基于弗留格爾公式和大數(shù)據(jù)的空冷機組關(guān)鍵問題探討

徐松泉， 楊 博， 文 玨， 魏 江， 楊文飛， 薛康康

(1. 大唐甘肅發(fā)電有限公司 景泰發(fā)電廠， 甘肅景泰 730400；2. 中國大唐集團科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 西北電力試驗研究院， 西安 710016)

火電在能源配比中所占的比重依舊是首位，而空冷機組在火電機組中的占比高達20%以上[1-2]，節(jié)水優(yōu)勢使其廣泛建設(shè)于我國西北部干旱缺水的地區(qū)，成為這些地區(qū)電能支柱。空冷機組主要分為兩類：直接空冷和間接空冷[3-4]。兩類空冷機組最終都要將熱量釋放給空氣，因此空冷機組受環(huán)境條件影響劇烈[5-6]，其所在地區(qū)全年氣溫變化幅度大，冬季極寒夏季高溫，運行條件惡劣，造成機組運行參數(shù)波動范圍大，易產(chǎn)生問題，運行維護難度大。

在節(jié)能減排的大背景下，空冷機組的優(yōu)勢較大，但其問題也真實存在，這就要求研究人員必須著力于空冷機組的棘手問題展開深入工作，力求提高設(shè)備可靠性，降低檢修運維難度，深化空冷機組冷端優(yōu)化工作。以往關(guān)于空冷機組的研究較為分散，未有總結(jié)性質(zhì)的文章，筆者結(jié)合深度調(diào)研就空冷機組設(shè)備運行情況進行總結(jié)和研討，為進一步研究梳理思路、奠定基礎(chǔ)。

目前，僅有直接空冷機組相關(guān)的性能考核試驗標準，關(guān)于間接空冷機組還未有相關(guān)標準頒布?，F(xiàn)行的直接空冷機組試驗標準是在德國VGB-R131ME 《真空狀態(tài)下空冷凝汽器的驗收試驗測量和運行監(jiān)控》基礎(chǔ)上，經(jīng)過西安熱工研究院按照我國特點修改后的DL/T 244—2012《直接空冷系統(tǒng)性能試驗規(guī)程》[7]?？绽湓囼炐枰獓栏竦南到y(tǒng)隔離才能保證精度，而機組的實際運行往往是非理想化的，同時電廠的分布式控制系統(tǒng)(DCS)能夠保存大量的運行數(shù)據(jù)。綜上所述，為了更好地分析空冷機組實際運行性能及利用好電廠的大數(shù)據(jù)，筆者提出了利用弗留格爾公式[8-9]簡化的空冷系統(tǒng)性能評價方式，并對34臺空冷機組展開分析計算。

1 空冷機組性能綜述

1.1 設(shè)計參數(shù)對比

筆者所調(diào)研的空冷系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)見表1(ITD為空冷系統(tǒng)初始溫差[10]，是汽輪機排汽壓力下的飽和溫度與進入空冷凝汽器的空氣溫度之差)。以電廠編號區(qū)別，每個廠可能有多臺機組，一共34臺， 8臺機組(B15、B16、B19、B20、B21、B22、B33、B34)為間接空冷，其他為直接空冷。

表1 機組設(shè)計參數(shù)

200 MW等級機組的空冷系統(tǒng)面積為51×104m2左右，300 MW等級機組設(shè)計空冷系統(tǒng)面積在73×104～118×104m2，600 MW等級機組設(shè)計空冷系統(tǒng)面積在120×104～206×104m2。一般情況下，汽輪機背壓是ITD的單值函數(shù)，同樣環(huán)境溫度下，ITD越小，機組背壓越低，目前推薦的ITD一般在34～41 K。調(diào)研空冷機組的設(shè)計ITD在29.1～39.4 K。設(shè)計環(huán)境溫度按照DL/T 5339—2011 《火力發(fā)電廠水工設(shè)計規(guī)范》要求，每年的不滿發(fā)時間少于200 h，調(diào)研空冷機組的設(shè)計滿發(fā)環(huán)境溫度在30～36 ℃。

1.2 空冷島(塔)性能分析

性能計算按照空冷島(塔)性能、機組冷端性能對比這兩個方面進行計算，依據(jù)空冷機組性能試驗相關(guān)規(guī)范要求，數(shù)據(jù)以2017年至2018年空冷機組電廠實際數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)；基于弗留格爾公式，依據(jù)低壓缸入口參數(shù)及各段抽汽參數(shù)計算低壓缸排汽質(zhì)量流量，利用得到的排汽質(zhì)量流量和對應(yīng)的環(huán)境溫度，通過空冷凝汽器性能曲線得到在該排汽質(zhì)量流量和對應(yīng)的環(huán)境溫度下的機組設(shè)計背壓，扣除噴淋和風機頻率對背壓的影響，得到該工況下的設(shè)計背壓，然后與機組實際背壓相比，得到空冷凝汽器的劣化情況。計算剔除相關(guān)輔助系統(tǒng)的影響，僅計算空冷系統(tǒng)冷卻能力，考慮相關(guān)修正。此計算方式根據(jù)低壓缸的抽汽級數(shù)和低壓加熱器數(shù)量不同有相應(yīng)變化。低壓缸實際入口質(zhì)量流量計算公式為：

(1)

式中：qm1為低壓缸實際入口質(zhì)量流量，t/h；qmg1為低壓缸設(shè)計入口質(zhì)量流量，t/h；p01為低壓缸實際入口壓力，MPa；pg1為低壓缸第一級抽汽實際壓力，MPa；p0為低壓缸設(shè)計入口壓力，MPa；pg為低壓缸第一級抽汽設(shè)計壓力，MPa；T0為低壓缸設(shè)計入口熱力學(xué)溫度，K；T1為低壓缸實際入口熱力學(xué)溫度，K。

基于凝結(jié)水質(zhì)量流量，通過低壓加熱器熱平衡方程計算低壓缸各段抽汽質(zhì)量流量，低壓缸入口質(zhì)量流量減去抽汽質(zhì)量流量即為低壓缸排汽質(zhì)量流量。由于某些電廠對一些風機進行過改造或風機老化等，修正量包括風機頻率和噴淋：噴淋修正方法為對比相同負荷、環(huán)境溫度、風機頻率下投退噴淋時背壓的偏差，針對對應(yīng)工況設(shè)計背壓進行修正；風機頻率修正通過總結(jié)在相同負荷、環(huán)境溫度下頻率與背壓的關(guān)系，通過外推法得到滿頻時的背壓修正量從而進行修正。

表2為空冷島(塔)性能計算結(jié)果。背壓偏差為對應(yīng)工況設(shè)計背壓與修正后實際背壓的差，相對偏差為背壓偏差與設(shè)計背壓的百分比，相對偏差為負表示空冷島(塔)性能不合格。由表2可以看出：有8臺機組空冷島(塔)性能不合格，空冷島(塔)性能合格率為76.47%。空冷島(塔)的合格率較高，說明設(shè)計參數(shù)合理，最早投運的調(diào)研機組投運于2003年，說明機組空冷系統(tǒng)老化衰減緩慢。

表2 空冷島(塔)性能計算結(jié)果

1.3 機組冷端性能分析

機組冷端性能按照機組滿負荷設(shè)計邊界條件，修正各項參數(shù)至設(shè)計值，對比修正后背壓是否達到設(shè)計背壓，從而判斷冷端性能是否達到設(shè)計值。

數(shù)據(jù)篩選時確保所選時間點的風機頻率、環(huán)境溫度和機組負荷與設(shè)計值的偏差不超過5%(以ASME PTC 6—2004 《汽輪機性能試驗規(guī)程》中偏差上限為界)。如果所選時間點處于夏季，則須要剔除噴淋的影響，方法為：

(1) 已知投入尖峰噴淋時段，在數(shù)據(jù)中遴選負荷、風機頻率、環(huán)境溫度接近的投入和退出尖峰噴淋系統(tǒng)的兩組運行數(shù)據(jù)。

(2) 兩組運行數(shù)據(jù)背壓差值則為需要修正的量。

(3) 重復(fù)前兩步至少15次，得到一組背壓修正值，求得算數(shù)平均值即為最終某臺機組尖峰噴淋背壓修正量。

如果所選時間點處于冬季，則須要剔除高背壓供熱的影響，方法同尖峰噴淋類似，這里不再贅述。

以600 MW機組為例，修正后數(shù)據(jù)見表3。由表3可以看出：通過未投尖峰噴淋前試驗和投尖峰噴淋后試驗，采用統(tǒng)計方法計算，該機組平均背壓修正值為5.5 kPa。

表3 機組冷端實際背壓與設(shè)計背壓的偏差

表4為機組冷端設(shè)計背壓與修正背壓的對比。由表4可以看出：共有6臺機組性能達到設(shè)計值，合格率為17.64%，其他28臺機組均未達到設(shè)計值。相對偏差偏大的主要原因是低壓缸熱負荷較設(shè)計值偏大，機組普遍熱耗率偏高，凝汽器熱負荷偏大，機組偏離設(shè)計值較遠。低壓缸熱負荷大、熱耗偏高的原因主要為缸效偏低、閥門內(nèi)漏嚴重、減溫水流量偏大、加熱器端差偏大、運行參數(shù)偏離設(shè)計值等。熱耗偏高情況下，低壓缸熱負荷較設(shè)計值偏高，造成空冷運行偏離設(shè)計工況，影響機組背壓。

從空冷島(塔)的性能和冷端性能對比可以看出：空冷系統(tǒng)的傳熱惡化主要出現(xiàn)在主機端，空冷端的傳熱惡化緩慢。因此，對空冷系統(tǒng)的研究必須考慮主機的影響，開展對整個冷端的研究和優(yōu)化才能切實解決空冷系統(tǒng)面臨的問題。

表4 機組冷端設(shè)計背壓與修正背壓的對比

2 空冷系統(tǒng)運行問題

2.1 機組限負荷問題

以2017年至2018年空冷機組數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，通過參數(shù)修正，計算滿負荷工況下機組帶負荷能力。在設(shè)計滿發(fā)溫度(TRL工況)下，20%機組夏季設(shè)計工況下具備帶滿負荷能力，由于夏季帶負荷能力受限，其他空冷機組須要投入輔助冷卻系統(tǒng)才能保證夏季設(shè)計工況下具備帶滿負荷的能力。

以某電廠為例，在2017年發(fā)生空冷系統(tǒng)限負荷6次，直接原因是環(huán)境溫度偏高，凝結(jié)水溫度超過70 ℃，限制凝結(jié)水精處理運行，影響陰樹脂性能，由于邏輯控制設(shè)置自動切除，因此電廠人為控制凝結(jié)水溫度在69 ℃左右，進一步降低了機組帶負荷能力。在2018年加強了空冷沖洗及尖峰噴淋系統(tǒng)的維護，保證了尖峰噴淋系統(tǒng)可靠投入，限負荷情況有所好轉(zhuǎn)?？绽鋼Q熱設(shè)備臟污也會造成限負荷問題[11-12]，對該電廠1號機組垢樣進行分析，用少量鹽酸溶解，產(chǎn)生大量氣泡，判斷為碳酸鹽。然后用純水定容至500 mL測定鈣離子、鎂離子的質(zhì)量濃度分別為126.79 mg/L、10.92 mg/L，折算成碳酸鈣、碳酸鎂的質(zhì)量分數(shù)分別為84.48%、 10.18%，還有少量酸不溶物。該電廠換熱設(shè)備表面結(jié)垢較多，影響其傳熱效果。

2.2 機組檢修維護

(1) 71%空冷機組沒有進行空冷系統(tǒng)性能驗收試驗，無法準確量化空冷系統(tǒng)的性能。大部分機組對于尖峰噴淋系統(tǒng)、機力塔尖峰系統(tǒng)未進行性能考核試驗。無法準確量化系統(tǒng)投入后背壓收益。

(2) 漏風較嚴重，翅片未可靠封堵，冷風短路后造成空冷系統(tǒng)傳熱效率下降，主要位置集中在散熱器底部、空冷間隔人字面間隙、真空管旁間隙等部位。

(3) 部分電廠沖洗設(shè)備可靠性差，主要涉及齒輪傳動帶、沖洗水泵、定位系統(tǒng)等故障。間接空冷機組沖洗系統(tǒng)不能長周期可靠投入，主要涉及限位及電動機、沖洗軌道、沖洗傳動裝置等故障問題。

(4) 直接空冷機組蒸汽隔離閥、間接空冷機組水側(cè)隔離閥檢修過程中均發(fā)現(xiàn)不嚴密的現(xiàn)象。隔離閥不嚴密造成機組運行靈活性降低，冬季啟動或者低負荷情況下防凍壓力較大，調(diào)研機組中65%空冷機組的散熱器翅片因隔離閥不嚴密有凍損現(xiàn)象。

(5) 空冷機組真空泵循環(huán)液溫度高是葉片汽蝕的主要原因，空冷機組夏季工作背壓高，真空泵循環(huán)液工作溫度高。47%空冷機組發(fā)生過真空泵汽蝕的問題。

(6) 存在空冷系統(tǒng)膨脹受阻，下聯(lián)箱受阻變形，最終導(dǎo)致管束開裂。

2.3 空冷系統(tǒng)溫度場不均勻問題

空冷機組現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)溫度場不均勻較為普遍，按照制造廠設(shè)計要求，直接空冷與間接空冷系統(tǒng)要求蒸汽和水流量分配不均勻系數(shù)小于5%，實際檢查發(fā)現(xiàn)分配不均勻較為明顯。

以某電廠空冷系統(tǒng)為例進行了溫度場分布試驗(見圖1)。從圖1中可以看出：該電廠單元交界處的溫度較低，最低可達29 ℃，最大低溫區(qū)面積可達一個單元單面散熱器面積的1/10左右。通過對單元內(nèi)部四個對角進行風速測量，發(fā)現(xiàn)風速差距較大，最大風速可達11 m/s，最小低于1 m/s，這與卜永東[13]的模擬計算結(jié)果一致。單元交界處翅片管局部溫度低，一方面是由于A型單元結(jié)構(gòu)導(dǎo)致單元內(nèi)部流場分布不均勻，風速風量差距較大，另一方面由于管道內(nèi)部蒸汽分配不均勻，尤其是空冷蒸汽分配管出口第1個單元蒸汽流量較小，所以產(chǎn)生了局部溫度不均的現(xiàn)象?？绽湎到y(tǒng)溫度分布不均導(dǎo)致了部分區(qū)域凝結(jié)水過冷，浪費部分冷卻風量，降低空冷系統(tǒng)的傳熱效率。

圖1 空冷系統(tǒng)溫度場

3 結(jié)語

(1) 調(diào)研機組空冷島(塔)性能合格率為76.47%，冷端性能合格率為17.64%?？绽湎到y(tǒng)的傳熱惡化主要出現(xiàn)在主機端，主要原因是低壓缸熱負荷較設(shè)計值偏大，機組普遍熱耗率偏高，凝汽器熱負荷偏大，機組偏離設(shè)計工況較遠，空冷端的傳熱惡化緩慢。因此，對空冷系統(tǒng)的研究必須考慮主機的影響，開展整個冷端的研究和優(yōu)化才能切實解決空冷系統(tǒng)面臨的問題。

(2) 80%空冷機組需要投入輔助冷卻系統(tǒng)，才能保證夏季設(shè)計滿發(fā)溫度下具備帶滿負荷的能力。空冷系統(tǒng)溫度場和蒸汽分配均與設(shè)計存在一定偏差，尤其在部分負荷下往往存在較大偏差，冷卻風配風均勻性、合理性方面也存在較大偏差。

(3) 空冷系統(tǒng)的性能試驗工作進展不完全、漏風嚴重、散熱器表面結(jié)垢明顯、金屬涂層脫落、沖洗設(shè)備可靠性差、隔離閥不嚴密、真空泵易汽蝕等檢修維護問題依舊制約空冷系統(tǒng)正常工作，是亟待深入研究的方向。