1 直接空冷机组设备概况

内蒙古京隆发电有限责任公司（以下简称京隆公司）装机为2×600 MW亚临界直接空冷机组，汽轮机由上海汽轮机厂有限责任公司制造，型式为亚临界、一次中间再热、3缸4排汽、单轴、直接空冷凝汽式，型号为N600-16.7/538/538^[1]。空冷凝汽器采用机械通风、单排管直接空冷散热器，由斯必克冷却技术（北京）有限公司设计制造。每台机组空冷凝汽器由8组“Λ”形翅片管排构成，每组管排包含7个模块（5个一次模块和2个混合模块，每个模块由10个翅片管束构成），共计56个冷却单元，散热面积总计1 560 653 m²，迎面风速约2.1 m/s^[1]；每个单元下方各布置1台轴流冷却风机，空冷风机的主要设计参数如表 1所示。

表 1

表 1 空冷风机主要设计参数[1]

表 1 空冷风机主要设计参数[1]

2 存在的问题及优化运行常规措施

通过长期观察京隆公司机组运行状态，结合国内多台直接空冷机组调研情况，发现目前国内空冷机组普遍存在夏季真空低、出力受限、经济性差及冬季寒冷地区机组防冻困难、凝汽器管束冻结等问题，而这些问题的产生均与空冷单元内冷却空气流场紊乱、流通不畅有关^{[2, 3]}。由于空气流场分布不均，产生空气旋涡并在空冷单元底部形成气流“死区”，严重影响空冷凝汽器的换热效果，导致机组夏季高温时段运行能耗增加，冬季低温时段翅片管束冻裂，对机组运行的安全性、经济性造成不利影响。

由于直接空冷凝汽器冷却单元的“Λ”形特殊框架结构（见图 1），以及轴流风机出口复杂的三维流场，造成流经空冷凝汽器翅片管束的冷却空气流量沿管长方向极不均匀，凝汽器散热面积得不到充分利用，冷却能力降低，运行性能变差^{[4, 5]}。

图 1

图 1 空冷凝汽器“Λ”形框架结构

从图 1可以看出，由于空气流场分布不均匀，造成空冷翅片积灰分布不均，空冷单元中部风速较大，积灰较多，而两侧由于风速较小，积灰较少。

京隆公司所在地区年度极端高温和低温差别巨大，且环境风场复杂多变，设计时仅考虑全年平均气象条件的空冷系统不仅不能满足机组夏季满负荷运行的需求，还将导致机组夏季运行背压居高不下，而且遇到极端高温、大风等不利气象条件时，还可能带来机组非正常停运的风险。

京隆公司厂区频繁发生的环境风横向流动导致空冷风机入口条件恶化，风场上游风机动力学性能急剧降低，热风回流加剧，空气动力场分布严重不均，使得空冷凝汽器冷却能力进一步受限。

另外，由于空冷机组冷却系统庞大，需要配置大量的大型轴流风机，而目前国内、外尚无针对恶劣气象条件下风机群最佳运行方式的研究成果，各电厂空冷机组实际厂用电率远高于设计水平。

为降低机组运行能耗，目前国、内外空冷岛优化运行采取的主要手段有增加风机出力、周围环境喷雾、清洗换热管束、空冷系统检漏等手段，达到提高凝汽器冷却能力及换热效率的目的^{[2, 3, 6]}。虽然以上措施对于提高凝汽器散热能力均有帮助，但这些措施或者以额外消耗为代价（增加风机出力提高了厂用电率，喷雾和频繁清洗不仅增加电耗率，还消耗大量的水资源），或者实施困难、效果短暂，而且，长期冲洗易导致散热片表面结垢，使空冷岛换热效率逐年恶化，影响机组整体经济效益。

通过在空冷风机出口加装空气流场导流装置，优化空气动力场，以达到强化冷却效果，提高空冷凝汽器冷却效率的目的。

在不同运行条件下，对空冷单元和空冷岛的温度场、空气动力场进行详细分析和数值模拟，揭示空冷单元内部空气动力场变化规律和特点^[7]，找出现有空气流场的缺陷和不足。

针对现有机组的运行条件和设备状况，以及凝汽器冷却单元“Λ”形结构内部空气流场的特点，研制空气流场的导流装置，进行导流板结构、布置方式和安装位置的优化设计及空气流场导流装置的加工与制造，并在京隆公司的600 MW机组空冷凝汽器上进行应用改造。

通过热力性能试验，对同一台机组在改造前、后的运行性能进行对比分析，获得导流装置改善空冷机组运行性能的定量结果。

针对现场实际环境，对不同运行条件下的空冷单元和空冷岛温度场、空气流场进行了详细分析和数值模拟。通过理论分析和数值模拟，确定了机组在不同工况和气象环境条件下的空冷岛以及空冷凝汽器冷却单元的空气流场和温度场。计算获得空冷岛的热负荷冷却能力以及机组的运行背压。

改造前，对2号机组空冷系统进行了相应的现场试验和CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学）模拟计算，结果见图 2所示。模拟发现，空冷系统冷却单元“Λ”形框架结构内空气流场分布很不均匀，偏置现象较严重，传热面利用率低，因此导致空冷机组能耗高、安全性差^{[7, 8, 9]}。

图 2

图 2 2号机组空冷单元CFD模拟结果

从图 2可以看出：

（1） 空冷风机出口流场具有复杂、明显的旋转上升特性（空气旋涡），导致空冷单元翅片管束的冷却空气流量分布极不均匀；

（2） 由于流通面积的突变，空冷风机出口冷却单元底部形成了气流“死区”和涡流，并且在单元中心形成了严重的回流，增加了空气流动阻力。

通过理论分析和数值模拟，确定了空气流场导流装置能够改善空气流场和凝汽器散热能力，利用分析结果进一步对导流装置进行了设计优化。通过与实际运行工况和运行参数进行对比，对理论分析和数值模拟结果进行修正，提高了研究精度和可靠性。同时进行了空冷凝汽器冷却单元内部空气流场导流装置的设计及优化工作，通过理论分析和数值模拟，确定加装空气流场导流装置对机组性能的改善效果（见图 3）。

图 3

图 3 加装空气导流装置前、后空气动力场分布情况对比

3.4 承重分析

对欲加装的导流装置材料、质量进行了核算，每个单元设计质量约1.4 t，单台机组整个空冷岛质量约增加78 t。京隆公司空冷机组空冷岛平台及空冷散热器每台质量约10 kt，空冷岛设计支撑质量为自身质量的1.2~1.25倍（即设计承重裕度为20%~25%），而1台机组整个导流装置总质量不到8 t，只消化整个空冷岛载荷裕度的0.78%，因此导流装置对空冷岛承重的影响非常小。

对于单个冷却单元来说，导流装置质量约1.4 t，质量平均分布于空冷单元内的4个底角、散热器凝结水箱及钢架2侧，4块导流装置呈三角形结构，单块面积15.96 m²，质量约0.178 t，分别布置于4个底角，4块总质量约0.712 t；2块导流装置呈梯形结构，单块面积14.52 m²，质量约0.17 t，分别布置于凝结水管内侧，2块总质量0.34 t；风机钢架单侧空气导流板及支撑钢架质量约0.37 t，总质量约0.64 t。可见，每个空冷单元内空气流场导流装置质量分布较均匀，对各自单元内的承重结构也不会造成影响。

空冷单元加装空气流场导流装置后，克服了现有单元的结构缺陷，对空冷凝汽器冷却单元内部空气流场的优化效果明显，增加了空冷系统接带热负荷能力，提高了凝汽器真空和机组出力，显著改善了机组运行的安全性和经济性。

京隆公司空冷岛空气流场优化改造后，通过试验检测，全年机组背压平均降低1.33 kPa，供电煤耗率平均下降1.6 g/kWh^{[10, 11]}。每台600 MW直接空冷机组每年发电利用小时数以6000 h计算，每年可节约标准煤5800 t，产生215万元的经济效益；每年减少CO₂排放量16 kt以上，环境、社会效益显著。

京隆公司直接空冷机组通过加装空气流场导流装置，对空冷风机空气流场进行主动诱导，改善了空冷凝汽器传热单元换热的均匀性，提高了空冷凝汽器冷却单元的散热能力及机组抵御外界环境风影响的能力，同时提高了机组运行的安全性及经济性，值得在国内直接空冷机组中推广应用。