直接空冷系统研究现状与发展前景

直接空冷系统研究现状与发展前景

摘要：随着我国经济技术的不断发展，人们的生活水平日益提高，也加快了许多行业的提升。在中国北方地区富煤缺水，因此，大型火力发电厂多采用直接空冷技术。从直接空冷系统的

研究现状、直接空冷技术研究方法以及该技术有待解决的关键问题等方面进行论述，并对发

展前景进行预测。

关键词：直接空冷系统；研究现状；发展前景

引言

直接空冷系统是指汽轮机排汽在空冷凝汽器中被空气冷却而凝结成水，排汽与空气之间的交

换是在表面式空冷凝汽器内完成的。在直接空冷系统的整个换热过程中，空冷翅片管内部流

过的是蒸汽，外侧流过的是冷空气，蒸汽被冷却凝结成水，汇集到排气装置，经凝泵、给水

泵等升压后送回锅炉。电厂直接空冷技术应用已有几十年的历史，现就空冷系统现状运行中

存在的几个问题进行分析总结，并阐述应对措施。

1直接空冷系统研究的重要性

国内应用空冷系统的电厂大多位于西北、华北等地区，该系统耗水少的优点得到了社会的认可，但是由于自身空气热比容小，导致空冷机组存在运行背压高、能耗大、效率低等一些问题，尤其在夏季温度较高时，严重时会导致汽轮机的背压超过安全运行标准，迫使机组降负

荷运行。在冬季，汽轮机排汽热量损失对于低品位的采暖供热而言则具有积极作用，应充分

利用机组乏汽余热提高机组循环热效率。目前,电厂针对空冷系统节能降耗改造比较多，其中

又分为直接空冷系统和间接空冷系统两个方面，直接空冷系统节能改造可分为直接空冷尖峰

冷却改造和供热改造两部分。前者以解决空冷机组夏季运行背压高、能耗大、效率低等一些

问题为目的；后者则是利用冬季机组排汽的热量来满足扩大供热的需求，充分再利用余热，

从而提高机组的热效率。

2直接空冷系统研究现状

2.1直接空冷凝汽器研究

对于直接空冷系统，核心构件是空冷凝汽器。提高凝汽器的冷却效果有利于机组安全、经济

运行。针对此，很多学者对直接空冷凝汽器传热性能进行了研究。国内外学者通过实验和数

值模拟研究了多种因素对直接空冷凝汽器传热性能的影响。环境温度升高或排气量增大都会

导致排汽压力升高，不同环境温度、排汽热负荷下凝汽器存在最佳真空。通过实验可以研究

直接空冷凝汽器传热特性，得到翅片侧Nu随Re的变化曲线及传热系数实验关联式。建立数

学模型可以分析不同环境条件下空冷凝汽器传热性能，得到主要运行参数与空气温度、空气

流速之间的关系。凝汽器积灰会导致传热系数降低，排汽压力升高，影响传热性能，需要定

期投运吹扫系统。利用CFD技术计算研究直接空冷凝汽器干式吹扫系统喷嘴结构特性，得出

最佳吹扫收缩角为40°，喷嘴圆柱长度越短，则流动变化越剧烈，喷嘴圆柱直径增大，则吹

扫能力增强。杨立军等对比研究以凝结蒸汽量和以凝汽器压力作为性能考核标准的区别，指

出仅考核凝汽器传热能力会导致传热面积过大，系统投资增加，提出以传热系数保证值作为

直接空冷凝汽器性能考核的补充指标。

2.2轴流风机研究

直接空冷系统采用轴流风机强制通风散热，多台风机同时工作存在集群效应。风机的运行状

况会引起机组背压波动，由结构、环境风、其他风机引起的进口空气流场变形可能导致风机

性能和容积效率显著降低、风机叶片振动，空气质量流速减少影响空冷凝汽器的冷却效果。

对此国内外学者对空冷岛大直径轴流风机做了大量研究。

2.3系统性能及环境效应研究

除了对直接空冷凝汽器、轴流风机的研究外，国内外学者还重点研究了影响直接空冷系统性

能的因素和环境效应。直接空冷机组利用空气对乏汽进行直接强制冷却，冷却效果受环境温度、风速、风向的影响大。排汽热负荷、排汽管道压损、迎面风速和环境温度是影响直接空

冷机组排汽压力的主要因素，且在迎面风速和环境温度一定时，排汽管道压损在热负荷范围

内存在一个最大值。考虑空冷凝汽器的蓄热效应，建立直接空冷凝汽器动态数学模型，发现

系统的稳定时间随环境温度的升高和迎面风速的降低而变长。空冷单元长宽比也会对直接空

冷系统运行特性产生影响，适当缩短迎风面方向和空冷单元的长度，可削弱环境风对空冷岛

的不利影响。通过建立汽轮机变工况模型和空冷系统变工况模型可以研究直接空冷系统最佳

真空特性。大型火电机组直接空冷系统流动特性复杂，多尺度同步模拟研究方法可以准确地

描述环境风流经空冷单元的湍流特征，实现跨尺度界面耦合。

3直接空冷系统发展前景

3.1利用老厂拆剩的冷却塔

对于大多新建机组不适用，同时需要根据现有冷却塔冷却规模反算需要冷却汽轮机排汽量及

降低的背压值，不能无限扩大冷却规模，采用机力通风间冷塔适用于新建工程辅机或引风机

系统的冷却需要，因其占地较大，投资较高，且风机耗功率较高。

3.2数值模拟

建立直接空冷机组冷端系统数学模型，对直接空冷凝汽器的传热过程计算采用效能-传热单

元数法，通过曲线拟合工具进行直接空冷机组冷端系统特性曲线拟合。针对典型的直接空冷

系统建立物理模型，利用Gambit软件生成网格。利用Fluent、CFD对直接空冷凝汽器单元内

冷却空气场和温度场进行数值模拟，研究不同环境因素对空气流动传热特性的影响。仿真计

算与实验数据对比确定仿真结果可信度。利用EES平台建立直接空冷高背压供热机组的冷端

传热和供热模型，实现梯级供热特性与冷端变工况协同优化。利用BP神经网络对直接空冷

凝汽器建立背压预测模型，针对某一特定工况，预测环境温度、环境风速、负荷等和机组运

行背压的影响关系曲线。BP神经网络是指按照误差逆向传播的多层前馈网络，BP神经网络

的拓扑结构分输入层、隐层、输出层。

3.3直接空冷系统发展实验研究分析

实验室模型实验，搭建试验台，利用相似理论，建立空冷凝汽器模型，做直接空冷系统风洞

热效应模拟实验，进行相应的PIV测速实验。采用红外线热成像技术确定空冷凝汽器管束温

度分布。通过实验测量和分析计算拟合实验关联式。实验研究存在尺度效应，数值模拟和实

验结果进行对比、相互修正，可以检验数学模型的可靠性，增加结果的准确性。现场热力实验，针对电厂空冷机组冷端实际问题在现场做实验，如利用红外热像仪、热电偶测量空冷岛

冷却单元翅片管束表面温度，做换热性能实验研究。

4结束语

随着直接空冷机组装机容量不断加大，大型电站直接空冷系统的设计、运行和维护技术将日

益完善、更加先进。直接空冷研究方法主要有理论分析、数值模拟及实验研究，实验研究又

分为实验室模型实验与现场热力试验。直接空冷机组运行灵活性改造全面进行，将提高机组

深度调峰能力、快速升降负荷能力、快速启停能力，灵活性改造将与节能减排工作同步进行。电储热调峰、电池储能、飞轮储能等方式将运用于直接空冷机组运行过程，提高机组运行灵

活性。

参考文献