直接空冷機(jī)組霧化補(bǔ)水噴嘴布置方案的數(shù)值研究

李慧君，焦英智

(華北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，河北 保定 0 71003)

直接空冷機(jī)組霧化補(bǔ)水噴嘴布置方案的數(shù)值研究

李慧君，焦英智

(華北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，河北 保定 0 71003)

為降低空冷凝汽器熱負(fù)荷并提高機(jī)組真空和熱經(jīng)濟(jì)性，以NK600-24.2/566/566排汽管道為研究對(duì)象，建立了直接空冷機(jī)組霧化補(bǔ)水模型，在不同噴嘴布置方案下，利用FLUENT對(duì)霧化效果進(jìn)行數(shù)值摸擬。通過(guò)數(shù)值計(jì)算找到最佳噴嘴布置方案并得到該方案下補(bǔ)水量對(duì)霧化效果的影響及排汽溫度場(chǎng)變化。結(jié)果表明:相同噴嘴壓力和孔徑下，適當(dāng)?shù)碾p截面噴嘴布置方式下的霧化效果優(yōu)于單截面布置方式;噴嘴采用單截面布置時(shí)，交叉布置方式的霧化效果優(yōu)于平行布置。

排汽管道;霧化補(bǔ)水;數(shù)值模擬;噴嘴布置;霧化效果

0 引言

夏季真空度低是直接空冷機(jī)組普遍存在的問(wèn)題，而空冷機(jī)組真空主要是由空冷凝汽器來(lái)維持的。為提高直接空冷機(jī)組真空，大多數(shù)電廠采用在空冷凝汽器表面進(jìn)行噴霧增濕的措施。經(jīng)噴嘴霧化后的壓力水與空氣在風(fēng)機(jī)出口混合，不僅降低了空氣溫度，同時(shí)提高了空氣濕度，從而提高空冷散熱器的換熱量。

噴霧增濕可以提高空冷機(jī)組真空，但也有以下不足之處:容易受到自然風(fēng)的影響;水滴噴入外界環(huán)境中，造成化學(xué)除鹽水的大量消耗;空氣中存在雜質(zhì)，長(zhǎng)期運(yùn)行導(dǎo)致空冷散熱器表面結(jié)垢，增加換熱熱阻，影響機(jī)組的真空和熱經(jīng)濟(jì)性［1～3］。

近年來(lái)，濕冷機(jī)組越來(lái)越多地采用凝汽器喉部霧化補(bǔ)水的方式，并取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)凝汽器喉部霧化補(bǔ)水的流場(chǎng)和噴嘴布置方案進(jìn)行了數(shù)值研究［4～6］。

由于熱井補(bǔ)水對(duì)提高直接空冷機(jī)組真空和熱經(jīng)濟(jì)性的影響很?。?，8］，因此提出將補(bǔ)水方式由熱井補(bǔ)水改為在排汽管道內(nèi)霧化補(bǔ)水。排汽管道內(nèi)霧化補(bǔ)水不僅可以回收排汽的部分熱量，還能夠降低空冷凝汽器的熱負(fù)荷，從而提高機(jī)組的真空和熱經(jīng)濟(jì)性。在霧化補(bǔ)水過(guò)程中，不同的噴嘴布置方案對(duì)機(jī)組真空提高的幅度不同。為了提高排汽凝結(jié)量，降低空冷凝汽器熱負(fù)荷，研究合理的噴嘴布置方案尤為重要。

本文采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)排汽管道內(nèi)噴霧增濕的噴嘴布置方案進(jìn)行了研究。

1 模型的建立

1.1 物理模型

以NK600-24.2/566/566排汽管道為研究對(duì)象，管道尺寸為φ6 038×25 mm，長(zhǎng)約22 m，高約29 m。所建模型的計(jì)算區(qū)域如圖1所示。

圖1 空冷排汽管道計(jì)算區(qū)域

1.2 數(shù)學(xué)模型

霧化補(bǔ)水過(guò)程中，排汽管道內(nèi)汽、液兩相間傳熱傳質(zhì)包括以下三個(gè)數(shù)學(xué)模型:連續(xù)相流動(dòng)模型、離散相模型以及排汽凝結(jié)相變模型。

1.2.1 連續(xù)相流動(dòng)模型

排汽流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的通用控制方程如下:

式中:ρ為蒸汽密度，kg/m3;ui為速度矢量;φ為通用變量;Γφ為廣義擴(kuò)散系數(shù);Sφ為廣義源項(xiàng)。

1.2.2 離散相模型

水滴作為離散相其運(yùn)動(dòng)方程［9］如下:

式中:Mp為水滴質(zhì)量，kg;up為水滴速度，m/s;右側(cè)第一項(xiàng)表示水滴所受作用力，主要由汽流阻力影響;第二項(xiàng)為液滴重力。

水滴傳熱方程如下［10］:

式中:Mp為水滴質(zhì)量，kg;Cp為水滴的比熱，J/(kg·K);h為水滴與周圍蒸汽的對(duì)流換熱系數(shù);Ap為水滴表面積，m2;T為控制單元內(nèi)汽相溫度，K;Tp為水滴溫度，K;hfg為凝結(jié)潛熱，J/kg。

1.2.3 排汽凝結(jié)相變模型

排汽與液滴間進(jìn)行傳熱傳質(zhì)作用，排汽被凝結(jié)。相變模型假設(shè)如下:

(1)水滴為球形;

(2)水滴處在無(wú)限蒸汽空間中;

(3)水滴生長(zhǎng)基于平均的典型中間直徑;

(4)與凝結(jié)時(shí)所釋放的潛熱相比，忽略細(xì)小的水滴熱容量。

汽液兩相傳質(zhì)過(guò)程中水滴生長(zhǎng)模型如下［11］:

式中:dr/dt為水滴生長(zhǎng)率;hfg為壓力p下的排汽比焓，J/kg;R為汽體常數(shù);γ為比熱比;ρl為水滴密度，kg/m3;

水滴質(zhì)量變化量由下式求得［11］:

式中:˙m為液相總質(zhì)量，kg;r為水滴平均直徑，m;N為水滴個(gè)數(shù)。

2 計(jì)算條件與噴嘴布置方案

計(jì)算中選取機(jī)組熱耗率為THA工況，此時(shí)汽輪機(jī)排汽量為327.56 kg/s，排汽管道進(jìn)口壓力為18 kPa，排汽進(jìn)口溫度為331 K［12］。選取補(bǔ)水量為30 t/h，補(bǔ)水溫度為25℃。管道模型采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，總數(shù)為77.26萬(wàn)。模型進(jìn)、出口邊界條件分別設(shè)為速度入口和壓力出口。由于管道與環(huán)境換熱量很小，將管壁設(shè)為絕熱壁面。

選取噴嘴的孔徑為3 mm，噴霧壓力為0.35 MPa，對(duì)應(yīng)噴嘴流量為0.298 kg/s，此時(shí)所需噴嘴個(gè)數(shù)為28個(gè)［13］。在與y軸和z軸平行的管道中心線兩側(cè)，噴嘴采用對(duì)稱布置;噴嘴在y方向上等間距布置。方案1及方案2中，噴嘴布置于x=4 m截面，布置方式如圖2、圖3所示;方案3中噴嘴采用雙截面布置方式，其中截面1位于x=4 m處，截面2位于x=5 m處，分別如圖4(a)及圖4(b)所示。

圖2 噴嘴布置方案1

圖3 噴嘴布置方案2

圖4 噴嘴布置方案3

3 數(shù)值求解與結(jié)果分析

3.1 噴嘴角度對(duì)霧化效果的影響

在上述3種噴嘴布置方案下，改變噴嘴角度對(duì)霧化效果進(jìn)行數(shù)值模擬。

相同噴霧角度下，采用單截面布置時(shí)，噴嘴在z方向上交叉布置與平行布置方式相比，降低了水滴在蒸汽空間中的重合度，增加了汽、液換熱面積，提高了換熱效果。噴嘴的雙截面布置與單截面布置相比，進(jìn)一步減小了水滴的空間重合度，增加了汽液的換熱面積，有利于提高霧化效果。方案3在噴嘴角度為120°時(shí)排汽凝結(jié)量最大，約為0.083 kg/s，如圖5所示。

圖5 噴霧角度對(duì)凝結(jié)量的影響圖

3.2 噴嘴截面位置對(duì)霧化效果的影響

在方案3下，選取噴嘴角度為120°，改變截面2的位置，對(duì)不同截面位置下噴霧效果進(jìn)行數(shù)值模擬。隨著截面2與截面1間距離的增大，水滴在蒸汽空間中的分布范圍增大，與排汽換熱面積增加，因此排汽凝結(jié)量增大;當(dāng)兩截面間距離超過(guò)一定范圍時(shí)，雖然汽液兩相間的換熱面積增加，但由于水滴對(duì)排汽的湍流擾動(dòng)減小，使換熱效果降低。當(dāng)截面2位于x=6 m處時(shí)排汽凝結(jié)量最大，約為0.085 kg/s，如圖6所示。

圖6 噴嘴位置對(duì)凝結(jié)量的影響圖

3.3 噴嘴截面位置對(duì)管道壓損的影響

在方案3下，選取噴嘴角度為120°，改變截面2的位置，對(duì)管道進(jìn)出口截面間的管道壓損進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。采用上述雙截面噴嘴布置方案時(shí)，隨著截面2與截面1間的距離逐漸增大，液滴在管道內(nèi)停留的時(shí)間逐漸縮短，即液滴對(duì)蒸汽阻礙作用所持續(xù)的時(shí)間減小，因此，管道進(jìn)出口截面間的壓損減小并逐漸趨于穩(wěn)定，如圖7所示。

圖7 噴嘴位置對(duì)管道壓損影響圖

3.4 補(bǔ)水量對(duì)霧化效果的影響

選取方案3中的最佳噴嘴布置方式，改變補(bǔ)水量，對(duì)不同補(bǔ)水量下的噴霧效果進(jìn)行數(shù)值模擬。排汽流量一定時(shí)，隨著霧化補(bǔ)水量的增加，與蒸汽進(jìn)行傳熱、傳質(zhì)的水滴量增多，汽、液換熱表面積增大，因而蒸汽凝結(jié)量提高。但隨著補(bǔ)水量的逐漸增加，單位體積內(nèi)液滴重合度增大，換熱效率降低，因而蒸汽凝結(jié)量提高的幅度降低，如圖8所示。

圖8 補(bǔ)水量對(duì)凝結(jié)量的影響圖

3.5 管道內(nèi)溫度場(chǎng)的分布

選取z=0截面作為溫度場(chǎng)分析的參考面。圖9為無(wú)噴嘴時(shí)的溫度分布;圖10是噴嘴布置方案3下，噴霧角度為120°，截面1位于x=4 m，截面2位于x=6 m處時(shí)的溫度分布。

未加噴嘴時(shí)，由于管壁為絕熱邊界條件，不與外界環(huán)境換熱，汽相溫度不變，如圖9所示。噴霧后z=0截面主要顯示汽相溫度，流經(jīng)導(dǎo)流板前，液滴與排汽在管道內(nèi)邊運(yùn)動(dòng)邊換熱，汽相溫度逐漸降低;由于湍流強(qiáng)度的不同，靠近管道中心的蒸汽溫度降低較快，近壁側(cè)蒸汽溫度降低程度較小。流經(jīng)導(dǎo)流板后，幾乎所有的水滴都被導(dǎo)流板捕捉，不同溫度的蒸汽間相互換熱，其溫差逐漸減小。如圖10所示。

圖9 未加噴嘴時(shí)截面溫度分布

圖10 加噴嘴后截面溫度分布

由數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知:噴霧前后出口排汽的平均溫度降低約1.81K。出口排汽溫度下降，降低了空冷凝汽器熱負(fù)荷，有利于提高機(jī)組真空和熱經(jīng)濟(jì)性。

在上述數(shù)值計(jì)算過(guò)程中，計(jì)算精度為1e－6，最終計(jì)算結(jié)果隨迭代的進(jìn)行保持不變。

此外，計(jì)算中在其他計(jì)算條件不變的前提下，水滴數(shù)及網(wǎng)格數(shù)目的變化對(duì)計(jì)算結(jié)果基本無(wú)影響。

4 結(jié)論

(1)補(bǔ)水霧化后使部分排汽凝結(jié)，排汽管道出口的蒸汽流量和溫度下降，從而降低了空冷凝汽器熱負(fù)荷，有利于提高機(jī)組真空和熱經(jīng)濟(jì)性。

(2)以排汽凝結(jié)量為參考，適當(dāng)?shù)碾p截面噴嘴布置方式優(yōu)于單截面布置方式。噴嘴采用單截面布置時(shí)，交叉布置優(yōu)于平行布置方式。

(3)噴嘴布置方式影響空冷凝汽器的熱負(fù)荷及機(jī)組真空，綜合考慮霧化補(bǔ)水的各影響因素，尋求更有效的霧化補(bǔ)水方案對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中節(jié)能降耗有一定的實(shí)際意義。

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Numerical Study of the Nozzle Layout of Atomized Make-up Water for Direct Air-cooled Unit

Li Huijun，Jiao Yingzhi
(School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

In order to reduce the heat load of air-cooled condenser and improve the vacuum and thermal economy of unit，taking the NK600-24.2/566/566 exhaust pipe as the object of study，this paper establishes the model of atomized make-up water for direct air-cooled unit，under different scheme of the nozzle layout．And it performs a numerical simulation about atomizing effect by using FLUENT through numerical calculation to find the optimal scheme of nozzle arrangement and influence of make-up water amount on the atomization effect and change of exhaust temperature field．The results showed that with the same nozzle pressure and diameter，atomizing effect of proper double section of the nozzle arrangement is better than single section，and cross layout is superior to parallel layout when the nozzle is with single cross section layout．

exhaustpipe;atomized make-up water;numericalsimulation;nozzle arrangement;the atomization effect

TK263.5

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.03.003

2014－12－25。

李慧君 (1964-)，男，教授，研究方向?yàn)閺?qiáng)化換熱及數(shù)值計(jì)算、電廠熱力系統(tǒng)節(jié)能理論與監(jiān)測(cè)診斷，E-mail:hj_li009@sina.com。