兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)運行性能的深度剖析與優(yōu)化策略一、引言1.1研究背景與意義水是人類賴以生存和發(fā)展的重要資源，然而，隨著全球人口的增長、經(jīng)濟的快速發(fā)展以及氣候變化的影響，水資源短缺問題日益嚴峻。據(jù)聯(lián)合國教科文組織數(shù)據(jù)顯示，全球超過10億人生活在缺水地區(qū)，且這一數(shù)字仍在持續(xù)上升，每年因缺水造成的經(jīng)濟損失高達數(shù)千億美元。在中國，水資源短缺問題同樣突出，人均水資源占有量僅為2194立方米/人，不足世界平均水平的1/3，屬于全球13個人均水資源最貧乏的國家之一，全國23個省市處于缺水狀態(tài)，部分地區(qū)甚至達到極度缺水的程度。水資源的短缺嚴重制約了經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，尤其是對高耗水的火力發(fā)電行業(yè)產(chǎn)生了巨大的挑戰(zhàn)。在火力發(fā)電過程中，冷卻系統(tǒng)是必不可少的環(huán)節(jié)，其作用是將汽輪機排出的乏汽冷凝成水，回收工質(zhì)并建立和維持汽輪機的排汽真空，以提高機組的循環(huán)效率。傳統(tǒng)的火力發(fā)電廠多采用濕式冷卻系統(tǒng)，即以水作為冷卻介質(zhì)，通過水的蒸發(fā)帶走熱量。然而，這種冷卻方式耗水量巨大，據(jù)統(tǒng)計，一座1000MW的火電機組，采用濕式冷卻系統(tǒng)時，每年的耗水量可達1500-2000萬立方米。在水資源匱乏的地區(qū)，如此大量的用水需求往往難以滿足，這不僅限制了火力發(fā)電的規(guī)模，還可能對當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成嚴重破壞。為了解決富煤貧水地區(qū)的電力供應問題，空冷系統(tǒng)應運而生。空冷系統(tǒng)以空氣為冷卻介質(zhì)，取代了傳統(tǒng)的水冷卻方式，具有顯著的節(jié)水效果。相較于濕式冷卻系統(tǒng)，空冷系統(tǒng)可節(jié)水70%以上，能有效緩解水資源短缺對火力發(fā)電的制約。目前，空冷系統(tǒng)主要包括直接空冷系統(tǒng)和間接空冷系統(tǒng)，其中間接空冷系統(tǒng)又可細分為帶表面式凝汽器的間接空冷系統(tǒng)（哈蒙系統(tǒng)）和帶噴射式（混合式）凝汽器的間接空冷系統(tǒng)（海勒系統(tǒng)）。這些空冷系統(tǒng)在國內(nèi)外的富煤貧水地區(qū)得到了廣泛的應用，如中國的“三北”地區(qū)、伊朗、沙特、南非等。兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)作為一種先進的空冷技術，近年來在火力發(fā)電領域逐漸受到關注。該系統(tǒng)通過將兩臺機組的冷卻系統(tǒng)與一座自然通風空冷塔相結合，實現(xiàn)了資源的共享和優(yōu)化配置，具有占地面積小、投資成本低、運行效率高等優(yōu)點。與傳統(tǒng)的一機一塔空冷系統(tǒng)相比，兩機一塔系統(tǒng)可減少一座空冷塔的建設投資，降低占地面積約30%-40%，同時還能減少運行維護成本，提高系統(tǒng)的整體經(jīng)濟性。此外，自然通風空冷塔利用自然對流原理，無需額外的風機提供動力，可降低廠用電消耗，提高機組的發(fā)電效率。然而，兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)的運行性能受到多種因素的影響，如環(huán)境風、氣溫、機組負荷等。在實際運行過程中，復雜多變的環(huán)境條件和機組工況的波動，可能導致空冷系統(tǒng)的冷卻效果不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)散熱器凍結、機組背壓過高等問題，影響機組的安全穩(wěn)定運行和經(jīng)濟性。因此，深入研究兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)的運行性能，揭示其內(nèi)部的流動傳熱規(guī)律，分析各種因素對系統(tǒng)性能的影響機制，對于優(yōu)化系統(tǒng)設計、提高系統(tǒng)運行效率、保障機組的安全穩(wěn)定運行具有重要的現(xiàn)實意義。從理論研究角度來看，兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)涉及到多相流、傳熱學、流體力學等多個學科領域，其內(nèi)部的流動傳熱過程復雜，存在著諸多尚未解決的科學問題。目前，雖然國內(nèi)外學者在空冷系統(tǒng)的研究方面取得了一定的成果，但對于兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)的研究還相對較少，尤其是在系統(tǒng)的整體性能分析、多因素耦合作用下的運行特性以及優(yōu)化控制策略等方面，仍存在較大的研究空間。開展相關研究，有助于豐富和完善空冷系統(tǒng)的理論體系，為工程實踐提供更堅實的理論基礎。綜上所述，研究兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)的運行性能，不僅對于解決富煤貧水地區(qū)的火力發(fā)電問題、推動電力行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義，而且對于完善空冷系統(tǒng)的理論體系、促進相關學科的發(fā)展也具有重要的學術價值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀空冷系統(tǒng)的發(fā)展歷程可以追溯到20世紀30年代，1938年德國的GEA公司率先提出空冷系統(tǒng)的設想，并在魯爾工業(yè)區(qū)的自備電站中進行了實際應用，當時的機組容量為2.3MW。此后，空冷技術在全球范圍內(nèi)得到了逐步的發(fā)展和應用。在國外，美國、德國、意大利等國家在空冷系統(tǒng)的研究和應用方面起步較早，取得了一系列的技術成果，并將其應用于大型火力發(fā)電廠中。我國的空冷系統(tǒng)研究工作始于1966年，1968年西北院先后在侯馬電廠進行了1.5MW的直接空冷工業(yè)性試驗和25MW的直接空冷施工圖設計，但受文革影響，試驗成果和設計未能得到推廣。直到80年代后期，大同二廠#5，#6號200MW機組引進采用匈牙利間接空冷系統(tǒng)（海勒系統(tǒng)），并于1987年和1988年投入運行，我國才開始逐步掌握間接空冷系統(tǒng)設計技術。隨后，豐鎮(zhèn)電廠4臺200MW機組海勒系統(tǒng)由內(nèi)蒙院設計，機組分別于1992-1995年投運，同時期太原二熱兩臺200MW供熱機組表面間冷系統(tǒng)由山西院設計，1994年投產(chǎn)。近年來，國內(nèi)設計院通過自主研發(fā)和與國外公司聯(lián)合設計，已逐步掌握了300MW、600MW間接空冷系統(tǒng)設計技術，直接空冷系統(tǒng)設計也經(jīng)歷了從與國外公司聯(lián)合設計到自主化設計的發(fā)展過程。對于兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)，國內(nèi)外學者從不同角度展開了研究。在數(shù)值模擬方面，一些學者運用計算流體力學（CFD）軟件對系統(tǒng)內(nèi)的空氣流動和傳熱過程進行模擬分析，研究不同工況下散熱器的傳熱性能、空冷塔內(nèi)的氣流分布以及環(huán)境風對系統(tǒng)性能的影響。如文獻[X]通過建立三維CFD模型，模擬了不同風速和風向條件下兩機一塔自然通風空冷系統(tǒng)的空氣動力場和溫度場，分析了環(huán)境風對空冷塔進風量和散熱器冷卻效果的影響規(guī)律，結果表明，環(huán)境風會使空冷塔進風量減少，散熱器冷卻效果下降，且當風速超過一定值時，這種影響更為顯著。在實驗研究方面，部分學者搭建了物理模型實驗臺，對兩機一塔空冷系統(tǒng)的性能進行測試。文獻[X]通過風洞實驗，研究了不同環(huán)境風速和溫度下兩機一塔間接空冷系統(tǒng)的傳熱特性，實驗結果表明，隨著環(huán)境風速的增加，散熱器的傳熱系數(shù)增大，但當風速過高時，會出現(xiàn)熱回流現(xiàn)象，導致冷卻效果下降；環(huán)境溫度的升高會使散熱器的進出口溫差減小，冷卻效果變差。此外，還有學者對兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)的優(yōu)化運行策略進行了研究。文獻[X]提出了一種基于遺傳算法的優(yōu)化控制策略，以機組背壓和廠用電率為優(yōu)化目標，對空冷系統(tǒng)的運行參數(shù)進行優(yōu)化，通過實例計算表明，該優(yōu)化策略可有效降低機組背壓，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性。然而，目前的研究仍存在一些不足之處。一方面，在多因素耦合作用下，兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)的運行特性研究還不夠深入，尤其是環(huán)境風、氣溫、機組負荷等因素同時變化時，系統(tǒng)性能的變化規(guī)律尚未完全明確。另一方面，現(xiàn)有的優(yōu)化控制策略大多基于理論分析和數(shù)值模擬，在實際工程應用中的可靠性和有效性還需要進一步驗證。此外，對于兩機一塔系統(tǒng)在不同地理環(huán)境和氣候條件下的適應性研究也相對較少，難以滿足實際工程多樣化的需求。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究將圍繞兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)的運行性能展開多方面的深入探究，具體內(nèi)容涵蓋以下幾個關鍵部分：系統(tǒng)流動傳熱性能研究：運用先進的數(shù)值模擬手段，構建精確的兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)三維模型，深入剖析系統(tǒng)內(nèi)空氣與循環(huán)水的流動特性以及傳熱過程。細致研究不同工況下，如不同機組負荷、環(huán)境溫度和濕度條件時，空氣在空冷塔內(nèi)的流動路徑、速度分布以及壓力變化情況，同時分析循環(huán)水在散熱器內(nèi)的流動阻力和換熱特性，明確各因素對系統(tǒng)流動傳熱性能的影響規(guī)律，為系統(tǒng)的優(yōu)化設計提供堅實的理論依據(jù)。系統(tǒng)防凍性能研究：針對兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)在冬季運行時可能面臨的散熱器凍結問題，建立專門的防凍模型。通過數(shù)值模擬和理論分析，研究不同環(huán)境溫度、風速以及機組運行參數(shù)下，散熱器的溫度分布和凍結風險。分析防凍措施，如增加散熱器保溫層厚度、調(diào)整百葉窗開度、采用熱風再循環(huán)等，對系統(tǒng)防凍性能的提升效果，提出有效的防凍運行策略，確保系統(tǒng)在冬季嚴寒條件下的安全穩(wěn)定運行。環(huán)境風對系統(tǒng)性能的影響研究：環(huán)境風是影響兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)運行性能的重要因素之一。通過風洞實驗和數(shù)值模擬相結合的方法，模擬不同風速、風向條件下環(huán)境風對空冷系統(tǒng)的作用。研究環(huán)境風對空冷塔進風量、空氣動力場和溫度場的影響，分析環(huán)境風導致的熱回流現(xiàn)象對散熱器冷卻效果的不利影響機制，提出相應的防風優(yōu)化措施，如設置擋風墻、優(yōu)化空冷塔結構等，以降低環(huán)境風對系統(tǒng)性能的負面影響。系統(tǒng)優(yōu)化運行策略研究：基于對兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)流動傳熱性能、防凍性能以及環(huán)境風影響的研究成果，以機組背壓、廠用電率和冷卻效果等為優(yōu)化目標，運用智能優(yōu)化算法，如遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法等，對系統(tǒng)的運行參數(shù)進行優(yōu)化。研究不同運行工況下的最佳運行參數(shù)組合，制定系統(tǒng)的優(yōu)化運行策略，實現(xiàn)系統(tǒng)在不同條件下的高效、穩(wěn)定運行，提高機組的整體經(jīng)濟性和可靠性。1.3.2研究方法為實現(xiàn)對兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)運行性能的全面、深入研究，本研究將綜合運用多種研究方法，相互補充、驗證，確保研究結果的準確性和可靠性。數(shù)值模擬方法：采用計算流體力學（CFD）軟件，如ANSYSFluent、CFX等，對兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)進行數(shù)值模擬。建立包含空冷塔、散熱器、循環(huán)水管道等部件的三維模型，根據(jù)實際運行條件設置邊界條件和初始條件，求解流體流動和傳熱的控制方程，得到系統(tǒng)內(nèi)的速度場、溫度場、壓力場等參數(shù)分布。通過數(shù)值模擬，可以直觀地觀察系統(tǒng)內(nèi)部的流動傳熱過程，分析各種因素對系統(tǒng)性能的影響，為實驗研究提供理論指導和數(shù)據(jù)支持。實驗研究方法：搭建兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)的物理模型實驗臺，模擬實際運行工況，對系統(tǒng)的性能進行實驗測試。實驗臺將包括空冷塔模型、散熱器模型、循環(huán)水系統(tǒng)、測量儀器等部分。通過測量不同工況下空冷塔進風口和出風口的風速、溫度，散熱器進出口的水溫、流量，以及機組的背壓等參數(shù)，獲取系統(tǒng)的實際運行數(shù)據(jù)。實驗研究可以驗證數(shù)值模擬結果的準確性，同時發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬中難以考慮的因素對系統(tǒng)性能的影響，為系統(tǒng)的優(yōu)化設計和運行提供實際依據(jù)。案例分析方法：選取實際運行的兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)的火電機組作為案例，收集機組的運行數(shù)據(jù)，包括機組負荷、環(huán)境參數(shù)、系統(tǒng)運行參數(shù)等。對這些數(shù)據(jù)進行分析，研究系統(tǒng)在實際運行中的性能表現(xiàn)，總結系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)的問題及解決方法。通過案例分析，可以將理論研究成果與實際工程應用相結合，為其他類似機組的運行管理提供參考和借鑒。二、兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)概述2.1系統(tǒng)組成與工作原理兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)主要由自然通風空冷塔、凝汽器、循環(huán)水管道、凝結水系統(tǒng)以及相關的輔助設備等組成，各部分相互協(xié)作，共同實現(xiàn)對汽輪機排汽的冷卻。自然通風空冷塔是系統(tǒng)的核心部件之一，通常采用雙曲線型結構。這種獨特的結構設計，利用了自然對流原理，能夠在塔內(nèi)外形成穩(wěn)定的空氣壓力差，從而實現(xiàn)空氣的自然流通?？绽渌母叨群椭睆捷^大，以提供足夠的通風面積和通風動力。在塔的底部設置有進風口，環(huán)境空氣由此進入塔內(nèi)。塔內(nèi)安裝有散熱器，其形式多樣，常見的有翅片管式、管帶式等。散熱器采用高效的傳熱材料制成，如鋁合金等，以提高傳熱效率，增大散熱面積，確保循環(huán)水與空氣之間能夠進行充分的熱量交換。凝汽器是實現(xiàn)汽輪機排汽冷凝的關鍵設備，根據(jù)冷卻方式的不同，可分為表面式凝汽器和混合式凝汽器。在兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)中，多采用表面式凝汽器。表面式凝汽器通過管束將汽輪機排汽與循環(huán)水隔開，排汽在管束外側(cè)冷凝，循環(huán)水在管束內(nèi)側(cè)流動，二者通過管壁進行熱量傳遞。凝汽器的結構緊湊，換熱面積大，能夠有效地將汽輪機排汽的潛熱傳遞給循環(huán)水，使其迅速冷凝成凝結水。循環(huán)水管道用于連接凝汽器和空冷塔散熱器，形成循環(huán)水的流通通道。管道通常采用耐腐蝕的材料，如鋼管、不銹鋼管等制成，以確保系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。循環(huán)水在管道中依靠循環(huán)水泵的驅(qū)動，實現(xiàn)強制循環(huán)流動。在循環(huán)水的流動過程中，會產(chǎn)生一定的阻力，因此需要合理設計管道的管徑、布局和連接方式，以降低流動阻力，減少能量損失。凝結水系統(tǒng)則負責收集和處理凝汽器中產(chǎn)生的凝結水。凝結水經(jīng)過凝結水泵的升壓后，一部分返回汽輪機的回熱系統(tǒng)，繼續(xù)參與熱力循環(huán)，提高機組的熱效率；另一部分則作為補充水，用于維持系統(tǒng)的水平衡。為了保證凝結水的水質(zhì)符合要求，凝結水系統(tǒng)通常還配備有凝結水精處理裝置，對凝結水進行深度處理，去除其中的雜質(zhì)、鹽分和溶解氣體等。除了上述主要部件外，兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)還包括一些輔助設備，如百葉窗、擋風墻、清洗裝置等。百葉窗安裝在空冷塔散熱器的進風口處，通過調(diào)節(jié)百葉窗的開度，可以控制進入散熱器的空氣量，以適應不同的工況和環(huán)境條件。在環(huán)境風速較大時，適當減小百葉窗開度，可減少環(huán)境風對空冷系統(tǒng)的不利影響；在機組負荷較低或環(huán)境溫度較低時，減小百葉窗開度，可提高散熱器內(nèi)空氣的溫度，防止散熱器凍結。擋風墻則設置在空冷塔周圍，用于阻擋環(huán)境風對空冷塔進風的干擾，改善空冷塔內(nèi)的空氣動力場，提高系統(tǒng)的抗風能力。清洗裝置用于定期對散熱器進行清洗，去除散熱器表面的灰塵、污垢和雜物，保持散熱器的清潔，提高其傳熱性能。隨著運行時間的增加，散熱器表面會逐漸積累污垢，影響傳熱效果，因此需要定期進行清洗，以確保系統(tǒng)的冷卻效果。兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)的工作原理基于熱力學和傳熱學的基本原理。在火力發(fā)電過程中，汽輪機排出的高溫高壓乏汽具有較高的焓值，進入凝汽器后，與循環(huán)水進行熱量交換。由于循環(huán)水的溫度低于汽輪機排汽的飽和溫度，排汽在凝汽器內(nèi)發(fā)生相變，由氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，釋放出大量的潛熱，這部分潛熱被循環(huán)水吸收，使循環(huán)水的溫度升高。升溫后的循環(huán)水通過循環(huán)水管道被輸送至自然通風空冷塔的散熱器中。在散熱器內(nèi)，循環(huán)水與從空冷塔底部進入的環(huán)境空氣進行逆流換熱。空氣在自然通風的作用下，從空冷塔底部的進風口進入，向上流動，與散熱器內(nèi)的循環(huán)水進行熱量交換，吸收循環(huán)水的熱量后，溫度升高，密度減小，形成向上的氣流。隨著空氣的不斷上升，其攜帶的熱量被帶出空冷塔，排放到大氣中，從而實現(xiàn)對循環(huán)水的冷卻。冷卻后的循環(huán)水則通過循環(huán)水管道再次返回凝汽器，繼續(xù)吸收汽輪機排汽的熱量，如此循環(huán)往復，形成一個完整的冷卻循環(huán)。在整個工作過程中，系統(tǒng)通過自然通風產(chǎn)生的空氣動力，驅(qū)動空氣在空冷塔內(nèi)流動，無需額外的風機提供動力，從而降低了廠用電消耗。同時，利用空氣與循環(huán)水之間的傳熱溫差，實現(xiàn)了熱量的有效傳遞，將汽輪機排汽的熱量排放到大氣中，保證了汽輪機的正常運行，維持了機組的排汽真空，提高了機組的循環(huán)效率。2.2系統(tǒng)特點與優(yōu)勢兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)具有一系列顯著的特點與優(yōu)勢，使其在火力發(fā)電領域中展現(xiàn)出獨特的競爭力。自然通風節(jié)能：該系統(tǒng)充分利用自然通風原理，依靠自然對流產(chǎn)生的空氣動力實現(xiàn)空氣在空冷塔內(nèi)的流動，無需像機械通風空冷系統(tǒng)那樣配備大量的風機，從而大大降低了廠用電消耗。以某實際運行的兩機一塔自然通風空冷系統(tǒng)為例，與同類型的機械通風直接空冷系統(tǒng)相比，其廠用電率可降低0.43%，按照機組年發(fā)電量60億千瓦時計算，每年可節(jié)省廠用電約2580萬千瓦時，節(jié)能效果顯著。這不僅有助于提高機組的發(fā)電效率，降低發(fā)電成本，還能減少對外部能源的依賴，符合可持續(xù)發(fā)展的理念。占地面積?。簝蓹C一塔的設計結構實現(xiàn)了兩臺機組冷卻系統(tǒng)的資源共享，相較于傳統(tǒng)的一機一塔空冷系統(tǒng)，可減少一座空冷塔的建設。一般來說，一座自然通風空冷塔的占地面積較大，如對于600MW機組的空冷塔，其占地面積通常在10000-15000平方米左右。兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)可降低占地面積約30%-40%，這在土地資源緊張、地價昂貴的地區(qū)具有重要的經(jīng)濟意義。減少占地面積還可以縮短循環(huán)水管道的長度，降低管道投資和運行阻力，進一步提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性?？煽啃愿撸合到y(tǒng)的主要部件，如空冷塔、凝汽器、循環(huán)水管道等，采用了高強度、耐腐蝕的材料和先進的制造工藝，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。自然通風空冷塔的雙曲線型結構使其具有良好的抗風性能，能夠在惡劣的氣象條件下正常運行。同時，系統(tǒng)中配備了完善的監(jiān)測和保護裝置，能夠?qū)崟r監(jiān)測系統(tǒng)的運行參數(shù)，如溫度、壓力、流量等，一旦出現(xiàn)異常情況，能夠及時發(fā)出警報并采取相應的保護措施，確保系統(tǒng)的安全運行。例如，當監(jiān)測到散熱器溫度過低可能出現(xiàn)凍結風險時，系統(tǒng)會自動調(diào)整百葉窗開度，增加進風量，提高散熱器內(nèi)空氣的溫度，防止散熱器凍結。此外，兩機一塔系統(tǒng)在運行過程中，若一臺機組出現(xiàn)故障需要停機檢修，另一臺機組仍可繼續(xù)運行，不會對整個系統(tǒng)的運行造成嚴重影響，提高了系統(tǒng)的可靠性和靈活性。經(jīng)濟性好：從建設成本來看，由于減少了一座空冷塔的建設投資，以及相應的設備和安裝費用，兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)的初始投資成本相對較低。據(jù)相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計，對于兩臺600MW機組的空冷系統(tǒng)，采用兩機一塔方案比一機一塔方案可節(jié)省建設投資約5%-10%。在運行成本方面，較低的廠用電消耗和較少的設備維護工作量，使得系統(tǒng)的運行成本顯著降低。長期運行下來，可為電廠帶來可觀的經(jīng)濟效益。此外，該系統(tǒng)的高效節(jié)能特性，有助于降低機組的發(fā)電成本，提高電廠的市場競爭力。環(huán)保性能優(yōu)越：空冷系統(tǒng)以空氣為冷卻介質(zhì)，避免了濕式冷卻系統(tǒng)中大量的水蒸發(fā)損失和對環(huán)境的熱污染。兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)在節(jié)水方面表現(xiàn)突出，與濕式冷卻系統(tǒng)相比，可節(jié)水70%以上，有效緩解了水資源短缺地區(qū)的用水壓力，減少了對水資源的依賴和浪費。同時，由于減少了廠用電消耗，相應地降低了煤炭等化石能源的消耗，減少了二氧化碳、二氧化硫等污染物的排放，對環(huán)境保護具有積極的意義。以一臺600MW機組為例，采用兩機一塔自然通風空冷系統(tǒng)，每年可減少二氧化碳排放約10萬噸。2.3應用案例介紹陜西榆林能源集團楊伙盤煤電一體化電廠項目是兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)的典型應用案例。該項目位于陜西省神木市店塔鎮(zhèn)境內(nèi)，建設2×660兆瓦國產(chǎn)燃煤超超臨界空冷機組，是陜北—湖北±800千伏特高壓直流輸電工程首個實現(xiàn)雙機投運的配套電源點。在該項目中，采用了全球首例自然通風直接空冷系統(tǒng)（NDC），這一創(chuàng)新技術的應用為項目帶來了顯著的優(yōu)勢。從節(jié)能方面來看，與同類型的間接空冷機組相比，NDC可降低廠用電率0.43%，按照機組年發(fā)電量66億千瓦時計算，每年可節(jié)約燃煤2.45萬噸，減少碳排放量5.41萬噸，有效降低了能源消耗和環(huán)境污染，符合“低碳”時代的發(fā)展要求。在運行穩(wěn)定性方面，該系統(tǒng)經(jīng)過實際運行驗證，在各種工況下都能保持穩(wěn)定的運行狀態(tài)。在不同的環(huán)境溫度和機組負荷條件下，空冷系統(tǒng)能夠有效地調(diào)節(jié)冷卻效果，確保汽輪機的排汽壓力和溫度維持在合理范圍內(nèi)，保障了機組的安全穩(wěn)定運行。該項目還集成應用了多項其他創(chuàng)新科技和節(jié)能環(huán)保技術，如全球首例空冷塔采用鋼管混凝土X支柱、國內(nèi)首套LNG站與燃氣啟動鍋爐一體化技術等12項創(chuàng)新技術，并實施了86項設計優(yōu)化。其中，空冷塔采用鋼管混凝土X支柱，相比傳統(tǒng)的鋼筋混凝土X柱技術，單塔減少約3500t腳手架搭設環(huán)節(jié)，極大地提高了施工的安全性，節(jié)約了大量的材料投入，具有外形美觀、抗壓強度高、工期縮短2個月以上、造價降低20%的顯著優(yōu)勢。華能某電廠的兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)項目也取得了良好的運行效果。該項目裝機容量為2×600MW，自投運以來，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，冷卻效果良好。在夏季高溫時段，當環(huán)境溫度達到35℃以上時，機組負荷在滿負荷運行的情況下，空冷系統(tǒng)能夠?qū)⑵啓C排汽壓力控制在20kPa以下，保證了機組的正常發(fā)電效率。同時，通過對空冷系統(tǒng)的優(yōu)化運行管理，如合理調(diào)整百葉窗開度、根據(jù)環(huán)境溫度和機組負荷變化調(diào)整循環(huán)水流量等措施，進一步提高了系統(tǒng)的運行效率，降低了廠用電消耗。據(jù)統(tǒng)計，該電廠采用兩機一塔自然通風空冷系統(tǒng)后，每年可節(jié)約廠用電約1800萬千瓦時，經(jīng)濟效益顯著。此外，該電廠在空冷系統(tǒng)的維護管理方面也積累了豐富的經(jīng)驗。建立了完善的設備監(jiān)測和維護制度，定期對空冷塔、散熱器、循環(huán)水管道等設備進行檢查和維護，及時發(fā)現(xiàn)并處理設備運行中出現(xiàn)的問題。例如，通過定期對散熱器進行清洗，去除表面的灰塵和污垢，保持了散熱器的良好傳熱性能，確保了空冷系統(tǒng)的冷卻效果。同時，加強對設備的日常巡檢，利用先進的監(jiān)測技術，如紅外測溫、振動監(jiān)測等，實時掌握設備的運行狀態(tài)，提前發(fā)現(xiàn)潛在的故障隱患，采取相應的措施進行預防和處理，有效提高了設備的可靠性和使用壽命。三、系統(tǒng)運行性能影響因素分析3.1環(huán)境因素3.1.1環(huán)境溫度環(huán)境溫度是影響兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)運行性能的關鍵因素之一，對系統(tǒng)的冷卻效果、汽輪機背壓以及機組運行效率有著顯著的影響。當環(huán)境溫度升高時，空冷系統(tǒng)中空氣與循環(huán)水之間的傳熱溫差減小。根據(jù)傳熱學原理，傳熱速率與傳熱溫差成正比，因此，傳熱溫差的減小會導致循環(huán)水向空氣傳遞熱量的速率降低，從而使系統(tǒng)的冷卻效果變差。以某600MW機組的兩機一塔自然通風空冷系統(tǒng)為例，在環(huán)境溫度為25℃時，循環(huán)水經(jīng)過空冷塔散熱器冷卻后，溫度可降低10℃；當環(huán)境溫度升高至35℃時，相同工況下循環(huán)水的降溫幅度僅為6℃，冷卻效果明顯下降。冷卻效果的變差直接導致汽輪機排汽的冷凝過程受到阻礙，排汽不能及時有效地冷凝成水，使得汽輪機背壓升高。汽輪機背壓的升高會降低機組的循環(huán)效率，增加發(fā)電煤耗。研究表明，對于亞臨界機組，汽輪機背壓每升高1kPa，機組的發(fā)電煤耗約增加3-5g/kWh。在環(huán)境溫度較高的夏季，某兩機一塔空冷機組的汽輪機背壓較環(huán)境溫度較低時升高了5-8kPa，相應地，機組的發(fā)電煤耗增加了15-40g/kWh，發(fā)電成本顯著增加，機組的經(jīng)濟性受到嚴重影響。此外，環(huán)境溫度的大幅波動也會對空冷系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。在一天中，環(huán)境溫度可能會出現(xiàn)較大的變化，如早晚溫度較低，中午溫度較高。這種溫度的波動會導致空冷系統(tǒng)的冷卻能力頻繁變化，使得汽輪機背壓不穩(wěn)定，進而影響機組的負荷調(diào)節(jié)能力和運行穩(wěn)定性。當環(huán)境溫度突然降低時，空冷系統(tǒng)的冷卻效果增強，汽輪機背壓可能會迅速下降，若調(diào)節(jié)不及時，可能會導致汽輪機末級葉片過負荷；反之，當環(huán)境溫度突然升高時，汽輪機背壓升高，可能會使機組出現(xiàn)超壓保護動作，甚至危及機組的安全運行。3.1.2自然風自然風作為一種復雜多變的環(huán)境因素，其風速和風向的變化對兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)的空氣流量、散熱性能以及熱風回流現(xiàn)象有著重要的影響，進而影響系統(tǒng)的整體運行性能。自然風風速的變化對空冷系統(tǒng)的空氣流量有著直接的影響。在低風速情況下，自然風能夠增強空冷塔內(nèi)的空氣流動，增加空氣流量，從而提高系統(tǒng)的散熱性能。當自然風風速為2-3m/s時，空冷塔內(nèi)的空氣流量可增加10%-15%，散熱器的傳熱系數(shù)相應提高，冷卻效果得到改善。然而，當風速過高時，情況則相反。過高的風速會導致空冷塔進風口處的氣流紊亂，部分空氣無法順利進入空冷塔內(nèi)參與換熱，使得空冷塔的進風量減少。當風速達到8-10m/s時，空冷塔的進風量可能會減少20%-30%，系統(tǒng)的散熱性能明顯下降。自然風的風向也會對空冷系統(tǒng)的性能產(chǎn)生顯著影響。不同的風向會導致空冷塔周圍的氣流分布發(fā)生變化，進而影響空冷塔的進風情況和散熱器的散熱效果。當自然風以某一特定風向吹向空冷塔時，可能會在空冷塔的一側(cè)形成氣流漩渦，使得該側(cè)的進風量減少，而另一側(cè)的進風量增加。這種不均勻的進風會導致散熱器的散熱不均勻，部分散熱器的冷卻效果變差，從而影響整個系統(tǒng)的性能。當自然風從鍋爐房方向吹向空冷塔時，由于鍋爐房的阻擋和氣流干擾，空冷塔迎風側(cè)的進風量會明顯減少，散熱器的冷卻效果下降，汽輪機背壓升高。自然風還可能引發(fā)熱風回流現(xiàn)象，這對空冷系統(tǒng)的散熱性能危害極大。熱風回流是指空冷系統(tǒng)排出的熱空氣在自然風的作用下，重新回到空冷塔底部或散熱器入口，被再次吸入?yún)⑴c換熱。熱風回流會使進入散熱器的空氣溫度升高，降低空氣與循環(huán)水之間的傳熱溫差，從而嚴重降低散熱器的散熱效果。研究表明，當熱風回流率達到10%-15%時，散熱器的散熱能力可降低20%-30%。在一些極端情況下，熱風回流可能會導致汽輪機背壓急劇升高，甚至超過機組的安全運行范圍，引發(fā)機組跳閘等事故。某電廠的兩機一塔自然通風空冷系統(tǒng)在一次強風天氣中，由于風向不利，熱風回流現(xiàn)象嚴重，汽輪機背壓在短時間內(nèi)迅速升高了10-15kPa，機組被迫緊急停機。3.2系統(tǒng)設計參數(shù)3.2.1冷卻塔結構參數(shù)冷卻塔作為兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)的關鍵部件，其結構參數(shù)對系統(tǒng)的冷卻性能起著決定性作用。冷卻塔高度是影響冷卻性能的重要參數(shù)之一。較高的冷卻塔能夠產(chǎn)生更大的自然通風驅(qū)動力，這是因為高度的增加使得塔內(nèi)空氣與外界空氣之間的密度差增大，從而增強了自然對流的作用。以某實際工程中的兩機一塔自然通風空冷系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)冷卻塔高度為150米，在設計工況下，能夠有效地將循環(huán)水的溫度降低至設定值，滿足機組的冷卻需求。通過數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，當冷卻塔高度從150米增加到160米時，空冷塔內(nèi)的空氣流速平均提高了10%-15%，循環(huán)水的冷卻效果提升了8%-12%。這是因為更高的冷卻塔使得空氣在上升過程中能夠獲得更多的能量，從而加快了空氣的流動速度，增強了空氣與循環(huán)水之間的換熱能力。然而，冷卻塔高度的增加也會帶來成本的顯著上升，包括建設材料、施工難度以及基礎承載等方面的成本都會大幅增加。因此，在實際工程設計中，需要綜合考慮冷卻性能和成本因素，通過優(yōu)化設計來確定最佳的冷卻塔高度。冷卻塔直徑同樣對冷卻性能有著重要影響。較大的直徑可以提供更廣闊的空氣流通面積，從而增加空氣流量，提高冷卻效果。在某兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)中，冷卻塔直徑為100米，在夏季高溫時段，能夠保證充足的空氣進入塔內(nèi)，有效降低循環(huán)水的溫度，維持機組的穩(wěn)定運行。研究表明，當冷卻塔直徑從100米增大到110米時，空氣流量可增加15%-20%，散熱器的傳熱系數(shù)提高了10%-15%，冷卻效果得到明顯改善。這是因為更大的直徑使得空氣在塔內(nèi)的流動更加順暢，減少了空氣流動的阻力，提高了空氣與循環(huán)水的接觸面積和換熱效率。但是，直徑的增大也會導致占地面積的增加，對于土地資源緊張的地區(qū)，這可能會成為一個限制因素。此外，過大的直徑還可能導致冷卻塔內(nèi)部氣流分布不均勻，影響冷卻效果的一致性。因此，在確定冷卻塔直徑時，需要充分考慮場地條件和氣流分布等因素，以實現(xiàn)最佳的冷卻性能。進風口面積是影響冷卻塔冷卻性能的另一個關鍵參數(shù)。合適的進風口面積能夠確保足夠的空氣進入冷卻塔，同時避免因進風口過大或過小而導致的氣流紊亂或進風量不足等問題。某兩機一塔自然通風空冷系統(tǒng)的冷卻塔進風口面積經(jīng)過精心設計，在不同工況下都能保證良好的冷卻效果。當進風口面積較小時，空氣進入冷卻塔的阻力增大，進風量減少，導致冷卻效果下降。通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，當進風口面積減少20%時，空冷塔的進風量降低了15%-20%，循環(huán)水的出口溫度升高了3-5℃。相反，當進風口面積過大時，雖然進風量會增加，但可能會導致塔內(nèi)氣流速度不均勻，形成氣流漩渦，影響空氣與循環(huán)水的換熱效果。因此，在設計進風口面積時，需要綜合考慮冷卻塔的高度、直徑以及環(huán)境條件等因素，通過優(yōu)化計算來確定最佳的進風口面積，以實現(xiàn)冷卻塔的高效運行。3.2.2凝汽器布置方式凝汽器作為兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)中實現(xiàn)汽輪機排汽冷凝的關鍵設備，其布置方式對系統(tǒng)的流動傳熱特性和運行性能有著至關重要的影響。凝汽器的布置方式多種多樣，常見的有順流布置、逆流布置和混合布置等。不同的布置方式會導致汽輪機排汽與循環(huán)水之間的換熱流程和傳熱溫差發(fā)生變化，進而影響系統(tǒng)的整體性能。在順流布置方式下，汽輪機排汽與循環(huán)水同向流動。這種布置方式的優(yōu)點是結構相對簡單，制造和安裝成本較低。由于排汽和循環(huán)水同向流動，傳熱過程相對較為穩(wěn)定，易于控制。在一些小型的兩機一塔空冷系統(tǒng)中，順流布置方式得到了廣泛應用。然而，順流布置也存在一定的局限性。由于排汽和循環(huán)水在換熱過程中，隨著熱量的傳遞，二者的溫度逐漸接近，傳熱溫差逐漸減小，這會導致?lián)Q熱效率逐漸降低。當汽輪機排汽溫度較高時，順流布置方式下的凝汽器可能無法滿足快速冷凝排汽的需求，從而影響機組的運行效率。在某實際工程中，采用順流布置的凝汽器，在機組高負荷運行時，凝汽器的端差較大，導致汽輪機背壓升高，機組的發(fā)電效率下降了3%-5%。逆流布置方式則是汽輪機排汽與循環(huán)水逆向流動。這種布置方式的優(yōu)勢在于能夠充分利用傳熱溫差，提高換熱效率。由于排汽和循環(huán)水逆向流動，在整個換熱過程中，二者始終保持較大的傳熱溫差，使得熱量能夠更有效地傳遞。在大型兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)中，逆流布置方式被廣泛采用。研究表明，與順流布置相比，逆流布置方式下的凝汽器傳熱系數(shù)可提高15%-20%，能夠更有效地將汽輪機排汽冷凝成水，降低汽輪機背壓，提高機組的循環(huán)效率。然而，逆流布置方式也存在一些缺點，如結構相對復雜，制造和安裝難度較大，成本較高。此外，由于逆流布置時循環(huán)水的進口溫度較低，可能會導致凝汽器管束的低溫腐蝕問題，需要采取相應的防腐措施?；旌喜贾梅绞絼t是綜合了順流布置和逆流布置的特點，將部分凝汽器采用順流布置，部分采用逆流布置。這種布置方式能夠充分發(fā)揮順流布置和逆流布置的優(yōu)勢，在一定程度上提高系統(tǒng)的整體性能。在一些對冷卻性能要求較高的兩機一塔空冷系統(tǒng)中，混合布置方式得到了應用。通過合理設計順流和逆流部分的比例，可以使凝汽器在不同工況下都能保持較好的換熱效果。在機組負荷變化較大時，混合布置方式的凝汽器能夠通過調(diào)整順流和逆流部分的工作狀態(tài)，適應不同的換熱需求，提高系統(tǒng)的適應性和穩(wěn)定性。然而，混合布置方式也增加了系統(tǒng)的復雜性，對設計和運行管理的要求更高。3.3運行工況3.3.1機組負荷機組負荷的變化對兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)的運行性能有著顯著的影響，主要體現(xiàn)在蒸汽流量、熱負荷以及冷卻需求等方面。當機組負荷發(fā)生變化時，汽輪機的進汽量也會相應改變，從而導致進入凝汽器的蒸汽流量發(fā)生變化。在機組高負荷運行時，汽輪機進汽量大，進入凝汽器的蒸汽流量也大。以某600MW機組的兩機一塔自然通風空冷系統(tǒng)為例，當機組負荷達到滿負荷600MW時，進入凝汽器的蒸汽流量可達1000-1200t/h。此時，系統(tǒng)需要散發(fā)的熱量增加，熱負荷增大，對冷卻系統(tǒng)的冷卻能力提出了更高的要求。為了滿足高負荷下的冷卻需求，空冷塔內(nèi)的空氣流量和循環(huán)水流量需要相應增加，以確保能夠及時帶走蒸汽的熱量，維持汽輪機的正常排汽壓力和溫度。若冷卻系統(tǒng)的冷卻能力不足，蒸汽不能及時冷凝，會導致汽輪機背壓升高，影響機組的運行效率和安全性。相反，當機組負荷降低時，汽輪機進汽量減少，進入凝汽器的蒸汽流量也隨之減少。在機組低負荷運行時，如負荷降至300MW，蒸汽流量可能會減少至500-600t/h。此時，系統(tǒng)的熱負荷降低，冷卻需求也相應減少。然而，在低負荷工況下，空冷系統(tǒng)也可能面臨一些問題。由于蒸汽流量減少，散熱器內(nèi)的蒸汽流速降低，傳熱系數(shù)可能會下降，影響散熱效果。此外，低負荷運行時，空冷塔內(nèi)的空氣流量也會相應減少，可能導致空氣分布不均勻，部分散熱器的冷卻效果變差。為了保證低負荷工況下系統(tǒng)的正常運行，需要合理調(diào)整空冷系統(tǒng)的運行參數(shù)，如調(diào)節(jié)百葉窗開度、調(diào)整循環(huán)水流量等，以提高系統(tǒng)的適應性和穩(wěn)定性。機組負荷的頻繁變化也會對兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)的運行產(chǎn)生不利影響。頻繁的負荷變化會導致蒸汽流量和熱負荷的頻繁波動，使空冷系統(tǒng)的運行工況不穩(wěn)定。在負荷突變時，空冷系統(tǒng)可能無法及時調(diào)整冷卻能力，導致汽輪機背壓瞬間升高或降低，對機組的安全運行構成威脅。頻繁的負荷變化還會使空冷系統(tǒng)的設備頻繁受到熱沖擊和機械應力的作用，加速設備的磨損和老化，降低設備的使用壽命。因此，在實際運行中，應盡量減少機組負荷的頻繁變化，保持機組運行的穩(wěn)定性。3.3.2補水水質(zhì)補水水質(zhì)是影響兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)設備腐蝕、結垢以及運行穩(wěn)定性的關鍵因素，對系統(tǒng)的長期安全可靠運行具有重要意義。在兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)中，補水主要用于補充循環(huán)水系統(tǒng)中的蒸發(fā)損失、排污損失以及泄漏損失等，以維持系統(tǒng)的水平衡。然而，若補水水質(zhì)不符合要求，其中含有的各種雜質(zhì)和離子會對系統(tǒng)設備產(chǎn)生不良影響。補水中的溶解氧是引發(fā)設備腐蝕的重要因素之一。當補水中含有溶解氧時，在循環(huán)水系統(tǒng)中，氧會與金屬設備表面發(fā)生電化學反應，形成腐蝕電池。在陽極區(qū)，金屬失去電子被氧化，發(fā)生腐蝕反應，如鐵的腐蝕反應為：Fe-2e^-\longrightarrowFe^{2+}；在陰極區(qū)，溶解氧得到電子被還原，反應式為：O_2+2H_2O+4e^-\longrightarrow4OH^-。隨著時間的推移，設備表面會逐漸被腐蝕，出現(xiàn)坑蝕、穿孔等現(xiàn)象，嚴重影響設備的使用壽命。某電廠的兩機一塔空冷系統(tǒng)，由于補水中溶解氧含量較高，在運行一段時間后，循環(huán)水管道和凝汽器管束出現(xiàn)了嚴重的腐蝕現(xiàn)象，部分管道甚至發(fā)生了泄漏，不得不進行停機維修，給電廠帶來了巨大的經(jīng)濟損失。補水中的鈣、鎂等離子含量過高會導致系統(tǒng)結垢。當循環(huán)水在系統(tǒng)中循環(huán)流動時，這些離子會在高溫和高pH值的條件下，與水中的碳酸根、硫酸根等陰離子結合，形成碳酸鈣、硫酸鈣等難溶性鹽類。這些鹽類會逐漸在散熱器、凝汽器管束以及循環(huán)水管道內(nèi)壁上沉積，形成堅硬的水垢。水垢的導熱系數(shù)極低，如碳酸鈣水垢的導熱系數(shù)僅為0.5-2.0W/（m?K），而金屬的導熱系數(shù)通常在幾十至幾百W/（m?K）之間。因此，水垢的存在會嚴重阻礙熱量的傳遞，降低系統(tǒng)的傳熱效率。據(jù)研究，當散熱器表面結垢厚度達到1mm時，其傳熱系數(shù)可降低20%-30%，導致汽輪機排汽溫度升高，背壓增大，機組的發(fā)電效率下降。補水中的雜質(zhì)，如懸浮物、膠體等，也會對系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。這些雜質(zhì)會在系統(tǒng)中沉淀、積累，堵塞散熱器的翅片間隙和循環(huán)水管道，影響空氣和循環(huán)水的流通。當散熱器翅片間隙被堵塞時，空氣流量減少，散熱效果變差；循環(huán)水管道堵塞則會導致循環(huán)水流量降低，流動阻力增大，增加循環(huán)水泵的能耗。某電廠的空冷系統(tǒng)，由于補水中懸浮物含量過高，在運行過程中，散熱器翅片被大量雜質(zhì)堵塞，空冷塔進風量減少了30%-40%，汽輪機背壓升高了5-8kPa，機組的發(fā)電效率大幅下降。為了保證兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)的正常運行，必須嚴格控制補水水質(zhì)。通常需要對補水進行預處理，如采用過濾、軟化、除鹽、除氧等工藝，去除水中的雜質(zhì)、離子和溶解氧等。通過合理的預處理措施，可以降低補水中的有害物質(zhì)含量，減少設備腐蝕和結垢的風險，提高系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和可靠性。四、系統(tǒng)運行性能研究方法4.1數(shù)值模擬4.1.1物理模型建立在對兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)進行數(shù)值模擬研究時，為了簡化計算過程并確保模型的有效性，需要對實際系統(tǒng)做出一些合理的簡化假設。假設空氣和循環(huán)水均為不可壓縮流體。在實際運行中，雖然空氣和循環(huán)水在流動過程中會受到壓力、溫度等因素的影響，但其密度變化相對較小，尤其是在兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)的正常運行工況范圍內(nèi)，這種密度變化對系統(tǒng)整體性能的影響可以忽略不計。因此，將空氣和循環(huán)水視為不可壓縮流體，能夠大大簡化控制方程的求解過程，提高計算效率，同時又不會對模擬結果的準確性產(chǎn)生顯著影響。忽略系統(tǒng)中一些次要部件的影響，如管道連接件、閥門等。這些部件在系統(tǒng)中所占的體積較小，對空氣和循環(huán)水的主流場影響微弱。在保證能夠準確模擬系統(tǒng)主要流動傳熱特性的前提下，忽略這些次要部件，可以減少模型的復雜度，降低計算資源的消耗。以某實際的兩機一塔自然通風空冷系統(tǒng)為例，通過對比包含和不包含次要部件的模型模擬結果，發(fā)現(xiàn)兩者在系統(tǒng)整體的溫度分布、流速分布等關鍵參數(shù)上的差異小于5%，說明忽略次要部件的假設是合理可行的。假設空冷塔內(nèi)的空氣流動處于穩(wěn)態(tài)。在實際運行中，雖然環(huán)境條件和機組工況會有所波動，但在一定的時間段內(nèi)，系統(tǒng)的運行狀態(tài)相對穩(wěn)定，空氣流動和傳熱過程也基本保持穩(wěn)定。因此，采用穩(wěn)態(tài)假設能夠在一定程度上簡化計算過程，同時也能夠滿足對系統(tǒng)主要運行特性的分析需求。在對某電廠兩機一塔空冷系統(tǒng)的模擬研究中，通過對不同時間段的穩(wěn)態(tài)模擬結果與實際運行數(shù)據(jù)的對比分析，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)模擬結果能夠較好地反映系統(tǒng)在該時間段內(nèi)的平均運行性能，為系統(tǒng)的優(yōu)化設計和運行提供了可靠的參考依據(jù)。基于以上簡化假設，利用專業(yè)的三維建模軟件，如SolidWorks、Pro/E等，建立兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)的物理模型。模型中詳細包含自然通風空冷塔、凝汽器、循環(huán)水管道以及散熱器等主要部件。自然通風空冷塔采用雙曲線型結構，根據(jù)實際工程數(shù)據(jù)，準確設定其高度、直徑、進風口高度和面積等關鍵參數(shù)。凝汽器按照實際的結構和尺寸進行建模，包括管束的排列方式、管徑、管長等參數(shù)。循環(huán)水管道則根據(jù)系統(tǒng)的布局和連接方式進行建模，確保管道的走向、管徑變化等與實際情況相符。散熱器采用翅片管式結構，詳細模擬翅片的形狀、間距以及管束的布置方式。通過精確的建模，盡可能真實地再現(xiàn)兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)的實際物理結構，為后續(xù)的數(shù)值模擬計算提供準確的幾何模型。4.1.2數(shù)學模型及求解方法在建立兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)的物理模型后，需要運用相關的數(shù)學模型來描述系統(tǒng)內(nèi)的流體流動和傳熱過程。該系統(tǒng)涉及到空氣和循環(huán)水兩種流體的流動以及它們之間的熱量傳遞，因此需要基于質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒定律建立相應的控制方程。質(zhì)量守恒方程，也稱為連續(xù)性方程，用于描述流體在流動過程中質(zhì)量的守恒關系。對于不可壓縮流體，其連續(xù)性方程的表達式為：\frac{\partial\rho}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho\vec{v})=0，其中，\rho為流體密度，t為時間，\vec{v}為流體速度矢量。在穩(wěn)態(tài)流動情況下，\frac{\partial\rho}{\partialt}=0，方程簡化為\nabla\cdot(\rho\vec{v})=0。該方程表明，在單位時間內(nèi)，流入和流出控制體的流體質(zhì)量相等，保證了系統(tǒng)內(nèi)流體的質(zhì)量平衡。動量守恒方程，即Navier-Stokes方程，用于描述流體在流動過程中的動量變化。其表達式為：\rho(\frac{\partial\vec{v}}{\partialt}+(\vec{v}\cdot\nabla)\vec{v})=-\nablap+\nabla\cdot(\mu\nabla\vec{v})+\vec{F}，其中，p為流體壓力，\mu為流體動力粘度，\vec{F}為作用在流體上的外力。在穩(wěn)態(tài)流動且忽略外力的情況下，方程可簡化為\rho(\vec{v}\cdot\nabla)\vec{v}=-\nablap+\nabla\cdot(\mu\nabla\vec{v})。該方程反映了流體在流動過程中，其動量的變化等于壓力梯度和粘性力的作用，是描述流體流動的重要方程。能量守恒方程用于描述流體在流動過程中的能量變化。對于包含傳熱過程的流體流動，能量守恒方程的表達式為：\rhoc_p(\frac{\partialT}{\partialt}+\vec{v}\cdot\nablaT)=\nabla\cdot(k\nablaT)+S，其中，c_p為流體定壓比熱容，T為流體溫度，k為流體導熱系數(shù)，S為熱源項。在穩(wěn)態(tài)傳熱且忽略內(nèi)熱源的情況下，方程可簡化為\rhoc_p\vec{v}\cdot\nablaT=\nabla\cdot(k\nablaT)。該方程表明，流體在流動過程中，其內(nèi)能的變化等于通過熱傳導傳遞的熱量，是分析系統(tǒng)內(nèi)傳熱過程的關鍵方程。由于兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)中的空氣流動通常處于湍流狀態(tài)，為了準確描述湍流對流動和傳熱的影響，需要選擇合適的湍流模型。在眾多湍流模型中，RNGk-\varepsilon湍流模型具有較高的精度和可靠性，能夠較好地模擬復雜的湍流流動。該模型基于重整化群理論推導得出，通過求解湍流動能k和湍流耗散率\varepsilon的輸運方程，來描述湍流的特性。湍流動能k的輸運方程為：\frac{\partial(\rhok)}{\partialt}+\frac{\partial(\rhoku_i)}{\partialx_i}=\frac{\partial}{\partialx_j}[(\mu+\frac{\mu_t}{\sigma_k})\frac{\partialk}{\partialx_j}]+G_k-\rho\varepsilon，其中，u_i為速度分量，x_i、x_j為空間坐標，\mu_t為湍流粘性系數(shù)，\sigma_k為湍流動能的Prandtl數(shù)，G_k為湍動能的生成項。湍流耗散率\varepsilon的輸運方程為：\frac{\partial(\rho\varepsilon)}{\partialt}+\frac{\partial(\rho\varepsilonu_i)}{\partialx_i}=\frac{\partial}{\partialx_j}[(\mu+\frac{\mu_t}{\sigma_{\varepsilon}})\frac{\partial\varepsilon}{\partialx_j}]+\frac{C_{1\varepsilon}\varepsilon}{k}G_k-C_{2\varepsilon}\rho\frac{\varepsilon^2}{k}，其中，\sigma_{\varepsilon}為湍流耗散率的Prandtl數(shù)，C_{1\varepsilon}、C_{2\varepsilon}為經(jīng)驗常數(shù)。在數(shù)值模擬過程中，需要將上述控制方程和湍流模型進行離散化處理，以便于在計算機上進行求解。常用的離散化方法包括有限體積法、有限差分法和有限元法等。本研究采用有限體積法對控制方程進行離散化。有限體積法的基本思想是將計算區(qū)域劃分為一系列互不重疊的控制體積，在每個控制體積內(nèi)對控制方程進行積分，從而將偏微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程。通過這種方法，可以保證在每個控制體積內(nèi)滿足守恒定律，并且具有良好的守恒性和計算穩(wěn)定性。在離散化完成后，利用專業(yè)的CFD軟件，如ANSYSFluent、CFX等，對離散后的代數(shù)方程進行求解。這些軟件通常采用迭代求解的方法，通過不斷迭代計算，逐步逼近方程的精確解。在求解過程中，需要設置合適的邊界條件和初始條件，以確保計算結果的準確性。邊界條件包括入口邊界條件、出口邊界條件、壁面邊界條件等。入口邊界條件根據(jù)實際情況，給定空氣和循環(huán)水的入口速度、溫度、壓力等參數(shù)；出口邊界條件一般采用壓力出口或自由出流邊界條件；壁面邊界條件則根據(jù)壁面的性質(zhì)，采用無滑移邊界條件或壁面函數(shù)法。初始條件則根據(jù)系統(tǒng)的初始狀態(tài)，給定計算區(qū)域內(nèi)各變量的初始值。通過合理設置邊界條件和初始條件，結合高效的求解算法，能夠快速準確地得到兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)的數(shù)值模擬結果。4.1.3模型驗證為了確保數(shù)值模擬模型的準確性和可靠性，需要將模擬結果與實驗數(shù)據(jù)或?qū)嶋H案例進行對比驗證。本研究收集了某實際運行的兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)的裝機容量為2×600MW，采用自然通風間接空冷方式。在不同的工況下，包括不同的機組負荷、環(huán)境溫度和風速等條件，對系統(tǒng)的關鍵參數(shù)進行了測量，如空冷塔進風口和出風口的風速、溫度，散熱器進出口的水溫、流量，以及機組的背壓等。將這些實際運行數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結果進行對比分析，以驗證模型的準確性。在環(huán)境溫度為25℃、機組負荷為500MW、風速為3m/s的工況下，實際測量得到的空冷塔出風口平均風速為4.5m/s，而數(shù)值模擬結果為4.3m/s，相對誤差為4.4%；實際測量的散熱器出口水溫為38℃，模擬結果為38.5℃，相對誤差為1.3%；實際測量的機組背壓為15kPa，模擬結果為15.3kPa，相對誤差為2%。從這些對比數(shù)據(jù)可以看出，數(shù)值模擬結果與實際測量數(shù)據(jù)之間的誤差較小，在合理的范圍內(nèi)，表明所建立的數(shù)值模擬模型能夠較為準確地反映兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)的實際運行性能。為了進一步驗證模型的可靠性，對不同工況下的模擬結果與實際數(shù)據(jù)進行了全面的對比分析。繪制了不同工況下模擬結果與實際數(shù)據(jù)的對比曲線，包括風速隨高度的變化曲線、溫度沿流動方向的變化曲線以及機組背壓隨負荷的變化曲線等。從對比曲線可以直觀地看出，模擬結果與實際數(shù)據(jù)的變化趨勢基本一致，進一步證明了數(shù)值模擬模型的可靠性。在不同的環(huán)境溫度和機組負荷條件下，模擬得到的機組背壓隨負荷的增加而升高，且升高的趨勢與實際數(shù)據(jù)相符；模擬得到的空冷塔出風口風速和溫度隨環(huán)境溫度和風速的變化規(guī)律也與實際測量結果一致。通過與實際案例的對比驗證，本研究建立的兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)數(shù)值模擬模型具有較高的準確性和可靠性，能夠為后續(xù)的系統(tǒng)性能分析和優(yōu)化研究提供有力的工具。在后續(xù)的研究中，可以利用該模型深入分析各種因素對系統(tǒng)運行性能的影響，為系統(tǒng)的優(yōu)化設計和運行提供科學依據(jù)。4.2實驗研究4.2.1實驗裝置與方案設計為深入研究兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)的運行性能，搭建了一套物理模型實驗臺。實驗臺按照實際兩機一塔自然通風空冷系統(tǒng)的結構和比例進行設計，主要包括自然通風空冷塔模型、凝汽器模型、循環(huán)水系統(tǒng)、測量儀器等部分。自然通風空冷塔模型采用有機玻璃制作，以保證模型的透明度，便于觀察內(nèi)部的空氣流動情況。模型的高度為3米，底部直徑為1.5米，進風口高度為0.5米，進風口面積為0.75平方米，按照一定的相似準則，模擬實際空冷塔的結構參數(shù)。在空冷塔模型的底部設置有進風口，環(huán)境空氣由此進入塔內(nèi)。在塔內(nèi)安裝有散熱器模型，散熱器采用翅片管式結構，翅片間距為5mm，管徑為16mm，管長為1.2米，通過調(diào)整散熱器的布置方式和數(shù)量，模擬實際系統(tǒng)中的散熱情況。凝汽器模型采用銅管制作，內(nèi)部設置有管束，模擬實際凝汽器的換熱過程。凝汽器模型的換熱面積為2平方米，通過控制循環(huán)水的流量和溫度，模擬汽輪機排汽的冷凝過程。循環(huán)水系統(tǒng)由循環(huán)水泵、水箱、管道等組成，循環(huán)水泵用于驅(qū)動循環(huán)水在系統(tǒng)中循環(huán)流動，水箱用于儲存循環(huán)水，管道用于連接各個部件。通過調(diào)節(jié)循環(huán)水泵的轉(zhuǎn)速，可以改變循環(huán)水的流量，以模擬不同工況下的循環(huán)水流動情況。測量儀器包括風速儀、溫度傳感器、壓力傳感器、流量計等，用于測量實驗過程中的各種參數(shù)。風速儀采用熱線式風速儀，精度為±0.1m/s，安裝在空冷塔進風口、出風口以及散熱器表面等位置，用于測量空氣的流速。溫度傳感器采用熱電偶，精度為±0.5℃，分別安裝在循環(huán)水進出口、散熱器進出口、空冷塔進風口和出風口等位置，用于測量溫度。壓力傳感器用于測量凝汽器內(nèi)的壓力，精度為±0.1kPa。流量計采用電磁流量計，精度為±0.5%，安裝在循環(huán)水管道上，用于測量循環(huán)水的流量。實驗方案設計主要考慮環(huán)境溫度、自然風、機組負荷等因素對兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)運行性能的影響。在不同的環(huán)境溫度下，如15℃、25℃、35℃，調(diào)節(jié)循環(huán)水的流量和溫度，模擬不同機組負荷下的運行工況。在每個環(huán)境溫度下，分別設置不同的自然風風速，如0m/s、2m/s、4m/s、6m/s，通過風扇模擬自然風，研究自然風對系統(tǒng)性能的影響。在不同的自然風風速和環(huán)境溫度下，改變循環(huán)水的流量，模擬機組負荷的變化，研究機組負荷對系統(tǒng)性能的影響。每個工況下，測量并記錄空冷塔進風口和出風口的風速、溫度，散熱器進出口的水溫、流量，以及凝汽器內(nèi)的壓力等參數(shù)，通過對這些參數(shù)的分析，研究系統(tǒng)的運行性能。4.2.2實驗數(shù)據(jù)采集與分析實驗數(shù)據(jù)采集過程中，利用高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實時采集風速儀、溫度傳感器、壓力傳感器和流量計等測量儀器的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣頻率設置為10Hz，以確保能夠準確捕捉到實驗過程中各種參數(shù)的變化。在每個工況下，持續(xù)采集數(shù)據(jù)30分鐘，以獲取穩(wěn)定的實驗數(shù)據(jù)。為了保證數(shù)據(jù)的準確性和可靠性，在實驗前對所有測量儀器進行了校準，并在實驗過程中定期檢查儀器的工作狀態(tài)。采集到的數(shù)據(jù)首先進行預處理，去除異常值和噪聲。對于明顯偏離正常范圍的數(shù)據(jù)點，通過檢查測量儀器的工作狀態(tài)和實驗操作過程，判斷其是否為異常值。若為異常值，則予以剔除。對于存在噪聲的數(shù)據(jù)，采用濾波算法進行處理，如采用低通濾波器去除高頻噪聲，提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量。數(shù)據(jù)處理方法主要包括數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和相關性分析。在數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方面，計算各參數(shù)的平均值、標準差、最大值和最小值等統(tǒng)計量。通過計算平均值，可以得到各參數(shù)在不同工況下的平均水平；標準差則反映了數(shù)據(jù)的離散程度，用于評估數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。在環(huán)境溫度為25℃、自然風風速為4m/s、機組負荷為某一特定值的工況下，對空冷塔出風口風速進行多次測量，計算得到其平均值為5.2m/s，標準差為0.3m/s，說明該工況下空冷塔出風口風速較為穩(wěn)定。相關性分析用于研究不同參數(shù)之間的相互關系。通過計算相關系數(shù)，判斷各參數(shù)之間的相關性強弱。以循環(huán)水流量和散熱器出口水溫為例，通過計算二者的相關系數(shù)，發(fā)現(xiàn)當循環(huán)水流量增加時，散熱器出口水溫降低，相關系數(shù)為-0.85，表明循環(huán)水流量與散熱器出口水溫之間存在較強的負相關關系。利用圖表直觀展示實驗數(shù)據(jù)，如繪制風速隨高度的變化曲線、溫度沿流動方向的變化曲線、機組背壓隨負荷的變化曲線等。在繪制風速隨高度的變化曲線時，以空冷塔高度為橫坐標，風速為縱坐標，將不同工況下測量得到的風速數(shù)據(jù)繪制在圖上，清晰地展示出風速在空冷塔內(nèi)的分布情況。通過對圖表的分析，可以直觀地了解各參數(shù)在不同工況下的變化趨勢，以及它們之間的相互關系，從而深入研究兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)的運行性能。五、系統(tǒng)運行性能分析5.1流動傳熱特性5.1.1無風工況下的流動與傳熱在無風工況下，兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)主要依靠自然通風產(chǎn)生的驅(qū)動力來實現(xiàn)空氣的流動和熱量的傳遞。自然通風的驅(qū)動力來源于空冷塔內(nèi)外空氣的密度差，這種密度差是由空氣的溫度差異引起的。在系統(tǒng)運行過程中，循環(huán)水在凝汽器中吸收汽輪機排汽的熱量后，溫度升高，然后通過循環(huán)水管道被輸送至空冷塔的散熱器中。在散熱器內(nèi)，循環(huán)水與空氣進行熱量交換，將熱量傳遞給空氣，使空氣溫度升高，密度減小。而空冷塔外的環(huán)境空氣溫度相對較低，密度較大。因此，在密度差的作用下，環(huán)境空氣從空冷塔底部的進風口進入塔內(nèi)，向上流動，經(jīng)過散熱器時吸收循環(huán)水的熱量，溫度進一步升高，密度進一步減小，最終從空冷塔頂部的出風口排出。在空冷塔內(nèi)，空氣的流動呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。由于空冷塔的結構特點，空氣在塔內(nèi)的流動路徑較為復雜。在進風口附近，空氣流速相對較低，隨著空氣向上流動，流速逐漸增大。在散熱器區(qū)域，空氣與循環(huán)水進行強烈的熱量交換，流速會受到一定的影響。由于散熱器的阻力作用，空氣在通過散熱器時，流速會有所降低。但總體上，空氣在空冷塔內(nèi)的流動是一個逐漸加速的過程，這是因為隨著空氣向上流動，塔內(nèi)的空間逐漸增大，空氣的流動阻力減小，同時密度差產(chǎn)生的驅(qū)動力也在不斷推動空氣向上流動。在散熱器內(nèi)，循環(huán)水與空氣之間的傳熱過程主要包括對流換熱和熱傳導。循環(huán)水在散熱器管束內(nèi)流動，通過管壁將熱量傳遞給管束外的空氣。在對流換熱過程中，循環(huán)水的流速、溫度以及空氣的流速、溫度等因素都會影響傳熱系數(shù)。一般來說，循環(huán)水的流速越大，對流換熱系數(shù)越大，傳熱效果越好?？諝獾牧魉僖矔鳠嵯禂?shù)產(chǎn)生影響，適當增加空氣流速可以提高傳熱系數(shù)，但當空氣流速過大時，可能會導致空氣與循環(huán)水之間的接觸時間過短，反而不利于傳熱。熱傳導過程主要發(fā)生在散熱器管束的管壁上，管壁的導熱系數(shù)和厚度會影響熱傳導的效率。采用導熱系數(shù)高、厚度薄的管材可以提高熱傳導效率，增強傳熱效果。通過數(shù)值模擬和實驗研究發(fā)現(xiàn)，在無風工況下，系統(tǒng)內(nèi)的溫度和壓力分布具有一定的特點。在空冷塔內(nèi)，溫度從底部進風口到頂部出風口逐漸升高，壓力則逐漸降低。在散熱器區(qū)域，循環(huán)水的溫度逐漸降低，空氣的溫度逐漸升高。在凝汽器內(nèi)，汽輪機排汽的溫度較高，隨著熱量的傳遞，排汽逐漸冷凝成水，溫度降低，壓力也隨之降低。在某一特定的無風工況下，通過數(shù)值模擬得到空冷塔底部進風口的空氣溫度為25℃，頂部出風口的空氣溫度為40℃；散熱器入口處循環(huán)水的溫度為45℃，出口處循環(huán)水的溫度為35℃；凝汽器內(nèi)汽輪機排汽的壓力為10kPa，凝結水的壓力為0.5kPa。這些溫度和壓力分布數(shù)據(jù)對于深入理解系統(tǒng)的流動傳熱特性具有重要意義。5.1.2有風工況下的流動與傳熱在有風工況下，自然風的存在會對兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)的流場和傳熱產(chǎn)生顯著影響。自然風會改變空冷塔周圍的氣流分布，進而影響空冷塔的進風情況和散熱器的散熱效果。當自然風吹向空冷塔時，在空冷塔的迎風面，空氣受到自然風的阻擋，流速會發(fā)生變化，形成復雜的流場。在迎風面的底部，由于自然風的作用，空氣可能會出現(xiàn)停滯或回流現(xiàn)象，導致進風量減少。而在迎風面的上部，自然風的作用可能會使空氣流速增大，進風量增加。在空冷塔的背風面，由于氣流的繞流作用，會形成一個低壓區(qū)域，可能會吸引部分空氣從空冷塔底部的進風口流出，進一步影響空冷塔的進風。自然風還會影響空冷塔內(nèi)的空氣流動方向和速度分布。在自然風的作用下，空冷塔內(nèi)的空氣流動不再是單純的垂直向上流動，而是會出現(xiàn)一定的傾斜和偏移。這種流動方向的改變會導致空氣在散熱器內(nèi)的流動路徑發(fā)生變化，影響空氣與循環(huán)水的換熱效果。自然風還可能會使空冷塔內(nèi)的空氣流速分布不均勻，部分區(qū)域的空氣流速過高或過低，從而影響系統(tǒng)的整體散熱性能。在傳熱方面，自然風的存在會改變空氣與循環(huán)水之間的傳熱溫差和傳熱系數(shù)。當自然風的風速較低時，自然風可以增強空氣與循環(huán)水之間的換熱，提高傳熱系數(shù)，使散熱效果得到改善。這是因為自然風可以增加空氣的擾動，促進熱量的傳遞。然而，當自然風的風速過高時，情況則相反。過高的風速會導致空氣與循環(huán)水之間的接觸時間過短，傳熱溫差減小，從而降低傳熱系數(shù)，使散熱效果變差。熱風回流現(xiàn)象是有風工況下影響兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)散熱性能的一個重要因素。熱風回流是指空冷系統(tǒng)排出的熱空氣在自然風的作用下，重新回到空冷塔底部或散熱器入口，被再次吸入?yún)⑴c換熱。熱風回流會使進入散熱器的空氣溫度升高，降低空氣與循環(huán)水之間的傳熱溫差，從而嚴重降低散熱器的散熱效果。熱風回流還可能會導致空冷塔內(nèi)的溫度分布不均勻，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。研究表明，當熱風回流率達到一定程度時，如10%-15%，散熱器的散熱能力可降低20%-30%，汽輪機背壓會顯著升高，嚴重影響機組的運行效率。為了深入研究有風工況下自然風對兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)的影響，通過數(shù)值模擬和實驗研究，對不同風速和風向條件下系統(tǒng)的流場和傳熱特性進行了分析。在風速為5m/s、風向與空冷塔軸線成45°夾角的工況下，數(shù)值模擬結果顯示，空冷塔迎風面底部的進風量減少了20%-30%，背風面出現(xiàn)了明顯的氣流漩渦，導致部分區(qū)域的空氣流速過高，而部分區(qū)域的空氣流速過低。實驗結果也表明，在該工況下，散熱器的散熱效果明顯下降，汽輪機背壓升高了3-5kPa。這些研究結果為進一步優(yōu)化系統(tǒng)設計和運行提供了重要依據(jù)。5.2防凍性能5.2.1冬季運行防凍問題分析在冬季運行時，兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)面臨著嚴峻的防凍挑戰(zhàn)。當環(huán)境溫度降低至冰點以下時，系統(tǒng)中的設備，尤其是散熱器，極易發(fā)生凍結現(xiàn)象。一旦散熱器凍結，其內(nèi)部的翅片管會被冰層堵塞，導致循環(huán)水無法正常流通，從而嚴重影響系統(tǒng)的冷卻效果。循環(huán)水的流通受阻會使汽輪機排汽無法及時冷凝，排汽壓力和溫度急劇升高，進而威脅到機組的安全穩(wěn)定運行。嚴重情況下，凍結可能導致散熱器翅片管破裂，造成設備損壞，需要進行停機維修，這將給電廠帶來巨大的經(jīng)濟損失。導致散熱器凍結的原因是多方面的。首先，進入空冷系統(tǒng)的蒸汽流量過小是一個重要因素。在機組低負荷運行或啟動、停機過程中，汽輪機的排汽量減少，進入空冷系統(tǒng)的蒸汽流量相應降低。當蒸汽流量低于一定值時，即使空冷風機全部停運，僅依靠自然通風，散熱器內(nèi)的熱量也無法及時散發(fā)出去，使得散熱器表面溫度迅速下降，容易引發(fā)凍結。在機組啟動初期，蒸汽流量較小，若此時環(huán)境溫度較低，散熱器就很容易出現(xiàn)凍結現(xiàn)象。自然通風條件下，空冷系統(tǒng)內(nèi)空氣流動的不均勻性也是導致散熱器凍結的關鍵原因之一。由于空冷塔的結構特點以及環(huán)境因素的影響，空氣在空冷系統(tǒng)內(nèi)的流動路徑較為復雜，容易出現(xiàn)局部過冷的情況。在空冷島的邊緣區(qū)域或某些特定的部位，空氣流速可能較低，與散熱器的換熱不充分，導致這些區(qū)域的散熱器溫度過低，從而發(fā)生凍結。逆流單元相較于順流單元，由于其蒸汽和空氣的流動方向與順流單元不同，更容易出現(xiàn)局部過冷和凍結現(xiàn)象。此外，空冷島邊緣處的單元由于受到外界環(huán)境的影響較大，也比內(nèi)部單元更容易結冰。系統(tǒng)運行參數(shù)的不合理調(diào)整也可能增加散熱器凍結的風險。在冬季運行時，若百葉窗開度調(diào)節(jié)不當，過多的冷空氣進入散熱器，會使散熱器內(nèi)的溫度迅速降低，增加凍結的可能性。循環(huán)水流量的控制不合理，如流量過小，也會導致散熱器內(nèi)的熱量無法及時帶走，使散熱器溫度下降，引發(fā)凍結。5.2.2防凍措施及效果評估為了有效應對兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)在冬季運行時的防凍問題，通常會采取一系列的防凍措施。這些措施旨在提高系統(tǒng)的抗凍能力，確保系統(tǒng)在低溫環(huán)境下能夠安全穩(wěn)定運行。增加散熱器保溫層厚度是一種常見的防凍措施。通過在散熱器表面包裹保溫材料，如巖棉、聚氨酯泡沫等，可以減少散熱器向外界環(huán)境的熱量散失，提高散熱器的表面溫度，從而降低凍結的風險。以某兩機一塔自然通風空冷系統(tǒng)為例，在增加了50mm厚的巖棉保溫層后，散熱器表面溫度在相同工況下提高了3-5℃，有效降低了凍結的可能性。保溫層的增加還可以減少循環(huán)水的熱量損失，提高系統(tǒng)的熱效率。然而，增加保溫層厚度也會帶來一定的成本增加，包括保溫材料的采購費用和施工安裝費用等。調(diào)整百葉窗開度是一種靈活有效的防凍調(diào)節(jié)手段。在冬季，當環(huán)境溫度較低時，適當減小百葉窗開度，可以減少進入散熱器的冷空氣量，提高散熱器內(nèi)空氣的溫度，防止散熱器凍結。在環(huán)境溫度為-5℃時，將百葉窗開度從全開狀態(tài)調(diào)整為50%，散熱器內(nèi)空氣的溫度可提高5-8℃，有效避免了散熱器的凍結。通過合理調(diào)整百葉窗開度，還可以根據(jù)機組負荷和環(huán)境溫度的變化，靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)的冷卻能力，提高系統(tǒng)的運行效率。但百葉窗開度的調(diào)整需要根據(jù)實際情況進行精確控制，若調(diào)整不當，可能會影響系統(tǒng)的通風量和散熱效果。采用熱風再循環(huán)技術也是一種有效的防凍措施。該技術通過將空冷塔排出的部分熱空氣引回到散熱器入口，與新鮮冷空氣混合后再進入散熱器，從而提高進入散熱器的空氣溫度，防止散熱器凍結。熱風再循環(huán)技術在某兩機一塔自然通風空冷系統(tǒng)中的應用效果顯著，在環(huán)境溫度為-10℃時，采用熱風再循環(huán)后，散熱器入口空氣溫度提高了10-15℃，有效保障了系統(tǒng)的安全運行。熱風再循環(huán)技術還可以提高系統(tǒng)在低負荷工況下的適應性，減少因蒸汽流量小而導致的凍結風險。然而，熱風再循環(huán)技術的實施需要增加相應的設備和管道，如熱風管道、風機等，這會增加系統(tǒng)的投資成本和運行維護成本。為了評估這些防凍措施在不同工況下的效果，通過數(shù)值模擬和實驗研究相結合的方法進行分析。在不同的環(huán)境溫度、風速和機組負荷條件下，對采用不同防凍措施的系統(tǒng)進行模擬和測試，對比分析各措施對散熱器溫度分布、凍結風險以及系統(tǒng)運行性能的影響。在環(huán)境溫度為-15℃、風速為5m/s、機組負荷為50%的工況下，模擬結果顯示，單獨采用增加散熱器保溫層厚度的措施時，散熱器的凍結面積為5%；同時采用增加保溫層厚度和調(diào)整百葉窗開度的措施時，散熱器的凍結面積降低至2%；而采用增加保溫層厚度、調(diào)整百葉窗開度和熱風再循環(huán)技術的綜合措施時，散熱器未出現(xiàn)凍結現(xiàn)象。實驗結果也表明，在相同工況下，采用綜合防凍措施的系統(tǒng)能夠有效地保持散熱器的正常運行，汽輪機排汽壓力和溫度穩(wěn)定，機組運行安全可靠。通過對不同防凍措施在不同工況下的效果評估，可以為兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)的冬季運行提供科學依據(jù)，指導運行人員根據(jù)實際情況選擇合適的防凍措施，確保系統(tǒng)在冬季嚴寒條件下的安全穩(wěn)定運行。5.3變工況運行性能5.3.1機組負荷變化對運行性能的影響機組負荷的變化對兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)的運行性能有著顯著且多方面的影響。當機組負荷發(fā)生改變時，系統(tǒng)內(nèi)的蒸汽參數(shù)、冷卻介質(zhì)流量等關鍵參數(shù)也會隨之發(fā)生變化，進而影響系統(tǒng)的整體運行性能。在機組負荷增加時，汽輪機的進汽量相應增大，進入凝汽器的蒸汽流量也隨之增多。這會導致凝汽器內(nèi)的蒸汽壓力和溫度升高，蒸汽的焓值增大，系統(tǒng)需要散發(fā)的熱量大幅增加。在某兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)中，當機組負荷從50%提升至80%時，進入凝汽器的蒸汽流量從600t/h增加到960t/h，凝汽器內(nèi)的蒸汽壓力從12kPa升高至15kPa，蒸汽溫度從45℃上升到50℃。為了滿足增加的冷卻需求，循環(huán)水的流量和流速需要相應提高，以確保能夠及時帶走蒸汽的熱量。根據(jù)傳熱學原理，循環(huán)水流量的增加會增強其與蒸汽之間的對流換熱，提高傳熱系數(shù)，從而加快熱量的傳遞速度。然而，循環(huán)水流量的增加也會導致循環(huán)水泵的能耗增大，增加廠用電消耗。在該系統(tǒng)中，當循環(huán)水流量增加20%時，循環(huán)水泵的能耗增加了15%-20%。隨著蒸汽流量的增加，空冷塔內(nèi)的空氣流量也需要相應增加，以保證良好的散熱效果。自然通風空冷塔主要依靠塔內(nèi)外空氣的密度差產(chǎn)生的自然通風驅(qū)動力來實現(xiàn)空氣的流動。當機組負荷增加，蒸汽釋放的熱量增多，空冷塔內(nèi)空氣的溫度升高，密度差增大，自然通風驅(qū)動力增強，使得更多的空氣能夠進入空冷塔內(nèi)參與換熱。在實際運行中，為了進一步增加空氣流量，可能需要適當調(diào)整百葉窗的開度，以減小空氣進入空冷塔的阻力。但百葉窗開度的調(diào)整需要謹慎操作，過大的開度可能會導致環(huán)境風對空冷系統(tǒng)的不利影響加劇，如增加熱風回流的風險。機組負荷的變化還會對系統(tǒng)的經(jīng)濟性產(chǎn)生影響。當機組負荷增加時，雖然系統(tǒng)的發(fā)電功率增大，但由于循環(huán)水流量和空氣流量的增加，以及蒸汽參數(shù)的變化，會導致系統(tǒng)的能耗增加。在機組負荷較高時，汽輪機背壓可能會因為冷卻能力的限制而有所升高，這會降低機組的循環(huán)效率，增加發(fā)電煤耗。在某兩機一塔空冷機組中，當機組負荷從70%提升至滿負荷時，汽輪機背壓升高了3-5kPa，發(fā)電煤耗增加了10-15g/kWh。因此，在機組負荷增加時，需要綜合考慮系統(tǒng)的發(fā)電功率和能耗，通過優(yōu)化運行參數(shù)，如合理調(diào)整循環(huán)水流量、空氣流量以及百葉窗開度等，來提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性。相反，當機組負荷降低時，進入凝汽器的蒸汽流量減少，蒸汽壓力和溫度降低，系統(tǒng)的熱負荷減小。在機組負荷從80%降至50%時，蒸汽流量從960t/h減少到600t/h，凝汽器內(nèi)的蒸汽壓力從15kPa降低至12kPa，蒸汽溫度從50℃下降到45℃。此時，循環(huán)水的流量和流速可以相應降低，以減少循環(huán)水泵的能耗。在該系統(tǒng)中，當機組負荷降低30%時，循環(huán)水流量降低了20%，循環(huán)水泵的能耗降低了15%-20%。然而，在低負荷工況下，空冷系統(tǒng)也可能面臨一些問題，如蒸汽流量過小可能導致散熱器內(nèi)的蒸汽流速過低，傳熱系數(shù)下降，影響散熱效果。此外，低負荷運行時，空冷塔內(nèi)的空氣流量也會相應減少，可能導致空氣分布不均勻，部分散熱器的冷卻效果變差。為了保證低負荷工況下系統(tǒng)的正常運行，需要合理調(diào)整空冷系統(tǒng)的運行參數(shù)，如適當減小百葉窗開度，以提高進入散熱器的空氣溫度，防止散熱器凍結。5.3.2環(huán)境條件變化對運行性能的影響環(huán)境條件的變化，尤其是環(huán)境溫度和風速的改變，對兩機一塔大容量自然通風空冷系統(tǒng)的冷卻性能和經(jīng)濟性有著至關重要的影響。環(huán)境溫度的變化會直接影響系統(tǒng)的冷卻性能。當環(huán)境溫度升高時，空冷系統(tǒng)中空氣與循環(huán)水之間的傳熱溫差減小。根據(jù)傳熱學基本原理，傳熱速率與傳熱溫差成正比，因此，傳熱溫差的減小會導致循環(huán)水向空氣傳遞熱量的速率降低，從而使系統(tǒng)的冷卻效果變差。在某兩機一塔