直接空冷機組噴淋冷卻系統的數值模擬和性能分析

石維柱, 安連鎖, 張學鐳, 范志強

(華北電力大學電站設備監測與控制教育部重點實驗室,保定071003)

我國是一個煤炭資源和水資源分布極不均勻的國家,火力發電受煤炭資源和水資源雙重制約的矛盾日益突出.直接空冷機組是解決富煤貧水矛盾的有效措施之一,近幾年來得到了迅速發展.

直接空冷機組背壓高,特別是在夏季,由于氣溫高,直接空冷機組背壓最高能達到45～50 kPa[1],不同程度地出現了由于運行背壓高而只能對機組采取限負荷運行.一般將機組負荷限制在10%～20%的額定出力,嚴重制約了空冷機組夏季的經濟性和安全性[2-4].為此,在許多直接空冷機組上均加裝了噴淋冷卻系統,以改善空冷機組散熱器的散熱,提高機組的出力.例如,在烏拉特發電廠5號機組上安裝了噴淋冷卻系統后,在7～9月,其平均排汽壓力由46 kPa降至37 kPa,年創造經濟效益200多萬元;又如在神華陽光神木發電有限責任公司的6號機組上安裝噴淋冷卻系統后,在負荷不變的情況下,機組的真空提高了8.8 kPa.

噴淋冷卻系統的工作原理有兩種:一種是蒸發冷卻,原理是將霧化的除鹽水直接噴在換熱器表面,利用水氣化吸熱降低換熱器表面溫度,從而增強換熱器的換熱效果;另一種是噴霧冷卻,原理是將霧化的除鹽水噴在冷卻風機的出口或入口,利用水氣化吸熱降低換熱器周圍空氣的溫度,達到降低機組背壓的目的.兩種冷卻原理最大的區別是除鹽水用量:一般,噴霧冷卻除鹽水的耗用量是蒸發冷卻的幾倍.這兩種噴淋冷卻的原理對噴嘴的霧化效果、噴嘴的位置選取和運行控制均有較高的要求[5].在電廠的噴淋系統中,這兩種冷卻方式均兼而有之.

噴淋冷卻系統在實際應用中還存在一些問題,例如因噴霧器安裝位置或噴淋系統設計不合理而達不到預期的噴淋效果,導致噴淋系統水的消耗量太大,甚至比同等條件下濕冷機組的耗水量還多,且在空冷島下方形成“雨區”等.為此,本文以國產某300 MW直接空冷機組為例,設計了幾種不同型式的噴淋冷卻系統,并進行了數值模擬和性能分析,以期提高噴淋冷卻系統的性能及減少除鹽水的消耗量.

1 空冷單元噴淋冷卻系統的數值模型

1.1 空冷單元的散熱負荷

空冷單元的散熱負荷是指機組在穩定工況下每個空冷單元的散熱量,其數值由汽輪機的排汽量、排汽壓力及排汽焓等參數確定.若忽略順流單元和逆流單元散熱量的差別,每個空冷單元的散熱負荷可由下式確定.

式中:Qc為空冷單元的散熱負荷,kW;Q為空冷島的熱負荷,kW;n為空冷單元數;Dc為汽輪機排汽量,kg/s;hc和分別為排汽焓和凝結水的焓[6],kJ/kg.

當壓力變化不大時,(hc-h′c)可認為是定值.由式(1)可知,空冷單元的散熱負荷僅取決于機組的排汽量或機組負荷.

1.2 空冷單元空氣的吸熱量

假設空冷單元出口空氣已達到飽和狀態,少量水會滴落在換熱器表面而使換熱效果增強,但同時少量水也會滴落到地面而使換熱量減少.本文忽略二者對換熱量的影響,認為空冷單元管外空氣的吸熱量Qn由以下3部分組成.

環境空氣的散熱量

水由入口溫度升至空氣出口溫度所吸收的熱量

水蒸發成水蒸氣所吸收的汽化潛熱

式中:D′a為噴霧后的空氣質量流量,kg/s;Dw為總的噴水質量流量,kg/s;Dwzf為由水蒸發成水蒸氣的質量流量,kg/s;cpa、cpw分別為空氣和水的比定壓熱容,kJ/(kg?K);ta1為噴霧前空氣冷卻器出口空氣溫度,℃;t′a2為噴霧后空冷器出口空氣溫度,℃;tw1為噴霧水溫,℃;h1,h2分別為蒸發前水的焓值和蒸發后水蒸氣的焓值,kJ/kg.

根據能量守恒定律,在穩定工況下有:

式中:Qn為空冷單元空氣的吸熱量,kW.

1.3 幾何模型

數值模擬的目的是考察噴嘴的霧化特性、霧滴在空冷單元內的熱濕交換過程以及增濕后的空氣對散熱器性能的影響.噴淋冷卻系統幾何模型主要以空冷單元為主體,對空冷風機和內部橋架等結構及相鄰單元的結構均進行了必要的簡化[7].某國產300 MW直接空冷機組的空冷單元平臺長寬相等,均為12 200 mm,空冷三角夾角為60°,空冷風機的直徑為 9 410 mm,空冷單元三角高度為11 200 mm,其幾何模型示于圖1.

1.4 噴淋冷卻系統的型式

本文設計了3種型式的噴淋冷卻系統,噴嘴選擇螺旋實心噴嘴,其流量與壓力的對應關系示于圖2.

圖1 空冷單元的幾何模型Fig.1 Geometric model of the air cooling unit

圖2 螺旋實心噴嘴流量與壓力的對應關系Fig.2 Flow rate vs.pressure of helical solid spray nozzle

1.4.1 噴淋系統A

在噴淋系統A中采用了8個噴嘴,噴嘴的入口壓力為0.2 MPa,噴孔直徑為3.2 mm,單個噴嘴的噴水流量為0.14 kg/s,噴水溫度為293 K,霧化角為120°,其噴嘴的布置形式示于圖3.從圖3可知:每個空冷單元布置2排供水支管,每排分2路,每路布置2個噴嘴.

圖3 噴淋系統A的噴嘴布置圖Fig.3 Nozzles lay out of spray system A

1.4.2 噴淋系統B

在噴淋系統B中采用了12個噴嘴,噴嘴的入口壓力為0.3 MPa,噴孔直徑為2.4 mm,單個噴嘴的噴水流量為0.091 6 kg/s,噴水溫度為293 K,霧化角為90°,其噴嘴的布置形式示于圖4.從圖4可看出:每個空冷單元布置2排供水支管,每排分2路,每路布置3個噴嘴.

圖4 噴淋系統B的噴嘴布置圖Fig.4 Nozzles layout of spray system B

1.4.3 噴淋系統C

在噴淋系統C中采用了18個噴嘴,噴嘴的入口壓力為0.2 MPa,噴孔直徑為2.4 mm,單個噴嘴的噴水流量為0.075 kg/s,噴水溫度為293 K,霧化角為90°,其噴嘴的布置形式示于圖5.從圖5可看出:每個空冷單元布置2排供水支管,每排分3路,每路布置3個噴嘴.

圖5 噴淋系統C的噴嘴布置圖Fig.5 Nozzles lay out of spray system C

1.5 數值計算方法

基于Simple算法,采用標準的k-ε湍流模型和離散相模型[8-9].在計算區域中,入口邊界為空冷單元風機入口,并采用質量流率入口邊界類型,而空冷單元兩端間壁和底部則采用固壁邊界類型.計算域頂部為壓力出口邊界類型[10],其他邊界則為速度入口邊界類型(其中速度設置為零).空冷單元入口空氣溫度為307 K,空氣質量流量為600 kg/s,空冷單元選用多孔介質邊界類型,單元熱負荷為12.86 MW.

2 結果與分析

2.1 未加裝噴淋冷卻系統的數值模擬結果

未加裝噴淋冷卻系統時空冷單元出口溫度場的分布如圖6所示,其出口空氣溫度的統計平均值為338 K.

圖6 噴淋前空冷單元的溫度分布Fig.6 Temperature distribution of the air cooling unit before spray

2.2 加裝噴淋冷卻系統A的數值模擬結果

圖7為加裝噴淋冷卻系統A的空冷單元溫度場分布.從圖7可知:該空冷單元出口空氣溫度的統計平均值為336 K.

2.3 加裝噴淋冷卻系統B的數值模擬結果

加裝噴淋冷卻系統B的空冷單元出口溫度場分布如圖8所示,其出口空氣溫度的統計平均值為335 K.

2.4 加裝噴淋冷卻系統C的數值模擬結果

圖9為加裝噴淋冷卻系統C的空冷單元出口溫度場分布.從圖9可知:該空冷單元出口空氣溫度的統計平均值為333 K.

2.5 結果與分析

對比圖6～圖9發現:噴淋后空冷單元的出口空氣平均溫度比噴淋前降低了2～5 K.其中,加裝噴淋冷卻系統A的空冷單元出口空氣平均溫度降低了2 K;加裝噴淋冷卻系統B的空冷單元出口空氣平均溫度降低了3 K;加裝噴淋冷卻系統C的空冷單元出口空氣平均溫度降低了5 K、加裝噴淋冷卻系統C的空冷單元出口空氣平均溫度下降較多的原因是因為噴嘴數量比噴淋冷卻系統A和B的多,并且流量小,噴射出來的霧滴也小,霧滴容易破碎蒸發;而且,噴淋冷卻系統C的噴淋均勻,覆蓋范圍大,霧化效果更好,因此其出口空氣平均溫度的降低幅值也最大.

圖7 加裝噴淋冷卻系統A的空冷單元溫度場分布Fig.7 Temperature distribution of the air cooling unit with spray cooling system A

圖8 加裝噴淋冷卻系統B的空冷單元出口溫度場分布Fig.8 Temperature distribution at the outlet of the air cooling unit with spray cooling system B

圖9 加裝噴淋冷卻系統C的溫度場分布Fig.9 T emperature distribution with spray cooling system C

雖然噴淋冷卻系統B中的噴嘴壓力比噴淋冷卻系統C的高,但由于前者的流量比后者大,噴嘴個數又少,因而使噴淋冷卻系統B的局部散熱效果尚可,但整個單元的噴霧不夠均勻,覆蓋范圍也比較小,因此散熱器的整體換熱效果沒有噴淋冷卻系統C明顯.噴淋冷卻系統A中的噴孔直徑較大,但噴嘴壓力不夠高,單個噴嘴的流量大,噴嘴數量又少,因此冷卻效果明顯不及噴淋冷卻系統B和C.

根據空冷島的變工況計算模型,由空冷單元出口空氣平均溫度可計算出空冷島的排汽壓力.表1為噴淋冷卻系統的性能比較.從表1可看出:噴淋冷卻系統A、B、C使排汽壓力分別降低了2.6 kPa、3.9 kPa和6.7 kPa.對于所研究的直接空冷機組,在除鹽水量充足時,應選擇噴淋冷卻系統C,因為其排汽壓力的降幅最大;如除鹽水量有限,則可選擇噴淋冷卻系統B.

表1 噴淋冷卻系統的性能比較Tab.1 Performance comparison of the spray cooling systems

3 結 論

(1)噴淋后空冷單元的出口空氣平均溫度比噴淋前降低了2～5 K.其中,加裝噴淋冷卻系統A的空冷單元出口空氣平均溫度降低了2 K,排汽壓力降低了2.6 kPa;加裝噴淋冷卻系統B的空冷單元出口空氣平均溫度降低了3 K,排汽壓力降低了3.9 kPa;而加裝噴淋冷卻系統C的空冷單元出口空氣平均溫度降低了5 K,排汽壓力降低了6.7 kPa.

(2)噴霧越均勻,霧滴覆蓋范圍越大,噴淋冷卻系統的性能越好,排汽壓力的降幅越大,經濟性越好.因此,在實際應用中應盡量多布置噴嘴,以使噴霧區域均勻.

(3)以國產某300 MW機組為例,當除鹽水量充足時,選擇噴淋冷卻系統C是最佳方案;如除鹽水量有限,則可選擇噴淋冷卻系統B.

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