直接空冷機組最佳背壓的研究

直接空冷機組最佳背壓的研究

目前，直接供冷技術(shù)廣泛應(yīng)用于中國西北部的大型火力廠。在直接空冷電站中,空凝器配有大直徑軸流風(fēng)機,投資高,為廠用電的大戶。在一定的環(huán)境條件和汽輪機排汽量下,增大空冷風(fēng)機風(fēng)量、降低背壓以提高汽輪機出力,可增加空冷風(fēng)機功耗。以空凝器冷端數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ),結(jié)合空冷風(fēng)機變工況運行規(guī)律,得出了空凝器最佳背壓的數(shù)學(xué)模型;在建立由綜合因素影響的空凝器背壓關(guān)系的基礎(chǔ)上,從理論上研究空冷機組存在的理論最佳背壓及影響因素,為空冷機組的優(yōu)化運行提供參考。1排汽背壓的確定式(1)為空冷凝汽器的冷端數(shù)學(xué)模型［1］,求出凝結(jié)溫度tn后,通過水蒸氣圖表或焓熵計算軟件,可得出對應(yīng)的飽和蒸汽壓力pc,即空凝器背壓,再加上汽輪機排汽管道壓降(由排汽管道結(jié)構(gòu)和排汽量決定)即為汽輪機排汽背壓。2空冷風(fēng)機的變換期2.1臺風(fēng)機靜壓和風(fēng)力空冷風(fēng)機并聯(lián)運行數(shù)量越多,相互影響越大,對應(yīng)到每臺風(fēng)機的風(fēng)量就越小。2臺風(fēng)機并聯(lián)運行時,靜壓—風(fēng)量特性曲線發(fā)生變化,靜壓和風(fēng)量比單臺風(fēng)機的靜壓和風(fēng)量小,且不是單臺風(fēng)機靜壓和風(fēng)量之和。實驗表明,2臺風(fēng)機并聯(lián)運行時的集群因子ηn=0.95,即2臺風(fēng)機并聯(lián)時,每臺風(fēng)機風(fēng)量只能達到單臺運行時風(fēng)量的95%［2］。對于600MW直接空冷機組,空冷風(fēng)機布置方式為7×8或8×8(每列冷卻單元組7臺或8臺空冷風(fēng)機并聯(lián)運行),集群因子ηn≈0.92。因此計算每列冷卻單元組空冷風(fēng)機并聯(lián)運行的風(fēng)量時,需實測空凝器冷卻單元翅片管束阻力特性,結(jié)合空冷風(fēng)機的性能曲線得到單臺風(fēng)機的風(fēng)量,再根據(jù)集群因子計算出空冷風(fēng)機并聯(lián)運行后的總風(fēng)量［3］。2.2環(huán)境橫向風(fēng)的影響空冷風(fēng)機運行時常受到環(huán)境風(fēng)影響,由于空凝器加裝擋風(fēng)墻,可消除部分環(huán)境橫向風(fēng)對空冷風(fēng)機運行的影響,但不能完全消除。環(huán)境橫向風(fēng)相當(dāng)于增加了翅片管束的氣體流動阻力,使系統(tǒng)阻力特性曲線上移,導(dǎo)致風(fēng)機工作點左移,減小了風(fēng)量,影響了冷卻單元的換熱性能。常用的橫向風(fēng)對翅片管束阻力的修正經(jīng)驗公式為式中:Δpa為橫向環(huán)境風(fēng)對翅片管束阻力的靜壓,Pa;ρa為空氣密度,kg/m3;va為橫向風(fēng)速,kg/s。2.3風(fēng)機臺數(shù)計算通過熱力模型公式得出相應(yīng)的風(fēng)機風(fēng)量后,根據(jù)風(fēng)機性能參數(shù)間關(guān)系得到空冷風(fēng)機功耗PG。根據(jù)相似理論,對于同一類風(fēng)機而言,風(fēng)機功率和風(fēng)量之間的關(guān)系為式中:PFi為風(fēng)機實際運行時的電功率,kW;ρi為風(fēng)機出口處實際空氣密度,kg/m3;ρ0為風(fēng)機在標(biāo)準(zhǔn)工況下的空氣密度,kg/m3;Li為各風(fēng)機實際風(fēng)量,m3/h;L0max為風(fēng)機在標(biāo)準(zhǔn)工況下的最大風(fēng)量,m3/h;PFmax為最大風(fēng)量時風(fēng)機消耗的電功率,kW。確定出翅片管束阻力特性和風(fēng)機性能曲線后,可得到單臺風(fēng)機的風(fēng)量,由集群因子可近似得到每列冷卻單元組風(fēng)機100%轉(zhuǎn)速工況下的總風(fēng)量,計算公式如下［4］:式中:GL為每列冷卻單元組風(fēng)量,m3/h;ηn為風(fēng)機集群因子;m為每臺風(fēng)機的風(fēng)量,kg/s;ρa為空氣密度,kg/m3;N為每列空冷單元組風(fēng)機臺數(shù)。已知每列冷卻單元組風(fēng)機的風(fēng)量后,再根據(jù)風(fēng)機的變頻調(diào)速情況,結(jié)合風(fēng)量與風(fēng)機功率的近似關(guān)系,可得出空凝器風(fēng)機群的總風(fēng)量與最大風(fēng)量。3輪機微增功率曲線的計算汽輪機凈收益功率的公式為式(5)中背壓變化對汽輪機功率的影響ΔP由汽輪機微增功率曲線經(jīng)過擬合得到,ΔPt的大小與汽輪機背壓變化的大小有關(guān)。因此,最佳背壓的計算過程中會出現(xiàn)迭代現(xiàn)象,需要編寫程序進行計算。以汽輪機凈收益最大為目標(biāo)函數(shù),計算出最佳風(fēng)量后,利用式(6)即可得到最佳背壓值［5］。4臺布置方式某600MW空冷機組,空冷島為8×8(列×臺)布置方式,每臺機組共有風(fēng)機64臺,每臺風(fēng)機額定功率66.6kW,通過式(4)和風(fēng)機變頻運行計算得到了冷卻單元風(fēng)機在不同頻率下的總風(fēng)量,見表1。4.1風(fēng)機在最佳背壓下運行以600MW空冷機組數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),以空凝器設(shè)計背壓15kPa為初始計算點,根據(jù)式(5)的數(shù)學(xué)模型得到了不同負(fù)荷下空凝器最佳背壓隨進口空氣溫度的變化規(guī)律。從圖1可見,空凝器最佳背壓隨進口空氣溫度的升高而增大,當(dāng)進口空氣溫度超過20℃,溫度變化1℃最佳背壓變化2kPa左右,且汽輪機負(fù)荷對最佳背壓的影響要小于進口空氣溫度的影響。圖1中直線段的出現(xiàn)是由于汽輪機阻塞背壓的限制,背壓不能繼續(xù)降低。表2為不同負(fù)荷下最佳背壓隨進口空氣溫度變化的統(tǒng)計表,其風(fēng)量并不能直接確定各列冷卻單元組風(fēng)機的運行參數(shù),需結(jié)合表1才能得到。表3給出了100%負(fù)荷下達到最佳背壓值時各列冷卻單元組風(fēng)機的運行參數(shù),其它工況下達到最佳背壓值時風(fēng)機運行參數(shù)可照此法得到。值得注意的是選擇各列冷卻單元組風(fēng)機組合時,為保證各列冷卻單元組的換熱平衡及風(fēng)機的節(jié)能運行,應(yīng)盡量使各列冷卻單元組風(fēng)機運行在相同或相近的頻率下。如在100%負(fù)荷下(排汽量350.5t/h)、進口空氣溫度為-10℃,此時空凝器的背壓為8kPa,所需風(fēng)量為15550kg/s,這時若以7/42(逆流風(fēng)機停運)臺風(fēng)機,頻率40Hz運行時,風(fēng)機總功率為1415.4kW,如果以8/48(逆流風(fēng)機停運)臺風(fēng)機,頻率35Hz運行時,則風(fēng)機總功率為1128.3kW。兩者相比,顯然風(fēng)機運行的原則是應(yīng)盡量使風(fēng)機多投、低頻運行。4.2環(huán)境橫向風(fēng)對機組運行的影響以空凝器當(dāng)前背壓為15kPa和20kPa為起算點,結(jié)合最佳背壓數(shù)學(xué)模型,得出最佳背壓隨環(huán)境橫向風(fēng)速的變化規(guī)律。由于環(huán)境橫向風(fēng)減小了風(fēng)機群的最大風(fēng)量,最佳背壓隨風(fēng)速的不斷增加而減小,要求的風(fēng)量也不斷降低,但風(fēng)機功率不斷增加,見表4。如圖2所示,隨著橫向風(fēng)速的不斷增大最佳背壓不斷升高,當(dāng)風(fēng)速大于6m/s時,最佳背壓上升速度開始加快。當(dāng)機組遇到較大環(huán)境橫向風(fēng)時應(yīng)時刻注意機組背壓的變化。表5為由當(dāng)前背壓15kPa時計算出的不同環(huán)境橫向風(fēng)速下達到最佳背壓時風(fēng)機運行參數(shù),可見橫向風(fēng)速越大,風(fēng)機提供的風(fēng)量越小,所需功率越大。如果機組運行在夏季環(huán)境即溫度較高時,機組背壓高,遇到較高環(huán)境風(fēng)速時風(fēng)機風(fēng)量迅速減少,背壓升高較快,嚴(yán)重威脅機組的安全運行,雖然風(fēng)機超負(fù)荷運行可抵消一部分環(huán)境橫向風(fēng)的影響,但不能完全消除,此時就需要采取其它措施保證機組安全運行,如降低機組負(fù)荷、開啟噴淋裝置、投運備用水環(huán)真空泵等,防止空凝器背壓惡化,導(dǎo)致機組跳閘停機,給電廠帶來不必要的損失。直接空冷機組在冬季時無法在最佳背壓下運行,首先應(yīng)該考慮機組防凍,切不可簡單考慮機組經(jīng)濟性而忽視機組安全,如果背壓控制不合理,很容易將空凝器凝結(jié)水管凍裂［6］。5空冷