空冷系统计算工况的选择终稿Word下载.docx
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对于湿冷机组的汽轮机冷却介质的最高计算温度,现行的“火力发电厂设计技术规定”(DL5000-2000)规定如下:
当采用循环供水系统时,“宜按历年最炎热时期(以三个月计算)频率为10%的昼夜平均气象条件计算”。
对于空冷机组,国内相关规定没有出台,当采用空气与汽轮机排汽直接进行热交换的直接空冷系统时,工程中大多采用所谓典型年气温统计方法,即选取的典型年逐时干球温度由高到低排列,把累计出现时数为200小时对应的大气温度作为冷却空气最高计算温度,故也被称为200不满发小时。
若也以夏季三个月计算,其频率接近10%,与湿冷机组相似,可以认为是以湿冷机组频率为10%概念的类推。
这两种计算方法表面上均为频率为10%的气象条件计算,但空冷机组与湿冷机组的最高计算温度的计算有以下较大的区别:
(1)湿冷机组的冷却介质最高计算温度的气象条件采用年最炎热三个月的昼夜温度平均值(四点法)绘制温度频率曲线,取频率为10%的温度值。
空冷机组的冷却介质最高计算温度,按目前的计算统计方法,采用典型年的年逐时干球温度累积频率统计气象条件计算,自高温至低温排列,取年累积小时为200小时的温度值。
这两种气象条件完全属于不同的概念,不能等同看待。
以我国北方某一地处北纬40°
33'、内陆地区的T电厂及另一个地处中低纬度、中温带内陆地区的J电厂为例,将T电厂和J电厂的地区主要气象特征;
按10%的气象条件及对应的全年累计频率与200小时统计的全年累计频率对比列表如下:
项目
单位
T电厂
J电厂
年平均气温
℃
7.4
8.5
极端最高气温
38.1
38.9
极端最低气温
-37.4
-28.1
频率10%湿球温度
20.5
20.6
频率10%相应的干球温度
25.5
24.9
对应典型年逐时干球温度累积小时
小时
249
1241
全年累计频率
%
2.84
14.1
按200小时方法的最高计算气温
26.1
31.9
2.3
很明显,从上面的比较结果可知,采用频率为10%的类推计算方法,对全年累计频率而言,存在着较大的差别,两者几乎无相同之处。
采用200小时统计方法的全年累计频率,与频率为10%的昼夜平均气象条件计算也有较大的区别。
尤其在不同的地区,由于夏季高温持续时间不相同等原因,200小时统计方法的误差更大,印证了沿用10%频率推算的200小时统计方法的不足。
由于空冷机组与湿冷机组所采用的气象条件概念不同,而且这两种冷却方式的传热机理也不同,因此,作为确定冷却介质的最高计算温度的方法也应有所区别,不宜采用频率为10%的类推计算方法。
(2)对环境气象条件敏感性的影响。
湿冷机组以水为冷却介质,对于直流冷却系统,冷却水温就是取水口处的水体温度;
而采用冷却塔的二次循环冷却系统,冷却水温主要取决于大气温度、湿度,其余有关的气象因素依次为大气压力、风向、风速。
但湿冷机组对环境气象条件敏感性相对较低。
但空冷机组对于环境气象条件极为敏感,气温的变化直接影响空冷机组的背压,厂址处的大气压力也直接影响单位时间内空气换热介质的数量多少,对于已定厂址,风向及风速等气象因素的影响也十分明显,有时甚至超过气温的影响,达到了影响机组运行的安全性的地步。
仍以上述北方某J发电厂为例,在环境气温为33℃;
空冷凝汽器散热面积为1750684m2;
相同的汽轮机排汽参数及排汽量条件下,当风向、风速不同时,其汽轮机背压将发生较大的变化,计算结果见下表:
环境温度
TRL工况排汽流量/排汽焓值
汽轮机背压
备注
33℃
1329.326t/h
2539.5Kj/kg
~30kPa
风速≦3m/s
1329.326t/h
~35.2kPa
不利风向、风速4m/s
~52.5kPa
不利风向、风速6m/s
~61.1kPa
不利风向、风速9m/s
国内已经投运的机组运行情况也可以证明:
仅有的几件机组跳闸事件,并不是发生在夏季最高气温时段,而是在大风或不利风向情况下发生。
从上表计算结果可见,在相同的环境温度下,当处于不利风向、9m/s风速条件时的汽机背压为61.1KPa,已超过汽机的报警背压,接近跳闸背压。
由此可见,除气温影响外,还应考虑气温条件以外的风向、风速等气象因素。
按典型年累计时数为200小时的统计方法计算空冷机组的最高计算温度,由于沿用湿冷机组的统计方法,仅仅考虑了气温一个气象因素,没有考虑风向、风速等影响更为敏感的气象因素,也就是说并没有涉及到空冷机组特有的技术特点。
(3)冷却方式的传热机理分析。
对采用二次循环冷却系统的湿冷机组,有三种形式:
蒸发传热(传质的潜热交换)、接触传热和辐射传热,其中前两种形式占主导作用,工程设计中不考虑第三种形式,在高温季节蒸发传热占热交换总量的90%,低温季节接触传热所占比例可达到50%以上;
湿冷凝汽器内循环水与排汽为对流、凝结热交换。
冷却塔内的潜热交换,循环水温度必然低于环境温度,如环境干球温度为25℃时,当相对湿度为70%时,其相对应的湿球温度将在20℃左右。
空冷机组的热交换属于空气-蒸汽的气相直接对流、带倾斜角的凝结热交换,空气的导热系数远小于水,而且膜式凝结面正朝向空气对流的迎风面。
因此,直接空冷凝汽器的换热系数远小于湿冷机组的换热系数。
因此,由于热交换的机理不同,如果选择汽轮机额定工况作为空冷系统计算依据,那么,对于空冷机组与湿冷机组,确定最高计算温度的定义也应有所不同。
(4)关于典型年逐时干球温度统计年限的差异。
所谓“典型年”系指综合近十年或五年的气象资料中最有代表性的一年。
由于对典型年统计年限也没有统一规定或依据,其中也存在一定差别。
根据对近十年或近五年的典型年逐时干球温度统计表比较,在某些地区,两者的“200不满发小时”的气温相差可达0.5~1.5℃。
按典型年的逐时干球温度统计表测算,就相当于50~100小时以上。
其误差之大,可想而知。
此外,若以频率为10%的平均气象条件而采用200不满发小时方法确定的机组额定工况,为什么是200小时,而不是以最炎热三个月的10%计算的220小时?
若以相差的20小时作为余量考虑,按典型年的逐时干球温度统计表测算,也只有0.2℃左右,太微不足道了。
因此,可以说200不满发小时方法是一个粗放的数字概念,并没有为空冷机组的经济性和安全性作理论分析或实际统计分析,不利于进一步对空冷系统的深入探讨和研究。
(5)关于裕量问题。
目前工程设计和审查中,湿冷机组的冷却塔在夏季频率10%气象条件下计算的冷却水温与汽机满发背压所对应的水温之间通常留有3℃左右的裕度。
但空冷机组按典型年累计时数为200小时的统计方法并没有提出为保证安全而留有裕量的问题。
(6)空冷机组在汽轮机排汽与外界空气进行热交换时还受其他条件的影响,如太阳的辐射热等,也是区别于湿冷机组的特点,按典型年累计时数为200小时的统计方法同样没有考虑这些特殊情况。
从以上讨论分析可见,确定空冷机组的额定工况背压不应以湿冷机组为前提,更不能单以湿冷机组的夏季频率为10%的概念类推。
此外,在先确定额定工况气温条件,以此进行空冷系统的计算,并确定空冷凝汽器的冷却面积,构成一个夏季保证“满发背压”值,很容易诱导设计或运行人员形成一个固定的夏季“满发背压”概念,从而忽略汽轮发电机组在夏季的出力余度范围或其他气象因数的影响。
实际上空冷汽轮机功率与背压、气象因数之间存在一个范围的关系,可以供运行人员调节控制的。
2影响空冷机组计算工况选择的若干问题的讨论
在讨论确定空冷机组计算工况及背压问题之前,首先对目前我国空冷机组机型的设计适应性、调度运行、“满发背压”概念及气象条件影响因数等相关问题进行讨论。
(1)空冷汽轮机的设计对不同地区气象条件的适应性。
如上所述,我国已有不少300MW、600MW大型空冷机组投入运行,尚有大量大型空冷发电厂正在建设或拟建,均采用了国产机组。
但国内有资质的大型空冷机组制造厂所推出的空冷机组一般只有一种机型,即使开发了不同长度的末级叶片,也是从匹配不同低压缸数或不同参数的汽轮机考虑,至今尚无因地区差别,为提高机组运行经济性而设计的不同空冷汽轮机系列。
一种机型具有其固有的机组通流特性,当空冷凝汽器面积确定后,若不考虑外界的风向、风速的影响,其背压与外界气温存在固定的关系。
我国从严寒地区到温带地区的空冷机组的计算设计背压可以由12kPa到17kPa的范围变化,而夏季额定工况的背压变化范围将达到25~36kPa。
当此机组运行于设计气温较低地区,其所谓的夏季满发背压将可能留有较大的空间;
反之运行于设计气温较高地区,其夏季“满发背压”将可能因安全运行原因而受到限制。
对于一种机型通用于各种温度地区的情况,仅仅是对该机型在不同的环境气温条件下进行核算而已,讨论额定工况的背压已没有什么实际意义。
而是应该讨论在夏季气象条件下对机组出力的影响,包括出力减少程度和受影响的时段多少,从而再确定空冷凝汽器的冷却面积和相关设计参数。
由此可能造成该机组应用于气温较高地区时,会因为保证夏季运行安全性而选择不合理的冷却面积。
因此,合理确定额定工况背压,应该是空冷机组能基本符合发电厂所在地的温度气象条件为前提,以求得机组夏季运行的安全性及机组全年最大运行经济效益。
对于不同地区,为符合同一气象标准条件下的各个气象参数变化较大的情况,需要主机厂开发相应机型的空冷机组供选择。
(2)机组负荷调度的影响。
鉴于空冷机组与环境气象条件的敏感性和密切关系的技术特点,对于空冷机组的电力调度最经济方法应该是采用固定进汽量调度。
当夏季环境气温较高,雷暴、大风等强对流气候几率较高时,即在机组背压较高或变化较大时,保持额定的进汽量或低于额定进汽量,降低机组出力,保证机组运行的安全性。
相反,在该地区环境气温降低时,空冷机组的背压也同时降低,机组处于较安全的运行区域,而且此时段的机组热耗较低,经济性较高,可提高机组出力,从而使空冷机组全年处于经济、安全运行工况。
如南非马廷巴6×
665MW直接空冷机组,其某年运行的负荷变化曲线显示:
夏季最低负荷为额定容量的94~95%,昼夜平均值约为98%;
冬季最高为102%,昼夜平均值约为100.6%。
德国MAN公司设计该汽轮机时,采用相当于TMCR工况确定机组额定容量,未应用过所谓夏季“满发背压”的概念。
在我国,对于空冷机组的调度仍采用与湿冷机组相同的固定额定负荷调度原则。
并没有因为符合保护环境、节约水资源的建设原则及空冷机组的技术特点而考虑其运行的特殊性进行调度。
当夏季环境气温较高,雷暴、大风等强对流气候较频繁时,即在机组背压较高或变化较大时,不仅没有降低负荷以保证机组运行安全性,反而要求增加进汽量,使该空冷机组承担额定负荷运行,即所谓“满负荷”运行,既降低了机组运行的安全性;
又因空冷机组热耗较高,影响了机组的经济性。
相反,在该地区环境气温降低时,空冷机组的背压也同时降低,但在机组热耗降低、经济性提高期间,仍保持机组额定出力,使空冷机组不能发挥潜能,致使机组全年均处于非经济运行工况,造成资源的浪费。
由以上分析还可以得出结论,若能够实现固定进汽量调度方式,对于空冷机组而言,已经没有必要考虑“夏季满发”的概念,而是制订夏季和全年的安全、经济运行方式。
反之,为满足固定额定负荷调度这种情况,对空冷机组就需要一个为夏季运行安全的夏季“满发背压”概念,设置一个限制范围,以满足汽轮机夏季运行要求。
(3)关于“满发背压”概念的影响。
对于空冷机组,由于对环境气象条件敏感性的特点,其夏季“满发背压”、进汽量与环境气温之间有一个较大幅度的变化范围。
当机组负荷不变情况下,不同的气温对应的进汽量和背压的变幅亦大于湿冷机组。
实际上,对于汽轮机,尤其对空冷汽轮机而言,在安全运行前提下,发出额定功率的允许背压,在不同的进汽量条件下是一个允许值范围。
即使在相同的气温条件下,由于不同地区的风向、风速等影响,亦将有不同的背压和进汽量。
因此,对于空冷机组的“满发背压”概念不应是一个固定值,仅仅是一个代表某机型机组在某地区的额定工况的表征值,不应作为空冷机组工况及空冷系统计算的基础。
目前,在空冷机组机型选择单一的条件下,部分工程在确定空冷凝汽器散热面积及相应参数时,理论上采用的年总费用优化计算方法,实际上已被强调固定额定负荷调度及“夏季满发”所掩盖,从而失去了优化的意义。
(4)气象条件的影响。
我国地域辽阔,若按采用空冷机组地区的气温划分,大致可分为温带地区、寒冷地区及严寒地区三个区域。
但与湿冷机组不同,影响空冷机组运行的因数不仅仅是温度,对于空冷机组除了温度影响外,必须考虑风向、风速等其他气象因数的影响。
在我国,即使气温相接近的地区,由于所处地区或地势不同,风向、风速等气象条件也可能大不相同。
因此,对不同地区的空冷发电厂,在确定夏季气象条件时,还应计及该地区的风向、风速等气象因数的影响。
如果在计算中也需考虑其他气象条件的影响,将使设计计算的外部条件复杂化。
若将其他气象条件的影响作为工程措施或运行措施考虑,如将地区气象条件分成若干特征区,取相应的统计值作为系数,计入计算余量中;
或在运行中采用异常气象条件的修正背压限制曲线等方式,可简化空冷系统的计算。
3空冷系统计算工况的建议
所谓“空冷系统计算工况”,是指用于确定空冷系统参数设计计算的汽轮机工况。
以往的空冷系统计算工况系采用额定工况,即所谓夏季“满发背压”工况,并以此作为空冷凝汽器的考核工况。
分析了上述情况后,由于空冷机组对环境气象条件的敏感性,造成了空冷机组自身的特点,确定空冷凝汽器散热面积及相应参数的汽轮机工况不宜以湿冷机组计算方法延伸。
下面将讨论以汽轮机最大连续功率工况(TMCR工况)作为空冷系统计算工况的可能性。
3.1国内已投运的空冷机组情况浅析。
在采用不满发小时统计的额定工况计算方法前后所设计并已投运的空冷发电厂,如600MW机组的山西大同二厂、内蒙托克托三期;
300MW机组的山西漳泽三期、山西榆社二期、山西古交电厂、山西兆光电厂、山西河津二期等等。
这些电厂的设计处于国内空冷系统设计的初期阶段,因此对于空冷系统尚在认识阶段,虽然由国外有关公司策划、设计,但是否符合国情(如气象条件、调度、机组特性、运行条件及空气质量等),尤其是运行时间较短,有些问题还有待研究。
空冷电厂在国内投产运行约两年来,除了因异常情况,偶尔发生过跳闸或背压突升事件外,总的来说,应该认为是成功的。
尽管对于空冷系统的安全性、经济性等方面还有待于细致而深入的研究,但有关数据还是可供借鉴的,各发电厂所采用的空气冷凝器的散热面积也是基本可信的,可以作为下阶段研究工作的基础。
3.2讨论空冷系统计算工况的前提。
(1)空冷汽轮机的设计的机型问题,本文仍按现状,即按设定的设计气温或夏季满发气温,计算汽轮机各工况的参数。
(2)机组调度的影响问题,仍按固定额定功率调度现状。
(3)以气温为基本条件,风向、风速等其他气象条件影响因数问题,在设计中作为工程设计措施考虑。
3.3关于空冷系统计算中所采用的汽轮机热力工况参数问题。
对于湿冷机组,国内在冷端设计中,通常采用汽机THA工况的热力参数和进汽流量计算。
当电厂带基荷或在电网中承担主力发电任务时,也有采用TMCR工况的汽机参数进行冷端设计。
对于空冷机组,若采用国外空冷汽轮机的设计方式,设计重点放在低压缸的优化,确定设计气温条件下的最大连续出力,再校核夏季运行及冬季运行工况,以保证机组的经济性和安全性。
因此,笔者建议在空冷机组设计中应淡化夏季满发工况和满发背压概念,按TMCR工况参数优化选择空冷机组的冷端参数,给出不同空冷配置方案在夏季气象条件下对机组出力的影响,最终根据夏季负荷要求、电厂的投资运行等因素综合考虑空冷系统配置方案。
3.4采用TMCR工况作为空冷系统计算工况的特点。
(1)首先,环境温度仍然是确定汽轮机及空冷凝汽器相关参数的最基本因素,采用TMCR工况作为空冷系统计算工况仍然以气温作为计算的基本因数。
一般而言,TMCR工况的排汽热负荷要比THA工况大6~7%,在国内空冷设计标准还没有出台的现状下,空冷系统按TMCR设计可以应对一定范围的其它(如环境风等)因素的影响。
(2)属于空冷机组自身特点进行计算,摆脱了湿冷机组计算的影响,从空冷机组特点出发进行计算,不存在与湿冷机组比较或延伸湿冷机组计算原则问题,也不存在不合理的200不满发小时问题。
(3)采用TMCR工况反映了机组全年的经济性。
(4)采用TMCR工况作为空冷系统计算工况,摆脱了粗放的人为因素的影响,空冷系统的计算将可以依据客观的环境条件和机组特性进行计算,并为进一步研究统一口径。
(5)目前,采用TRL工况作为空冷系统考核工况,在进行空冷系统性能试验时,存在温度换算误差较大的问题。
采用TMCR工况作为空冷系统计算工况,还有利于空冷系统的考核试验。
(6)比较国外空冷系统的计算,如在空冷界较有影响的南非马廷巴(Matimba)电厂和怀俄达克(Wyodak)等电厂的空冷汽轮机均采用TMCR工况模式进行设计。
采用TMCR工况作为空冷系统计算工况,以便于今后适应机组的各种调度方式,
4关于空冷机组的铭牌功率及运行背压
(1)关于空冷机组的铭牌功率问题。
当采用TMCR工况作为空冷机组的计算工况时,尚需解决空冷汽轮机的铭牌功率或额定功率的定义问题。
曾经有业内人士提出过空冷机组以(TMCR)作为空冷机组的铭牌功率。
但由于该工况不能满足国内以固定额定功率的调度现状,至少在目前还暂不能以此工况命名。
若以固定进汽量方式进行调度,尚可以将TMCR工况作为空冷机组的铭牌功率。
为符合我国机组的调度情况,可以按THA工况的机组出力作为机组的铭牌功率,并以此功率的工况作为汽轮机考核工况,也符合我国目前机组考核的条件。
(2)空冷机组夏季运行的背压
以TMCR工况作为空冷系统的计算工况,确定空冷凝汽器相关参数后,在一定的气象条件下,汽轮机的背压与进汽量或排汽量形成了相对关系。
夏季运行工况也同样存在较高气温条件下的,汽轮机的背压与进汽量或排汽量形成了相对关系。
汽轮机背压变化是一个范围,不同的环境温度,对应不同的汽轮机出力与背压的关系曲线。
如考虑不同风速、风向情况,留有足够的背压余量,保证安全运行条件下,机组在一定的背压范围内运行是安全的;
并不是确定哪一个运行点是合理的满发背压点。
反之,如果把留有背压余量后的最高运行背压限制点作为机组夏季最高运行背压,那将是不安全的。
为保证汽轮机运行的安全性,汽轮机厂将会提供一组运行背压限制曲线,
因此,以汽轮机TMCR工况作为空冷系统的计算工况,确定机组的安全运行背压范围,对于空冷机组是合理的,“额定工况”已不存在实际意义。
如果为符合我国对机组工况定义的特色,尚需要提出“额定工况”的相关参数,则需校核夏季满发的气象条件,建议对我国各地区按气象特征制订相应的标准最高气温和水平风速,计算“额定工况”或“满发背压工况”的表征值。
(3)关于空冷汽轮机的跳闸背压问题,目前国内汽轮机的跳闸背压大多定在65KPa左右,与南非马廷巴(Matimba)电厂的汽轮机限制背压相同。
而根据估算,当气温超过30℃、环境风速大于6m/s时,汽轮机的安全运行将会受到威胁。
因此建议适当提高报警背压和跳闸背压值,如西门子公司生产的南非肯达尔(Kendal)电厂汽轮机的跳闸背压即为80KPa。
适当提高报警背压和跳闸背压值,可加大机组调度余度,更适合我国气象条件多变,如雷暴、大风等强对流气候较频繁地区及夏季气温较高应用。
(4)关于气象条件影响问题。
鉴于空冷机组对环境气象条件的敏感性,在工程设计中,为保证机组运行的安全性,应对汽轮机背压限制曲线依据当地气象条件进行修正,补充超出空冷凝汽器系统设计时所规定的设计风速时的相关计算。
如可以依据发电厂地区气象条件中的风速≥5m∕s;
气温≥26℃的风向频率及年平均风速等有关条件进行修正。
绘制补充的异常气象条件的背压限制曲线,以供运行人员作运行参考,并可以根据实际运行状态修正汽轮机背压限制曲线。
按已确定的空冷汽轮机组的固有特性,采用修正汽轮机背压限制曲线,可充分发挥空冷汽轮机组的潜能,按不同地区气象条件灵活掌握,合理利用汽轮机进汽裕量,又能适合我国以机组额定功率调度的国情。
5结论与建议
(1)选择以汽轮机最大连续功率工况(TMCR工况)作为空冷系统计算工况,能够满足汽轮机选择计算及空冷凝汽器散热面积和相关参数计算。
(2)为保证汽轮机夏季运行的安全性,可以采用修正汽轮机背压限制曲线方式供运行参考。
(3)我国三北(华北、东北、西北)地区地域辽阔、煤炭资源丰富,适合建造火电机组,但这些地方水资源匮乏,在建和拟建的电厂多采用空冷机组,因此加大空冷汽轮机机型的开发、探索空冷机组电力调度方式等一系列工作已迫在眉睫,希望引起有关方面重视。
参考文献:
[1]杨世铭.传热学.高等教育出版社,1987.10.
[2]D.Tremmei,H.Stetter,德国MAN公司.关于MATIMBA空冷汽轮机的设计,《热力发电译丛》,1992年第2期.
[3]谢滨.空冷机组铭牌出力的标定及机炉电容量匹配的意见,马义伟,《电站空冷若干专题的讨论(第二集)专题54》,2004.2
[4]华北电力集团公司空冷机组考察团
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