CN101430168A - 提高电站直接空冷系统的冷却能力的方法及冷却系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于发电技术领域，涉及一种提高电站直接空冷系统的冷却能力的方法，以及一种电站直接空冷系统的冷却系统。本发明由冷却系统中的变压器接入电网电压，向电机输出电压，使其工作电压达到380－390V；由冷却系统中的变频器向电机输出40－47HZ频率；工作在380－390V电压和40－47HZ频率下的电机通过减速机按照设定的速比带动风机转动，转动的风机迎面向散热器输送冷却风。本发明一方面保证电机能够将能力最大输出；另一方面将电机输出的扭矩高效地传递给风机。本发明将电机输出扭矩提高20％以上，将风机调节范围扩大30％以上，极大地提高了直接空冷系统的冷却能力。可广泛应用于现有直接空冷机组的改造，或新电站直接空冷系统的设计。

Description

提高电站直接空冷系统的冷却能力的方法及冷却系统
技术领域：
本发明属于发电技术领域，涉及电站直接空冷系统，尤其涉及一种提高电站直接空冷系统的冷却能力的方法，以及一种电站直接空冷系统的冷却系统。
背景技术：
冷却系统是电力生产过程中的一个重要环节，做过功的汽轮机乏汽需要在凝汽器中冷却凝结，然后重新开始循环。
电站的冷却系统分为水冷和空冷两种方式，两者的主要区别在于冷却系统，采用空冷系统的发电机组是以环境空气而不是以水作为汽轮机排汽的冷却介质。
电站空冷系统包括两大类，一是间接空冷系统，又可以分为混合式空气冷却系统和表面式空气冷却系统；在间接空冷系统中，从汽轮机表面式凝汽器来的冷却水在冷却塔中得到冷却。二是直接空冷系统(ACC)，直接空冷是汽轮机的排汽直接用空气来冷却，空气与蒸气间进行热交换。
直接空冷系统有效地解决了富煤贫水的矛盾，代表了未来空冷系统的发展方向(参见Tawney R，Khan Z，Zachary J.Economic and performance evaluation of heatsink options in combined cycle applications[A].proceeding of Turbo Expo[C].ASME/IGTI Turbo Expo，Atlanta，Georgia，UAS，2003)。
世界上第一台1500KW直接空冷机组于1938年在德国一个坑口电站投运。目前，直接空冷技术德国和美国居于领先地位，现有的直接空冷系统包括德国的单排管、双排管系统，美国的单排管、三排管系统。
采用直接空冷系统的电站运行原理如图1所示，泵将水送至锅炉，通过燃烧燃料(煤、油、天燃气或煤气等)将水加热到过热状态，用管道将过热蒸汽送至汽轮机，由汽轮机带动发电机发电。做完功的蒸汽压力和温度降低到5Kpa(千帕斯卡)～50KPa、30～38℃，由管道输送到直接空冷散热器内，在散热器内由冷却风机由下向上流动的空气将蒸汽的热量带走，将蒸汽冷却成水，冷却后的水经收集后再由泵被送至锅炉加热，形成循环。
我国近年来也从国外引进了该技术，应用于发电行业。比如大同第二发电厂(2×600MW(1000千瓦)机组)引进德国的单排管直接空冷系统，大同云冈发电厂(2×200MW机组)引进德国的双排管直接空冷系统系统，和榆社发电厂(2×300MW机组)引进的美国三排管直接空冷系统。
目前，在国内已经运行的直接空冷发电机组已经超过百台，而且，都是大型机组(单机300MW以上)。直接空冷发电机组的装机容量与间接空冷发电机组的装机容量之比已超过9:1。
直接空冷系统中的核心部分在于风机冷却系统，如图2所示，风机冷却系统的核心设备有：变压器、变频器、电缆、变频电机、减速机和风机。变压器、变频器、电缆为变频电机提供了需要的电源，再由电机驱动减速机，减速机带动风机旋转，推动空气由下向上流动，流动的空气经过散热器时，形成对流换热，将蒸汽的热量带走，实现蒸汽被冷却的目的。
直接空冷系统在国内尚处于起步阶段，在设计和运行上均缺乏经验。电厂业主更关注的是空冷系统的安全性，而非空冷系统设计优化的经济性(请参见中国工控网2008年11月10日发布的《电站空冷系统简介》)。大型电站空冷系统自主设计和自主成套已成为我国重大技术装备国产化的重要工作之一。
在温度最高的夏季，为保证机组的正常运行，使散热系统中的凝汽器压力维持在正常的水平，就需要提高环境空气和汽轮机排汽之间的传热能力。提高散热器的散热能力，最有效的方法就是提高冷却空气的流速，即提高空冷散热器的迎面风速，这就需要提高风机的转速(请参见“直接空冷机组空冷系统运行问题分析及对策”，杨立军，杜小泽，杨勇平，刘登瀛，郭跃年，《现代电力》第23卷第2期，2006年4月)。
如图2所示，现有的电站直接空冷系统的风机冷却系统在达到最大输出能力时的运行参数为：
变压器接入电压(a)：6KV(千伏)或10KV，输出电压为380V(伏)；
变频器输出频率(d)：55HZ(赫兹)；
电机工作频率频率(f)：55HZ；
减速机速比(g)：55HZ时电机的转速/110％风机额定转速。
但普遍存在的现象是夏季高温时，直接空冷系统出力和效率远达不到设计要求，严重影响了电厂经济效益。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种提高电站直接空冷系统的冷却能力的方法。
本发明的另一目的在于提供一种电站直接空冷系统的冷却系统。
本发明的方法，其步骤包括：
1.由冷却系统中的变压器接入电网电压，向电机输出电压，使其工作电压达到380-390V；
2.由冷却系统中的变频器向电机输出40-47HZ频率；
3.工作在380-390V电压和40-47HZ频率下的电机通过减速机按照设定的速比带动风机转动；
4.转动的风机迎面向散热器输送冷却风。
本发明在变频器与电机之间设置输出电抗器，抑制谐波对电机的干扰。
本发明还在变压器和变频器之间设置输入电抗器，抑制谐波对电网的干扰。
减速机的速比为电机在40-47HZ频率下的转速/110-130％风机额定转速。
所述输入电抗器压降范围在1％-5％之间；所述输出电抗器电感值在30-50μH之间。
所述变压器接入电网的10KV或6KV电压，转换成400V电压；所述输入电抗器接入上述400V电压，输出395-398V电压给变频器；变频器运行于40-47HZ频率，输出395-398V电压给输出电抗器；接入上述395-398V电压的输出电抗器通过电缆输出385-395V电压；电机运行于380-390V电压和40-47HZ频率。
冷却系统各设备的长期工作耐压分别为：变压器：420V；变频器：480V；电机：400V。
本发明的冷却系统，包括通过电缆电连接的变压器，变频器、电机、减速器和风机，其中变压器接入电网电压，通过变频器向电机输出电压，变频器向电机输出频率，所述电机输入端电压380-390V，接入的频率为40-47HZ。
上述系统还包括设置于变频器和电机之间的输出电抗器。
还包括设置于变压器与变频器之间的输入电抗器。
所述减速机的速比为电机在40-47HZ频率下的转速/110-130％风机额定转速。
所述输入电抗器压降范围在1％-5％之间；所述输出电抗器电感值在30-50μH之间。
所述变压器为干式变压器。
如图3所示，系统的冷却能力直接与风速有关，图中表示的是散热器风速与换热系数K和散热器压力降的关系曲线，从图中可以看出，K是随着风速的增加而增加的，也就是说，风速越大，换热性能越好。
提高风机转速理论上可以通过提高电机转速来实现，即通过变频器无限地提高电机转速来提高风机转速。但受电机特性的限制，电机在50HZ是特性的转折点，在该值以下是恒力矩输出，在该值以上就是恒功率输出了。因此，用改变电机转速来提高风机转速的办法在50HZ以上就不可行了。
由于电机存在制造误差、设计误差等因素，上述理论数据与实际电机特性还有一定的距离。如图4所示为实际电机在实际负载情况下的性能曲线，可以看出，实际工作的电机在47HZ左右时就已经达到性能转变的临界点了。从该曲线可知，在47HZ以下，随着电机转速的提高，可以实现输出功率的增加，在47HZ以上，不论如何增加电机转速，都不会增加输出力矩了。
在上述前提下为提高风速，一是如何保证电机能够将能力最大输出；二是如何将电机输出的扭矩高效地传递给风机。
电机的输出扭矩为：TN＝9550*PN/nN；其中TN：扭矩；PN：电机功率；nN：电机转速；PN＝3U1*I1*cosθ＝(nN*TN)/9550，其中U1：电机输入电压；I1：电机输入电流；θ：相位角。
由上述可见，当电机输入电压一定时，改变输入电流将改变电机输出功率(同时也改变了输出扭矩)。同样，当电机输入电流一定时，改变输入电压也将改变电机输出功率(同时也改变了输出扭矩)。但是，在实际应用中，电压的改变直接影响到电流的变化。
因此，在实际工程中，如果能够保证电机输入电压，就基本上为电机输出能力提供了保障。
现有的电站直接空冷系统的风机冷却系统在达到最大输出能力时的运行参数为：变压器接入电压(a)：6KV或10KV，输出电压为380V；变频器输出频率(d)：55HZ；电机工作频率频率(f)：55HZ。
从图5可以看出，通过实际工作的电机工作参数的测量和实验室试验数据分析，电机是没有在55HZ时达到设计的额定电压380KV的。当电动机在大约40-47HZ(为统计数据)工作时，获得的电压最大，但是，仅仅为额定电压的90～95％。而且，发生改变的不仅仅是电动机的工作电压，电动机的工作点也发生了改变，从55HZ变到了40-47HZ(为统计数据)左右。因此，为使电动机输出能力获得很好的发挥，必须根据实际情况重新确定电动机的工作点，并为电动机正常工作电压提供保证。
通过实际测量，系统中的电压降低主要发生在电抗器、电缆两个地方。图6为变频器输出电压曲线，通过图5与图6的比较可以证明，电压降主要发生在电抗器和电缆两个地方。
因为压降原因，各部件设备实际的工作参数为：
变压器接入电压(a)：6KV或10KV
输入电抗器输入端电压(b)：380V；
变频器输入端电压(c)：370-375V；
变频器输出端电压及频率(d)：370-375V、55HZ；
输出电抗器输入端电压及频率(e)：370-375V、55HZ；
电机输入端电压及频率(f)：360-365V、55HZ。
另一方面，电机的输出扭矩与电源频率的关系如图4所示，当电源在55HZ时，电机将损失20％以上的输出扭矩，严重影响了整个系统的出力。
本发明考虑上述因素，提高变压器的输出电压，将其由现有的380V提高到400V，这样，即便有压降因素的存在，电机的输入端电压仍可达到380-390V。
本发明还根据电机输出扭矩与电源频率的关系，将变频器的输出频率由原来的55HZ降低到40-47HZ，使电极工作在能达到最大输出扭矩和工作电压的范围内。
有了可靠的电机输出能力做保证，下一步目标就是将电机的输出能力有效地传递给风机。因为为将系统的输出力矩放大，在系统中设置了减速机，减速机的速比选取直接影响了风机能力的发挥。
风机风速的大小，是由风机的鼓风量来决定的。为了提高风机风速，必须提高风机的风量。
风机的风量为：Q＝K*n，其中Q：风量；K：比例常数；n：风机转速。
风机的轴功率为：P＝D*n3＝(nN*TN)/9550，其中P：风机轴功率；D：比例常数。
从上面两个计算公式可以看出，在其它条件不变的前提下，改变风机的转速可以提高风机的流量，但是，风机需要的轴功率也需要提高。
此时，风机与电机的功率匹配关系为：
P＝PN*η电机*η减速机，其中η电机：电机效率；η减速机：减速机效率。
电机转速与风机的转速关系应该满足的关系为：n1＝λ*n2，其中n1：电机转速；n2：风机转速；λ：减速机速比。
由于系统在能量传递过程中是遵照能量守恒的原理进行的，因此，无论电机和风机之间存在什么，电机的输出功率和风机输入轴功率之间在忽略传递效率后都存在如下关系：
PN：＝P，其中PN：电机输出功率。
在上述基础上，就有：(n1*T1)/9550＝(n*T)/9550，其中T1：电机输出能力点力矩；n1：电机转速；T：风机输入力矩。
由此得：λ＝n1/n＝T1/T＝n1*K/Q。
从上述可以看出，减速机在系统中起到了力矩放大的作用，放大系数就是减速机的速比。
考虑到希望风机工作在预定设计的理想状态下，减速机的速比理论上为电机最大输出能力时的转速/风机最大风量时的转速，现有系统选用的实际速比为电机额定转速/110％风机额定转速，也就是电机工作在55HZ时的转速与110％风机额定转速之比。
如图4所示，当电源在55HZ时，电机将损失20％以上的输出扭矩，严重影响了整个系统的出力。导致现有系统采用的减速机的速比严重降低了电机输出能力传递给风机的效率，电机产生空转现象，而无法有效带动风机。
另一方面，选取风机在110％额定转速没有考虑到风机的裕量。在考虑到自然风的影响后，为增强冷却风能够抵抗横切风的影响，速比还应再降低一些。
因此，本发明考虑到风机裕量和环境风的影响，选用的速比为电机工作在40-47HZ时的转速/110％-130％风机额定转速，具体数值因环境风的大小而定。
本发明与现有技术的冷却系统可以通过表2所示的运行参数和所达到的效果来进行对比。
表2 本发明与现有技术在达到最大输出能力时的对比一览表
 
本发明 现有技术
变压范围 10KV或6KV～400V 10KV或6KV～380V
输入电抗器输入端电压 400V 380V
变频器工作频率 40～47HZ 55HZ
变频器输入端电压 395～398V 370～375V
输出电抗器输入端电压 395～398V 370～375V
电机频率 40～47HZ 55HZ
电机输入端电压 380～390V 360～365V
减速机速比 40～47HZ电机转速/110-130％风机额定转速 55HZ电机转速/110％风机额定转速
电机输出扭矩 提高20％以上 不能达到最大输出
风机调节范围 扩大了30％以上 小
附图说明：
图1直接空冷系统结构图
图2直接空冷系统冷却系统构成图
图3散热器风速与换热系数K和散热器压力降的关系示意图
图4电机输出扭矩与频率关系示意图
图5电机电压与频率关系示意图
图6变频器电压与频率关系示意图
具体实施方式：
本发明用于改造夏季高温时出力达不到设计要求的直接空冷系统的冷却系统，也适合新建直接空冷电站的设计。
影响直接空冷换热效果的主要因素为风机吹向散热器的迎面风速。迎面风速是系统面积计算的一个关键参数，理论表明，一台300MW机组，迎面风速提高0.1米/秒，可以将换热面积减少大约一万平方米。
本发明的直接空冷系统的冷却系统如图2所示，包含了下列设备，变压器，变频器，电机，减速机和风机，图中所示的抗电器是为了抑制谐波对电机和电网的干扰而设置的，可以不设，也可以替换为滤波器。
如图2所示，电源从高电压(10KV或6KV)经由变压器降至400V，经由变频器实现调频供电到电机，再由电机驱动减速机，减速机带动风机旋转为系统提供冷却空气。
变压器通常选用干式，高压端电压通常设计为10KV或6KV，低压端为400V(低压端的具体数值已使电机的工作电压达到380-390V为准，400V是考虑到经统计后的系统压降而选用的数值)。
对于现有系统，需要将变压器输出电压调整到400V，这通过调整高压端的接线开关来完成。
对于现有系统的变压器的调整过程如下：
1.变压器投入运行前，根据变压器铭牌和分接指示牌将分接片调整到合适位置。
2.无激磁调压的变压器，在完全脱离电网(高、低压侧均断开)的情况下，用户根据当时电网电压的高低按分接位置进行三相同时调节。
3.有载调压变压器，通过自动控制器或电动、手动操作来改变线圈匝数。
对于变频器，根据现有的标准，通过电机的轴功率，对减速机效率、电机效率、电机温度降容系数、长电缆降容系数、输出电抗器降容系数、谐波降容系数、变频器温度降容系数折算到变频器输入侧计算出变频器容量。变频器向电机输出40-47HZ频率。
输入电抗器一般选择压降范围为1-5％的电抗器，使抑制谐波对电网的干扰程度保持在国家标准范围内。
输出电抗器选用电感值在30-50μH之间的电抗器，有效抑制谐波对电机的干扰。
在达到最大输出能力时，电机的工作电压在380-390V，工作频率在40-47HZ。
因此，减速机的速比应设为电机在40-47HZ时的转速/110％风机额定转速。
考虑到环境中横切风的影响，风机的流量裕量不应低于30％，减速机的速比应设为电机在40-47HZ时的转速/110-130％风机额定转速，具体数值根据环境风的大小来设定。
为保证本发明系统的安全稳定运行，冷却系统各设备的长期工作耐压可以分别设置为：变压器：420V；变频器：480V；电机：400V。
本发明的冷却系统的一个实际运行实例为：变压器接入电网的6KV电压，转换成400V电压；所述输入电抗器接入上述400V电压，输出395V电压给变频器；变频器运行于42HZ频率，输出395V电压给输出电抗器；接入上述395V电压的输出电抗器通过电缆输出380V电压；电机运行于380V电压和42HZ频率。环境风速在2米/秒左右，减速机按照电机在42HZ时的转速/115％风机额定转速的速比带动风机，迎面吹向散热器，此时，风速提高8％。
本发明的另一实际运行的系统变压器接入电网的6KV电压，转换成400V电压；所述输入电抗器接入上述400V电压，输出396V电压给变频器；变频器运行于40HZ频率，输出396V电压给输出电抗器；接入上述396V电压的输出电抗器通过电缆输出382V电压；电机运行于382V电压和40HZ频率。环境风速在1米/秒左右，减速机按照电机在40HZ时的转速/110％风机额定转速的速比带动风机，迎面吹向散热器，此时，风速提高12％。
本发明的另一实际运行的系统变压器接入电网的10KV电压，转换成400V电压；所述输入电抗器接入上述400V电压，输出398V电压给变频器；变频器运行于47HZ频率，输出398V电压给输出电抗器；接入上述398V电压的输出电抗器通过电缆输出390V电压；电机运行于390V电压和40HZ频率。环境风速在6米/秒左右，减速机按照电机在47HZ时的转速/130％风机额定转速的速比带动风机，迎面吹向散热器，此时，风速提高14％。
本发明的系统在一台300MW直接空冷机组夏季高气温时，在有额定负荷的前提下将有30％发电量量损失，用上述方法能避免电量损失90MW/H。

Claims (16)

1.一种提高电站直接空冷系统的冷却能力的方法，其步骤包括。
1)由冷却系统中的变压器接入电网电压，向电机输出电压，使其工作电压达到380-390V；
2)由冷却系统中的变频器向电机输出40-47HZ频率；
3)工作在380-390V电压和40-47HZ频率下的电机通过减速机按照设定的速比带动风机转动；
4)转动的风机迎面向散热器输送冷却风。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于在所述变频器与所述电机之间设置输出电抗器，抑制谐波对电机的干扰。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述输出电抗器电感值在30-50μH之间。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于在所述变压器和所述变频器之间设置输入电抗器，抑制谐波对电网的干扰。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于所述输入电抗器压降范围在1％-5％之间。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述减速机的所述速比为所述电机在40-47HZ频率下的转速/110-130％所述风机额定转速。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于所述变压器接入电网的10KV或6KV电压，转换成400V电压；所述输入电抗器接入上述400V电压，输出395-398V电压给变频器；变频器运行于40-47HZ频率，输出395-398V电压给输出电抗器；接入上述395-398V电压的输出电抗器通过电缆输出385-395V电压；电机运行于380-390V电压和40-47HZ频率。
8.如权利要求1-7任一所述的方法，其特征在于所述变压器工作耐压为420V；所述变频器工作耐压为480V；所述电机工作耐压为400V。
9.一种电站直接空冷系统的冷却系统，包括通过电缆电连接的变压器，变频器、电机、减速器和风机，其中变压器接入电网电压，通过变频器向电机输出电压，变频器向电机输出频率，其特征在于所述电机输入端电压为380-390V，接入变频器的频率为40-47HZ。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于还包括设置于所述变频器和所述电机之间的输出电抗器。
11.如权利要求10所述的系统，其特征在于所述输出电抗器电感值在30-50μH之间。
12.如权利要求10所述的系统，其特征在于还包括设置于所述变压器与所述变频器之间的输入电抗器。
13.如权利要求12所述的系统，其特征在于所述输入电抗器压降范围在1％-5％之间。
14.如权利要求9所述的系统，其特征在于所述减速机的速比为电机在40-47HZ频率下的转速/110-130％风机额定转速。
15.如权利要求9-14任一所述的系统，其特征在于所述变压器工作耐压为420V；所述变频器工作耐压为480V；所述电机工作耐压为400V。
16.如权利要求15所述的系统，其特征在于所述变压器为干式变压器。
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