空冷系统计算工况的选择(终稿)

空冷系统计算工况的选择陈祖茂唐燕萍（西北电力设计院，陕西西安 710032）摘要：目前空冷火力发电厂的空冷系统的设计计算，系采用典型年的气象条件，以全年不满发小时为200小时的气温，作为汽轮机额定工况的背压计算基准条件加以确定。

本文将对此方法进行讨论，对选择空冷系统设计计算的汽轮机工况提出建议，并为空冷发电厂夏季运行提供参考意见。

0 问题的提出近年来，随着国家对电源项目建设的生态环境保护和节约用水的重视，在北方地区的空冷火力发电厂的建设迅速崛起，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，超临界空冷机组也已列入工程建设程序。

但由于我国的空冷机组运行考验时间相对较短，故相应的国内有关空冷电厂设计有关技术规定的制订滞后于空冷发电厂建设的发展形势。

目前，国内空冷系统的设计计算的汽轮机工况，采用了额定工况。

在工程设计、空冷汽轮机设备招标及空冷凝汽器设备招标时，所采用的额定工况背压，或已被我国空冷业界称谓为夏季的“满发背压”，则以典型年气象条件中，全年不满发小时为200小时的气温条件为基准所确定。

此方法存在一定缺陷，本文将对空冷系统计算参数与汽轮机工况之间关系进行讨论，以期获得合理的空冷系统设计及相应参数计算的方法。

1 目前空冷机组额定工况背压的确定方法及其问题空冷汽轮机的工况的定义与湿冷汽轮机相似，其中，额定出力或铭牌功率工况（TRL工况）在目前亦定义为：在额定的主蒸汽及再热蒸汽参数，背压为夏季“满发背压”，补给水率3％，回热系统正常投入条件下，扣除非同轴励磁、润滑及密封油泵等所消耗功率后，在寿命期内任何时间都能安全连续在额定功率因数、额定氢压下，发电机端输出为额定功率（Ne）的工况，称为额定出力工况。

湿冷机组的额定工况背压按地区气候情况可以有所不同，但其背压变化范围较小。

在我国一般取11.8kPa。

其运行背压大致在4.7～12 kPa的范围内变化。

空冷机组的背压与环境气象条件密切相关，由于我国地域广阔，南北气温相差较大，随着地区、季节、昼夜气温及环境风向、风速等的变化，背压变化范围相对较大。

相应的汽轮机运行背压将在9～40kPa范围内变化。

空冷机组的夏季“满发背压”也可能在25～40kPa范围内变化。

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”（DL 5000－2000）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：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：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。