空冷凝汽器全工况运行特性分析

空冷凝汽器全工况运行特性分析

宋光云曲洪志周哲魏子翔鲍国庆

(国网辽宁电力有限公司大连培训中心)

摘要：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。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，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。本文分析了空冷凝汽器全工况运行特性。

关键词：空冷凝汽器；全工况运行；特性

对于发电厂性能分析与优化，首先需要确定发电机组运行的经济状况并分析经济性降低的各种因素，检查凝汽设备的真空系统是否严密，防止凝结水含氧量升高。同时对真空系统进行状态监测和故障诊断，利用温升和端差来监测凝汽器运行状况。根据已有的修正曲线和凝汽器运行状态监测信息准确确定这些主要参数的应达值，对设备运行状态进行评估，判定其所处的状态，进行显示和记录，对异常状态进行警报和及时的处理，以此来确保机组的安全经济运行。

一、汽轮机的凝汽器

1.汽轮机的凝汽器是一个故障频发、复杂多变的设备。随着电机组大容量的应用，为了保证机组在运行中没有出现故障状态，就需要对凝汽器系统性能诊断的研究，对提高机组运行经济性、预测凝汽器的早期故障具有重要的参考价值。在生产过程中，利用变量之间的最佳配伍比例来发挥凝汽器设备作用，可以有效提高热机在能量转换过程中的工作效率。

2.凝汽器压力应达值计算及分析。凝汽器的压力是影响机组的安全经济运行的主要因素。凝汽器压力的应达值要保持在运行工况条件下应该达到的最佳值。在运行工况下确定凝汽器压力的应达值，所得到的测量数据可以作为电厂节能分析的参考依据和监视设备故障的辅助手段。由于汽轮机凝汽器冷却面积的不同区域中，汽流速度和冷却水流速的排列形式都不尽相同，所以不同区域内的传热系数也有很大差别，需要选用一种适于计算所需的凝汽器方法。

3.汽轮机凝汽器的运行方式对电厂经济性的影响。汽轮机凝汽器的运行方式实质上是研究汽轮机、凝汽器和循环水泵三个子系统的各自运行特性，三者的相互配合的运行方式为最佳运行方式。

二、空冷凝汽器全工况运行特性

1.全工况运行特性理论依据。凝汽器的故障诊断是整个电厂设备故障诊断的一个子系统，经过分析发现，很多诊断方法上与电厂实际结合不太紧密，需要与人工智能、神经网络、模糊数学相结合。各种故障只有利用多种方法才能获得用户满意，目前的普遍方法是凭借经验和大量试验来确定，同时还可以利用故障诊断灰色系统方法来研究信息的关系，去揭示未知的诊断信息。由于凝汽器水侧污垢长期存在，对凝汽器运行产生重要影响。因此，重点是通过微增出力试验和循环水泵耗功试验，结合电厂实际运行数据，在实现电厂机组循环水优化的基础上，确定汽轮机运行时的最佳真空模型。这些方法可以较精确地计算汽相流场以及空气浓度、传热系数和热负荷等重要参数的分布，是分析评价汽轮机冷凝器是否合理性的一种有效手段。

2.凝汽器内压力的确定。在凝汽器内，蒸汽是在汽侧压力相应的饱和温度下凝结的。而蒸汽的凝结温度，根据传热学的知识可知：在实际计算中，可计算出蒸汽的凝结温度，然后由水蒸气性质图表查出相应的蒸汽分压力值，凝汽器内空气的分压很小可以忽略不计，所以蒸汽分压力值就内的压力值。所以问题的关键在于蒸汽凝结温度的求解，而影响蒸汽凝结温度的因素即是影响凝汽器内压力的因素。这些因素主要有：机组负荷、冷却水进口温度（取决于自然条件和供水方式）、冷却水温升、冷却水量、以及凝汽器的传热端差等。在影响凝汽器蒸汽凝结温度（凝汽器压力）的若干因素中，冷却水进口温度主要受自然条件和电厂循环水供水方式的影响。而冷却水温升则主要受循环倍率的影响，在冷却水量不变的情况下，冷却水温升和蒸汽负荷之间将成正比关系。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。

3.风机全速运行时直接空冷系统运行特性。随空冷凝汽器进口空气温度升高，凝汽器凝结温度和汽轮机背压也相应升高。随凝汽器凝结蒸汽量增加，凝汽器凝结温度和汽轮机背压也增加。在设计凝结蒸汽量下，当凝汽器进口空气温度达30℃时，汽轮机背压达33.6kPa，此时背压很高，机组运行经济性明显下降。可见，在温度较高的夏季，如要保证汽轮机安全经济运行，就需降低凝汽器热负荷，导致机组出力下降。反之，如要保证机组满发，汽轮机就要在高背压下运行，机组运行的经济性降低。为降低机组夏季高温运行时的背压，向空气中喷水以增加空气湿度，从而提高空气潜热交换能力已经成为一种有效方式。对空冷凝汽器空气侧喷雾以提高空冷凝汽器性能进行了实验研究。国内也有空冷电厂采取了这种措施，改善了机组运行的经济性。空冷凝汽器验收考核实验也是以该性能曲线为依据。可有2种方法进行空冷凝汽器性能考核验收。第1种方法是考核凝汽器凝结蒸汽量，即在一定的汽轮机背压和凝汽器进口空气温度条件下，测量凝汽器的凝结蒸汽量。当所测得的凝结蒸汽量超过性能曲线上相同背压、相同气温条件下查得的蒸汽量，就表明空冷凝汽器满足设计要求，反之，表明空冷凝汽器性能达不到考核要求。第2种方法在本质上和第1种方法一致，通过考核汽轮机背压来考核空冷凝汽器性能，即在一定的凝结蒸汽量和凝汽器进口空气温度条件下，测量汽轮机背压。当所测得的汽轮机背压低于性能曲线上相同凝结蒸汽量、相同气温条件下查得的汽轮机背压，就表明空冷凝汽器满足设计要求。

4.风机半速运行时直接空冷系统运行特性。随凝汽器进口空气温度升高，凝汽器凝结温度和汽轮机背压也相应升高。随凝汽器凝结蒸汽量增加，凝汽器凝结温度和汽轮机背压也增加。轴流风机半速运行时，已经超过汽轮机能够安全连续运行最高允许背压65kPa和跳闸背压80kPa，将出现非正常停机事故。另一方面，当机组冬季低温运行时，由于环境温度较低，在轴流风机全速运转时，可能导致汽轮机背压过低，如果低于汽轮机阻塞背压，机组将不能正常工作。更为严重的情况是在冬季极低温条件下，如果机组负荷较低，可能使凝结水局部温度低于结冰温度，导致空冷凝汽器内出现结冰现象，翅片管束被胀裂。因此轴流风机在冬季通常采取减速运行的方式，以防止管束冻裂现象发生。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。

汽轮机冷端系统设计、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。冷凝汽器凝与蒸汽量有关，需要掌握汽轮机凝结蒸汽量温度变化规律，对于进行直接空冷凝汽器全工况运行特性分析有指导意义。

参考文献：

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