傳統(tǒng)的水冷燃煤發(fā)電機(jī)組的耗水量可高達(dá)4.96 kg / kWh。除了對(duì)環(huán)境的影響外，在過(guò)去的幾十年中，中國(guó)燃煤發(fā)電機(jī)組的快速增長(zhǎng)加劇了水資源短缺。特別是在華北地區(qū)，這里成了世界上最干旱的地區(qū)之一，而新建成的發(fā)電機(jī)組則位于其中。為了克服燃煤發(fā)電機(jī)組增加的剛性需求與缺水之間的矛盾，開(kāi)始采用具有明顯節(jié)水效益的風(fēng)冷冷凝器（ACC）在華北地區(qū)廣泛應(yīng)用。目前，運(yùn)行中的風(fēng)冷燃煤發(fā)電機(jī)組已超過(guò)80 GW，占燃煤發(fā)電機(jī)組總裝機(jī)容量的13％。其中大多數(shù)是300 MW以上的大型直接空冷機(jī)組，包括世界上最大的1000 MW超臨界直接空冷發(fā)電機(jī)組。

圖為600 MW亞臨界發(fā)電機(jī)組風(fēng)冷島的表面壁溫度分布。

由于周圍空氣代替水作為發(fā)電機(jī)組直接空冷式冷凝器中的冷卻介質(zhì)，因此大氣環(huán)境對(duì)機(jī)組性能的影響也很大。另外，與水流相比，空氣流熱容量的減小導(dǎo)致ACC發(fā)電單元的排氣蒸汽壓力的增加。盡管有節(jié)水效益，但與水冷發(fā)電機(jī)組相比，ACC發(fā)電機(jī)組的煤炭消耗將明顯增加。尤其針對(duì)華北地區(qū)的氣候、氣象和環(huán)境，必須考慮一系列問(wèn)題，以確保ACC發(fā)電機(jī)組的安全和高效運(yùn)行。

圖為平行流ACC的外表面溫度分布。

幾乎所有影響因素都可以通過(guò)不同風(fēng)冷式冷凝器的翅片管壁溫度分布反映出來(lái)，這可能是冷凝器性能分析的最重要參數(shù)之一。然而，大面積的風(fēng)冷使得布置足夠的溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)以反映風(fēng)冷冷凝器的管壁溫度分布是不切實(shí)際的。在過(guò)去的十年中，通過(guò)紅外熱成像技術(shù)對(duì)換熱器性能分析進(jìn)行了大量的研究，可以直接獲得換熱器或冷凝器在翅片表面和管壁上的局部傳熱。如今，這種技術(shù)被用來(lái)監(jiān)測(cè)風(fēng)冷冷凝器的整體以及局部表面溫度分布。通過(guò)分析這樣的分布，揭示了周圍環(huán)境，單位電力負(fù)荷的變化和氣候條件對(duì)ACC性能的影響。此外，還對(duì)典型的ACC發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試以獲得實(shí)際結(jié)果。

圖為600 MW超臨界發(fā)電機(jī)組排氣管進(jìn)口段附近ACC的表面溫度分布（發(fā)電負(fù)荷為358.83 MW，環(huán)境溫度為7.74 C）。

通過(guò)紅外熱成像技術(shù)，對(duì)華北地區(qū)典型的直接空冷發(fā)電機(jī)組的風(fēng)冷冷凝器的表面溫度分布進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，分析了冬季和夏季環(huán)境溫度，翅片管束表面結(jié)垢和自然風(fēng)對(duì)ACC機(jī)組性能的影響。總結(jié)為以下5點(diǎn)：

（1）風(fēng)冷島區(qū)的冷凝器表面溫度分布的紅外熱像圖顯示，頂部溫度是整個(gè)風(fēng)冷島中最低的。這意味著這些零件在冬天低溫環(huán)境中很容易凍結(jié)。

圖為600 MW超臨界發(fā)電機(jī)組排氣管末端附近的ACC的表面溫度分布（發(fā)電負(fù)荷為358.83 MW，環(huán)境溫度為7.74 C）。

（2）一些平行流式ACC在頂部附近出現(xiàn)異常的表面溫度分布，由于ACC單元的特定L型結(jié)構(gòu)，冷凝水的耐熱性很小。L型冷凝器中合適的內(nèi)部氣流引導(dǎo)裝置可能有助于改善ACC的其他區(qū)域的熱傳遞。

（3）在蒸汽管道內(nèi)部沒(méi)有導(dǎo)流裝置的情況下，渦流可能會(huì)對(duì)進(jìn)入ACC的蒸汽產(chǎn)生阻力，從而導(dǎo)致尾流在翅片管束內(nèi)部的分布不均勻，并且蒸汽管道入口附近的ACC的熱負(fù)荷較低。另一方面，當(dāng)環(huán)境溫度低于7℃時(shí)，蒸汽管道末端的ACC的溫度分布與相鄰的逆流ACC相似，這意味著ACC島的多余冷卻區(qū)域增加了對(duì)翅片管的威脅。

圖為300 MW亞臨界發(fā)電機(jī)組ACC多排翅片管束的內(nèi)表面溫度分布。

（4）ACC的表面結(jié)垢會(huì)導(dǎo)致表面溫度升高，它會(huì)通過(guò)阻礙散熱片間隙之間的冷卻空氣流以及增加冷凝器的熱阻來(lái)影響發(fā)電裝置的性能。通過(guò)ACC典型區(qū)域中的表面溫度分布，可以發(fā)現(xiàn)易于積垢的區(qū)域。

（5）比較不同環(huán)境風(fēng)中特定位置的ACC的表面溫度分布，表明應(yīng)注意溫和的自然風(fēng)效應(yīng)，該效應(yīng)可能會(huì)受到高架渦旋影響大多數(shù)冷卻區(qū)域，并且應(yīng)注意熱循環(huán)在大自然風(fēng)條件下。頂部渦流和熱循環(huán)都會(huì)降低ACC島的熱容量，進(jìn)而影響發(fā)電機(jī)組的性能。

參考資料：

Zhihua Ge, Xiaoze Du, Lijun Yang, et al. Performance monitoring of direct air-cooled power generating unit with infrared thermography. Applied Thermal Engineering. 31:418-424, 2011.