空冷机组的冷却空气流场优化问题

杨洪涛

摘 要：直接空冷机组用环境空气取代循环水直接冷却汽轮机排汽，导致机组煤耗高于同容量湿冷机组；与湿冷机组相比，直接空冷机组用于输送冷却空气的轴流风机功耗达到机组发电功率的0.8%～1.5%。直接空冷机组能耗高的特点十分显著。本文针对直接空冷电站空冷单元固有结构缺陷和不足，提出流场优化组织思想，对于改善空冷凝汽器流动传热特性，降低机组运行背压，提高机组运行的安全性和经济性，具有重要的理论意义。

关键词：电厂 空冷机组 优化

中图分类号：TK264 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）10（a）-0042-02

1 目前空冷机组存在问题

直接空冷机组存在夏季高温时出力受限，冬季低温换热器管束局部冻裂，极端大风天气运行背压快速升高，甚至导致停机，换热器管束表面积灰、热空气回流及太阳辐射等因素影响机组安全运行等问题。我国北方普遍存在年度高温和低温差别大，环境风向、风力大小复杂多变的情况，仅考虑全年平均气象条件的空冷系统设计不仅不能满足机组夏季满负荷运行的需求，还存在夏季运行背压居高不下，以及极端高温、不利大风气象条件下非正常停机的风险。同时，我国北方地区频繁的环境风横向流动导致空冷风机进口条件恶化，风场上游风机动力学性能急剧降低，对风机叶片安全构成影响，空冷凝汽器热风回流加剧，使冷却能力进一步受到限制。

直接空冷机组庞大的冷却系统造成输送冷却空气的大型轴流风机数量众多，目前尚无应对恶劣气象条件的风机群合理调整运行方式的合理办法，实际运行的空冷机组厂用电率高于设计水平。通过该厂和多家直接空冷电站电话调研后发现，空冷单元内普遍存在空气流场紊乱、空气流通不畅等现象，从而导致空冷单元内空气产生旋涡，并在空冷单元低部形成空气流动“死区”，严重影响了空冷凝汽器换热性能，机组运行能耗增加。特别是夏季高温时段，空冷电耗率可达1.5%以上，对机组出力和经济性有较大影响。

目前国内直接空冷机组空冷系统的改造方面主要是增加冷却风机出力、采用局部换热冷却技术（喷（淋）雾冷却技术）提高空冷凝汽器换热性能。虽然对于提高凝汽器的散热能力效果明显，但这些技术措施均是以额外消耗能源或水资源为代价，增加风机出力使得风机电耗增加，提高了厂用电率，喷雾和频繁清洗除增加电耗，还消耗了大量的水资源，从而削弱了空冷技术的节水效益。综合考虑额外耗能因素，节能效果降低。

直接空冷系统经济背压与当地的环境条件、设备初期设计状况、现场设备安装、周边相关建（构）筑物、机组运行情况等因素息息相关。目前国内在经济背压的研究应用方面较多的方案是进行冷端优化试验，采用简单控制逻辑应用优化结果。无实现不同季节、环境温度下的最佳背压连续运行和控制的实例。由于直接空冷风机叶片直径较长，该公司330MW机组空冷风机叶片也在9m以上。外侧横向风进入风机后局部静压升高，转换为对叶片的作用力，使得叶片上的附加应力增加，长期运行外侧风机叶片易产生疲劳损伤裂纹，对空冷岛设备、下部电气设备和人身安全有潜在影响。外侧风机占总风机数的50%，部分电厂已经出现叶片裂纹或裂纹迹象缺陷。

2 实施方案及措施

火电机组直接空冷系统由数十个呈A型结构的空冷凝汽器单元组成，每个单元由其下部的轴流风机输运空气冷却翅片管束内的蒸汽。直接空冷系统运行过程中轴流风机产生的螺旋上升气流在A型框架结构内呈现复杂的空气动力学行为，特别是在空冷单元底部形成流动死区和涡流，在单元中心形成严重的回流，阻碍了风机出口空气向翅片管束方向的顺利流动，并造成流经翅片管束的空气流量分配极不均匀，不同区域翅片管束的散热能力呈现很大差异，以至于翅片管束传热面积利用率降低、流动传热性能变差、机组背压和煤耗上升，并增加了冬季发生冻结事故的危险。

针对空冷单元固有结构缺陷，空冷單元内空气动力学特性以及管束流量和热负荷分配规律，发现了风机出口气流不均匀、波动、速度双峰分布特性，针对空冷单元A型结构内复杂空气流场导致的对流换热不均匀、传热恶化问题，在空冷单元冷却空气流动传热特性规律的基础上，冷却空气气流阻塞，涡流和回流的区域，提出“小范围引导、多区域布置小尺寸导流装置”的空气流场优化设计思想，安装空冷单元内冷却空气导流系列技术及装置，并进行结构优化。通过在空冷单元内部流动状况较差的位置多区域安装挡风板和小尺寸导流板，实现了单元内空气流场的重新组织，并降低了导流板的额外流动阻力，避免了导流板下游的流动分离。利用CFD模拟，不断优化导流装置的结构、尺寸和空间位置，为空冷单元冷却空气导流技术的工程应用提供了关键设计参数。

在环境风场作用下空冷岛热力性能变化规律的基础上，提出空冷岛风场诱导的原则，即将环境风横向流动的动能部分转变为风机轴向流动的能量，以削弱环境风场的不利影响，改善风机进口流动条件，提高直接空冷机组抵御环境大风的能力，改进机组热力性能，并开发风场诱导装置。

最后针对优化设计结果，进行空气导流装置的加工与制造，并对1台机组的空冷凝汽器单元进行改造。通过热力性能实验，对改造前后的运行性能进行对比分析，获得导流装置改善空冷机组运行性能的定量结果。

3 优化过程中主要技术问题

（1）考虑凝汽器单元内部的复杂支撑和桥架结构，开发空冷单元冷却空气导流技术，研制空气导流装置及安装结构，解决导流装置与空冷单元原有框架结构和风机桥架结构的匹配问题。

（2）建立综合考虑空冷单元复杂支撑和桥架结构，以及喷雾冷却装置的三维物理模型。通过CFD数值手段，获得不同结构、尺寸和空间方位的导流装置对空冷凝汽器性能的改善效果，确定最优的导流装置结构。在空冷单元试验台上，进行空气导流装置性能试验，验证并改进数值模拟的结果。在660MW机组上进行工程实施，通过现场热力性能试验，获得导流技术实施前后的空冷机组热力性能。endprint

（3）通过环境风场作用下，空冷岛热力性能变化规律的CFD模拟，确定风场诱导的措施。针对不同结构形式的风场诱导措施，通过CFD计算分析，获得优化的结构参数和结构形式，最终开发系列化的环境风场诱导装置。通过风场诱导技术的开发，显著提高空冷系统抵御环境风场不利影响的能力。降低外侧横向风对直接空冷风机叶片的影响，降低外侧横向风对直接空冷风机叶片的影响，外侧风机叶片裂纹缺陷发生率降低50%以上，提高风机叶片运行的安全性和使用寿命。

（4）综合考虑空冷单元内实际框架支撑结构和风机桥架结构，以及其他设施，如雾化喷淋装置等，设计导流板的框架和支撑结构，以实现导流装置的空间定位和紧固安装，解决空气导流装置与空冷凝汽器单元原有框架结构和风机桥架结构的匹配问题。

4 空冷岛优化后效果

我国相关研究机构如华北电力大学等单位提出了流场优化组织思想，开发了冷却空气导流技术和装置，对于改善空冷凝汽器流动传热特性，降低机组运行背压，提高机组运行的安全性和经济性，并应用于660MW空冷示范机组，使机组全年平均背压降低1kPa以上。具体技术指标为以下几个方面。

（1）空冷单元导流装置可改善翅片管束表面冷却空气流场、温度场的均匀性，提高空冷凝汽器的散热能力，使空冷机组全年平均背压下降0.5kPa。

（2）空冷岛风场诱导装置能显著提高空冷机组抵御环境大风的能力，改善空冷系统的运行特性，使机组全年平均背压下降0.5kPa。

（3）对空冷单元空气导流装置进行结构优化，获得满足流场优化组织功能需求的最佳结构，解决空气导流装置与空冷凝汽器单元原有支撑和桥架结构的耦合匹配问题，在600MW等级机组上进行应用。对冷却空气流场进行有效诱导的同时，导流装置自身流阻同时下降，实现在不增加轴流风机功耗和厂用电消耗的前提下，空冷单元散热能力的提高。

（4）降低外侧横向风对直接空冷风机叶片的影响，外侧风机叶片裂纹缺陷发生率降低50%以上，提高风机叶片运行的安全性和使用寿命。

（5）提高空冷凝汽器的風机自动化控制水平。

（6）应用空冷单元空气导流装置，消除单元流场内部空气的流动死区，增加冬季低温运行条件下，凝汽器单元管束内部蒸汽流动的均匀性，有效预防低温运行冻结事故的发生，增加冬季低温条件下运行的安全性。

（7）在不影响机组正常运行、原有支撑结构强度和风机能耗基本不变的前提下，实现空气导流装置的安装与调试，不需要额外消耗能量和水资源，弥补国内外其它提升空冷系统冷却能力技术措施的不足。

参考文献

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