空冷凝汽器全工况运行特性分析
杨立军，杜小泽，杨勇平
(华北电力大学能源的安全与清洁利用北京市重点实验室，北京市昌平区 102206)
Performance Analysis of Air-cooled Condensers at All Operating Conditions
YANG Li-jun, DU Xiao-ze,YANG Yong-ping
(Beijing Key Laboratory of Safe and Clean Energy Technology, North China Electric Power University,
Changping District, Beijing 102206, China)
ABSTRACT: It is of great importance to investigate the performance of air-cooled steam condensers at various operating conditions for the running improvement of the direct air-cooled units in China. Based on the air-cooled condenser of a 300MW unit, the factors that affect the exhaust steam pressure were analyzed. The variations of the exhaust steam pressure with saturated exhaust steam flow rate and the inlet air temperature of the condenser were presented at 100% speed and half speed of axial fans. The results show that the exhaust steam pressure increases with the saturated exhaust steam flow rate and the inlet air temperature increasing and it decreases with the axial fan speed increasing. The regulation of the fan depends on the ambient air temperature and the heat load of the condenser. For the air-cooled condenser operating in cold winter, the fan should run at a low speed to ensure that the exhaust steam pressure was not smaller than the blocking pressure and to prevent the condenser tube banks from freezing. For the air-cooled condenser running in hot summer however, the fan should run at 100% or more than 100% speed to avoid the abnormal shutting down and the bad economy of the unit due to high exhaust steam pressure.
KEY WORDS: air-cooled condenser; exhaust steam pressure; saturated exhaust steam flow rate; freezing prevention of condenser; axial fan; operation performance
摘要：掌握火电站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直接空冷机组空冷凝汽器为例，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的增加，汽轮机背压增加；随轴流风机风速升高，汽轮机背压降低。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：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
0 引言
水资源的日益匮乏，使直接空冷机组在世界富煤贫水地区得到了快速发展[1-9]。直接空冷机组直接以环境空气作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[10]，因此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。空冷凝汽器的翅片管形式有矩形翅片椭圆管、椭圆翅片椭圆管、蛇形翅片扁平管等。根据管束形式划分，空冷凝汽器有单排管、双排管和三排管形式。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多采用蛇形翅片单排扁平管束结构。
冷端系统设计、运行的好坏，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。研究空冷凝汽器全工况运行性能，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、管外积灰、不凝性气体含量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。而汽轮机背压随饱和蒸汽凝结量和环境温度的变化关系，也是对空冷凝汽器进行性能考核的重要依据。杨立军等[11]对空冷凝汽器性能考核评价方法进行了研究，指出了仅仅考核空冷凝汽器凝结能力的不足，建议以传热系数保证值作为空冷凝汽器性能考核的补充指标。任浩仁等[12]论述了变工况下对火电机组进行能损诊断和性能分析时，各运行指标应达值确定的重要性和方法，指出该应达值需通过对运行方式、机组负荷、环境条件等因素的综合计算和分析确定；严俊杰等[13]在空冷凝汽器压力变工况计算数学模型的基础上，分析了直接空冷系统运行经济性的影响因素；高玉忠[14]对600 MW机组空冷凝汽器变工况计算进行了研究，绘制了空冷凝汽器特性曲线，分析了迎面风速、环境气温、凝汽器热负荷对空冷凝汽器性能的影响；林立敖等[15]从设计气温、初投资、煤价等多种因素考虑，通过技术经济比较，得到了直接空冷机组优化的设计背压。
综上所述，研究空冷凝汽器在各种工况下的运行特性，可以指导空冷岛的设计、运行和性能考核。本文在深入分析空冷凝汽器传热模型的基础上，以300MW直接空冷机组凝汽器为例，进行空冷凝汽器的全工况运行特性分析，为空冷凝汽器安全高效运行提供一定的参考。
1 空冷凝汽器理论模型
通常情况下，排汽从汽轮机出口到凝汽器入口有几千帕的压降。该压降变化不大，近似看作常数。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。该假设尽管会对汽轮机背压的分析引入一定的误差，但在该假设下得到的结果对空冷凝汽器的运行仍然具有一定的参考价值。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、传热单元数的推导，可得到空冷凝汽器内凝结温度ts与各影响因素之间满足关系[10-11,13]： FF1/()FF11epssaKAAvcpmrtAvcρρ−=⋅−& (1)
式中：sm&为凝结蒸汽量；r为凝汽器压力下的汽化潜热；ρ、pc分别为空气密度和比热；FA、分别为空冷凝汽器迎风面面积和迎风面风速；K、FvA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。1at
大容量空冷机组常用的蛇形翅片扁平管结构空冷凝汽器传热系数K通过式(2)计算： iooiiioo11111()()KAhAAhA δεελη=++++⋅ (2)
式中：iε、oε为空冷凝汽器管内外污垢热阻；、为空冷凝汽器管内蒸汽凝结换热系数和管外空气对流换热系数；ihohδ、λ分别为空冷凝汽器管壁厚度，导热系数；iA、oA为空冷凝汽器内外换热面积；oη为肋壁总效率，o12()f AAAηη=+，1A为管外光管部分面积，2A为翅片表面积，fη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θ(一般为30°)的“A”型管束，管内凝结换热系数计算式[16]为1423iwcos1.13()lllsgrhttLθρλμ⎡⎤⋅⋅⋅⋅=⎢⎥⋅−⋅⎣⎦ (3)
式中：lρ、lλ、lμ分别为凝结水密度、导热系数、动力粘度；为管壁温度；L 为翅片管的长度；g为重力加速度。wt
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，通常通过实验关联式(4)计算：
()NufRe= (4)
式中：Nu为空气对流换热的Nusselt数，Nu= /ohl λ；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。aλ为空气导热系数。Re为管外空气流动的雷诺数，m/aRevlν=；aν为空气运动粘度，为管外翅片空间空气流通截面Amvm上的流速。空冷凝汽器设计通常采用迎面风速的概念，满足：
FFmmvAvA= (5)
根据式(4)和(5)，可以得到管外空气对流换热系数与迎面风速的关系：
o()hgv= (6)
将通过式(3)和(6)得到的换热系数和相应污垢、积灰热阻代入式(2)，即可获得空冷凝汽器传热系数。然后根据式(1)即可得出凝汽器温度ts，从而获得汽轮机背压。
2 空冷凝汽器全工况运行特性
2.1 全工况运行特性理论依据
式(1)表明，汽轮机背压可用式(7)关系描述：

空冷凝汽器全工况运行特性分析.rar



高于汽轮机阻塞背压。凝结水温度为52℃，也远高于水的结冰温度，不会发生管束冻裂情况。
可见，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。在温度较低的冬季，为防止汽轮机背压低于阻塞背压和空冷凝汽器管束冻裂事故的发生，风机需减速运行，而且凝汽器热负荷不能过低。反之，在夏季高温条件下运行的空冷机组，为防止出现汽轮机背压过高带来的非正常停机事故和机组运行经济性的降低，需要风机全速甚至变频超速运行。
3 结论
针对国内典型300 MW直接空冷机组空冷凝汽器设计，进行了空冷凝汽器全工况运行性能分析，得到如下结论：
（1）在凝汽器凝结蒸汽量不变的情况下，随空冷凝汽器进口空气温度升高，空冷凝汽器内冷凝温度相应升高，汽轮机背压升高。在设计凝结蒸汽量下，空冷凝汽器进口空气温度由11.1 ℃升高到30 ℃时，汽轮机背压由15 kPa增加到33.6 kPa。空冷凝汽器进口空气温度不变时，当凝汽器凝结蒸汽量增加时，也会使空冷凝汽器内冷凝温度升高，汽轮机背压增加。
（2）当凝结蒸汽量和进口空气温度不变时，随风机转速降低，汽轮机背压升高。在设计凝结蒸汽量和进口空气温度下，当风机由全速运行改为半速运行时，汽轮机背压则由15 kPa升高到44 kPa；但风机转速降低时，风机功率减小，厂用电量降低。因此存在一个合理的空冷凝汽器迎面风速，既能保证发电收益最大，又能使风机转速维持在一个合理的水平，满足当地对风机噪声的要求。
（3）冬季低温情况下，为防止汽轮机背压低于阻塞背压和空冷凝汽器管束冻裂事故发生，当机组负荷较低时，风机需减速甚至停止运行，如在轴流风机全速运行条件下，当凝结蒸汽量仅为180 kg/s，进口空气温度为0 ℃时，汽轮机背压仅为5 kPa，而当轴流风机半速运行时，汽轮机背压升为13.8 kPa。在夏季高温条件下运行时，为防止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，机组需减小出力，同时，轴流风机要求全速甚至超设计风量运行。
参考文献