直接空冷机组间接空气尖峰冷却技术研究

第37卷,总第213期2019年1月,第1期
《节能技术》
ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGY Vol.37,Sum.No.213
Jan.2019,No.1
直接空冷机组间接空气尖峰冷却技术研究
刘月正
(陕西德源府谷能源有限公司,陕西　榆林　710075)
摘　要:直接空冷(以下简称ACC )机组在夏季高温时段背压升高,不能满负荷运行,需采用尖峰冷却技术降低背压。

基于此,提出零水耗、近零传热端差的间接空气尖峰冷却技术,以某电厂
660直接空冷机组为对象,对其加装间接空气冷却系统的热力性能进行研究分析。

结果表明,加装间接空气冷却系统机组全年背压降低3.01~7.2kPa ,折算全年平均煤耗降低4.7g /kWh ,实现了
尖峰冷却目的。

关键词:直接空冷机组;背压;煤耗;尖峰冷却;间接空气冷却技术
中图分类号:TK124 文献标识码:A 文章编号:1002-6339(2019)01-0073-05Research on Indirect Air Peak -load Cooling Technology
of Direct Air Cooling Units
LIU Yue -zheng
(Shanxi Deyuan Fugu Energy Co.,Ltd.,Yulin 710075,China)
Abstract :The back pressure of the direct air cooling (ACC)unit rises in the high temperature period in summer,and the unit can not run full load,needing to adopt peak -load cooling technology to reduce back pressure.Based on this,a indirect air peak -load cooling technology with zero water consumption and near zero terminal temperature difference is proposed,which takes a 660MW ACC unit as the object.The thermal performance of the unit installed with indirect air peak -load cooling system is studied.The results show that the annual back pressure of the unit installed with the indirect air peak -load cooling system is reduced by 3.01~7.2kPa,and the average coal consumption is reduced by 4.7g /kWh in the
year,the purpose of peak -load cooling is achieved.Key words :direct air cooling unit;back pressure;coal consumption;peak -load cooling;indirect air
cooling technology
收稿日期　2018-07-02 修订稿日期　2018-11-17
作者简介院刘月正(1975~),男,本科,高级技师,研究方向
热动。

0　引言
ACC 机组在夏季高温时段背压升高,出力降
低,运行安全性和经济性差,火电厂作为节能减排的
重点企业,积极采用了尖峰冷却技术[1-4]。

空冷机组增设尖峰凝汽器后,防峰过夏时背压、煤耗等指标
明显下降,保障机组安全、经济运行[5]。

国内外ACC 机组常用的尖峰冷却技术有三角(六角、八角)干式空气冷却、蒸发式空气冷却、干湿并行冷却、喷淋冷却等技术。

干式空气冷却技术在现有ACC 并
联加装立式空冷凝汽器[6],蒸发式空气冷却技术分
流乏汽送入板式蒸发式凝汽器进行冷凝[7]。

蒸发
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式空气冷却换热能力较干式空气冷却强,这两种技术都采用模块化设计组装,运维简单,但存在蒸汽管道压损大、无法解决ACC 机组背压波动的问题[8]。

干湿并行冷却技术同时兼顾湿冷系统和空冷系统优点[9-10],提高真空效果好,运行调节方便,缺点是增加设备较多,运行费用高,真空不稳定问题改善较小,表面式凝汽器体积较大、端差大。

喷淋冷却技术
在空冷岛加装喷淋装置[11],降背压效果较好、改造相对简单,但横切风和热风回流影响安全性[12]。

空冷机组大多在北方缺水地区,因此耗水尖峰
冷却技术受水资源条件限制,干式空气冷却技术同其他三种耗水技术相比理论可实现零水耗,但其与干湿并行冷却技术一样投资较大。

同时干式空气冷却和喷淋冷却需使用除盐水,水处理成本高,其他两种冷却方式对水质要求较低,喷淋冷却和蒸发式空气冷却还存在换热面结垢问题。

在分析现有ACC 机组尖峰冷却技术的优势与不足后,提出具有零水耗、近零传热端差特性的间接空气尖峰冷却技术,其采用喷射式混合冷却,凝汽器体积小且理论传热端差为零;将传统海勒式间接空冷中的冷却塔换为干式空冷换热器,占地面积少、造价降低,尖峰冷却效果好且受环境因素的影响较小。

1　间接空气尖峰冷却技术
1.1　系统工作原理
间接空气尖峰冷却技术采用ACC 与海勒式间
接空冷并联冷却的方式,系统工作原理如图1所示。

在汽轮机排汽中抽出部分蒸汽送入喷射式凝汽器冷却,而后凝结水进入干式空气冷却器中进行冷却,再由循环泵送回喷射式凝汽器完成循环。

图1　间接空气尖峰冷却系统原理示意图
1.2　系统运行方式
间接空气尖峰冷却系统运行方式如图2所示,
在汽轮机主排汽管抽出部分蒸汽送入喷射式凝汽器。

喷射水泵B 泵将通过管道“1”流入的循环冷却水喷入喷射式凝汽器,从而被抽出的排汽与冷却水换热并凝结成饱和水。

在凝汽器出口,经凝结水泵
a 或
b 后,等抽汽量的水经过精处理装置返回主回热系统,剩余水量经“2”管道回到干式强制通风冷却器被冷却。

图2　间接空气尖峰冷却系统原则性系统图
2　间接空气尖峰冷却系统数学模型
2.1　间接空冷系统热量匹配原机组未进行间接空冷抽汽时,其热量平衡式
如下
Q =W ·γ=K ·A ·ΔT (1)对于凝汽器空冷管束空气侧,其热量平衡式Q =3600A y v y ρ-
a c a Δt a
(2)机组进行抽汽优化后的热量匹配Q′=Q ACC +Q C
(3)
2.2　空冷系统热力参数匹配计算
根据直冷系统设计计算的逆过程计算抽汽后汽
轮机排汽温度和背压、ACC 的热负荷。

基于抽汽后的直冷系统与间冷系统的热量匹配问题,还需计算间接空冷系统的热负荷、换热面积。

ACC 系统热负荷为流体中的蒸汽在定性温度下由湿蒸汽冷凝释放的汽化潜热,与少量液态水传热过程中温度降低释放的热量Q ACC
=
W ACC ×(h ″ACC -h ′ACC )+W ACC ×h ACCx ×(T s1-T s2)
3600
(4)间接空冷系统热负荷
Q C =D C γC
(5)Q C =W i ×(T 1-T 2)×C P i
(6)ACC 凝汽器管内为水蒸气的冷凝,管内膜传热
系数
h i =5.03×λl ÷d i ×(Re )1/3E ×P 1/3
r
(7)间接空冷系统循环水冷却管内膜传热系数
h i =0.023×
λl d i
Re 0.8Pr 1
3(8)
管外膜传热系数
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蛇形翅片扁平管管外膜传热系数
h 0=λa ×Nu ÷d r (9)热浸锌矩形钢翅片椭圆管管外膜传热系数h f =0.09·λa d re ·N 0.093P Re 0.557S 1-b r b r
1.071
·S 1-b r S 2-a r
-0.364
·Pr 1/3(10)干式空气冷却器空气出口温度必须根据热平衡及传热速度共同确定。

在已知空冷器管束的规格、数量和风机的配置,再由风机的正常风量,根据热平衡计算空气的出口温度。

t 2=t 1+Q /(V N ·
ρN ·C P )(11)空气冷却器传热平均温差
ΔT =ΔT m ×F t
(12)总传热系数为各项热阻之和的倒数K =
1
1h 0
+r ∑+r f
+(
1h i +r i +r p )A F A i (13)
传热面积
A ∑=
Q
K ×ΔT
(14)
实际传热面积比计算面积有一定的余量,面积裕量为
C R =A -A ∑
A ∑
×100%
(15)
3　ACC 机组计算实例
3.1　某电厂660MW 机组空冷系统介绍
某电厂660MW 超临界ACC 机组,TRL 工况汽
轮机排汽量为1349400kg /h,实际ACC 散热器翅片管总面积为1707872m 2,空冷管束主要参数见
表1。

表1　ACC 管束主要参数
参数
代号规格管长/m
L 10.5每片管束的迎风面积/m 2A Fl 23.87管束数量/片n gs
560管心距/m
P f 0.061每片管束传热总根数
n 035扁平管外壁长轴×短轴/m ×m A O ×B O 0.22×0.02管壁厚/m δt
0.0015管程数
N tp 1蛇形翅片总宽度×高/m ×m W s ×H S 0.2×0.019翅片厚/m δf 0.0003翅根直径/m
dr 0.0203
每米管子的翅片数量/片·m -1
N c 354翅片间距/m
S f
0.00233.2　夏季白天平均温度下热力计算
以当地夏季白天平均温度32℃满发工况为例,
加间接空冷系统之前汽轮机排汽量W 为1349400
kg /h,排汽温度T s1为69.80℃,排汽压力P c0为
30.93kPa,热负荷为829644.855kW。

在环境温度
与环境风速不变的工况下,抽取部分乏汽进入间接空冷系统。

热负荷随抽汽量的变化情况如图3所
示,ACC 热负荷随抽汽量的增大而逐渐减小,间冷凝汽器的热负荷逐渐增大,两者总和呈缓慢上升趋势。

综合考虑散热能力与改造成本,选择260t /h
抽汽量进入间接空冷系统。

以冷却水循环倍率m =
50计算,需循环冷却水约13000t /h。

图3　空冷系统热负荷随抽汽量的变化
将环境温度t 1与进入空冷岛蒸汽量W ACC 代入
计算模型,得加间接空冷系统后汽轮机排汽温度T s1为63.8℃机组背压P C 为23.73kPa,较加尖峰系统
之前背压降低7.2kPa,ACC 现承担热负荷Q ACC 为675114.096kW,间冷系统热负荷为169605.222
kJ /kg。

间接空冷系统初步选用160片椭圆管套矩
形翅片管束,管束参数见表2。

迎面风速选取
2.9m /s,匹配16台风机,空冷单元采取8×2背靠背方式布置。

经热力计算得到传热面积A Σ为
411000m 2。

表2　间接空冷管束主要参数
参数
代号规格每片管束的迎风面积/m 2A FI 32.774管束数量/片
n gs
160基管外壁长轴×短轴/mm ×mm a 0×b 036×14管壁厚/mm
t 1.5翅片外缘×高/mm ×mm a f ×b f 60×35翅片厚/mm
δ
0.3翅根长轴×短轴/mm ×mm
a r ×
b r 36.6×14.6
3.3　计算结果和分析
抽汽前后机组全年各时段背压降、煤耗降变化
见表3。

当抽汽前的背压或抽汽后的背压低于阻塞被压7.4kPa,无需使用间接空气冷却系统,故表3中春秋3的低温时段与冬季时段背压降未标出具体数值。

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表3　抽汽前后机组背压降及煤耗降
夏季
春秋1春秋2春秋3冬季
高温时段
低温时段高温时段低温时段高温时段低温时段高温时段低温时段高温时段低温时段利用小时数/h 1600800650275650275450200350250平均温度/℃3222271620.591214
-6抽汽前背压/kPa 30.9320.0725.0415.3118.4311.0112.727.388.384.98排汽温度/℃69.8060.1365.0054.3958.3047.7050.5940.0042.3932.80抽汽后背压/kPa 23.7315.0218.9511.2913.708.009.305.245.853.34排汽温度/℃63.8054.0058.9048.2052.1041.5144.4033.71
35.70
25.88
背压降/kPa 7.25.056.094.024.733.013.42煤耗降/g ·(kWh)
-1
7.2
5.05
6.09
4.02
4.73
3.01
3.42
全年平均煤耗降/g ·(kWh)-1
4.7 注:表中利用小时、平均温度、抽汽前背压、排汽温度来源于本文研究的某电厂660MW 空冷机组,煤耗降计算值按背压降低1kPa 煤耗降
低1.0g·(kW·h)-1
计算。

在不同环境温度下抽汽前后背压的情况如图4
所示。

由表3和图4可知,间接空气尖峰冷却技术可降低该机组背压3.01~7.2kPa,全年平均煤耗降低4.7g /kWh。

平均温度越高,机组背压降低越多,尖峰冷却效果越好。

图4　不同环境温度下抽汽前后的背压情况
4　结论
(1)ACC 机组在夏季高温时段背压升高,不能
满负荷运行,需采用尖峰冷却技术降低背压。

在分
析现有ACC 机组尖峰冷却技术的优势与不足后,本文提出间接空气尖峰冷却技术,能有效抵抗ACC 机组背压波动,且不耗水、传热端差小,实现尖峰冷却目的。

(2)间接空气尖峰冷却技术有效地提高ACC 机
组夏季极端工况运行真空,解决机组春夏秋三季真空差、煤耗高、带不满负荷和大风引起的背压波动等问题,提高机组运行的安全性,降低发电成本。

(3)以某电厂660MW 直接空冷机组为研究对
象,从原机组主排汽管道抽出260乏汽引入间接空气尖峰冷却系统,通过热力计算得出,加装间接空冷系统前后机组全年背压降低3.01~7.2kPa,折算全年平均煤耗降低4.7g /kWh,需新增间冷传热面积
411000m 2。

符号表
A ———空冷凝汽器总散热面积/m 2
A F ———单位长翅片管的管外总面积/m 2A y ———凝汽器的迎风面积/m 2A i ———单位长基管内表面积/m 2
a r ———翅根长轴/m A ∑———计算面积/m 2
b r ———翅根短轴/m C a —
——冷空气的比热容/J ·(kg ·℃)-1C pi ———循环冷却水的平均比热容/J ·(kg ·℃)-1
C p ———风的比热容/J ·(kg ·℃)-1C R ———面积富裕量/[%]
D c ———干式间接空冷系统的抽汽量/kg ·h -1d i ———基管内径/m
d r ———翅根直径/m d r
e ———最窄截面处的当量直径/m F t ———对数温差修正系数
h ′ACC —
——饱和水的焓/kJ ·kg -1h ″ACC ———饱和蒸汽的焓/kJ ·kg -1h ACCx ———蒸汽的焓/kJ ·kg -1
h i ———管内膜传热系数/W ·(m 2·℃)-1
h o ———管外膜传热系数/W ·(m 2·℃)-1h f ———以翅片总面积为基准的管外膜传热系数/
W ·(m 2·℃)-1
K ———总传热系数/W ·(m 2·℃)-1
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N P———管排数
Nu———努谢尔数
P r———普朗特准数
Q———汽轮机排汽热负荷/kW
Q′———采用新型干式间接空冷系统后汽轮机的排汽热负荷/kW
Q ACC———抽汽优化后机组原有直接空冷散热量/kW Q C———抽汽优化后新增喷射式凝汽器散热量/kW Re———雷诺数
(Re)E———当量雷诺数
r p———金属热阻/(m2·℃)·W-1
r∑———翅片垢阻/(m2·℃)·W-1
r f———翅片热阻/(m2·℃)·W-1
r i———管内垢阻/(m2·℃)·W-1
r j———间隙热阻/(m2·℃)·W-1
S1———横向管间距/m
S2———纵向管间距/m
T1,T2———循环冷却水的进出口温度/℃
T s1———空冷岛入口乏汽温度/℃
T s2———空冷岛出口凝结水温度/℃
t1,t2———空气的进出口温度/℃
V N———总风量/Nm3·h-1
W———汽轮机排汽流量/kg·s-1
W ACC———抽汽后进入直接空冷蒸汽量/kg·h-1 W i———循环冷却水的质量流量/kg·s-1γ———原机组背压为Pc下的蒸汽的汽化潜热/ kJ·kg-1
γc———抽汽后排汽的汽化潜热/kJ·kg-1
ΔT———传热平均温差/℃
Δt a———冷空气的温升/℃
ΔT m———对数平均温差/℃v y———凝汽器的迎面风速/m·s-1
λa———空气在定性温度下的导热系数/W·(m·℃)-1λl———定性温度下水的导热系数/W·(m·℃)-1ρ—a———冷空气和热空气的平均密度/kg·m-3
ρN———风密度/kg·m-3
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