,, ,,
(東方菱日鍋爐有限公司,浙江 嘉興 314001)
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高,制冷、供熱和電力需求量加大,但我國(guó)能源相對(duì)短缺,供需矛盾突出,必須合理用能和提高能源利用效率,天然氣分布式能源項(xiàng)目就是很好的用能方式[1-2]。分布式能源系統(tǒng)與傳統(tǒng)大容量、遠(yuǎn)距離、大電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)相比,具有投資經(jīng)濟(jì)、系統(tǒng)可靠、適應(yīng)性強(qiáng)、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[3-5]。而作為分布式能源主要形式之一的聯(lián)合循環(huán)分布式能源系統(tǒng)具有技術(shù)成熟、高效節(jié)能等優(yōu)勢(shì),在分布式能源系統(tǒng)中占據(jù)主體地位。聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐作為燃?xì)夥植际侥茉措姀S的重要組成部分,其相對(duì)于大型聯(lián)合循環(huán)電廠余熱鍋爐,結(jié)構(gòu)更為緊湊,其對(duì)受熱面的低溫傳熱要求更高。受熱面的余熱利用效果將直接影響項(xiàng)目的運(yùn)行效率和投資成本。相對(duì)于大型燃機(jī)電廠余熱鍋爐,分布式能源聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐出力相對(duì)較小,受熱面管內(nèi)工質(zhì)流速偏低,一定程度上降低了受熱面的傳熱能力。為強(qiáng)化傳熱,主要從受熱面管外和管內(nèi)兩個(gè)方向優(yōu)化。目前受熱面管外均采用螺旋開齒翅片管[6]結(jié)構(gòu)提高傳熱效率,在管外結(jié)構(gòu)比較成熟的情況下,管內(nèi)工質(zhì)的流程型式將直接影響受熱面的傳熱效果。本文將主要分析余熱鍋爐省煤器管內(nèi)工質(zhì)不同流程型式傳熱性能,探討提高傳熱效率以降低投資成本的方式。本文中使用符號(hào)如下:
a——壓力加速損失系數(shù);
C1——煙氣阻力試驗(yàn)修正系數(shù);
d1——受熱面管內(nèi)徑/m;
f——煙氣摩擦系數(shù);
g——重力加速度/m·s-2;
Gn——管排凈流通面積煙氣質(zhì)量流量;
hw——水側(cè)流動(dòng)阻力損失壓頭/m;
hm——沿程阻力損失壓頭/m;
hn——局部阻力損失壓頭/m;
lm——直管長(zhǎng)度/m;
N1——煙氣縱向管子排數(shù)/根;
Re——雷諾準(zhǔn)則數(shù);
Pr——普朗特準(zhǔn)則數(shù);
ν——受熱面管內(nèi)工質(zhì)流速/m·s-1;
αk1——管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)/W·m-2·℃-1;
λ1——管內(nèi)介質(zhì)熱導(dǎo)率/W·m-1·℃-1;
λm——沿程阻力損失系數(shù);
ρb——煙氣平均密度;
ρw——水的標(biāo)態(tài)密度/kg·m-3;
ζn——局部阻力損失系數(shù);
Δp——煙氣阻力損失/Pa;
Δh——煙氣阻力損失壓頭/m;
余熱鍋爐的省煤器設(shè)計(jì)主要分為圖1半蛇形管結(jié)構(gòu)、圖2單管屏結(jié)構(gòu)兩種。半蛇形管結(jié)構(gòu)的管屏端部存在180°回轉(zhuǎn)彎頭,易產(chǎn)生FAC流動(dòng)加速腐蝕[7];管屏只能整體布置,不能獨(dú)立分開,膨脹相互影響;流體不能及時(shí)在集箱進(jìn)行混合再分配,容易引起管排溫差較大。單管屏結(jié)構(gòu)的管屏懸吊結(jié)構(gòu)布置簡(jiǎn)單,相鄰管屏膨脹不受限制;流體及時(shí)在端部集箱混合再分配,管排傳熱均勻;不存在回轉(zhuǎn)彎頭,有效預(yù)防FAC發(fā)生。因此省煤器推薦采用單管屏結(jié)構(gòu)形式。
通過增加單管屏流程數(shù)量提高傳熱效率,根據(jù)內(nèi)部不同流程型式,可分為圖3單管屏單流程、圖4單管屏雙流程、圖5單管屏三流程。
圖1 半蛇形管結(jié)構(gòu)
圖2 單管屏結(jié)構(gòu)
圖3 單管屏單流程
圖4 單管屏雙流程
圖5 單管屏三流程
計(jì)算分析模型以某分布式能源項(xiàng)目為例,該項(xiàng)目采用GE公司LM6000機(jī)組,余熱鍋爐為雙壓一體式除氧臥式布置型式。為統(tǒng)一對(duì)比基準(zhǔn),三種型式的受熱面管均采用統(tǒng)一規(guī)格螺旋開齒翅片管,其結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1螺旋開齒翅片管參數(shù)。受熱面以模塊型式布置于換熱室內(nèi)部,管束為錯(cuò)列布置,橫向節(jié)距95 mm,縱向節(jié)距82 mm,以此進(jìn)行建模并核算結(jié)果。
表1 螺旋開齒翅片管參數(shù)
首先分析低壓省煤器不同流程型式引起的受熱面變化情況。為直觀反映傳熱性能變化情況,該模型將不同流程結(jié)構(gòu)受熱面煙氣側(cè)和水側(cè)邊界條件均設(shè)定為一致,由此,受熱面積的區(qū)別直接反映傳熱性能的優(yōu)劣及變化趨勢(shì)。
煙氣側(cè)進(jìn)口溫度166.6 ℃、出口106.7 ℃,水側(cè)進(jìn)口溫度45 ℃、出口163.8 ℃。具體參數(shù)見表2低壓省煤器煙氣側(cè)及水側(cè)參數(shù)表。計(jì)算并對(duì)比受熱面布置情況及翅片管相關(guān)參數(shù),詳見表3低壓省煤器受熱面參數(shù)表。
表2 低壓省煤器煙氣側(cè)及水側(cè)參數(shù)表
根據(jù)傳熱學(xué)[8]基礎(chǔ)理論,計(jì)算模型的管內(nèi)對(duì)流傳熱采用常見公式如式(1)
(1)
表3 低壓省煤器受熱面參數(shù)表
管外煙氣阻力計(jì)算采用美國(guó)ESCOA公司的螺旋鰭片管阻力推薦公式,并在原有公式上增加了試驗(yàn)修正系數(shù)C1。修正計(jì)算公式如式(2)和式(3)
Δh=C1(f+a)Gn2N1/(1.083×109ρb)
(2)
Δp=ρwgΔh
(3)
隨著管內(nèi)流程的增加,管內(nèi)對(duì)流傳熱能力逐步加強(qiáng),換熱面積將相應(yīng)減少,同時(shí)煙氣阻力略微下降,其中煙氣阻力采用適合本項(xiàng)目的最合理方式進(jìn)行計(jì)算[9]。由模型導(dǎo)出的受熱面參數(shù)表可以看出,增加管內(nèi)流程以提高工質(zhì)流速后,強(qiáng)化了傳熱能力。以單流程結(jié)構(gòu)為基準(zhǔn),雙流程結(jié)構(gòu)受熱面積減少1 838 m2,減少幅度為11.2%,煙氣阻力降低了56 Pa;三流程結(jié)構(gòu)受熱面積減少2 864 m2,減少幅度為17.4%,煙氣阻力降低92 Pa。高壓省煤器流程參數(shù)對(duì)比也采用上述方法,設(shè)定相同邊界條件后,對(duì)受熱面參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比,計(jì)算結(jié)果見表4高壓省煤器受熱面參數(shù)表。
表4 高壓省煤器受熱面參數(shù)表
由以上受熱面參數(shù)表可以看出,增加管內(nèi)流提高工質(zhì)流速后,強(qiáng)化了傳熱能力。以單流程結(jié)構(gòu)為基準(zhǔn),雙流程結(jié)構(gòu)受熱面積減少204 m2,減少幅度為3.03%,,煙氣阻力降低8 Pa;三流程結(jié)構(gòu)受熱面積減少574 m2,減少幅度為8.49%,煙氣阻力降低23 Pa。從對(duì)比結(jié)果可以看出隨著流程數(shù)增加,受熱面?zhèn)鳠嵝阅艿靡蕴嵘?,鋼材耗量得以?jié)省,投資成本得到了降低。對(duì)整臺(tái)余熱鍋爐省煤器進(jìn)行對(duì)比分析,詳細(xì)對(duì)比情況見表5整臺(tái)鍋爐省煤器不同流程型式對(duì)比表。
表5 整臺(tái)鍋爐省煤器不同流程型式對(duì)比表
對(duì)于水側(cè)阻力,主要和水側(cè)流量有關(guān),省煤器流程修改后,水側(cè)流程變化必然引起省煤器內(nèi)部流程阻力變化。為防止流程阻力變化引起給水泵揚(yáng)程升高而增加電耗,需要進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算分析。水側(cè)流動(dòng)阻力損失由沿程阻力損失和局部阻力損失組成,采用的計(jì)算公式如式(4)
hw=∑hm+∑hn
(4)
其中
(5)
(6)
各型式流程的水側(cè)流動(dòng)阻力均根據(jù)結(jié)構(gòu)特性和參數(shù)分別按上述公式建模計(jì)算。當(dāng)前分布式能源經(jīng)濟(jì)性利用原則,通常低壓省煤器受熱面采用一體式供熱模式,不同工況時(shí),低壓省煤器的水側(cè)流量變化極大。以低壓省煤器為例,下面分純凝和供熱情況分別討論分析。
2.2.1 純凝機(jī)組低壓省煤器
分別對(duì)這三種型式省煤器進(jìn)行建模并核算各自流程阻力。機(jī)組純凝運(yùn)行時(shí),低壓省煤器內(nèi)水流量較小,水流程阻力影響較小。相較單流程,雙流程和三流程受熱面水側(cè)阻力分別增加0.005 5 MPa和0.028 2 MPa。增加幅度較小,對(duì)電廠輔機(jī)設(shè)備投資及運(yùn)行影響很小。相應(yīng)結(jié)果見表6受熱面汽水阻力對(duì)比表。
表6 受熱面水側(cè)阻力對(duì)比表
2.2.2 供熱機(jī)組低壓省煤器
不同項(xiàng)目一體式低壓省煤器供熱水流量通常不一樣,為詳細(xì)對(duì)比各種情況,下面分別計(jì)算一體式低壓省煤器[10-11]對(duì)外供熱水流量0 t/h、30 t/h、60 t/h、90 t/h、120 t/h這5種工況,對(duì)水側(cè)流通阻力進(jìn)行對(duì)比分析,詳見表7水側(cè)阻力對(duì)比表。
表7 不同供熱水量下水側(cè)阻力對(duì)比表
圖6 多流程水側(cè)阻力變化圖
圖6多流程水側(cè)阻力變化圖顯示供熱量較小時(shí)流通阻力相差較小,但根據(jù)流體阻力特性,隨著供熱水流量的增大,受熱面工質(zhì)流通阻力不斷增加。
雖然多流程型式能夠降低受熱面積,但水側(cè)阻力增加也是必須考慮的一個(gè)重要因素。同時(shí),由于多流程設(shè)計(jì)時(shí),煙氣側(cè)和水側(cè)換熱類似于交叉流,對(duì)于燃機(jī)余熱鍋爐這種低溫壓傳熱,并不是流程數(shù)越多越好。建模時(shí),一般采用管屏的平均傳熱溫壓進(jìn)行計(jì)算,隨著流程數(shù)的增加,受熱面的橫向溫差加大將導(dǎo)致傳熱計(jì)算失真,最終影響計(jì)算結(jié)果的可靠性。計(jì)算分析依托的該項(xiàng)目在綜合考慮煙氣阻力,投資成本及水側(cè)阻力等多個(gè)因素后,最終設(shè)計(jì)方案采用了三流程型式,該項(xiàng)目已于2015年投入商業(yè)運(yùn)行,機(jī)組運(yùn)行情況優(yōu)良。
本文對(duì)分布式能源聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐的省煤器水側(cè)流程相關(guān)特點(diǎn)的分析,分布式能源余熱鍋爐采用雙流程及三流程省煤器布置型式,能夠有效降低受熱面積,減小煙氣阻力,降低鍋爐成本,減小燃機(jī)排氣背壓,提高燃機(jī)出力,帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)于高壓省煤器和不供熱水的低壓省煤器,管內(nèi)工質(zhì)流速較低,因此可以考慮采用三流程結(jié)構(gòu)以降低投資成本;對(duì)于需要供熱等水側(cè)大流量機(jī)組,采用多流程需同時(shí)考慮特定供熱水量時(shí),因水側(cè)阻力增加而引起的給水泵功耗增加,并核算其對(duì)成本影響之后,再確定流程型式。
[1]國(guó)家發(fā)展改革委、財(cái)政部、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部、國(guó)家能源局.關(guān)于發(fā)展天然氣分布式能源的指導(dǎo)意見(發(fā)改能源[2011]2196號(hào))[EB/OL].北京,2011.10.9.
[2]韋媚媚,馮濤,劉德權(quán),等.淺析天然氣分布式能源項(xiàng)目節(jié)能評(píng)估技術(shù)難點(diǎn)[J].節(jié)能技術(shù),2016,34(2):178-181.
[3]李永兵,岳建華,沈炳云.冷熱電分布式供能系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展[J].燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù),2008,21(3):4-7.
[4]羅建,余學(xué)海,張占鎖,等.燃?xì)夥植际侥茉窗l(fā)展前景及經(jīng)濟(jì)性分析[J].燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù),2012,25(1):17-19.
[5]朱曉軍,牛小丹,張超,等.天然氣分布式能源系統(tǒng)綜合經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)研究[J].科技和產(chǎn)業(yè),2014,14(4):60-64.
[6]王朝華,劉聿拯.螺旋翅片管束在余熱鍋爐中的應(yīng)用分析[J].能源研究與信息,2006,22(3):155-158.
[7]王利宏,單建明,李偉,等.聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐中的流體加速腐蝕[J].發(fā)電設(shè)備,2010(6):409-413,429.
[8]楊世銘,陶文銓.傳熱學(xué)[M].4版.北京:高等教育出版社,2006,37-45.
[9]王耀昕.螺旋翅片管余熱鍋爐煙氣阻力計(jì)算方法比較[J].節(jié)能技術(shù),2016,34(4):310-313.
[10]何宏,于蘭蘭,張棟芳.聯(lián)合循環(huán)熱力系統(tǒng)優(yōu)化研究[J].熱力透平,2013,42(4):236-301.
[11]王利宏,單建明,林正春,等.余熱鍋爐尾部受熱面,中國(guó),ZL 2012 2 0098498.6[P].2012-11-28.