直接空冷凝汽器噴霧增濕系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

周蘭欣, 張 情, 李衛(wèi)華

(華北電力大學(xué) 電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點實驗室,保定071003)

目前,針對直接空冷機組夏季高背壓、低出力問 題,國內(nèi)大多數(shù)電廠普遍采用在空冷凝汽器的每個單元設(shè)置噴霧增濕系統(tǒng).實際運行表明,該方式可使真空提高4.5 k Pa左右,但在噴霧過程中,空冷凝汽器內(nèi)普遍存在大量淋水的現(xiàn)象,這主要是由于水霧在空冷單元分布不均及噴水量過多導(dǎo)致的.因噴霧增濕系統(tǒng)的布置方式不同,機組真空提高的幅度也不同,因此改善噴霧增濕系統(tǒng)的布置,機組真空的提高還有較大的裕度.所以,合理布置噴霧增濕系統(tǒng)尤為重要.

國外,T.A.Conradie和D.G.Kroger對噴霧增濕改善空冷凝汽器性能進(jìn)行了試驗研究[1],國內(nèi)科研人員通過數(shù)值模擬證明了在空冷單元內(nèi)噴霧增濕的有效性[1-3],但對噴霧增濕系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究尚未見報道.對噴霧增濕系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,增加水霧在空冷凝汽器內(nèi)的均勻充滿度,進(jìn)一步提高機組真空是目前工程中亟待解決的問題.筆者通過數(shù)值模擬的方法提出了噴霧增濕系統(tǒng)的最佳布置方式,提高了水霧在空冷凝汽器內(nèi)的均勻充滿度,從而有效地提高了機組真空.

1 噴霧增濕系統(tǒng)的原理與組成

在空冷單元內(nèi)安裝噴霧強化傳熱系統(tǒng),壓力水通過噴嘴以一定的噴射角向其周圍噴射出細(xì)小顆粒的霧狀水滴,與風(fēng)機出口的空氣接觸混合,經(jīng)過傳熱、傳質(zhì),形成氣、汽和水的混合物.水在蒸發(fā)的過程中會吸收很大的汽化潛熱,可有效地降低通過翅片管的冷卻空氣溫度,而部分未蒸發(fā)的水霧借助風(fēng)力在通過翅片管時還會起到強化傳熱的效果.噴霧強化傳熱系統(tǒng)的效果與噴霧的強度及均勻程度有關(guān),選取合理的噴嘴型式、噴霧壓力、噴嘴孔徑、噴霧方向及噴霧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是優(yōu)化的關(guān)鍵.圖1為直接空冷機組噴霧增濕系統(tǒng)示意圖.

圖1 直接空冷機組噴霧增濕系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of the spray humidification system for a direct air-cooling unit

2 凝汽器的單元模型

2.1 幾何模型與邊界條件

以單個空冷單元(圖1)作為研究對象,空冷單元尺寸為10 m×10 m×10 m,計算區(qū)域為12 m×10 m×20 m,網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,總的網(wǎng)格數(shù)為41.25萬個.圖2為單個空冷單元的計算區(qū)域和網(wǎng)絡(luò).

圖2 單個空冷單元的計算區(qū)域和網(wǎng)格Fig.2 Computational domain and the grid division of a air-cooling unit

空冷散熱器采用多孔介質(zhì)模型[4],單元模型頂部作為壓力出口邊界,在確定出口壓力時應(yīng)考慮大氣壓差.在不考慮橫向風(fēng)影響時,單元模型四周均設(shè)置為對稱邊界條件.風(fēng)機進(jìn)口設(shè)置為進(jìn)氣扇(fan)邊界條件,在計算中,這個風(fēng)機進(jìn)口被看成無限薄的壓力躍遷面.

2.2 數(shù)學(xué)模型

當(dāng)不考慮空冷單元周邊環(huán)境風(fēng)速影響時,空冷單元周圍的大氣運動可認(rèn)為是不可壓縮的定常流動,采用以下控制方程.

連續(xù)性方程

動量守恒方程

本構(gòu)方程

標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型

能量方程

式中:ρ為空氣密度,kg/m;u、v均為速度,m/s;p為壓強,Pa;μ為流體的動力黏性系數(shù),Pa·s;εij為應(yīng)變率張量;t為時間,s;T為溫度,K;E為流體內(nèi)能,J;q為單位面積熱流量;τij為應(yīng)力張量;δij為克羅內(nèi)克符號;下標(biāo)i,j,k分別取1,2,3.

3 數(shù)值求解與結(jié)果分析

對霧滴的求解采用Fluent中的離散相模型進(jìn)行,其與空氣的熱濕作用通過耦合求解計算,由拉格朗日法計算其軌跡.

本文在壓力為92.9 kPa、干球溫度為32℃、濕度為76%的空氣工況下進(jìn)行模擬計算.由濕空氣的h-d圖可以查得:1 kg空氣達(dá)到濕飽和狀態(tài)時最大的吸水量為1.7 g/kg,空冷風(fēng)機全速運行時的風(fēng)量為428 m3/s,總的噴水量為0.799 kg/s.

根據(jù)直接空冷凝汽器的熱平衡方程理論得到空冷凝汽器的凝結(jié)溫度tn,其求取的關(guān)鍵在于總傳熱系數(shù)K,而管內(nèi)蒸汽流速、管內(nèi)外污垢熱阻、管壁導(dǎo)熱系數(shù)、迎面風(fēng)速及環(huán)境溫度等很多因素都是K的影響因素,K的計算可參考文獻(xiàn)[3],并根據(jù)空冷凝汽器的凝結(jié)水溫度tn獲得空冷凝汽器壓力[5-8].

凝汽器壓力計算的基準(zhǔn)是在夏季工況下,排汽熱負(fù)荷為790 MW、空冷單元未噴霧前的凝汽器壓力為29.05 kPa.

3.1 噴嘴高度對噴霧增濕效果的影響

以對稱的方式分別將噴嘴距風(fēng)機棧橋中心線3 m、3.5 m、4 m及4.5 m處進(jìn)行布置,并分別定義為方案1、方案2、方案3及方案4.圖3為噴嘴布置示意圖.噴嘴[9]孔徑為1.0 mm,噴霧壓力為1 MPa,噴嘴流量為0.041 kg/s,噴霧方向為在xy平面內(nèi)與y軸正向夾角為135°.

圖3 噴嘴布置示意圖(單位:mm)Fig.3 Schematic of the nozzle layout(unit:mm)

針對上述4種噴嘴布置方案,分別模擬了5種噴嘴高度(以空冷平臺為基準(zhǔn))的空氣流場,經(jīng)計算得出幾種方案在不同噴嘴高度下的凝汽器壓力.圖4為噴嘴高度對凝汽器壓力的影響.由圖4可看出:在方案3(噴嘴距風(fēng)機棧橋中心線4 m處)的布置方式下,當(dāng)噴嘴高度為0.3 m時,噴霧增濕效果最好,此時凝汽器壓力為22.93 k Pa,比噴霧前降低了6.02 kPa.

圖4 噴嘴高度對凝汽器壓力的影響Fig.4 Influence of nozzle height on the condenser pressure

3.2 噴霧方向?qū)婌F增濕效果的影響

基于圖4所得結(jié)果,在方案3布置方式下,選取高度為0.3 m,改變噴霧方向角度(在xy平面內(nèi)與y軸成正向夾角)進(jìn)行了模擬.圖5為噴霧方向角度對凝汽器壓力的影響.

由圖5可知:噴霧方向在xy平面內(nèi)與y軸正方向夾角為120°時,噴霧增濕效果最好,此時凝汽器壓力為22.9 k Pa,比噴霧前降低了6.15 kPa.

3.3 噴嘴孔徑和噴霧壓力對噴霧增濕效果的影響

在方案3布置方式下,選取高度為0.3 m,噴霧方向為在xy平面內(nèi)與y軸正方向夾角為120°時,改變噴嘴的壓力及孔徑d進(jìn)行了模擬.圖6為噴嘴孔徑與壓力對凝汽器壓力的影響.由圖6可知:當(dāng)噴嘴孔徑不變時,噴霧壓力越大,水滴的霧化程度越高,噴霧增濕效果越好,凝汽器壓力越低;當(dāng)噴霧壓力不變時,噴嘴孔徑越小,霧滴的粒徑分布越窄,越有利于噴霧增濕和真空的提高.

圖5 噴霧方向角度對凝汽器壓力的影響Fig.5 Influence of spray direction angle on the condenser pressure

圖6 噴嘴孔徑與壓力對凝汽器壓力的影響Fig.6 Influence of both nozzle size and pressure on the condenser pressure

當(dāng)噴嘴孔徑為0.4 mm、噴霧壓力為1.2 MPa時,噴霧增濕效果比其他情況都好,凝汽器壓力為20.21 kPa,比噴霧前降低了8.84 k Pa.

圖7為散熱器外表面溫度分布云圖.從圖7可知:噴霧前空冷散熱器外表面的溫度分布為330～341 K,噴霧后其溫度分布在295～340 K,經(jīng)統(tǒng)計,平均溫度比噴霧前降低了7.9 K.

4 結(jié) 論

(1)當(dāng)噴嘴孔徑越小、噴嘴流量越少時,空冷單元內(nèi)所需要的噴嘴數(shù)就越多,且霧滴霧化的細(xì)度越小,越有利于霧滴的均勻分布及其在空冷單元內(nèi)的充滿度,對噴霧增濕的效果越明顯.

(2)當(dāng)噴嘴孔徑為0.4 mm、噴霧壓力為1.2 MPa、噴嘴以對稱方式距風(fēng)機棧橋中心線4 m、噴嘴高度為0.3 m及噴霧方向在xy平面內(nèi)與y軸正方向夾角為120°時,凝汽器壓力降幅最大,比噴霧前降低了8.84 kPa.

圖7 散熱器外表面的溫度分布云圖Fig.7 Temperature distribution on outer surface of radiator

(3)凝汽器真空的微小變化對機組功率與熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的影響都非常大.應(yīng)用噴霧增濕來提高機組真空比采用其他提高真空的方法效果更顯著,因此探索更經(jīng)濟(jì)、更有效的噴霧增濕系統(tǒng)十分必要.

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