直接空冷機(jī)組噴淋冷卻系統(tǒng)的數(shù)值模擬和性能分析

石維柱, 安連鎖, 張學(xué)鐳, 范志強(qiáng)

(華北電力大學(xué)電站設(shè)備監(jiān)測與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,保定071003)

我國是一個(gè)煤炭資源和水資源分布極不均勻的國家,火力發(fā)電受煤炭資源和水資源雙重制約的矛盾日益突出.直接空冷機(jī)組是解決富煤貧水矛盾的有效措施之一,近幾年來得到了迅速發(fā)展.

直接空冷機(jī)組背壓高,特別是在夏季,由于氣溫高,直接空冷機(jī)組背壓最高能達(dá)到45～50 kPa[1],不同程度地出現(xiàn)了由于運(yùn)行背壓高而只能對機(jī)組采取限負(fù)荷運(yùn)行.一般將機(jī)組負(fù)荷限制在10%～20%的額定出力,嚴(yán)重制約了空冷機(jī)組夏季的經(jīng)濟(jì)性和安全性[2-4].為此,在許多直接空冷機(jī)組上均加裝了噴淋冷卻系統(tǒng),以改善空冷機(jī)組散熱器的散熱,提高機(jī)組的出力.例如,在烏拉特發(fā)電廠5號機(jī)組上安裝了噴淋冷卻系統(tǒng)后,在7～9月,其平均排汽壓力由46 kPa降至37 kPa,年創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益200多萬元;又如在神華陽光神木發(fā)電有限責(zé)任公司的6號機(jī)組上安裝噴淋冷卻系統(tǒng)后,在負(fù)荷不變的情況下,機(jī)組的真空提高了8.8 kPa.

噴淋冷卻系統(tǒng)的工作原理有兩種:一種是蒸發(fā)冷卻,原理是將霧化的除鹽水直接噴在換熱器表面,利用水氣化吸熱降低換熱器表面溫度,從而增強(qiáng)換熱器的換熱效果;另一種是噴霧冷卻,原理是將霧化的除鹽水噴在冷卻風(fēng)機(jī)的出口或入口,利用水氣化吸熱降低換熱器周圍空氣的溫度,達(dá)到降低機(jī)組背壓的目的.兩種冷卻原理最大的區(qū)別是除鹽水用量:一般,噴霧冷卻除鹽水的耗用量是蒸發(fā)冷卻的幾倍.這兩種噴淋冷卻的原理對噴嘴的霧化效果、噴嘴的位置選取和運(yùn)行控制均有較高的要求[5].在電廠的噴淋系統(tǒng)中,這兩種冷卻方式均兼而有之.

噴淋冷卻系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中還存在一些問題,例如因噴霧器安裝位置或噴淋系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理而達(dá)不到預(yù)期的噴淋效果,導(dǎo)致噴淋系統(tǒng)水的消耗量太大,甚至比同等條件下濕冷機(jī)組的耗水量還多,且在空冷島下方形成“雨區(qū)”等.為此,本文以國產(chǎn)某300 MW直接空冷機(jī)組為例,設(shè)計(jì)了幾種不同型式的噴淋冷卻系統(tǒng),并進(jìn)行了數(shù)值模擬和性能分析,以期提高噴淋冷卻系統(tǒng)的性能及減少除鹽水的消耗量.

1 空冷單元噴淋冷卻系統(tǒng)的數(shù)值模型

1.1 空冷單元的散熱負(fù)荷

空冷單元的散熱負(fù)荷是指機(jī)組在穩(wěn)定工況下每個(gè)空冷單元的散熱量,其數(shù)值由汽輪機(jī)的排汽量、排汽壓力及排汽焓等參數(shù)確定.若忽略順流單元和逆流單元散熱量的差別,每個(gè)空冷單元的散熱負(fù)荷可由下式確定.

式中:Qc為空冷單元的散熱負(fù)荷,kW;Q為空冷島的熱負(fù)荷,kW;n為空冷單元數(shù);Dc為汽輪機(jī)排汽量,kg/s;hc和分別為排汽焓和凝結(jié)水的焓[6],kJ/kg.

當(dāng)壓力變化不大時(shí),(hc-h′c)可認(rèn)為是定值.由式(1)可知,空冷單元的散熱負(fù)荷僅取決于機(jī)組的排汽量或機(jī)組負(fù)荷.

1.2 空冷單元空氣的吸熱量

假設(shè)空冷單元出口空氣已達(dá)到飽和狀態(tài),少量水會滴落在換熱器表面而使換熱效果增強(qiáng),但同時(shí)少量水也會滴落到地面而使換熱量減少.本文忽略二者對換熱量的影響,認(rèn)為空冷單元管外空氣的吸熱量Qn由以下3部分組成.

環(huán)境空氣的散熱量

水由入口溫度升至空氣出口溫度所吸收的熱量

水蒸發(fā)成水蒸氣所吸收的汽化潛熱

式中:D′a為噴霧后的空氣質(zhì)量流量,kg/s;Dw為總的噴水質(zhì)量流量,kg/s;Dwzf為由水蒸發(fā)成水蒸氣的質(zhì)量流量,kg/s;cpa、cpw分別為空氣和水的比定壓熱容,kJ/(kg?K);ta1為噴霧前空氣冷卻器出口空氣溫度,℃;t′a2為噴霧后空冷器出口空氣溫度,℃;tw1為噴霧水溫,℃;h1,h2分別為蒸發(fā)前水的焓值和蒸發(fā)后水蒸氣的焓值,kJ/kg.

根據(jù)能量守恒定律,在穩(wěn)定工況下有:

式中:Qn為空冷單元空氣的吸熱量,kW.

1.3 幾何模型

數(shù)值模擬的目的是考察噴嘴的霧化特性、霧滴在空冷單元內(nèi)的熱濕交換過程以及增濕后的空氣對散熱器性能的影響.噴淋冷卻系統(tǒng)幾何模型主要以空冷單元為主體,對空冷風(fēng)機(jī)和內(nèi)部橋架等結(jié)構(gòu)及相鄰單元的結(jié)構(gòu)均進(jìn)行了必要的簡化[7].某國產(chǎn)300 MW直接空冷機(jī)組的空冷單元平臺長寬相等,均為12 200 mm,空冷三角夾角為60°,空冷風(fēng)機(jī)的直徑為 9 410 mm,空冷單元三角高度為11 200 mm,其幾何模型示于圖1.

1.4 噴淋冷卻系統(tǒng)的型式

本文設(shè)計(jì)了3種型式的噴淋冷卻系統(tǒng),噴嘴選擇螺旋實(shí)心噴嘴,其流量與壓力的對應(yīng)關(guān)系示于圖2.

圖1 空冷單元的幾何模型Fig.1 Geometric model of the air cooling unit

圖2 螺旋實(shí)心噴嘴流量與壓力的對應(yīng)關(guān)系Fig.2 Flow rate vs.pressure of helical solid spray nozzle

1.4.1 噴淋系統(tǒng)A

在噴淋系統(tǒng)A中采用了8個(gè)噴嘴,噴嘴的入口壓力為0.2 MPa,噴孔直徑為3.2 mm,單個(gè)噴嘴的噴水流量為0.14 kg/s,噴水溫度為293 K,霧化角為120°,其噴嘴的布置形式示于圖3.從圖3可知:每個(gè)空冷單元布置2排供水支管,每排分2路,每路布置2個(gè)噴嘴.

圖3 噴淋系統(tǒng)A的噴嘴布置圖Fig.3 Nozzles lay out of spray system A

1.4.2 噴淋系統(tǒng)B

在噴淋系統(tǒng)B中采用了12個(gè)噴嘴,噴嘴的入口壓力為0.3 MPa,噴孔直徑為2.4 mm,單個(gè)噴嘴的噴水流量為0.091 6 kg/s,噴水溫度為293 K,霧化角為90°,其噴嘴的布置形式示于圖4.從圖4可看出:每個(gè)空冷單元布置2排供水支管,每排分2路,每路布置3個(gè)噴嘴.

圖4 噴淋系統(tǒng)B的噴嘴布置圖Fig.4 Nozzles layout of spray system B

1.4.3 噴淋系統(tǒng)C

在噴淋系統(tǒng)C中采用了18個(gè)噴嘴,噴嘴的入口壓力為0.2 MPa,噴孔直徑為2.4 mm,單個(gè)噴嘴的噴水流量為0.075 kg/s,噴水溫度為293 K,霧化角為90°,其噴嘴的布置形式示于圖5.從圖5可看出:每個(gè)空冷單元布置2排供水支管,每排分3路,每路布置3個(gè)噴嘴.

圖5 噴淋系統(tǒng)C的噴嘴布置圖Fig.5 Nozzles lay out of spray system C

1.5 數(shù)值計(jì)算方法

基于Simple算法,采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型和離散相模型[8-9].在計(jì)算區(qū)域中,入口邊界為空冷單元風(fēng)機(jī)入口,并采用質(zhì)量流率入口邊界類型,而空冷單元兩端間壁和底部則采用固壁邊界類型.計(jì)算域頂部為壓力出口邊界類型[10],其他邊界則為速度入口邊界類型(其中速度設(shè)置為零).空冷單元入口空氣溫度為307 K,空氣質(zhì)量流量為600 kg/s,空冷單元選用多孔介質(zhì)邊界類型,單元熱負(fù)荷為12.86 MW.

2 結(jié)果與分析

2.1 未加裝噴淋冷卻系統(tǒng)的數(shù)值模擬結(jié)果

未加裝噴淋冷卻系統(tǒng)時(shí)空冷單元出口溫度場的分布如圖6所示,其出口空氣溫度的統(tǒng)計(jì)平均值為338 K.

圖6 噴淋前空冷單元的溫度分布Fig.6 Temperature distribution of the air cooling unit before spray

2.2 加裝噴淋冷卻系統(tǒng)A的數(shù)值模擬結(jié)果

圖7為加裝噴淋冷卻系統(tǒng)A的空冷單元溫度場分布.從圖7可知:該空冷單元出口空氣溫度的統(tǒng)計(jì)平均值為336 K.

2.3 加裝噴淋冷卻系統(tǒng)B的數(shù)值模擬結(jié)果

加裝噴淋冷卻系統(tǒng)B的空冷單元出口溫度場分布如圖8所示,其出口空氣溫度的統(tǒng)計(jì)平均值為335 K.

2.4 加裝噴淋冷卻系統(tǒng)C的數(shù)值模擬結(jié)果

圖9為加裝噴淋冷卻系統(tǒng)C的空冷單元出口溫度場分布.從圖9可知:該空冷單元出口空氣溫度的統(tǒng)計(jì)平均值為333 K.

2.5 結(jié)果與分析

對比圖6～圖9發(fā)現(xiàn):噴淋后空冷單元的出口空氣平均溫度比噴淋前降低了2～5 K.其中,加裝噴淋冷卻系統(tǒng)A的空冷單元出口空氣平均溫度降低了2 K;加裝噴淋冷卻系統(tǒng)B的空冷單元出口空氣平均溫度降低了3 K;加裝噴淋冷卻系統(tǒng)C的空冷單元出口空氣平均溫度降低了5 K、加裝噴淋冷卻系統(tǒng)C的空冷單元出口空氣平均溫度下降較多的原因是因?yàn)閲娮鞌?shù)量比噴淋冷卻系統(tǒng)A和B的多,并且流量小,噴射出來的霧滴也小,霧滴容易破碎蒸發(fā);而且,噴淋冷卻系統(tǒng)C的噴淋均勻,覆蓋范圍大,霧化效果更好,因此其出口空氣平均溫度的降低幅值也最大.

圖7 加裝噴淋冷卻系統(tǒng)A的空冷單元溫度場分布Fig.7 Temperature distribution of the air cooling unit with spray cooling system A

圖8 加裝噴淋冷卻系統(tǒng)B的空冷單元出口溫度場分布Fig.8 Temperature distribution at the outlet of the air cooling unit with spray cooling system B

圖9 加裝噴淋冷卻系統(tǒng)C的溫度場分布Fig.9 T emperature distribution with spray cooling system C

雖然噴淋冷卻系統(tǒng)B中的噴嘴壓力比噴淋冷卻系統(tǒng)C的高,但由于前者的流量比后者大,噴嘴個(gè)數(shù)又少,因而使噴淋冷卻系統(tǒng)B的局部散熱效果尚可,但整個(gè)單元的噴霧不夠均勻,覆蓋范圍也比較小,因此散熱器的整體換熱效果沒有噴淋冷卻系統(tǒng)C明顯.噴淋冷卻系統(tǒng)A中的噴孔直徑較大,但噴嘴壓力不夠高,單個(gè)噴嘴的流量大,噴嘴數(shù)量又少,因此冷卻效果明顯不及噴淋冷卻系統(tǒng)B和C.

根據(jù)空冷島的變工況計(jì)算模型,由空冷單元出口空氣平均溫度可計(jì)算出空冷島的排汽壓力.表1為噴淋冷卻系統(tǒng)的性能比較.從表1可看出:噴淋冷卻系統(tǒng)A、B、C使排汽壓力分別降低了2.6 kPa、3.9 kPa和6.7 kPa.對于所研究的直接空冷機(jī)組,在除鹽水量充足時(shí),應(yīng)選擇噴淋冷卻系統(tǒng)C,因?yàn)槠渑牌麎毫Φ慕捣畲?如除鹽水量有限,則可選擇噴淋冷卻系統(tǒng)B.

表1 噴淋冷卻系統(tǒng)的性能比較Tab.1 Performance comparison of the spray cooling systems

3 結(jié) 論

(1)噴淋后空冷單元的出口空氣平均溫度比噴淋前降低了2～5 K.其中,加裝噴淋冷卻系統(tǒng)A的空冷單元出口空氣平均溫度降低了2 K,排汽壓力降低了2.6 kPa;加裝噴淋冷卻系統(tǒng)B的空冷單元出口空氣平均溫度降低了3 K,排汽壓力降低了3.9 kPa;而加裝噴淋冷卻系統(tǒng)C的空冷單元出口空氣平均溫度降低了5 K,排汽壓力降低了6.7 kPa.

(2)噴霧越均勻,霧滴覆蓋范圍越大,噴淋冷卻系統(tǒng)的性能越好,排汽壓力的降幅越大,經(jīng)濟(jì)性越好.因此,在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)盡量多布置噴嘴,以使噴霧區(qū)域均勻.

(3)以國產(chǎn)某300 MW機(jī)組為例,當(dāng)除鹽水量充足時(shí),選擇噴淋冷卻系統(tǒng)C是最佳方案;如除鹽水量有限,則可選擇噴淋冷卻系統(tǒng)B.

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