直接空冷機(jī)組凝汽器變工況特性分析

周 玉,李 瀅

(華北電力大學(xué),河北 保定 071003)

近年來,大容量直接空冷機(jī)組在缺水地區(qū)得到了重點(diǎn)發(fā)展,這些大型空冷機(jī)組的投運(yùn),迅速提高了國(guó)內(nèi)空冷機(jī)組的應(yīng)用水平。而提高集中投運(yùn)的直接空冷機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性,也成為一個(gè)急需解決的新課題。

汽輪機(jī)排汽經(jīng)管道送到空冷凝汽器的翅片管束中,由在翅片管外流動(dòng)的空氣將其冷凝,得到的凝結(jié)水由凝結(jié)水泵送至回?zé)嵯到y(tǒng),經(jīng)汽輪機(jī)抽氣加熱后作為鍋爐給水循環(huán)使用[1]?？绽渖崞饔啥鄠€(gè)冷卻三角形組成,三角形的兩側(cè)各有1個(gè)翅片管束組件,翅片管束呈傾斜布置,由水平面成一夾角,節(jié)省了占地面積,提高了傳熱系數(shù) (見圖1)。

圖1 直接空冷機(jī)組原則性熱力系統(tǒng)圖

1——鍋爐;2——過熱器;3——汽輪機(jī);4——發(fā)電機(jī);

5——軸流冷卻風(fēng)機(jī);6——空冷凝汽器;7——凝結(jié)水箱;

8——凝結(jié)水泵;9——凝結(jié)水精處理裝置;

10——凝結(jié)水升壓泵;11——低壓加熱器;12——除氧器;

13——給水泵;14——高壓加熱器

1 直接空冷機(jī)組冷端數(shù)學(xué)模型

眾所周知,在冷端系統(tǒng)中,凝汽器壓力的高低可以直接反映整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行狀況和熱經(jīng)濟(jì)性水平。因此,對(duì)空冷凝汽器進(jìn)行變工況計(jì)算并繪制相應(yīng)的特性曲線,對(duì)優(yōu)化運(yùn)行具有很好的指導(dǎo)意義。

直接空冷凝汽器是一種表面式汽—?dú)鈸Q熱器,對(duì)其空冷系統(tǒng)進(jìn)行變工況特性分析時(shí)常采用 ε-NTU法。根據(jù)空冷換熱器的特點(diǎn),確定其數(shù)學(xué)模型為

k——傳熱系數(shù),W/(m2·℃);

F——傳熱面積,m2;

ta1——直接空冷凝汽器進(jìn)口空氣溫度,℃;

ta2——直接空冷凝汽器出口空氣溫度,℃;

tn——直接空冷凝汽器進(jìn)口蒸汽溫度,℃。

當(dāng)蒸汽在管內(nèi)的流速不高時(shí),液膜在重力作用下層流流動(dòng),可根據(jù)努塞爾理論分析結(jié)果,進(jìn)行管內(nèi)飽和蒸汽凝結(jié)傳熱計(jì)算。散熱器冷卻管傾斜放置時(shí)[2]

式中 ρ——凝結(jié)水的密度,kg/m3;

λ——導(dǎo)熱系數(shù),W/(m2·℃);

μ——?jiǎng)恿φ扯?Pa·s;

r——排汽凝結(jié)潛熱,J;

ts——排汽溫度,℃;

tw——管壁溫度,℃;

L——翅片管的長(zhǎng)度,m;

g——重力加速度,m/s2。

當(dāng)液膜下端某處的Re＞2 100時(shí),呈紊流狀態(tài)流動(dòng),對(duì)此區(qū)域采用加權(quán)平均法,可求出沿整個(gè)液膜高度的平均凝結(jié)換熱系數(shù),計(jì)算公式為

式中 Ga——伽利略數(shù),Ga=gl3/ν2;

Pr——普朗特?cái)?shù),Pr=ν/a;

Nu——努爾謝特?cái)?shù),Nu=αil/λ。

式中,除Prw用壁溫tw計(jì)算外,其余物理量定性溫度均為ts,且物性參數(shù)均采用凝結(jié)液計(jì)算,特征尺度為豎壁高度。由于管內(nèi)換熱為存在相變的凝結(jié)換熱,換熱系數(shù)很高,所以在工程的簡(jiǎn)化計(jì)算中可以設(shè)定凝結(jié)換熱系數(shù)為10 000 W/(m·K),此設(shè)定對(duì)換熱系數(shù)的最終計(jì)算結(jié)果影響很小,也便于數(shù)據(jù)的處理和計(jì)算。

空冷散熱器外側(cè)為強(qiáng)迫對(duì)流換熱,其換熱系數(shù)一般由廠家提供。通過對(duì)國(guó)產(chǎn)矩形翅片橢圓管簇的放熱系數(shù)和氣流阻力進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)論證[3],可得管外對(duì)流換熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式為

式中 dH——水力直徑,m;

f——流通面積,m2;

u——濕潤(rùn)周長(zhǎng),m;

ν——運(yùn)動(dòng)粘度,m2/s;

Re— —雷諾數(shù),Re=umaxdH/ν,且滿足 2 ×103＜Re ＜1.5 ×104;

umax——最窄截面處的氣流速度,m/s。

空冷凝汽器的總熱阻[4]為

式中η0——肋面效率,η0=F1+ηfF2/F0;

εi、ε0——翅片管內(nèi) 、外污垢系數(shù),(m2·℃)/W;

δ1——換熱器壁厚,m;

Fi——換熱器內(nèi)換熱面積,m2;

F0——換熱器外換熱面積,m2;

Fm——管壁對(duì)數(shù)平均表面積,m2,Fm=

2 直接空冷機(jī)組變工況分析

將各個(gè)環(huán)節(jié)的換熱系數(shù)和熱阻代入式 (7),即可求得空冷散熱器傳熱系數(shù),然后將所求得結(jié)果代入排汽溫度計(jì)算公式,可得出凝汽器溫度tn,即汽輪機(jī)空冷凝汽器排汽溫度。根據(jù)公式pn=f(tn),可以得到pn影響因素的表達(dá)式為

在實(shí)際運(yùn)行中,需綜合考慮汽輪機(jī)及空冷系統(tǒng)等因素的影響。排汽熱負(fù)荷Qn為汽輪機(jī)的冷源損失;pn為汽輪機(jī)排汽壓力;迎面風(fēng)速 νNF可通過采用變頻風(fēng)機(jī)改變風(fēng)機(jī)功率來進(jìn)行調(diào)整[6];環(huán)境溫度ta1根據(jù)所在地區(qū)典型氣象條件選取;在直接空冷機(jī)組換熱面積設(shè)計(jì)中,翅片管內(nèi)、外的污垢系數(shù)εi、εo常取經(jīng)驗(yàn)值。因此可以將公式簡(jiǎn)化為

以300 MW機(jī)組的機(jī)械通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)為例進(jìn)行計(jì)算,其主要數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

由圖2可見,凝汽器壓力隨排汽熱負(fù)荷的增大和換熱面積的減少而升高,且凝汽器熱負(fù)荷越高,凝汽器壓力增加越迅速,當(dāng)換熱面積的變化幅度相同時(shí),熱負(fù)荷越低,其所對(duì)應(yīng)的凝汽器壓力變化越小。如換熱面積從516 000 m2提高到606 000 m2時(shí) ,30%熱負(fù)荷和額定負(fù)荷下對(duì)應(yīng)的凝汽器壓力分別提高0.625 kPa和4.25 kPa。

表1 300 MW直接空冷機(jī)組主要數(shù)據(jù)

表2 300 MW空冷凝汽器主要數(shù)據(jù)

圖2 保持環(huán)境溫度 ta1、迎面風(fēng)速 νNF不變,總傳熱面積A、排汽熱負(fù)荷Qn對(duì)凝汽器壓力pn的影響曲線

圖3 保持排汽熱負(fù)荷Qn、迎面風(fēng)速 νNF不變,總傳熱面積、環(huán)境溫度ta1對(duì)凝汽器壓力pn的影響曲線

由圖3可見,空冷凝汽器壓力隨環(huán)境溫度的升高而升高,隨換熱面積的增大而降低,且換熱面積越小,這種變化趨勢(shì)越明顯。若換熱面積的變化幅度一定,則環(huán)境溫度低時(shí)的變化量小于溫度高時(shí)的變化量,如換熱面積從516 000 m2提高到606 000 m2時(shí),環(huán)境溫度5℃和40℃對(duì)應(yīng)的凝汽器壓力分別提高3.2 kPa和11 kPa。

由圖4可知,在環(huán)境溫度為17℃時(shí),排汽熱負(fù)荷降低,凝汽器壓力也隨之降低,且熱負(fù)荷越小,降低的幅度越少。在同一排汽熱負(fù)荷下,傳熱面積越大,凝汽器壓力就越小,且排汽熱負(fù)荷越大,這種變化趨勢(shì)就越顯著[7]。

3 運(yùn)行偏差對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響

圖4 保持環(huán)境溫度ta1、迎面風(fēng)速 νNF不變,排汽熱負(fù)荷Qn、總傳熱面積A對(duì)凝汽器壓力p的影響曲線

在機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過程中,凝汽器壓力的運(yùn)行值p′n往往與設(shè)計(jì)值pn存在著偏差。根據(jù)機(jī)組變工況理論,并通過計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可得出凝汽器的壓力運(yùn)行值。運(yùn)行值偏離設(shè)計(jì)值時(shí)對(duì)經(jīng)濟(jì)性造成的影響反映在發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)的煤耗率變化 Δ b上。由凝汽器壓力pn偏差引起的機(jī)組煤耗率變化 Δ b可由以下函數(shù)關(guān)系計(jì)算

由圖5可知,環(huán)境溫度為17℃時(shí),隨著凝汽器壓力偏差的增大,煤耗變化也隨之增大,并且隨著環(huán)境溫度的升高,凝汽器壓力變化對(duì)煤耗的影響力減弱。所以應(yīng)盡量把凝汽器壓力保持在設(shè)計(jì)值附近,否則會(huì)使煤耗變化劇烈,嚴(yán)重影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

由圖6可見,電負(fù)荷一定時(shí),凝汽器壓力偏差越高,煤耗變化越大。排汽壓力變化0.01 MPa時(shí),額定電負(fù)荷和60%電負(fù)荷煤耗變化相差0.1 g/(kWh)。

綜合考慮圖4、圖5、圖6,同時(shí)結(jié)合煤價(jià)和管材價(jià)格對(duì)直接空冷機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化。由于直接空冷機(jī)組大多建在富煤缺水地區(qū),相對(duì)于其他地區(qū)標(biāo)煤價(jià)格相對(duì)較低,而全國(guó)范圍內(nèi)散熱器價(jià)格基本一致,所以可以針對(duì)實(shí)際運(yùn)行生產(chǎn)中出現(xiàn)的具體情況,結(jié)合電廠的標(biāo)煤價(jià)格選擇不同的散熱面積,以提高機(jī)組的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)論

a. 研究冷端系統(tǒng)的變工況特性以確定凝汽器壓力的影響因素及規(guī)律,從而為空冷系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行和提高其經(jīng)濟(jì)性提供理論依據(jù)。

b. 空冷機(jī)組的排汽壓力pc和凝汽器壓力pn在數(shù)值上有較大差別,若考慮排汽管道的壓損Δ p1、排汽口和凝汽器入口間水蒸氣柱高度壓差Δ p2,是滿足公式:pc=pn+Δ p1+Δ p2[8],可知變工況特性曲線與實(shí)際情況存在的差異。

c. 當(dāng)直接空冷機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間之后,由于空冷凝汽器管外積灰、管內(nèi)結(jié)垢等原因,空冷凝汽器傳熱系數(shù)將會(huì)降低,即使維持凝結(jié)蒸汽量和冷卻空氣流量不變,凝汽器壓力仍達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,此時(shí),應(yīng)對(duì)其特性曲線進(jìn)行修正。

[1] 丁爾謀.發(fā)電廠空冷技術(shù) [M].北京:水利水電出版社,1993.

[2] 嚴(yán)俊杰,張春雨,李秀云,等.直接空冷系統(tǒng)變工況特性的理論研究 [J].熱能動(dòng)力工程,2000,15(11):601-704.

[3] Miao Z,Ye SQ,Chen YL,et al.Ancillary evaporative cooling system of direct air-cooling power station [C].Proceedings of the World Engineers,Convention 2004,Shanghai,2004.

[4] 楊世銘.傳熱學(xué) [M].北京:高等教育出版社,1998.

[5] 邱麗霞,郝艷紅.直接空冷汽輪機(jī)及其熱力系統(tǒng) [M].北京:中國(guó)電力出版社,2006.

[6] 馬義偉.空冷氣設(shè)計(jì)與應(yīng)用 [M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1998.

[7] 楊立軍,郭躍年,杜小澤,等.環(huán)境影響下的直接空冷系統(tǒng)運(yùn)行特性研究 [J].現(xiàn)代電力,2005,22(6):39-42.