直接空冷系统.docx

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直接空冷系统

目录

第一章绪论

1.1课题研究背景及意义………………………………………………………2

1.2空冷系统在国内外的发展现状……………………………………………2

1.3论文主要研究方向…………………………………………………………3

第二章600MW空冷机组的介绍

2.1直接空冷系统………………………………………………………………5

2.2空冷系统的特点……………………………………………………………6

2.3直接空冷系统的组成和范围………………………………………………6

2.4直接空冷系统各组成部分的作用和特点…………………………………7

第三章直接空冷机组背压调节

3.1直接空冷机组背压的概念…………………………………………………8

3.2汽轮机背压控制系统………………………………………………………17

第一章绪论

1.1、课题研究背景及意义

众所周知，我国电力生产主要源自于火力发电，火力发电的主要燃料煤绝大部分分布于内陆地区，尤其是山西内蒙地区，由于兴建火力发电厂需要大量的冷却水源，然这两个地区却严重缺水，因而水资源问题成为制约火力发电站发展的重要瓶颈。

如何在富煤贫水地区合理利用资源大力发展火电站已经成为电力研究的重要课题。

直接空冷技术的应用为解决这一问题提供了有效地措施。

目前国内外电站空冷分为二大类：

一是间接空气冷却系统，二是直接空气冷却系统。

其中间接空气冷却系统又分为混合式空气冷却系统和表面式空气冷却系统。

目前这两种技术都已经成熟，但直接空冷与湿冷相比，省水65%，其效果会更加明显；同时直接空冷具有系统简单、占地面积小、调整灵活、出投资少、调整灵活、防冻性能好、运行可靠等特点。

所以在富煤缺水地区其具有广阔的发展前景，且近几年发展较快，在实际设计和应用中优先考虑。

1.2、空冷系统在国内外发展现状

世界上第一台1500KW直接空冷机组，于1938年在德国一个坑口电站投运，已有60多年的历史，几个典型空冷机组是：

1958年意大利空冷电站2X36MW机组投运、1968年西班牙160MW电站空冷机组投运、1978年美国怀俄明州Wodok电站365MW空冷机组投运、1987年南非Matimba电站6X665MW直接空冷机组投运。

当今采用表面式冷凝器间接空冷系统的最大单机容量为南非肯达尔电站6X686MW；采用混合式凝汽器间接空冷系统的最大单机容量为300MW级，目前在伊朗投运的325MW（哈尔滨空调股份有限公司供货）运行良好。

全世界空冷机组的装机容量中，直接空冷机组的装机容量占60％，间接空冷机组约占40％。

1.3、论文主要研究方向

本论文以陕西国华锦界电厂、山西兆光电厂的600MW直接空冷机组为研究对象，结合现场运行实际，力求在空冷机组被压调节方案分析及控制策略优化环节上摸索出一些具有借鉴意义的规律或结论以提高600MW直接空冷机组的安全和经济运行水平，真正发挥空冷机组的优势，以促进我国电力行业的快速发展。

本论文的主要研究内容有以下四个方面：

（1）简要分析600MW直接空冷汽轮机与600MW湿冷汽轮机在运行特性和结构特点上的差异，分析阐述采取这些差异的原因和由此而引发的安全经济运行的问题。

（2）深入地分析研究影响直接空冷机组背压的因素，并简要地说明汽轮机背压与各影响因素之间的关系;尤其是空冷机组的背压与变频风机转速调节之间的关系。

（3）在直接空冷系统的变工况特性和背压选择原则明了的基础上，结合现场运行实际，针对600MW直接空冷机组空冷凝汽器突出的冬季防冻问题，给予简要分析和研究。

（4）在直接空冷系统的变工况特性和背压选择原则明了的基础上，结合现场运行实际，针对600MW直接空冷机组突出的夏季出力受限问题，进行简要的分析和研究。

国华锦界能源公司所在地位于陕西省东北端中低纬度内陆区域，属于中温带干旱半干旱大陆性季风区，该地区气候特点表现为冬季寒冷，时间长；夏季炎热，干燥多风，时间短；冬春干旱少雨雪，温差大。

由于深居内陆，流域降水受东南沿海季风影响弱，故降水量少，且年内和年际变化均大，年内降水主要集中在7～9月，占总量的69%，尤其以8月最多，并多以暴雨形式出现，易造成洪灾。

根据该地区的气候及地形特征以及空冷的技术要求，国华锦界能源公司通过直接空冷来实现凝结水的冷却是最优化、最可行的途径。

第二章600WM空冷机组的介绍

本章主要内容是首先对直接空冷系统600MW直接空冷机组的工作原理作一简单介绍，然后重点从运行特性和结构特点两个方面对600MW直接空冷机组的特点进行阐述说明。

最后对直接空冷系统工作运行过程中可能遇到的问题予于简要分析。

2.1直接空冷系统

系统的原理就是指汽轮机做完功的排汽直接进入空冷凝汽器的冷却元件——翅片管束，冷却空气在轴流风机的作用下以一定流速流过空冷凝汽器的翅

片管束，将凝汽器内的汽轮机排汽直接冷凝结成水。

直接空冷系统主要包括:

排汽管道、空冷凝汽器、真空抽气系统、喷淋系统和冲洗系统。

直接空冷系统的流程：

汽轮机低压缸排出的乏汽,经由2根直径为6000mm的排汽管道引出厂房外，垂直上升到34m高度后，分出8根直径为2800mm的蒸汽分配管，乏汽由此引入空冷凝汽器顶部的配汽联箱。

当乏汽通过联箱流经空冷凝汽器的翅片管束时，由轴流风机吸入的大量冷空气，通过翅片管的外部，与管束内的蒸汽进行表面换热，将乏汽的热量带走，从而使排汽凝结为水。

凝结水由凝结水管收集起来,排至凝结水箱，然后由凝结水泵升压，送往汽机的热力系统，去完成热力循环。

汽轮机的排汽有约70%-80%的乏汽在顺流式凝汽器中被冷却，形成凝结水，剩余的蒸汽随后在逆流式凝汽器中被冷却。

在逆流管束的顶部设有抽真空系统，能够比较畅通地将系统中空气和不凝结气体抽出，同时空冷凝汽器的管束采用单排管（是目前单排管运行的最大单机容量），有效地防止了冬季运行中因流量不均造成的冻结。

在设计中，逆流式凝汽器因为其中蒸汽和凝结水的流动是逆流的，这也保证了冷凝水不易在流动过程中发生过冷和冻结。

直接空冷凝汽器布置在汽机厂房A列外。

机组空冷平台高40米、长92.7米、宽81.5米，坐落在直径为3.8米的16根空心清水砼柱子上。

空冷凝汽器搁置在空

冷平台之上，分8排7列共56组空冷凝汽器，即每一排有7组空冷凝汽器，其中5组为顺流，2组为逆流，逆流空冷凝汽器放在2、6列。

每组空冷凝汽器由10个散热器管束组成，以接近60°角组成等腰三角形A型结构，两侧分别为5个散热器管束。

凝汽器散热管束从防冻角度考虑，采用德国GEA公司最新研制的单排椭圆管散热管束，此技术的应用在国际上属于首例，其防冻能力要高于以往的各种形式的散热器。

散热器布置在A型框架两侧，A型框架水平布置于空冷平台上。

配置的56台轴流变频调速冷却风机设置在每组空冷凝汽器下部，每台轴流风机配变频调节装置一套，以适应在不同的气候条件下经济运行。

空冷凝汽器配置有清洁系统，每个空冷凝汽器冷却单元之间均被隔离，杜绝相互串风。

为防止热空气回流对空冷凝汽器换热效率的影响，空冷平台四周装有挡风墙。

真空抽气管道连接到每一排2、6列逆流空冷凝汽器的上部，运行中不断将空冷凝汽器中的空气和不凝结气体抽出，保持系统真空。

2.2空冷系统的特点

无论是直接空冷，还是间接空冷电厂，经过几十年的运行实践，证明均是可以的。

但不排除空冷系统在运行中，存在种种原因引发的问题，如严寒、酷暑、大风、系统设计不够合理、运行管理不当等。

这些问题有的已得到解决，从国内已投运的600MW空冷机组运行实践证明了这一点。

从运行电站空冷系统比较，直接空冷系统具有主要特点：

（1）背压高；

（2）风机电耗量大；

（3）真空系统庞大；（4）节约用地；

（5）经济效益高；（6）造价相比经济；

（7）冬季防冻措施比较灵活可靠

2.3直接空冷系统的组成和范围

自汽轮机低压缸排汽口至凝结水泵入口范围内的设备和管道，主要包括：

（1）汽轮机低压缸排汽管道；

（2）空冷凝汽器管束；

（3）凝结水系统；（4）抽气系统；

（5）疏水系统；（6）通风系统；

（7）直接空冷支撑结构；（8）自控系统；

2.4直接空冷系统各组成部分的作用和特点

（1）排汽管道

对大容量空冷机组，排汽管道直径比较粗，从目前国内几个空冷电站设计情况来看，300MW机组排汽管道直径在DN5000多，600MW机组排汽管道在DN6000左右。

排汽管道从汽机房A列引出后，横向排汽母管布置，目前有两种方式，一种为低位布置、一种为高位布置。

大直径管道的壁厚优化和制造是难点，同时也是影响工程造价的重点之一。

（2）空冷凝汽器的冷却装置

A一型架构：

一般双排管束由钢管钢翅片所组成，为防腐表面渡锌。

单排管为钢管铝翅片，钎焊在大直径矩形椭园管上。

它上端同蒸汽配管焊接，下端与凝结水联箱联结。

每8片或10片构成一个散热单元，每个单元的管束为59.50—60.50角组成A一型架构。

冷却元件：

冷却元件即翅片管，它是空冷系统的核心，其性能直接影响空冷系统的冷却效果。

对翅片管的性能基本要求：

a．良好的传热性能；b.良好的耐温性能；c.良好的耐热冲击力；d．良好的耐大气腐蚀能力；e．易于清洗尘垢：

f.足够的耐压能力，较低的管内压降：

g.较小的空气侧阻力；h．良好的抗机械振动能力；i.较低的制造成本。

目前空冷凝汽器冷却元件采用大口径扁管翅片管，又称之为单排管。

双排管的构成

椭园钢管钢翅片，管径是100X20mm的椭园钢管，缠绕式套焊矩形翅片，管两端呈半园，中间呈矩形。

首先接受空气侧的内侧管翅片距为4mm，外侧管翅片距为2．5mm。

管距为50mm，根据散热面积大小，可以变化管子根数，多根管数组成一个管束，每8片或10片管束构成一个散热单元，两个管束约成60度角构成“A”字形结构。

单排管的构成：

椭园钢管钢翅片，管径是200×20mm，两端呈半园，中间呈矩形。

蛇形翅片，钎焊在椭园钢管上。

翅片管的下端同收集凝结水的集水箱联结。

集水箱同逆流单元相结。

在逆流单元管根部留有排汽口。

散热单元布置

通常600MW机组布置8列6行、7行或8行单元数，单元总数有48、56、64散热单元。

散热单元有顺流和逆流单元之分。

其顺流是指明蒸汽自上而下，凝结水也是自上而下，当顺流单元内蒸汽不能完全冷凝，而剩余蒸汽在逆流单元冷凝，在这里蒸汽与冷凝水相反方向流动，即蒸汽由下而上，水自上而下相反方向流动。

众所周知，机组运行蒸汽内总是有不可凝汽体随蒸汽运动，设置逆流单元主要是排除不可凝汽体和在寒冷地区也可以防冻。

在寒冷地区，顺、逆流单元面积比，约5:

1，单元数相比约2.5:

1。

在600MW机组的散热器每列是2组逆流单元，而在300MW机组的散热器每列是1组逆流单元。

每台机组顺、逆流单元散热面积之和，为散热总面积。

（3）抽气系统

在逆流单元管束的上端装置排气口，与设置的抽汽泵相联。

抽气泵是抽气，分运行和启动，启动抽气时间短，300MW机组的系统容积大约5300m3，抽气同时在降背压，使之接近运行背压。

时间约40分钟。

在抽气时注意，蒸汽和不凝气体的分压力，抽气不可抽出蒸汽。

抽气系统也是保证系统背压的。

（4）凝结水系统

冷却单元下端集水箱，从翅片管束收集的凝结水自流至平台地面或以下的热井，通过凝结泵再将凝结水送往凝结水箱并送回热力系统。

（5）通风系统

直接空冷系统散热目前均采用强制通风，大型空冷机组宜采用大直径轴流风机，风机可为单速、双速、变频调速三种。

根据工程条件可选择任一种或几种优化组合方案。

就目前国内外设计和运行经验，在寒冷地区或昼夜温差变化较大的地区，采用变频调速使风机有利于变工况运行，同时也可降低厂用电耗。

为减少风机台数，通常采用大直径轴流风机，直径达9．14m、10．36m。

第三章直接空冷机组背压调节

本章首先介绍直接空冷机组背压的概念，分析影响直接空冷机组背压的因素，然后着重分析研究空冷机组的背压与变频风机转速调节之间的关系。

最终给出直接空冷机组背压的选择原则。

3.1直接空冷机组背压的概念

背压常指冷凝器的压力。

由于采用直接空冷系统后，容易产生不同的解释，所以这里应统一理解背压为汽轮机低压缸的排汽压力。

背压分为理论背压和实际背压。

理论背压是设计汽轮机时计算或规定出来的背压，亦称作设计背压；实际背压是汽轮机运行中实际所具有的背压，亦称作运行背压。

设计背压又可分为最高容许背压、最高满发背压、额定背压、阻塞背压。

最高容许背压——保证汽轮机长期、安全运行所许可的最高背压；或者说，在各种不利工况下容许汽轮机长期运行的最高背压。

由于不同的进汽流量和参数，就有不同的最高容许背压，所以我们可以规定两个极限值：

最高容许背压上限值和最高容许背压下限值。

该二值分别对应于额定进汽参数下最大的进（排）汽流量和最小的进（排）汽流量。

最高容许背压是汽轮机重要的安全技术指标之一。

最高满发背压——汽轮机在最大进汽流量下，可以达到额定功率时的最高背压。

这是衡量汽轮机性能的重要技术指标之一。

额定背压——在额定工况下，汽轮机达到额定功率时的背压。

平常所说的设计背压往往仅指额定背压。

这是汽轮机本体设计和排汽冷却系统设计的重要参数之一。

阻塞背压——在进汽流量和参数一定的情况下，汽轮机的功率随着背压的降低而增加，当背压降至某一值时，功率不会再增加，此时的背压就叫作阻塞背压。

在这种工况下，汽轮机末级出口轴向排汽达到临界状态，末级出口压力达到极限值，功率达最大值,热耗达最低值。

不同的进汽流量和参数有不同的阻塞背压值。

这也是衡量汽轮机性能的重要技术指标之一。

3.2汽轮机背压控制系统

 汽轮机背压控制系统根据背压测量值和设定值之间的偏差连续对风机运行台数、转速和蒸汽隔离阀位置进行调整。

（1）空冷机组经济运行背压研究分析

空冷机组的运行背压与空冷风机所消耗功率之间存在一个最佳工况点，即由于降低背压所增加的汽轮机功率与空冷风机多消耗的功率之差最大。

通过试验得到风机频率与风机总功率变化关系曲线（图1）、机组背压与风机频率变化关系曲线（图2）。

图1　风机总功率随风机频率变化的关系曲线

图1为空冷风机群在环境气温为23.6℃，大气压力为99.33kPa时，风机总功率随风机频率变化的关系曲线。

可以看出频率每变化1Hz，风机总功率就会增加约273kW，风机频率越高，风机群消耗功率越大。

图2　不同负荷与气温下背压－风机频率关系曲线

由图2可以看出，在某一环境温度下，当机组负荷一定时，随着风机频率增加，汽轮机背压降低。

即要降低背压，空冷风机耗功就要增加。

背压降低，机组运行经济性提高，风机耗功增加导致机组运行经济性下降；当背压降低得到的经济性小于空冷风机耗功增加值时，机组运行经济性将降低。

所以，不同负荷下，对应不同环境温度，机组运行存在最佳背压（对应最佳风机频率），在此背压下运行，机组经济性最高。

最佳背压值，要通过空冷系统运行优化试验确定。

（2）空冷机组背压调节与变频风机转速调节的关系

.变频风机的组成

空冷凝汽器系统（简称ACC）是由若干台空冷凝汽器构成，每台空冷凝汽器配置一台轴流风机，建筑在高耸的空冷平台上，1台600MW国产空冷机组工程空冷系统的典型配置为8个单元共56台空冷凝汽器，对应轴流冷却风机配置:

共有8个风机单元，每个风机单元有7台132kW风机，风机直径为8.7m左右，共56台轴流冷却风机，其中每个风机单元有两台为可逆风机，共16台可逆风机。

轴流冷却风机在一个水平平面内布置，形成了庞大的轴流冷却风机群。

风机电机均为变频控制，变频控制柜通过硬接线和通讯与主DCS或空冷系统DCS相连接，DCS能根据不同的蒸汽负荷和环境温度控制风机启停及转速，使汽轮机的排汽压力保持恒定。

除节能原因外，变频调速控制还可以实现电动机“软启动”，即电动机在很低地频率下（3～5Hz）和电压下启动，逐渐提高电源的频率和电压，控制电动机在小于1.1倍额定电流下无冲击启动。

此外风机的转速可以在（30％～110％）额定转速运行，调节方便，满足在各种气象条件下机组运行工况的要求。

风机经常在需要的低转速下运行，噪声和磨损都比额定转速低，有利于环境保护，降低维修费用并延长了空冷器的寿命。

B.变频风机的转速调节

（1）单个变频风机的转速调节

原理说明：

单个变频风机的转速指令与该排变频风机的转速指令求偏差，送入选择器。

当在手动方式下运行时，自动信号为零，零信号经过两秒的延时闭合来控制选择器将偏差信号送入限速模块，最后将限速模块送来的指令与本排的风机转速指令求和作为操作器的输入指令。

当在自动方式下运行时，选择器选择零信号作为偏差信号经限速模块与本排的风机转速指令求和作为操作器的输入指令。

控制原理：

不论在自动还是在手动方式下单个的变频风机转速指令都是由自动信号、手动信号、跟踪信号、自动方式信号、自动允许等共同作用而形成单个变频风机转身指令和风机的运行方式。

而生成的风机转速指令又作为反馈送回到输入端与一排风机转速指令求偏差，用偏差信号来矫正单个风机转速指令与设定值的偏差，从而来控制风机的转速满足被压调节的要求。

（2）单个变频风机控制信号的形成

跟踪信号：

当该风机在自动方式下且风机满足最小转速条件（自动/手动）和第一排空冷进气阀门已开则选择该风机的转速指令作为跟踪信号，若其中一个条件不满足则把设定值作为跟踪信号。

当在手动方式下直接把该风机转速反馈作为跟踪信号。

手动信号：

风机满足最小转速要求、空冷进气阀门已开、变频风机远方信号为零则生成手动信号。

自动信号：

风机满足最小转速要求、空冷进气阀门已开、变频风机转速指令为一、风机转速自动方式条件而产生自动信号。

自动允许：

变频风机远方、风机VFC开关已开、空冷进气阀门已开，三个信号求与生成自动允许信号。

风机最小转速：

风机转速反馈进过高低值限制器和信号采集判断求与生成最小转速信

（3）单排变频风机的调节

在一排风机手动的情况下，自动信号为零进过2秒的延时闭合送入选择器和

限速模块，选择器选择一信号输入作为偏差信号。

偏差信号是由一排变频风机的

转速指令减去风机转速指令与风机转速指令设定值的和。

将偏差信号进过限速模

块送入加法器与变频风机转速指令、转速指令设定值求和作为操作器的输入值。

一排变频风机转速指令：

操作器输入值在跟着信号、手动信号、自动信号、

自动方式信号共同作用形成一排变频风机转速指令和一排变频风机转速自

动方式信号。

手动信号的形成：

手动信号：

一排七台变频风机运转方式求或后取反再进过一秒的延时断开作

为手动信号。

只要一排风机全部采用手动方式则本排风机采用手动方式。

自动信号的形成：

自动信号：

一排七台变频风机的运行方式求或在和风机自动投运信号求与再

进过3秒的延时闭合并产生一个两秒的脉冲信号作为手动信号。

一排的七台

变频风机只要有其中一台处于自动方式并且风机允许自动投运则该排风机

就采用自动方式。

跟踪信号的形成：

跟踪信号：

跟踪信号跟踪的是自动方式下风机的转速，本方案是采用选择模

块来选取要跟踪的风机，选择的条件是该风机是否处于自动方式。

一排七台

风机从一号到七号逐次跟踪并且越往后优先级越高，即第一台和第二台都是

自动则跟踪第二台。

如果都是自动或最后一台是自动则跟踪最后一台，把最

后一台风机的转速作为跟踪信号。

（4）一排风机转速反馈的形成：

变频风机转速反馈：

一号、二号、三号变频风机的转速指令求和，四号、五号、六号变频风机的转速指令求和，然后将两个求和信号与七号变频风机的转速指令求和，最后是求和信号除以七就求的了一排变频风机的转速反馈。

3.3小结

本章内容首先明确了600MW直接空冷机组背压的概念，分析了影响直接空冷机组背压的因素，并简要地说明了汽轮机背压与各影响因素之间的关系并重点介绍了变频风机转速调节与汽轮机背压之间的关系，最后给出直接空冷机组背压的选择原则。

本章内容为600MW直接空冷机组冬季突出的防冻问题和夏季出力受限问题关于背压的选择提供了分析基础。