北方炎热地区火电直接空冷机组度夏能力分析.pdf

第 3 3卷 第 1 1期 2 0 1 1年 1 1月 华 电技 术 Hu a d i a n Te c h n o l o g y Vo 1 ． 3 3 NO．I l NO V ． 2 011 北方炎热地 区火 电直接空冷机 组度夏 能力分析 石全成 ， 韩小刚。 1 ． 中电投新疆能源公司， 新疆 乌鲁木齐8 3 0 0 6 3 ； 2 ． 中电投新疆能源乌苏热电分公司， 新疆 乌苏8 3 3 0 0 0 摘要 直接空冷机组背压高， 凝汽器冷却能力受外界环境的影响大， 在夏季大气干球温度较高时， 由于高风速、 高温的 影响而降低了风机和散热器的效率 ， 影响机组发电效率。经过分析认为， 采取提高机组满发背压 、 合理配置空冷系统的 冷却面积、 无事故切高压加热器运行 、 向散热器外表面进行水喷雾等措施 ， 能够提高直接空冷机组度夏能力， 保证电网安 全和汽轮机满发， 提高机组发电效率。 关键词 卒冷机组； 夏季高温 ； 直接空冷； 满发； 度夏能力； 分析 中图分类号 T K 2 6 4 ． 1 文献标志码 B 文章编号 1 6 7 41 9 5 1 2 0 1 1 1 1 0 0 2 8 0 3 0 引言 我国北方地区夏季炎热 ， 对火 电厂直接空冷机 组 的度夏能力是严峻考验 ， 将 直接影 响电网安全和 汽轮机满发。为此 ， 在 中电投 乌苏热电厂一期 3 3 0 MW机组汽轮机设备选型和空冷系统设计期 间， 针 对直接空冷机组的度夏能力进行了专题研究 。 1机组概况 1 ． 1 气象条件 中电投乌苏热 电厂位于新疆乌苏市 ， 该地 区气 象情况为 历年极端最高气温为 4 1 ． 3℃ 1 9 7 7年 7 月 1 2日 ， 历年极端最低气温为 一3 2 ． 3℃ 1 9 8 4年 1 2月 2 4日 ， 历年平均最高气温为 1 3 ． 8℃， 历年平 均最低气温为 3 ． 5℃， 多年平均气温为 8 ． 3 o C； 多年 平均风速为 1 ． 9 m ／ s ， 5 0年一遇 1 0 1 1 3 高度 1 0 m i n平 均最大设计风速为 3 0 m／ s ， 1 0 0年一遇 1 0 i n高度 1 0 m i n平均最大设 计风速为 3 2 m ／ s ； 全年主导风 向为 s ， 相应频率为 1 1 ％， 冬季主导风向为 s ， 相应频率为 1 0 ％， 夏季主导风向为 S ， 相应频率为 1 0 ％。 1 ． 2 项 目概 况 中电投乌苏热电厂～期 3 3 0 MW 机组汽轮机为 上海电气集团股份有限公司制造 的 C Z K 3 3 01 6 ． 7 ／ 0 ． 4 ／ 5 3 8 ／ 5 3 8型 亚临界 、 一 次 中间再热 、 高 中压 合 缸、 单轴双缸双排汽、 双抽供热直接空冷汽轮机。机 组空冷 系统 由 6列 共 3 0 0片换 热管束 顺 流管束 2 5 2片和逆流管束 4 8片 和 3 0台风机组成 。 1 ． 3直接空冷技术概述 直接空冷系统是指汽轮机的排汽直接用空气来 冷凝， 空气与蒸汽进行表面式热交换 ， 冷却空气通常 收稿 日期 2 0 1 I 一 0 71 8 由机械通风方式供应。直接空冷的凝汽器设备称为 空冷凝汽器。它是 由外表面镀锌的椭圆形钢管外套 矩形钢翅片的若干个管束组成的 ， 这些管束亦称为 散热器。 直接空冷系统工作流程 汽轮机排汽通过粗大 的排汽管道送到室外 的空冷凝汽器内， 轴 流风机流 过散热器外表面 ， 将排汽冷凝成水 ， 凝结水再经水泵 送 回至汽轮机的回热系统。空冷凝汽器分为主凝汽 器和分凝汽器 2部分 主凝汽器多设计成汽水顺流 式， 它是空冷凝汽器的主体； 分凝汽器设计成汽水逆 流式 ， 可形成空冷凝汽器的抽空气 区。 直接空冷系统 的最大优点是可大量节水 ， 而且 设备少 、 系统简单 、 空气量的调节灵活、 防冻性能好 ， 汽轮机排汽直接在冷却元 件 内凝结 ， 传 热温差大。 但这种系统由于排汽管道直径很大 ， 真空系统体积 大， 密封困难 ， 易漏入空气 ， 维持排汽管 内的真空困 难 ， 启动时抽真空时间长 ， 运行背压高， 机组效率低 ， 对采用机械通风的系统 ， 厂用电率也较高。 对直接空冷系统技术的研究 ， 主要关注 的是空 冷系统的安全性和运行效率。安全性主要包括 2个 方面 一是夏季高温 时是否 由于环境条件 的变化而 导致背压升高至“ 掉 闸”， 从而影响 电网的安全 ； 二 是在夏季高温时由于高风速 、 高温的影响， 降低 了风 机和散热器的效率 ， 影响机组发电效率 。因此， 与环 境关联的研究结果可为电厂的设计和规划提供技术 支持 ， 又可为电厂的安全运行提供指导 。 2 直接空冷系统度夏能力分析 在常规 的湿冷系统设计中， 由于循环水 与空气 直接接触 ， 换热的主要形式是热水蒸发而带走热量 ， 因此， 它的极限冷却温度是空气的湿球温度。而 在 空冷系统中， 冷热介质主要通过散热器表面进行 第 l 1 期 石全成， 等 北方炎热地 区火电直接空冷机组度夏能力分析 2 9 对流换热 ， 它的极 限冷却 温度是空 气的干球 温度 。 在我国北方地区 ， 干、 湿球温度相差约 6℃ ， 因此 ， 在 相 同的气温条件下 ， 配置空冷系统 的汽轮机背压 比 配置湿冷系统汽轮机的背压高。尤其在夏季大气干 球温度较高时 ， 由于高风速 、 高温 的影响而降低了风 机和散热器 的效率 ， 影响机组发电效 率。此时， 如何 保证汽轮机满发 ， 是重点考虑的问题 之一 。 2 ． 1 分析思路 一 般而言 ， 解决夏季机组满发问题应从 2个方 面来考虑 一是汽轮机的满发背压要 高， 二是适 当配 置空冷系统的冷却面积。同时 ， 可考虑其他 的一些 特殊措施。 对空冷系统而言， 在机组定型的情况下 ， 即满发 背压已定时， 要求满发气温越高 ， 空冷系统需要配置 的冷却面积就越大 ， 空冷系统的投 资就要增加 。为 使空冷系统的投资不增加太多， 汽轮机的满发背压 要有所提高， 但机组背压提高后， 热效率就要降低， 使煤耗和运行费用增加。空冷系统和汽轮机尾部参 数如何匹配最经济是系统优化的问题， 当然， 优化空 冷系统和汽轮机尾部参 数 ， 需根据当地的实际情况 以年总费用最小的原则来确定 。 常规湿冷 系统 的配置在规范 中早有规定 ， 即在 频率为 1 0 ％的湿球温度下， 冷却塔的出水温度 凝 汽器进水温度 要保证机组的满发要求。由于空冷 技术近年才在我国开始应用 ， 现 尚未 规范规定 ， 从 我国现已运行的山西大同第二发电厂 、 太原 电厂 、 内 蒙古丰镇发电厂等间接空冷机组来看， 设计时按典 型年小时气温考 虑 的全 年不满 发小 时数为 1 3 0～ 1 5 0 h 。从我 国已运行 的山西大唐 国际云岗热 电有 限公司 、 山西漳山发 电有限责任公 司及 国电大 同第 二发 电厂的直接空冷机组来看 ， 设计 时按典型年小 时气温考虑的全年不满发小时数一般控制在 2 0 0 h 左右。 2 ． 2 解决措施 2 ． 2 ． 1 直接空冷系统对汽轮机的要求 从空冷系统的角度 出发 ， 为使空冷系统 的投资 不致增加太多， 汽轮机在安全运行的前提下， 希望能 够尽量提高汽轮机 的最高满发背压 要配置一个经 过优化设计 的末级叶片 ， 它能够在高背压 、 小容积流 量工况下安全运行 ， 同时能够适应背 压范围变化 大 的条件 ， 满足各种工 况条件下 的安全 、 可靠 性和 经 济性 。 我国各汽轮机制造厂对适合配置空冷系统汽轮 机的研究已进行多年， 应该说， 能够在高背压运行的 汽轮机已趋于成熟。如山西古交发 电厂 3 0 0 MW 直 接空冷系统配置的汽轮机 ， 用加大进 量 的办法可 提高汽轮机 的满发背压到 3 2 ． 5 k P a 。中电投乌苏热 电厂汽轮机低压缸采用标准积木块 B B O 7 2 M 已成 功用于泰国的高背压低压缸和国内 3 0 0 M W 空冷低 压缸中 ， 该低压缸的气动及强度设计 中采用 了 目 前最为先进 的计入 叶片力 弯 曲 的全三元流场设 计程序 ， 匹配各 级动、 静 叶片的进 、 出汽角的分布。 末二级 的整圈 自锁阻尼叶片采用马刀型静叶成型 ， 是当前最为先进的没有任何附件的长叶片形式， 具 有 自由叶片的优点 ， 可将汽轮机 的满发背压提高到 3 4 ． 0 k P a ， 提高了经济性、 安全性及可靠性。采用这 样的汽轮机基本解决了机组夏季满发的问题。 2 ． 2 ． 2 合理配置空冷系统冷却面积 在汽轮机满发背压 、 满发气温和成本 电价确定 的情况下， 空冷系统优化 主要考虑迎面风速对初投 资和运行成本 的影响。 根据乌苏地区典型年各干球温度段 的小时数资 料 、 汽轮机背压与功率关系图表 ， 在保证 当大气温度 为 3 4 ℃ 、 风机 1 0 0 ％转速 、 每台汽轮机的排汽流量为 7 4 6 ． 9 9 5 t ／ h 、 排汽焓为 2 5 3 9 k J k g 、 汽轮机排汽背压 不大于 3 4 k P a的条件下 ， 对空冷凝汽器系统进行优 化计算 ， 以确定合理的迎面风速 、 空冷凝汽器面积 ， 使风机参数 考虑满足外界 自然风风速 为 5 m／ s的 要求 及 系 统 主要部 分 合理 搭 配， 保 证 年 总费 用 最低 。 选用不 同的迎面风速会得到不同的换热面积 ， 迎面风速提高可以提高散热器的传热系数 ， 散热器 面积可以相应减小 ， 减少初投资。同时 ， 通风量的增 加会导致风机能耗增加 ， 提高系统运行成本 。该项 目共 选 择 5个 方 案 进 行 迎 面 风 速 的 优 化 从 2 ． 0 2 ． 4m ／ s 计算出 5个空冷凝汽器面积和风机系 统 的主要参数 ， 然后计算出每个方案的一次投资 ， 包 括空冷散热器 、 轴流风机 、 减速机 、 变频器 、 电动机及 钢结构平台等 ， 同时进行 年净发 电量的计算。最终 采用年总费用最小的方法综合评定选出最优方案。 年总费用最小法计算公式为 年总费用 年固定费用 年运行费用 ， 式中 年 固定 费用为空冷 系统总投资的 1 3 ． 5 ％； 年 运行费用 假定每年相 同 主要是少发电的费用 。 通过优化 ， 散热面积取 8 6 7 3 4 6 m 时年总费用 较低 ， 该工程推荐方案为 迎面风速为 2 ． 2m ／ s ， 选择 风机 3 O台 ， 风机直径 9 ． 7 5 4m， 电动机功率 1 3 2k W。 各方案结果汇总见表 1 。 2 ． 3 其他手段 2 ． 3 ． 1 切高压加热器运行 由于汽轮机满发背压提高而使汽轮机进汽量增 大， 将会增加锅炉的蒸发容量。 如果不希望增加锅 3 O 华 电技 术 第 3 3卷 表 1 各方案结果汇总 l 单 台机组 注 表中全年发电总量 、 净发电量均不计机组辅机耗电量 ， 电价为 0 ． 1 5 3兀／ k W ‘ h 。 炉的蒸发量而引起其他系统有太大的变化， 可考虑 冷却水喷雾系统。在气温较高时 譬如 3 4 ℃以上 ， 无事故切高压加热器运行。如果配套锅炉仍采用通 在空冷凝汽器入 口进行水喷雾 ， 雾状的水蒸发后 ， 一 用湿冷常规锅炉， 但又希望提高夏季满发背压， 最简 部分降低空气温度， 一部分冷却器翅片表面直接蒸 单 、 最有效的办法是无 事故切高压加热 器运行。在 发换热 ， 可提高空冷凝汽器散 热效率。根据 目前 已 安全设计范围内， 全切高压加热器运行， 将使全机功 投运电厂的经验， 视喷水量的多少以及气象条件， 一 率增加约3 0 M W， 或保证满发背压提高 1 5 k P a 左右， 般可降低背压 5～ 1 0 k P a 。由于喷雾时间较短， 消耗 这种方法因运行时间短， 对全年经济性影响不大。 的水量也不是很大。如果空气中含尘量较多， 有可 2 ． 3 ． 2 向散热器外表面进行水喷雾 能增加散热器表面污垢 ， 喷雾后应及时 冲洗散热器 在我国北方地区， 最热时段相对较短， 如果单纯 表面， 改善换热性能， 提高机组运行的经济性。 考虑要满足这个时段汽轮机的满发要求而增加空冷 ， ． ， 、 系统的冷却面积， 将会导致空冷系统投资增加较大， 一 而增加的面积在全年大部分时间内几乎闲置不用， 造成浪费， 得不偿失。 在不增加冷却面积的情况下， 可考虑设置尖峰 综上所述， 在北方夏季高温期间， 为确保电网安 全和汽轮机满发 ， 在保证机组安全运行 的前提下 ， 采 取提高汽轮机的满发背压、 合理配置 下转第3 4 页 3 4 华 电技 术 第3 3卷 确定发生故障的危险程度， 发出报警信号， 为故障的 排除和状态检修打下了基础 。 图 8显示了分析处理的结果 ， 试验证明， 这种帧 a变压器 正常 时的图像 差算法判决故障图像能快速发现电力设备运行状态 的变化并发出报警信号且可靠、 可行， 有助于切实提 高电力设备在线监测 的自动化水平 。 b变压器漏 油时的图像 c分析处理的结果 图8 变压器图像的故障判别 3 结论 将图像处理技术和智能识别技术应用于电力设 备图像的识别和分析 中， 是监测电力设备运行状态 的一种新方法， 特别在高压、 危险以及恶劣的环境 中， 能够实时获取电力设备的运行状态 ， 减轻调度员 的工作负担 ， 大大提高 了在线监 测 的 自动化 程度。 本文提出了针对故障检测的一整套图像处理与识别 方法 ， 其中最大类间方差法选取阈值 、 序贯相似法识 别、 帧差法判决等方法都在实践中取得了较为满意 的效果。这套方法为及 时发现设备运行 的故障 隐 患、 状态检修等提供了可靠的依据， 在无人值守变电 站等系统 中具有广 阔的应用前景 。 参考文献 [ 1 ] 罗毅 ， 涂光瑜． 计算机视觉技术及其在电力系统 自动化 中的应用[ J ] ． 电力系统 自动化， 2 0 0 3 2 7 7 6 7 9 ． [ 2 ] 龚志勇． 超高压输电铁塔运行监测分析平台研究[ J ] ． 电 力信息化， 2 0 0 6 1 2 2 7 2 9 ． [ 3 ] G o l n e r M A， Mi k h a e l W B， K r i s h n a n V ． R e g i o n B a s e d V a r i a b l c Q u a n t i z a t i o n f o r J P E G I ma g e C o m p r e s s i o n[ C] ／ ／P r o c e e d i n g s o f 4 3 r d I EE E Mi d w e s t S y mp o n C i r c u i t s a n d S y s t e rn． P i s c a t a w a yI E EE， 2 0 0 0 6 0 4 6 0 7． [ 4 ] 龚声蓉， 刘纯平 ， 王强， 等． 数字图像处理与分析[ M] ． 北 京 清华大学出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 5 ] 付忠良 图像阈值选取方法0 t s u方法的推广[ J ] ． 计 算机应用 ， 2 0 0 0 ， 2 0 5 3 7 ． [ 6 ] 何斌 ， 马天予， 王运坚， 等． V i s u a l C数字 图像处理 [ M] ． 北京 人民邮电出版社， 2 0 0 1 ． [ 7 ] 胡俊 ， 苏祥芳， 刘立海， 等． 图像序列运动检测算法的研 究及其应用[ J ] ． 武汉大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 0 ， 4 6 5 61 361 6 ． [ 8 ] 杨纶标 ， 高英仪． 模糊数学原理及应用[ M] ． 广州 华南 理工大学出版社， 2 0 0 1 ． [ 9 ] 李然， 高会生 ， 王成儒． 基于视频监测系统的运动 目标检 测技术的实现[ J ] ． 电力系统通信， 2 0 0 3 7 1 3 ． [ 1 0 ] C h a n g L W， Wa n g C Y， L e e S M． D e s i g n i n g J P E G Q u a n t i z a t i o n T a b l e s B a s e d o n H u m a n V i s u a l S y s t e m[ C] ／ ／P r o c e e d i n g s o f 1 9 9 9 I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n I ma g e P r o c e s s i n g ． P i s c a t a wa y I EE E， 1 9 9 9 3 7 63 8 0 ． 编辑 刘芳 作者简介 马青 1 9 8 7 一 ， 男， 河南许昌人， 在读硕士研究生， 从事电 力系统及其 自动化方面的研究 E m a i l t m x k 2 0 3 1 2 6 ． c o n 。 ● j ● ●‘ ●◇● ● ● ●C ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●0● ●● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●0● ●● ● ● ● ● ● ● ● ● ● 上接 第 3 0页 空冷系统冷却面积 、 机组 采用无事 故切高压加热器运行 、 增加尖峰水喷雾冷却系统、 在 空冷凝汽器人 口进行水喷雾 、 提高空冷凝汽器散热 效率等措施 ， 可提高火 电空冷机组 的发电效率 和度 夏能力。 参考文献 [ 1 ] 丁尔谋． 发电厂空冷技术 [ M] ． 北京 水利电力出版社 1 9 9 2 ． [ 2 ] 沈亭． 直接空冷机组运行刍议 [ J ] ． 华电技术， 2 0 0 8 ， 3 0 8 5 86 O． 编 辑 白银 雷 作者简介 石全成 1 9 7 5 一 ， 男 ， 青海乐东人， 工程师， 从事工程建 设方面的工作 E m a i l s q c 3 3 2 s o h u ． c o m 。