红外热像仪监测华北地区风冷冷凝器发电机组性能

传统的水冷燃煤发电机组的耗水量可高达4.96 kg / kWh。除了对环境的影响外，在过去的几十年中，中国燃煤发电机组的快速增长加剧了水资源短缺。特别是在华北地区，这里成了世界上最干旱的地区之一，而新建成的发电机组则位于其中。为了克服燃煤发电机组增加的刚性需求与缺水之间的矛盾，开始采用具有明显节水效益的风冷冷凝器（ACC）在华北地区广泛应用。目前，运行中的风冷燃煤发电机组已超过80 GW，占燃煤发电机组总装机容量的13％。其中大多数是300 MW以上的大型直接空冷机组，包括世界上最大的1000 MW超临界直接空冷发电机组。

图为600 MW亚临界发电机组风冷岛的表面壁温度分布。

由于周围空气代替水作为发电机组直接空冷式冷凝器中的冷却介质，因此大气环境对机组性能的影响也很大。另外，与水流相比，空气流热容量的减小导致ACC发电单元的排气蒸汽压力的增加。尽管有节水效益，但与水冷发电机组相比，ACC发电机组的煤炭消耗将明显增加。尤其针对华北地区的气候、气象和环境，必须考虑一系列问题，以确保ACC发电机组的安全和高效运行。

图为平行流ACC的外表面温度分布。

几乎所有影响因素都可以通过不同风冷式冷凝器的翅片管壁温度分布反映出来，这可能是冷凝器性能分析的最重要参数之一。然而，大面积的风冷使得布置足够的温度监测点以反映风冷冷凝器的管壁温度分布是不切实际的。在过去的十年中，通过红外热成像技术对换热器性能分析进行了大量的研究，可以直接获得换热器或冷凝器在翅片表面和管壁上的局部传热。如今，这种技术被用来监测风冷冷凝器的整体以及局部表面温度分布。通过分析这样的分布，揭示了周围环境，单位电力负荷的变化和气候条件对ACC性能的影响。此外，还对典型的ACC发电机组进行了现场测试以获得实际结果。

图为600 MW超临界发电机组排气管进口段附近ACC的表面温度分布（发电负荷为358.83 MW，环境温度为7.74 C）。

通过红外热成像技术，对华北地区典型的直接空冷发电机组的风冷冷凝器的表面温度分布进行了监测。根据监测结果，分析了冬季和夏季环境温度，翅片管束表面结垢和自然风对ACC机组性能的影响。总结为以下5点：

（1）风冷岛区的冷凝器表面温度分布的红外热像图显示，顶部温度是整个风冷岛中最低的。这意味着这些零件在冬天低温环境中很容易冻结。

图为600 MW超临界发电机组排气管末端附近的ACC的表面温度分布（发电负荷为358.83 MW，环境温度为7.74 C）。

（2）一些平行流式ACC在顶部附近出现异常的表面温度分布，由于ACC单元的特定L型结构，冷凝水的耐热性很小。L型冷凝器中合适的内部气流引导装置可能有助于改善ACC的其他区域的热传递。

（3）在蒸汽管道内部没有导流装置的情况下，涡流可能会对进入ACC的蒸汽产生阻力，从而导致尾流在翅片管束内部的分布不均匀，并且蒸汽管道入口附近的ACC的热负荷较低。另一方面，当环境温度低于7℃时，蒸汽管道末端的ACC的温度分布与相邻的逆流ACC相似，这意味着ACC岛的多余冷却区域增加了对翅片管的威胁。

图为300 MW亚临界发电机组ACC多排翅片管束的内表面温度分布。

（4）ACC的表面结垢会导致表面温度升高，它会通过阻碍散热片间隙之间的冷却空气流以及增加冷凝器的热阻来影响发电装置的性能。通过ACC典型区域中的表面温度分布，可以发现易于积垢的区域。

（5）比较不同环境风中特定位置的ACC的表面温度分布，表明应注意温和的自然风效应，该效应可能会受到高架涡旋影响大多数冷却区域，并且应注意热循环在大自然风条件下。顶部涡流和热循环都会降低ACC岛的热容量，进而影响发电机组的性能。

参考资料：

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.