直接空冷火電站廢熱再利用系統(tǒng)

劉建軍，陳汝剛，劉東民，吳 煒，劉元春

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064)

0 引言

我國(guó)直接空冷機(jī)組裝機(jī)容量到2010年全國(guó)總裝機(jī)容量達(dá)到40 GW[1]。目前火電站的全廠總效率在40%左右，機(jī)械式直接空冷系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的電耗量大約占電站輸出功率的1% ～1.6%[2]，這就造成了巨大的能量消耗，在輸出功率一定的情況下就需要消耗更多的煤炭資源，污染物的排放也將隨之增加，還將帶來(lái)一系列的環(huán)境問(wèn)題。

1 直接空冷火電站廢熱再利用系統(tǒng)

廢熱再利用系統(tǒng)示意圖如圖1所示。利用煙囪內(nèi)空氣密度差產(chǎn)生的自然抽吸作用，形成沿?zé)焽枭仙膹?qiáng)大熱氣流，達(dá)到冷卻空冷凝汽器的目的。還可以通過(guò)在煙囪入口處加裝渦輪，利用強(qiáng)大的熱氣流推動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，回收利用熱空氣的部分能量，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

圖1 廢熱再利用系統(tǒng)示意圖Fig.1 Scheme of the waste heat recycling system

2 理論分析與計(jì)算模型

2.1 熱力學(xué)過(guò)程分析

2.1.1 理想循環(huán)過(guò)程

理想的熱力循環(huán)模型假設(shè)系統(tǒng)內(nèi)所有的流動(dòng)是理想的、無(wú)能量損失的準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。系統(tǒng)的理想熱力循環(huán)過(guò)程如圖2所示。

圖2 理想循環(huán)過(guò)程T－S圖Fig.2 T － S process of ideal cycle

Q為單位時(shí)間內(nèi)地面冷空氣從冷凝器吸收的熱量;Pshaft為熱空氣推動(dòng)渦輪輸出的功率;η為廢熱再利用系統(tǒng)的發(fā)電效率。

式中m——系統(tǒng)空氣的質(zhì)量流量;

Cp——空氣的定壓比熱;

g——重力加速度;

ΔH——煙囪的高度。

2.1.2 實(shí)際循環(huán)過(guò)程

實(shí)際的熱力循環(huán)過(guò)程總是伴隨著能量損失的不可逆過(guò)程，如圖3所示。渦輪透平和煙囪內(nèi)的熱力過(guò)程存在如下幾種損失:熱氣流經(jīng)過(guò)渦輪透平機(jī)組，完成熱能向機(jī)械能轉(zhuǎn)換過(guò)程中，出現(xiàn)流動(dòng)摩擦損失、沖擊損失、二次流損失等渦輪透平膨脹損失;為了加固煙囪結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，在煙囪內(nèi)需要安裝許多加固裝置，這些裝置對(duì)熱氣流上升形成局部損失，還有煙囪內(nèi)壁摩擦損失;煙囪出口處，存在余溫余速的排放使部分氣流動(dòng)能進(jìn)入大氣，出現(xiàn)動(dòng)能損失[3]。

圖3 實(shí)際循環(huán)過(guò)程T－S圖Fig.3 T － S process of practical cycle

用滯止參數(shù)表示狀態(tài)變化過(guò)程，渦輪透平膨脹損失用透平效率表示為

忽略煙囪出口的二次流，則動(dòng)能損失為

其中，α與主流速度分布剖面有關(guān)，對(duì)于1/7冪次湍流速度分布，α =1.058[4]。

煙囪的阻力損失水頭和損失比例系數(shù)為

從圖3看出，在有損失情況下，煙囪及渦輪透平內(nèi)的流動(dòng)為熵增過(guò)程，透平軸功率為

式中tm——高空和地面溫度的平均值。

為了確定軸功率，需要求出煙囪尾氣排放溫度。根據(jù)圖3的熱力性質(zhì)可得到關(guān)于T4的二次方程

其中:

從圖3的熱力過(guò)程可得

根據(jù)普朗特阻力公式可得

聯(lián)立方程組(1)～(9)，從中可以看出各個(gè)點(diǎn)的溫度是相互聯(lián)系的，在給定其它變量后經(jīng)過(guò)迭代求解方程組就可以算出各點(diǎn)的參數(shù)，既可以求出渦輪的發(fā)電功率和系統(tǒng)效率。

2.2 系統(tǒng)抽吸力分析

凝汽器周圍的空氣在冷卻三角單元的加熱下，溫度升高，密度減小。在浮力的作用下，熱空氣向上運(yùn)動(dòng)。這個(gè)浮力就是抽吸空氣向上運(yùn)動(dòng)的抽吸力，也稱為抽力[5]。抽力可由下式計(jì)算得到

式中F——抽吸力;

Δp——系統(tǒng)進(jìn)出口壓力差;

——煙囪內(nèi)空氣的質(zhì)量;

——凝汽器蓋罩內(nèi)空氣質(zhì)量;

g——當(dāng)?shù)刂亓铀俣取?/p>

2.2.1 系統(tǒng)內(nèi)空氣質(zhì)量的計(jì)算

煙囪內(nèi)空氣的質(zhì)量有兩種計(jì)算方法，其一是認(rèn)為煙囪內(nèi)空氣的密度是常數(shù);其二是認(rèn)為煙囪內(nèi)空氣的密度隨著高度的變化而變化。對(duì)于第一種計(jì)算方法，煙囪內(nèi)空氣的質(zhì)量可由下式計(jì)算

式中 ρin——煙囪入口處空氣的密度;

A——煙囪的橫截面積;

ΔH——煙囪的高度;

這里重力加速度不隨著高度的變化而變化。對(duì)于第二種計(jì)算方法，煙囪內(nèi)空氣的質(zhì)量可由下式計(jì)算

其中，煙囪內(nèi)空氣密度ρ是隨著高度的變化而變化的。通常來(lái)說(shuō)，空氣的密度隨溫度和壓力的變化關(guān)系以理想氣體方程來(lái)表示，假設(shè)煙囪內(nèi)空氣壓力與溫度按線性分布，則煙囪內(nèi)空氣的質(zhì)量為

2.2.2 系統(tǒng)進(jìn)出口壓差的計(jì)算

系統(tǒng)進(jìn)出口壓差的計(jì)算同樣有兩種方法計(jì)算，其一是將地球周圍大氣的密度近似認(rèn)為是不可壓縮的氣體，各處的密度為常數(shù)

式中 ρe——地表大氣的密度。

其二是將地球周圍大氣認(rèn)為是可壓縮的氣體，滿足理想氣體方程。由大氣的壓高公式可得到系統(tǒng)壓差為

式中pin——系統(tǒng)入口壓力;

pout——系統(tǒng)出口壓力;

tm——系統(tǒng)入口出口的平均溫度。

綜合上述分析過(guò)程可以求得系統(tǒng)的抽力，如果地球周圍大氣近似為不可壓縮氣體時(shí)，凝汽器蓋罩中空氣的密度近似為常數(shù)，則

其中，ΔH1為凝汽器蓋罩的高度，本文中為57 m。則抽力為

如果地球周圍大氣近似為可壓縮的氣體時(shí)，抽力為

2.3 系統(tǒng)流動(dòng)阻力的計(jì)算

整個(gè)系統(tǒng)流動(dòng)阻力為沿程阻力和局部阻力。在整個(gè)系統(tǒng)中，凝汽器蓋罩的高度與煙囪的高度相比是很小的，所以本文主要分析煙囪的沿程阻力

式中 Δpchim——煙囪內(nèi)沿程壓力損失;

λ——煙囪內(nèi)的沿程損失系數(shù);

ρ——煙囪內(nèi)空氣的密度，為了簡(jiǎn)化計(jì)算這里

近似空氣密度為一常數(shù)。

沿程損失系數(shù)可由式(9)計(jì)算。

整個(gè)系統(tǒng)中局部阻力可以近似為兩個(gè)部分，即進(jìn)入煙囪入口截面變化造成的局部阻力損失和空氣通過(guò)空冷三角形時(shí)造成的局部阻力損失。在煙囪進(jìn)口2－2、3－3截面處，假設(shè)z2=z3，由伯努利方程可得

式中p1——凝汽器蓋罩內(nèi)壓力;

c2——凝汽器蓋罩內(nèi)空氣流動(dòng)速度;

ξ——局部阻力系數(shù);此處取 ξ=0.04。

空氣通過(guò)翅片管式凝汽器時(shí)有很大的阻力，由文獻(xiàn)推薦可由下式計(jì)算空氣壓降[6]

式中n——管排數(shù)，本文中使用的換熱器為單排扁

平式管式換熱器，管排數(shù)可以折算為13;

wNF——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下迎風(fēng)面風(fēng)速/m·s－1，本文為5 m/s;

ρ——空氣在定性溫度(即管束的進(jìn)出口平均溫度)時(shí)的密度/kg·m－3。

對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的入口，凝汽器每個(gè)冷卻三角單元的入口相當(dāng)于一個(gè)空口淹沒(méi)出流。其局部阻力可由下式計(jì)算[7]

式中m'——流過(guò)凝汽器每個(gè)冷卻三角單元空氣的質(zhì)量流量;

ρe——地面空氣密度;

Acell——凝汽器每個(gè)冷卻三角單元的入口截面積;

μ——流量系數(shù)。

3 結(jié)果及分析

以600 MW機(jī)械通風(fēng)直接空冷機(jī)組為研究對(duì)象，利用實(shí)際熱力循環(huán)過(guò)程模型、抽力、阻力分析過(guò)程對(duì)本文提出的廢熱再利用系統(tǒng)的可行性進(jìn)行了具體的計(jì)算分析。當(dāng)?shù)睾蜋C(jī)組的參數(shù)如表1所示。

表1 當(dāng)?shù)睾蜋C(jī)組參數(shù)Tab.1 Local and units parameters

圖4 渦輪輸出功率預(yù)測(cè)Fig.4 Prediction of turbine power output

圖5 系統(tǒng)效率預(yù)測(cè)Fig.5 Prediction of system efficiency

圖4、圖5顯示了渦輪輸出功率和系統(tǒng)效率隨著煙囪直徑和高度的變化關(guān)系。從圖中可以很明顯的看出在鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)隨著煙囪高度和直徑的增加渦輪的輸出功率和系統(tǒng)的效率是逐漸增大的。但是隨著煙囪直徑的增大，煙囪中熱空氣的流速將越來(lái)越小，對(duì)于特定的渦輪有最小的啟動(dòng)風(fēng)速，所以在實(shí)際的實(shí)施過(guò)程中還需要選擇合適的煙囪直徑。考慮到建造大尺寸煙囪的難度和電站占地面積有限，這里選取高度為900 m，直徑為80 m的煙囪進(jìn)行分析計(jì)算。上圖中標(biāo)出了此時(shí)渦輪的輸出功率和系統(tǒng)的效率。圖6表示了抽吸壓差隨著煙囪高度的變化關(guān)系，可以看出隨著煙囪高度的增加抽吸壓差是隨之增加的。本研究中空氣密度的變化對(duì)計(jì)算的影響很大，所以在計(jì)算過(guò)程中把空氣密度看成是隨高度變化的，從圖6中也可以看出兩種算法的差別。沿程和局部阻力隨著煙囪高度的變化如圖7所示。從圖8可以得出當(dāng)選取煙囪高度為900 m，直徑為80 m時(shí)，可以產(chǎn)生大約837 Pa的壓差推動(dòng)渦輪做功。

圖6 系統(tǒng)抽吸壓差曲線Fig.6 Curve of system suction pressure

圖7 系統(tǒng)阻力分析曲線Fig.7 Curve of systerm resistance analysis

圖8 系統(tǒng)凈抽吸壓差曲線Fig.8 Curve of system net suction pressure

從分析中得出此系統(tǒng)在電站滿功率運(yùn)行的條件下可以輸出45.59 MW的電能，另外此系統(tǒng)還可以節(jié)省鼓風(fēng)機(jī)的耗電量6～9.6 MW。這樣相當(dāng)于此系統(tǒng)可以輸出51.59～55.19 MW的電能。假設(shè)系統(tǒng)的輸出功率為50 MW，這樣以機(jī)組一年運(yùn)行320天，平均75%負(fù)荷計(jì)算，可以輸出電能 2.89×108kWh，以0.375元/kWh計(jì)算，每年約可以產(chǎn)生1.08億元的經(jīng)濟(jì)效益;國(guó)內(nèi)火電站每千瓦時(shí)煤炭消耗平均水平以360克計(jì)算，每年可以節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤約10.43 萬(wàn) t。

4 總結(jié)

提出設(shè)計(jì)了廢熱再利用系統(tǒng)，建立了該系統(tǒng)的熱力過(guò)程分析和阻力分析。給出了渦輪輸出功率、系統(tǒng)效率、阻力隨煙囪直徑和高度的變化的關(guān)系曲線。該系統(tǒng)不僅省去了原有的鼓風(fēng)機(jī)并且進(jìn)一步利用了乏汽的部分余熱。對(duì)一臺(tái)600 MW直接空冷火電機(jī)組的理論計(jì)算結(jié)果表明該系統(tǒng)每年可以回收電能2.89×108kWh，可以產(chǎn)生約1.08億元的經(jīng)濟(jì)效益;相當(dāng)于每年可以節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤約10.43萬(wàn)t，減少排放 CO2約27.32 萬(wàn) t、SO2約 886t、NOx 約772t，經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能減排效果顯著。

[1]孫佳南.高效節(jié)能超(超)臨界空冷汽輪機(jī)的優(yōu)勢(shì)及發(fā)展前景[J].節(jié)能技術(shù)，2008，26(4):337 －339.

[2]陳海平，姜聰，石維柱.海勒式空冷系統(tǒng)變工況熱經(jīng)濟(jì)性分析計(jì)算[J].節(jié)能技術(shù)，2007，25(6):554 －557.

[3]張楚華.大型太陽(yáng)能煙囪發(fā)電站熱力分析與計(jì)算[J].可再生能源，2007，25(2):3 －6.

[4]Gannon A J，Von Backstrsom T W.Solar chimney cycle analysis with system loss and solar collector performance[J].ASME Journal of Solar Energy Engineering，2000，122(3):133－137.

[5]葛新石，葉宏.太陽(yáng)煙囪發(fā)電系統(tǒng)及其固有的熱力學(xué)不完善性分析[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2004，25(2):263 －267.

[6]史美中，王中錚.熱交換器原理與設(shè)計(jì)[M].南京:東南大學(xué)出版社，1989:160－165.

[7]趙漢中.工程流體力學(xué)[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社，2005:86－100.