直接空冷凝汽器全工况运行特性分析杨立军华北电力大学.doc

直接空冷凝汽器全工况运行特性分析 杨立军 杜小泽 杨勇平 刘登瀛 （华北电力大学能源与动力工程学院，电站设备状态监测与控制教育部重点实验室 北京102206） 摘要：掌握火电站直接空冷凝汽器在各种工况下的运行特性，对于提高我国直接空冷机组的运行水平具有重要意义。以300MW空冷机组直接空冷凝汽器为例，分析了反映机组运行性能的汽轮机背压的影响因素，针对轴流风机全速和半速运行工况，计算得到了汽轮机背压随凝汽器凝结蒸汽量和进口空气温度的变化规律。结果表明：随凝汽器凝结蒸汽量和进口空气温度增加，汽轮机背压增加；随轴流风机风速降低，汽轮机背压升高。轴流风机运行方式的调整，依赖于环境温度和机组热负荷的变化。对于冬季低温运行的空冷凝汽器，为防止出现汽轮机背压低于阻塞背压和凝汽器管束冻裂，风机需减速运行。反之，在夏季高温条件下运行的空冷凝汽器，为避免汽轮机背压过高带来的非正常停机和机组运行经济性的下降，风机需全速甚至超设计风量运行。 关键词：直接空冷凝汽器 汽轮机背压 凝结蒸汽量 凝汽器防冻 轴流风机 运行特性 中图分类号：TK124 TK264.1 0 引言 水资源的日益匮乏，使直接空冷机组在我国北方富煤贫水地区得到了快速发展[1,2]。直接空冷机组以环境空气做为汽轮机排汽的冷却介质，完全不同于水冷机组。由于空气和水相比，热容量小，导热系数低，其冷却能力远远低于水的冷却能力[3]，因此直接空冷凝汽器一般采用翅片管束结构，汽轮机排汽在管内进行凝结放热，管外为翅片结构，冷却空气在轴流风机作用下，流经管外翅片空间对管内蒸汽进行冷却。直接空冷凝汽器根据翅片管形式划分，有椭圆管矩形翅片、椭圆管椭圆翅片、扁平管蛇形翅片等。根据管束形式划分，有单排管、双排管和三排管。由于具有优良的抗冻和流动传热性能，现有大容量直接空冷机组都采用蛇形翅片单排扁平管束结构。 众所周知，冷端系统设计、运行的经济性好坏，都是通过汽轮机背压直接反映的，因此汽轮机背压是冷端系统的综合指标，是整个空冷装置运行优劣的集中体现，它的经济性直接关系到整个机组的经济性。研究直接空冷凝汽器全工况运行特性，掌握汽轮机背压在各个不同工况下的变化规律，如不同的环境温度、轴流风机转速、凝结蒸汽量、空冷凝汽器管内结垢、不凝性气体含量、管外积灰等对汽轮机背压的影响，对于保证直接空冷系统安全高效运行具有重要意义。 1 直接空冷凝汽器理论模型 当忽略排汽由汽轮机出口流向凝汽器入口以及蒸汽在凝汽器内的流动压降时，凝汽器压力可认为是汽轮机排汽压力，即汽轮机背压，空冷凝汽器内发生的是等温凝结过程。通过对蒸汽侧和空气侧能量平衡方程、空冷凝汽器传热方程以及空冷凝汽器效能、传热单元数NTU的推导，可得到空冷凝汽器内凝结温度与各影响因素之间满足下述关系[4,5,6]： (1) 式中，为凝结蒸汽量；r为凝汽器压力下的汽化潜热；、分别为空气密度和比热；、分别为空冷凝汽器迎风面面积和迎风面风速；、为空冷凝汽器传热系数和传热面积，传热面积通常取管外侧面积，即管外光管部分和翅片部分的面积之和；为冷却空气进口温度。 大容量空冷机组常用的蛇形翅片扁平管结构的空冷凝汽器传热系数K通过如下计算公式获得： (2) 其中：，为空冷凝汽器管内外污垢热阻；，为空冷凝汽器管内外对流换热系数；，分别为空冷凝汽器管壁厚度，导热系数；，为空冷凝汽器内外换热面积；为肋壁总效率，；为管外光管部分面积，为翅片表面积，为翅片效率。 空冷凝汽器内为汽轮机排汽的凝结过程，对于半顶角为（一般为30°）的“A”型管束，管内凝结换热系数按如下公式计算[7]： (3) 其中，，，分别为凝结水密度，导热系数，动力粘度；为排汽凝结潜热；为管壁温度；L 为翅片管的长度；g为重力加速度。 空冷凝汽器外侧为空气强迫对流换热，其换热系数一般由空冷凝汽器供应商提供，通常通过如下实验关联式计算： (4) 其中，Nu为空气对流换热的Nusselt数，；l为管外空气对流换热的特征尺度，根据不同翅片管形式选取不同的尺寸做为特征尺度。为空气导热系数。Re为管外空气流动的雷诺数，；为管外翅片空间空气流通截面Am上的流速，为空气运动粘度。根据迎面风速的定义，最终可以得到管外空气对流换热系数与迎面风速的关系： (5) 将通过式（3）和（5）得到的换热系数和相应污垢、积灰热阻代入公式（2），即可获得空冷凝汽器传热系数。然后代入公式（1）即可得出凝汽器温度ts，即汽轮机排汽温度，从而获得汽轮机背压。 2 直接空冷凝汽器全工况运行特性 公式（1）表明，汽轮机背压的影响因素可