云岡熱電直接空冷噴濕系統研究與應用

張繼斌

（山西大唐國際云岡熱電有限責任公司，山西 大同 037039）

0 概 述

直接空冷系統因其具有良好的節水效果，在最近幾年得到了廣泛的推廣和應用［1］。

直接空冷機組在夏季高溫時段出力受阻是一個普遍問題。在夏季，由于氣溫高，空冷器的冷卻能力明顯下降，導致機組被迫降負荷運行，極端情況下，還會使機組的背壓超限而導致機組停運。因此，采取空冷器噴濕系統以降低空冷器的進口空氣溫度，是提高機組經濟性和安全性的有效途徑之一。

1 云岡電廠的直接空冷系統

山西大唐國際云岡熱電公司的裝機容量為2×220MW直接空冷機組。

機組空冷凝汽器分主凝汽器和分凝汽器兩部分。主凝汽器設計成汽水順流式，規格為9 877mm×2 969mm×550mm，容積為1 340L，設計溫度120℃，設計壓力0.045MPa，這是空冷凝汽器的主體；分凝汽器則設計成汽水逆流式，規格為9 360 mm×2 969mm×550mm，容積為1160L，設計溫度120℃，設計壓力0.045MPa。

2 噴霧增濕系統的工作原理與特點

2.1 直接空冷增濕系統的工作原理

由于直接空冷系統是直接利用空氣進行冷卻，因此，較高的空氣溫度將導致空冷器冷卻能力的下降，降低機組的真空度，導致機組不滿發小時數遠大于設計值。直接空冷系統的夏季運行工況，如圖1所示。

圖1 直接空冷系統夏季運行工況示意圖

對于直接空冷系統汽輪機的排汽溫度可由公式確定［6］：

或

式（1）及（2）中：ta1——空冷器入口空氣溫度；

ITD——初始溫差；

δtp——汽輪機排汽在排汽管道中壓降引起的溫度差；

Δta——空冷器的空氣溫升；

δt——空冷器傳熱端差。

由圖1可知，由于空氣溫度的變化，空冷器的初始溫差ITD、傳熱端差δt均隨著入口空氣溫度的升高而增大。從而導致機組的經濟性下降。

噴霧增濕系統如圖2所示，其工作原理是：除鹽水經過高壓泵加壓后，輸送至布置在空冷平臺的風機出口和散熱器入口之間的霧化噴嘴，然后將降溫后的濕空氣送到空冷散熱器，以提高空冷島的換熱量。

圖2 直接空冷系統的噴霧增濕示意圖

2.2 噴霧增濕系統的設計特點

噴霧增濕系統采用的給水管路布置，如圖3所示。該系統從電廠除鹽水箱取水，除鹽水經過系統配備的過濾系統后進入高壓泵，經加壓后的水，通過管路輸送到布置器入口之間的噴嘴，霧化后進行冷卻換熱。

圖3 直接空冷系統噴霧增濕管路系統

將噴霧系統中的噴嘴布置在距風機出口處的某高度，且需沿風機葉片圓周速度較大的位置布置，空冷島共有24個空冷單元，每單元作為單個噴霧室。每單元布置四排噴嘴，如圖4所示。在風機棧橋兩側分別布置兩排，在距風機棧橋中心線1m和3m處，共設10個噴嘴，靠近風機的兩排各布置3個噴嘴，另兩排各布置2個噴嘴，高度為1m，噴孔直徑為1.6mm，向下噴霧，以有利于霧滴與空氣進行充分的熱濕交換。

圖4 噴嘴的布置圖

3 噴霧增濕系統的數值分析

3.1 計算模型與邊界條件

為了研究增濕系統的可行性，現采用數值模擬的方法對其噴霧過程和特性進行研究分析。

模型的建立主要以空冷島中間某空冷單元為主體，對空冷風機的結構和內部橋架及相鄰單元的結構均進行了必要的簡化，考慮了研究對象單元的左右兩側空冷器出風對流場的影響。模型建立后，總網格數為627864，最后生成的網格，如圖5所示（中心面為對稱面）。

圖5 空冷單元噴霧模型網格圖

利用SIMPLE算法，建立標準的k－ε兩方程湍流模型，采用Fluent內嵌的DPM模型模擬空冷單元內噴嘴的霧化過程及霧滴與空氣的熱濕交換過程。對象單元入口的空氣溫度為307K（34℃），空氣流量為395kg／s；鄰側單元出風流量為197.5 kg／s，溫度為341K（68℃）；環境壓力為89 400Pa；噴嘴的入口壓力0.5MPa，噴孔直徑為1.6mm，噴水流量為0.064 24kg／s，噴水溫度為293K（20℃），霧化角為120°，單元熱負荷為12.65MW。

3.2 對計算結果的分析與討論

為了更加清晰地對霧化增濕系統的實際效果進行驗證和分析，分別對加入和未加入霧化增濕裝置的空冷單元進行了數值模擬，模擬結果以某些斷面的溫度等值線分布圖，壓力等值線分布圖及速度等值線分布圖等進行表示。

通過對增濕系統前后空冷單元內的流場和溫度場模擬，數值模擬的結果，如圖6、圖7所示。

圖6 未加入霧化增濕裝置X＝0m斷面等值線圖

圖6為未加入霧化增濕裝置之前X＝0m斷面的數值模擬結果，從圖6中可知，該空冷單元的內部流場和溫度場分布是均勻的。

圖7 加入霧化增濕裝置X＝0m斷面等值線圖

圖7為加入霧化增濕裝置之后X＝0m斷面的數值模擬結果，從各斷面的壓力和速度分布可知，由于采用向下的霧化方式，霧滴離開噴嘴后，其速度方向與氣流方向相反，因此是先減速增壓，然后被高速氣流拖曳向上運動從而增速降壓。與之接觸的空氣溫度被降低，形成圖7中的低溫區域。

為了定量分析霧化前后整個計算區域的溫度變化，將主要溫度分布范圍劃分為幾個區間（ta1≤ta＜ta2）：307K以下；307K～315K；315K～320K；320 K～325K；325K～330K；330K～335K；335K～340K；340K以上。霧化前后各溫度區間所占百分比見圖8。

圖8 加入增濕裝置前后各溫度區間所占百分比

從各斷面的溫度分布和統計結果可知，在霧化核心區域，水霧滴與空氣進行較強烈的熱濕交換后，能明顯降低空氣的溫度，幅度約為5℃。

4 噴霧增濕系統的應用與分析

在直接空冷機組增設了噴霧增濕降溫系統后，從理論分析與現場運行的結果表明，該系統可有效地降低空冷單元內的空氣溫度，從而強化空冷器的換熱效果，提高了機組的運行負荷和運行的安全性。具有較高的經濟性。

4.1 理論分析

經過理論計算和分析，投入噴霧增濕裝置后，當環境溫度34℃、其噴水流量 為55.0t／h、空氣溫度可降低4℃，理論計算汽機的真空度可提高6.35 kPa以上，機組的帶負荷能力提高12%（24MW），按實際真空度提高6kPa進行核算，如果每年按運行360h（夏季高溫36d，每天投運10h）核算凈發電量，扣除50kW噴濕水泵的耗電量18MW·h，每年（360h）凈增發電量為7 531MW·h。如果按累計發電成本0.231元／kW·h、電價0.320 9元／kW·h（含稅）核算，多發電量凈收益67.70萬元。扣除化學軟水13元／噸成本費用約26萬元，單機靜態投資按50萬元計算，基建投資按20年分攤出每年投資2.5萬元和運行維護費用3.5萬元，系統年維護費用共計6萬元，扣除系統水費用和維護費用32萬元，機組可獲得年直接凈收益35.7萬元。預計不用2年時間，即可收回投資成本，效益相當可觀。

4.2 試驗分析

為了驗證加裝噴霧增濕系統的實際效果，在2臺機組上進行了相關試驗。試驗條件為：機組保持額定負荷200MW運行工況不變，投運5組空冷噴霧增濕系統，試驗數據如表1所示。

表1 噴霧增濕系統試驗數據表

從表1數據可知，在環境溫度提高1.6℃，汽機真空度平均提高62.01－59.03＝2.99kPa，真空度提高3.04%，合計節約機組供電煤耗約7.356 g／kW·h，相當于每小時節約標煤1.47t，按標煤單價500元／噸，每天節約標煤費用為7 356元。若除鹽水按13元／噸計，每天按投運10h，空冷噴濕供水流量按50t／h核算，噴霧水費用為6 500元，扣除水泵每小時電耗費用16元，每天單機獲的直接收益約為840元。如果每年夏季按運行360h核算，年直接創收價值為3.03萬元，雙機產生的經濟效益將達到6.06萬元。

總之，空冷水噴淋系統理論計算和效益試驗結果基本一致，表明增設噴霧增濕系統是行之有效的。

5 結 語

通過理論計算分析與投運噴濕系統的試驗驗證，表明采用噴霧增濕系統，可以降低空冷器入口空氣溫度，從而提高空冷器的散熱效率，提高機組的真空度，在炎熱的夏季，直接空冷機組也可以滿發。通過云岡熱電空冷噴霧增濕系統的成功應用，證明該方法對直接空冷機組具有較高的工程價值。