内蒙古电力设计院直接空冷系统国产化设计的探讨_600mw空冷系统设计
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直接空冷系统国产化设计的探讨
内蒙古电力设计院王志勇
[内容摘要]内蒙电力设计院空冷设计的发展，工程介绍、设计技术的探讨，目前存在的主要问题
[关键词]直接空冷、特点、设计技术、问题
1内蒙电力设计院空冷设计的发展
内蒙电力设计院是我国较早进行电厂空冷机组设计和开展电厂空冷技术研究的电力设计院之一，拥有一定的空冷机组设计经验及一批有经验的设计人员。1989年我院开始进行丰镇电厂4台国产200MW混合式间接空冷机组的国产化设计,经过收资、消化、吸收、研究,到1995年4台国产200MW海勒式间接空冷系统相继建成投产,运行良好。通过该工程设计，我院完全掌握了海勒式间接空冷系统的设计技术。
直接空冷系统国外发展较快，但由于其复杂的技术特点及电厂建设的地域特点，在我国只有部分设计院进行了研究，但均未自行开展空冷岛的设计。自89年我院设计完成国内首台国产化海勒式空冷系统（丰镇电厂）以来；近两年, 作为业主工程师，我院先后完成了乌拉山、准格尔、新丰、锡林浩特等300MW空冷机组电厂的初设、施工图设计，现正进行的工程有上都、丰
三、达
四、和林等600MW空冷机组的初设、施工图设计。近期又与哈空调合作完成了霍林河2X300MW电厂空冷岛的基本设计，通过这些工程与外方及哈空调的设计配合,并进行消化吸收及总结研究，对整个空冷岛的优化、大管道系统、空冷系统支撑钢平台及系统防冻等关键技术都进行了设计研究，使我院对空冷岛的设计有了较大的提高。
2乌拉山电厂三期工程介绍
乌拉山电厂三期工程为2X300MW空冷凝汽式发电机组，是国内第一台全国产化空冷发电机组，该工程汽轮机、锅炉分别为哈尔滨汽轮机厂及哈尔滨锅炉厂设备。热力系统为单元制，七级回热抽汽，给水采用3台50%容量的电动调速给水泵；每台机组上设有一套容量为35%的高、低压两级串联汽轮机旁路系统；其锅炉制粉系统采用中速磨煤机正压直吹冷一次风机制粉系统，每台炉配五台中速磨，四运一备；主厂房采用汽机间、煤仓间、锅炉房的三列式布置，两机建有
12个9m+3个12m柱距。汽轮机排汽采用双排管直接空冷系统，设计背压15KPa，排汽管道直径5.8米，30台风机分6列，设5个截止阀。由哈尔滨空调股份有限公司负责直接空冷系统的供货并提供性能保证。
乌拉山空冷设计工作的主要计算书、说明部分项目如下：
计算书部分：
1)系统的优化计算；
2)系统的热力计算、空气动力计算、水力计算
3)管道应力计算（各种荷载组合情况下，强度、刚度、稳定计算）
4)冷凝汽器平台的三维结构分析计算书、风机桥架振动分析计算书、支柱结构计算书，基础及沉降计算。
5)防雷系统的计算。
说明部分：
1)系统功能描述；
2)设计范围，供应的设备、管道及附件说明；
3)凤影响程度的数模试验和防止热回流的措施；
4)空冷凝汽器平台基本设计说明。
5)仪表和控制系统说明
6)系统运行说明；
7)保温油漆设计说明；
8)直接空冷系统设计范围内完整的设备材料清册以及钢绗架、膨胀伸缩节、隔离阀、真空泵技术规范书；
9)整体ACC平台防雷接地方案说明；
10)隔离阀设置方案的说明。
3直接空冷设计特点
就直接空冷系统的设计而言，关键技术主要是大管道系统、空冷系统支撑钢平台及系统计算等技术；其设计的难点是：没有专门的空冷系统的配套设计软件，数模实验软件、钢平台设计软件、排汽管道设计软件的建模使用缺乏经验及验证，大型钢结构和大管道的设计需要妥善处理工程细节，没有经验数据积累。
针对这些难点，我们通过工程中与外方及中方供货商的设计配合，进行了空冷系统选型和优化设计、空冷凝汽器热力性能和空气动力性能、直接空冷系统排汽管道设计、平台架构设计、直接空冷机组自动控制等技术的研究。目前已基本掌握了空冷系统设计的关键技术，具备了承担空冷岛设计的能力。
在空冷岛设计中主要进行了如下工作；
3.1直接空冷系统与间接空冷系统的比较
首先进行了直接空冷系统与间接空冷系统的比较；根据我院对空冷系统的概算，表面间接空冷系统的初投资比直接空冷系统增加25%以上，根据我院对空冷系统优化计算的结果，表面间接空冷系统的运行背压低于直接空冷系统、系统运行电耗也低于直接空冷系统；在电厂经济运行年限内（25年），两方案年总费用基本相同。间接空冷系统与直接空冷系统各有利弊，但总体来说直冷系统简单、占地面积少、厂区布置紧凑，防冻措施多，易于冬季安全运行，但直冷主厂房与空冷道的布置受风向的影响，使厂区总布置受到一定限制。从目前市场价格分析直冷系统初投资低于间冷，综合经济效益基本相同。考虑到各种因素，近期工程均采用了直接空冷系统。
3.2空冷系统的优化和对主要设计参数的选用
在工程初步设计阶段我院对空冷系统进行优化计算，计算方法采用“年总费用最小法”，即根据厂区条件、气象条件和机组设计性能曲线，初选出可以实施的不同冷却面积方案，对不同冷却面积方案渡夏能力进行热力计算，并根据典型年气象条件计算各方案年微增功率年运行费用和确定设计气温、夏季满发气温对应的汽机背压。
综合经济性按动态经济方法分析，即初投资按等额均摊到机组的经济使用年限内，得到年固定费用，再计算出各方案的年微增电量、年运行费用等，将各费用相加，即计算出年总费用，以确定既能满足渡夏能力、综合经济性又是最佳的方案。并根据典行年气象条件计算的设计气温、夏季满发气温对应的汽机背压参数。
3.3排汽管道设计
排气管道管径大（直径6米左右）、管件刚度相对较小、稳定性差，承受负压、风载、雪载、地震、推力等复杂工况，管内输送饱和蒸汽和部分凝结水两相
流体，在设计方法上与以往管道的杆系模型差异很大。所以在空冷管线的应力分析和强度设计的基本准则、要求和步骤上也有其特殊性。
排汽管道的设计计算包括了排汽管道材料的选择、管径及壁厚选择计算、强度计算、补偿器的选择、加固肋布置和选型计算、管道应力及推力计算、柔性计算、支吊架荷载分配等。
在进行荷载计算时，考虑了管道、管件、阀门、补偿器自重等持续荷载，以及温度荷载和地震荷载，管道支架与排汽装置基础之间的差异沉降，管道室外部分还考虑了风荷载、雪荷载等偶然荷载。
由于排汽管道流速较高，在设计中充分考虑了减少振动、压损、噪音和真空泄漏量的措施。细致调整了各支吊架的荷载，以适应各种工况。排汽管道作用在排汽装置出口处的推力和力矩值（空载、运行、最大和地震状态）满足了汽机厂对排汽装置出口处端点受力值的限制要求。
在计算方法上，对于排汽管道的分析采用整体有限元分析较为准确，但计算及调整和分析工作量极大，所以，较简洁的方法是交互用管道应力计算程序对管道进行应力分析，用有限元软件对重要部位进行有限元分析。但为了稳妥起见，在目前已开展的项目中，还是采用了整体有限元分析进行计算；但在进行整体有限元分析的同时，对个别工程也采用管道应力计算程序进行了对比分析计算。
在采用管道应力计算程序进行的对比分析计算中，由于空冷管线同时具有大直径管道系统和压力容器的特征，按照管道或按容器分别进行设计。管道计算内容包括
支吊架形式和载荷的确定
弹簧形式的选择和载荷的确定
波纹管补偿器的初步选择计算
进行管道内压的设计和校核
管道一次应力和二次应力的计算
管系在不同工况下的应力、管口推力调整
管系的地震工况分析和模态分析
管系的风载、雪载工况分析
由于大管道的壁厚管径比已超出规范的范围，因此，三通，弯头、大小头等管件要采用有限元分析软件计算其应力增强系数和柔性系数，之后再返回管道应
力分析程序，修正应力增强系数，重新计算。
对于管道（按容器）的外压分析；按GB150或ASME 规范，进行管道外压的设计和校核、加固肋布置和选型计算。
设计中对空冷管道的各个重要的局部采用有限元程序进行详细应力分析。包括：压力平衡式波纹管补偿器支撑部位的局部应力分析，弹簧支架、滑动支架、鞍座与管系连接处的详细应力分析，导流板处的局部应力分析，考虑自重、温度、压力、风载、地震等载荷和相应的边界条件及各种荷载组合情况下，强度、刚度、稳定的计算。
3.4空冷系统的拟定
按各空冷供货商的要求均为2小时内达到防冻流量即可，根据防冻流量确定隔离阀数量及伴热管道要求，根据水力计算确定大管道管径，根据热力计算及流量确定加热蒸汽、抽真空管道、凝结水、疏水管道的管径。
关于空冷系统补水，直接空冷机组有补水补至凝结水箱除氧头上、汽轮机排气装置出口和补到蒸汽分配管上。GEA公司倾向于补水补到蒸汽分配管上，并在工程中多次使用，运行效果良好（除氧和腐蚀性能）。斯必克和哈空调认为补水补到蒸汽分配管上会影响空冷器的散热效果。几种方式在我院工程中都有用到，由于直接空冷机组投产时间短，那种补水方式好，还需要待ACC长期运行考验。
3.5管道内流体特性和阻力特性
对排汽管道内的流体特性用有限元软件进行数学模型模拟，以分析确定真空状态下，排汽两相流的特性，分析弯头、三通处导流板的影响，以最终保证气流分配均匀，控制管道阻力，保证凝汽器背压。当然，就大管道而言，基本是均相流，阻力占的比例较小，阻力主要还在空冷器上。
3.6 空冷器支撑钢结构
支撑结构上部为交叉钢桁架，下部为大直径钢筋混凝土空心管柱。其特点是结构跨度大、高度大、上部设备重量大、支架结构悬挑长度大、构造连接复杂、工作荷载和环境作用（地震、风荷载等）影响复杂。我院进行的空冷道岛设计工程，空冷岛钢结构平台结构形式有两种，其一是由焊接异型钢杆件和热轧H形杆件组合而成的空间刚性骨架；其二是采用空间刚桁架结构，这是由结构形式决定的，也和计算选取的荷载及荷载组合有关。通过这些工程，已基本掌握了大型空冷平台的设计技术，解决了平台结构设计中诸如荷载取值和荷载组合、地震作用、风
机桥架振动分析、支柱结构、基础及沉降计算等技术问题。
3.7风影响程度的数模试验和防止热回流的措施；
为了评估风和空气受热对整个ACC系统性能的影响，将厂房、空冷平台、风机、热交换器、电机和支撑/格栅等均建立模型，用有限元软件对炉后方向强风的影响及加挡风墙和在空冷岛前加顶棚以防止热回流进行了数学模拟。4存在问题
直接空冷设计开展的时间较短，设计的经验较少，缺乏设计导则，设计中涉及到的规范、方法不统一，对一些经验数据的选用依据不足，都会造成评价和设计的偏差，因此，急需讨论编制相应的设计导则和规定，以指导这部分设计，推进其设计的国产化进程。
近年来各兄弟设计院也都进行了大量的工作，望大家共同努力，扩大交流，以提高可靠性和效率,共同发展我国的空冷设计。
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