基于温度场大数据的空冷凝汽器脏污系数研究_张彦斌.pdf

设备管理与维修2023 5（下）0引言直接空冷是我国北方电站的常见冷却方式，通常以环境空气做为冷却介质。由于北方地区气候干燥，风沙较多，并且还有柳絮等悬浮物，很容易沉积在空冷凝汽器翅片上，增大换热热阻、降低换热效率。电站的冷端治理对企业的节能减排工作有着重要意义，如何依托温度场大数据精确地判断空冷凝汽器的脏污情况，是本文重点讨论的内容。目前国内的电站基本上是简单地根据排气背压升高值来判断空冷凝汽器是否脏污，缺乏准确实时的预测技术，对空冷系统的效果评价、统优化运行调整、清理脏污等存在一定的盲目性和滞后性。例如，某电站 300 MW 机组，在空冷岛区域加装了大量的温度测点，用于测量空冷凝汽器外表面的温度场分布，并将采集到的测点数据与电站机组和空冷系统热力计算模块相结合，通过一系列的计算来确定脏污系数，即空冷凝汽器的实时运行换热系数与设计换热系数相比。脏污系数一般小于等于 1，值越小则凝汽器表面越脏、换热效率越低。1某电站设备简介1.1机组该电站 300 MW 国产燃煤直接空冷供热机组共有两台汽轮机，型号为 CZK300/232/-16.7/0.4/537/537，为东方汽轮机厂生产的 300 MW 亚临界、一次中间再热、单独、双缸双排汽、直接空冷抽凝式汽轮机。汽轮机额定背压值为 15 kPa，设计的特性数据主要考虑两个内容：（1）汽轮机热耗保证工况 THA（Turbine Heat-Acceptance）：出力 300 MW，排气流量 603.9 t/h，排气压力 15 kPa，排汽焓值2457.1 kJ/kg（1 W 等于 1 J/s，下同）。（2）主要考核点工况：出力 300 MW，排气流量 657 t/h，排气压力 32 kPa，排汽焓值 2570.4 kJ/kg。1.2空冷凝汽器空冷凝汽器布置在上述机组厂房 A 列前，空冷凝汽器平台高度 34 m。空冷凝汽器总散热面积为 803 544 m2，总重量943 t，排汽总管为 5532 mm16 mm（直径壁厚），排汽侧总压降为 0.55 kPa。（1）A 型冷却单元：顺流段、逆流段的迎风面面积分别为5560 m2和 952 m2；传热系数均为 30.3 W/（m2 ），污垢系数均为 0.002 m2/W，尺寸为 11.55 mm11.15 mm（长宽），A 型夹角为 60。（2）凝汽器管束：翅片管材料为钢敷铝，翅片材料为铝；翅片管排数为 1，翅片间距为 2.3 mm，翅化比（散热面积/迎风面积）为 123。其中，顺流段管束尺寸为 9890 mm2231 mm，数量 252个；逆流段管束尺寸为 8890 mm2231 mm，数量 48 个。1.3空冷风机空冷轴流风机采用保定惠阳航空螺旋桨制造厂生产的 G-TF91D6-C2110 型风机，叶轮直径 9.144 m，叶片数为 6，安装角度为 17，叶轮转速 72 r/min，空气密度 1.036 kg/m3，风量为 470 m3/s，轴功率 65.7 kW。配套电机型号为 YSP315L-6V1，功率 110 kW，额定转速 985 r/min。1.4空冷岛温度场概况温度场采用数字式测温线缆，可以实时监控温度变化，测定温度随时间变化的幅度，而且监测到的是整个被测区域的温度。这种数字型测温线缆具有独特性，克服了传统线性感温传感器的测温盲区（-55125 ），可以有效监测空冷散热器的大面积温度。2脏污系数的确定过程2.1建立换热物理模型首先，理想化地假设空冷系统为低压缸排汽，经排汽主管道送至 6 根分配管，在经过每根分配管顺流段管束时 80%凝结成水，剩余的 20%经过逆流段管束凝结成水。然后根据设备参数建立空冷凝汽器管束的换热模型（图 1）。摘要：结合某电站 300 MW 机组空冷岛，比对空冷凝汽器设计洁净度、自动冲洗装置清洗后洁净度、运行中实时洁净度 3 种不同情况下温度场的大数据，最终确定不同机组负荷、环境温度下的脏污系数，推动电站节能减排工作的开展。关键词：温度场；大数据；空冷凝气器；脏污系数中图分类号：TP273；TM621.7文献标识码：BDOI：10.16621/ki.issn1001-0599.2023.05D.08基于温度场大数据的空冷凝汽器脏污系数研究张彦斌（山西大唐国际云冈热电有限责任公司，山西大同037000）图 1空冷凝汽器管束的换热模型17设备管理与维修2023 5（下）2.2计算对数平均温差参照空冷凝汽器的理想工作状态，排气温度 T1等于凝结水温度 T2，即空冷只是除去了汽化热而不发生任何过冷，建立空冷凝汽器换热温度变化模型（图 2）。其中，t1为空冷散热器空气侧入口温度（也可看做环境温度），t2为空冷散热器空气侧出口温度；ta为空气侧温升，ta为空气侧的最大允许温升。空冷凝汽器的冷热温体流动类型属于并列交叉流，热力计算可采用基本的传热公式1：Q=KAtm式中K直接空冷凝汽器总传热系数，W/（m2 ）A直接空冷凝汽器总传热面积，m2tm直接空冷凝汽器对数平均温差（也称为平均换热温差），以机组THA工况、背压15 kPa为例，排汽总热量412.18 MW，则需散热量 374.49 MW。其中，顺流段散热量 299.59 MW，逆流段散热量 74.90 MW。即 Q1=K1A1tm1=299.59 MW。由顺流段相关参数可知，K1=30.3 W/（m2），A1=5560123=683 880 m2，则 tm1=299.59106/（30.3683 880）=14.46。而 Q2=K2A2tm2=74.90 MW。同样，由逆流段相关参数可知，K2=30.3 W/（m2），A2=952123=117 096 m2，则 tm2=74.9106（30.3117 096）=21.11。其中，K1、K2为直接空冷凝汽器顺流段传热系数、逆流段传热系数，A1、A2表示直接空冷凝汽器顺流段传热面积、逆流段传热面积，tm1、tm2为直接空冷凝汽器顺流段对数平均温差、逆流段对数平均温差。假设空气侧入口温度接近环境温度，当环境温度为 20 时，直接空冷凝汽器顺流段外表面的空气出口温度应为 49.61，则逆流段外表面的空气出口温度应为 42.01。实际上，从对数平均温差反求空气侧出口温度的计算量非常大，但也未必能得到准确的数值。通过公式制作表格，一次次在空气侧出口温度对应框处输入数值，最后靠近对数平均温差值时，认为得到了这时空气侧出口温度，求解过程见图 3。以机组THA工况，背压32 kPa为例，排汽总热量469.399 MW，需散热量 415.6 MW。其中顺流段散热量 332.48 MW，逆流段散热量 83.12 MW。顺流段对数平均温差为 16.05，逆流段对数平均温差为 23.43，当环境温度为 28 时，通过图 3 的方法再次求得直接空冷凝汽器顺流段外表面的空气侧出口温度应为66.814，逆流段外表面的空气侧出口温度应为 59.5。以此可推算出，空冷凝汽器传热系数在设计值30.3 W/（m2 ）时，任何机组负荷、环境温度下凝汽器外表面的空气出口温度。2.3确定脏污系数温度场实时采集到的温度值即为散热器空气侧出口温度2。假设顺流段的某一温度测点测得温度值为 68，当时的环境温度为 28。那么此时该点的实时对数平均温差就是 14.32。假设此时机组负荷为 300 MW，背压 32 kPa，可以推算出测点处的传热系数为 33.96 W/（m2 ）。可以理解为，该测点处散热器脏污、导致换热不畅，空气侧出口温度升高，系统需要该点此时的传热系数为 33.96 W/（m2 ），而设计值 K 仅为 30.3 W/（m2 ），随之系统就会提高背压，寻求下一个平衡点3，即乏汽温度为71.95，此时该测点处的真实传热系数 k 为 29.29 W/（m2 ）4。因此，空冷凝汽器某温度测点处的脏污系数=k/K。其中，k为顺流段或逆流段某温度测点处的实时传热系数，小于 1。需要指出的是，本次建立的为理想模型，仅以黑盒子的理念将厂家给定的传热系数设计值 30.3 W/（m2 ）做为计算依据，未进行演算系数修正5过程，与实际运行情况会有一定偏差。3脏污系数的衍生运用脏污系数为空冷散热器全自动冲洗机器人的动作提供了强有力依据，脏污系数越小说明散热器越脏。首先，在其变小的过程中，人为地设定一个值，触及到该值时全自动冲洗机器人便到达该温度测点进行冲洗。其次，通过脏污系数来判断冲洗的洁净度效果，使空冷散热器冲洗作业从冲洗前、冲洗中、冲洗后均超越人工，最后按照上述理论基础设计一款软件，不断地收集、比对空冷凝汽器设计洁净度、自动冲洗装置清洗后洁净度、运行中实时洁净度 3 种不同情况下反应在温度场的数值并反馈信息。该软件可称为 300 MW 机组空冷岛脏污计算软件，某电厂已运用并申报获得该软件著作权。4结论通过上述研究，找到一个小于 1 的系数做为判断空冷散热器的脏污程度，称其为空冷脏污系数。参考文献1杨世铭，陶文铨.传热学（第 4 版）M.北京：高等教育出版社，2006.2黄焕椿.热工技术词典 M.上海：上海辞书出版社，1991.3DL/T 552-1995，火力发电厂空冷塔及空冷凝器试验方法 S.4王江江，安大伟.空冷式散热器试验台测试系统的设计 J.煤气与热力，2006（10）：59-62.5余才锐，张双喜.各种散热器温度修正因数的研究 C.全国暖通空调制冷 2008 年学术年会集，2008.编辑吴建卿图 2空冷凝汽器换热温度变化模型tm对数平均温差公式tm=（t2-t1）/ln （T2-t1）/（T1-t2）t2（空气侧出口温度）49.6142.0166.81459.56868t1（空气侧入口温度）202028282828T1=T2（乏汽、冷凝水温度）545470.6170.6170.6171.95tm对数平均温差14.464 850 21.117 013 16.051 17323.433 25714.322 85816.602 077图 3空冷散热器求对数平均温差值的计算18