空冷系统的热力系统
直接空冷系统，即汽轮机排汽直接进入空冷凝汽器，其冷凝水由凝结水泵排入汽轮机组的回热系统。

2.2 直接空冷系统的组成和范围
空冷凝汽器系统（简称ACC）是由若干台空冷凝汽器构成，每台空冷凝汽器配置一台轴流风机，建筑在高耸的空冷平台上，1台600MW国产空冷机组工程空冷系统的典型配置为8个单元共56台空冷凝汽器，对应轴流冷却风机配置：共有8个风机单元，每个风机单元有7台132kW风机，风机直径为8.7m左右，共56台轴流冷却风机，其中每个风机单元有两台为可逆风机，共16台可逆风机。

轴流冷却风机在一个水平平面内布置，形成了庞大的轴流冷却风机群。

风机电机均为变频控制，电厂设有空冷器变频间，庞大的变频控制柜（以下称变频控制装置）矩阵布置在空冷器变频间。

变频控制柜通过硬接线和通讯与主DCS或空冷系统DCS 相连接，DCS能根据不同的蒸汽负荷和环境温度控制风机启停及转速，使汽轮机的排汽压力保持恒定。

风机电机均采用变频控制，除节能原因外，变频调速控制还可以实现电动机“软启动”，即电动机在很低地频率下（3～5Hz）和电压下启动，逐渐提高电源的频率和电压，控制电动机在小于1.1倍额定电流下无冲击启动，以这种方式经常启动是风机所允许的。

另外风机的转速可以在（30%～110%）额定转速运行，调节方便，满足在各种气象条件下机组运行工况的要求。

风机经常在需要的低转速下运行，噪声和磨损都比额定转速低，有利于环境保护，降低维修费用并延长了空冷器的寿命。

3.直接空冷系统的工作原理
汽轮机排汽在空冷凝汽器中被空气冷却而凝结成水，排汽与空气之间的热交换是在表面式空冷凝汽器内完成。

在直接空冷换热过程中，利用散热器翅片管外侧流过的冷空气，将凝汽器中从处于真空状态下的汽轮机排出的热介质饱和蒸汽冷凝，最后冷凝后的凝结水经处理后送回锅炉。

风机变频控制装置的设计选型要求
①变频器频率范围在旋转速度的0～110%之内。

②变频器的设计考虑风机和电机的反向旋转，通过正反转切换端子实现风机和电机的正向和反向旋转。

③变频器安置在一个就地控制柜内，柜体型号为标准GGD柜改型。

④机柜的外壳防护等级，控制室内为IP32，机柜门采用一定的措施，以提高射频干扰（RFI）能力，机柜设计满足电缆由柜底或柜顶引入的要求，机柜内端子排布置在易于安装接线的地方。

⑤在就地控制室变频器操作板上可对电机进行就地控制。

LED屏和LCD屏同时显示，LCD屏可进行中英文显示切换。

⑥就地控制柜的设计时要考虑到由功率损失会引起的冷却和散热，且保证气流不被内置的装置阻隔。

在控制柜的上部安装轴流风机，每小时换气次数不少于400次。

⑦变频器选型考虑风机的二次力矩曲线。

⑧风机电机装有2个正温度系数热敏电阻（PTC）用于电机的热保护。

PTC由变频器检查，且当高温时电机的运行被切断。

⑨考虑变频器与风机驱动电机之间电缆的类型及长度等局部情况。

变频控制装置在任何情况下都能满足风机驱动轴上的总机械扭矩及功率值。

⑩采用直流制动方式，能
够使风机的转动随变频器启动（在两方向上飞速重启）。

采用磁通控制技术，通过控制磁通电流和输出频率，动态控制剩磁的释放，使正向运行风机平稳、无冲击迅速反方向重启。

⑾局部操作及仪表板功能在就地控制柜给出的局部操作仪表板提供交流电机调试的修改键。

4.我国直接空冷系统有待研究的几个问题
直接空冷系统在国内处于起步阶段，在设计和运行上均缺乏更多经验，电厂业主关注的不仅是空冷系统设计优化的经济性，更关心的是空冷系统的安全性，所谓安全性主要包括两个方面：一是夏季高温能否保证设计考核点的满发，二是在冬季低温条件下能否有效防冻。

为此，在直接空冷系统设计和运行过程中有必要研究和总结以下几方面的课题：直接空冷机组在我国富煤贫水地区得到了快速的发展，但其在运行过程中存在着背压高、真空严密性差、热风回流、受热面污染、易发生冻结等诸多问题，严重影响了机组的安全和经济运行。

以某国产300MW直接空冷机组为例，对其运行特性进行了分析，研究了度夏和防冻的关键技术问题，给出了相应的解决方案。

设计了七种不同型式的喷淋冷却系统，建立了空冷单元加装喷淋冷却系统的数值分析模型；对比了喷淋冷却系统结构、喷嘴型式、冷却方式对空冷单元换热效果的影响，得到了影响喷淋冷却系统换热效果的主要因素。

结果表明：喷嘴个数和喷嘴距散热面的垂直距离是影响换热效果的主要因素；直接蒸发冷却方式优于绝热增湿冷却方式；使用螺旋喷嘴的系统是最佳设计方案。

建立了环境风对空冷岛换热性能影响的数值分析模型，得到了空冷岛换热效率与不同风向、风速之间的关系；数值模拟了挡风墙下沿安装防风网对空冷岛换热性能的影响，对比了有防风网和无防风网时的温度场和速度场，研究了开孔率和防风网高度对空冷岛换热效率的影响。

结果表明：加装防风网后，空冷单元的空气流量和换热量明显增加，随着环境风速的增大，防风网的防风效果越明显；对于6m/s的侧向横风，防风网最优开孔率和高度分别为15%和12m；对于6m/s的炉后来风，防风网最优开孔率和高度分别为28%和7m。

提出了基于空冷凝汽器基管管壁温度实现监测管束冻结状态的方法，建立了最小防冻蒸汽流量的计算模型，得到了最小防冻蒸汽流量与环境温度之间的关系，计算了不同工况下的管束结冰系数和防冻经济背压；提出了基于模糊神经网络对空冷凝汽器结冰故障进行诊断的方法，并开发了空冷凝汽器结冰故障珍断软件，实例验证了该方法的可行性。