霧化補水對直接空冷機組的熱經濟性影響分析

李慧君，焦英智，賈寶桐

(華北電力大學能源與動力工程學院，河北省保定市 071003)

霧化補水對直接空冷機組的熱經濟性影響分析

李慧君，焦英智，賈寶桐

(華北電力大學能源與動力工程學院，河北省保定市 071003)

直接空冷機組因背壓較高，增加了冷源損失，影響了機組的熱經濟性。熱井補水對減少冷源損失影響很小，為此提出對直接空冷機組采用霧化補水。將補水方式由直接進入熱井改為在排汽管道內適當位置霧化后再進入熱井，基于等效熱降理論，建立了霧化補水物理模型和熱經濟模型，以NK600-24.2/566/566型機組為例，在不同工況下，分別計算霧化補水和熱井補水方式的熱經濟性。計算結果表明：采用霧化補水提高機組熱經濟性是可行的；與熱井方式相比，霧化補水能夠減少冷源損失，提高機組熱經濟性，實現機組節能降耗的目的。

直接空冷機組；熱井補水；霧化補水；熱經濟性

0 引 言

直接空冷機組采用空氣代替冷卻水作為冷卻汽輪機排汽的工質，因此空冷機組可節約大量冷卻水，但機組運行中存在著背壓高且變化幅度大、凝汽器冬季運行易結垢、凝結水溶氧量超標及凝汽器冷卻性能受環境影響大等問題[1-3]。這些問題都會影響機組的真空，從而影響機組熱經濟性。因此針對冷端存在的問題，采取提高機組真空和熱經濟性的措施意義重大。

噴霧技術在實際生產中用途廣泛，在機組實際運行中，采取適當的噴霧措施可以提高機組真空。文獻[4]采用噴霧增濕法降低空冷凝汽器入口空氣溫度，改善換熱效果并提高機組真空，同時采用計算流體力學軟件對噴霧效果進行了數值模擬，結果表明，采用噴霧增濕法可以顯著提高機組運行真空。文獻[5]模擬了噴霧方向改變時空氣和霧滴的流場，分析了噴霧方向對噴霧增濕效果的影響，并找到最有利的噴霧方向。

機組實際運行中，由于設備、管道的滲漏，抽氣設備的排氣以及生產中的消耗，都會不可避免地引起工質損失。要保證機組連續正常地運行，必須向熱力系統補充一定量的化學除鹽水[6]。近年來，濕冷機組凝汽器化學補水越來越多地采用噴嘴霧化技術，并且取得了明顯的經濟效益[7-8]。文獻[9]基于兩相流理論，對濕冷機組凝汽器喉部霧化補水進行了數值模擬，分析了影響噴霧凝結換熱效果的主要因素。結果表明，噴霧壓力、噴嘴孔徑及噴霧方向對換熱效果具有綜合作用，最佳補水霧化系統需要進行綜合技術比較才能確定。目前，霧化補水對直接空冷機組熱經濟性影響的研究很少。

熱井補水對于降低空冷凝汽器的熱負荷，減少機組冷端損失的效果很小，而在排汽管道內霧化補水可以回收排汽的部分熱量，降低空冷島蒸汽負荷，從而提高機組的真空和熱經濟性[10-11]。本文基于等效熱降理論，對直接空冷機組熱井和排汽管道霧化補水的熱經濟性進行定量分析。

1 模型的建立

1.1 物理模型

空冷機組通常采用熱井補水，對機組背壓、凝汽器真空基本沒有影響。為提高機組真空和熱經濟性，本文采用在排汽管道內，將補水全部霧化并由排汽加熱至飽和狀態后進入熱井的方案，如圖1所示。

圖1 霧化補水系統

1.2 熱經濟計算模型

補水通常為過冷水，霧化后的補水進入汽輪機排汽管道，由于液滴直徑小、換熱面積大，因此，吸收部分排汽的汽化潛熱，使之成為飽和水，同時減少了進入空冷島的熱負荷，在其他條件不變的情況下，提高了空冷島真空度。

補水與排汽在傳熱過程中滿足熱量平衡方程，即

(1)

補水被加熱為飽和水時，所需排汽量為

(2)

與熱井補水相比，霧化補水在進入熱井前已被加熱成飽和水，因此對末級加熱器造成排擠抽汽。由等效熱降理論[12]可知，若對末級第j級加熱器的排擠抽汽量為Dj，則排擠的末級抽汽返回汽輪機的做功量為

Hj=Dj(hj-hn)

(3)

式中：Hj為排擠抽汽做功量，kJ；Dj為排擠抽汽量，kg/s；hj為第j級加熱器抽汽焓，kJ/kg。

單位新蒸汽做功增加為

ΔHwbs=αjj(hj-hn)

(4)

式中：αjj為第j級加熱器的排擠抽汽份額，即αjj=Dj/D0，D0為新蒸汽量，kg/s。

通過霧化補水回收排汽熱量屬于內部純熱量的利用問題[12]。新蒸汽做功增量為

(5)

式中：ηj為第j級加熱器的抽汽效率。

由式(3)～(5)可得，與熱井方式相比，單位新蒸汽在霧化補水時做功增量為

(6)

式中：αwbs為補水份額，即αwbs=Dwbs/D0。

當化學補水從熱井補入系統時，將增加末級第j級加熱器的抽汽量，則單位新蒸汽做功降低量[12]為

(7)

由式(6)、(7)可得相對于無補水的工況，單位新蒸汽在霧化補水時做功增量為

(8)

機組熱經濟性指標變化量[12]為

(9)

式中：δηi為機組熱效率相對變化量；H為新蒸汽等效焓降，kJ/kg。

Δq=qδηi

(10)

式中：q為熱耗率，kJ/(kW·h)；Δq為熱耗率變化量，kJ/(kW·h)，負號表示Δq與δηi變化方向相反。

Δbb=bbδηi

(11)

式中：bb為標準煤耗，g/(kW·h)；Δbb為標準煤耗變化量，g/(kW·h) ，負號表示Δbb與δηi變化方向相反。

2 不同補水方式的熱經濟性比較

本文以國產NK600-24.2/566/566型機組為例，該機組熱力系統由“三高”、“三低”、“一除氧”組成，其熱力系統如圖2所示。選取機組最大連續出力(turbine maximum continuous rating, TMCR)，熱耗率驗收(turbine heat-rate acceptance, THA)、80% THA、60% THA和50% THA這5個工況點，對霧化補水和熱井補水方式下的熱經濟性進行分析。

對于再熱機組考慮再熱器中吸熱量及全部輔助成分做功損失，由等效熱降理論可得新蒸汽等效熱降[12]為

(12)

式中：h0為新蒸汽焓，kJ/kg；σ為蒸汽在再熱器中的吸熱量，kJ/kg；τr為工質在加熱器中的焓升，kJ/kg；ηr為加熱器抽汽效率；ΣΠ為系統全部輔助成分的做功損失，如門桿漏汽、軸封漏汽、給水泵功損等代數和，kJ/kg。

圖2 600 MW機組熱力系統

由文獻[13]可得到不同工況下運行機組的主要參數，與熱經濟指標相關的參數計算結果見表1、2。

表1 各級加熱器抽汽等效焓降

選取上述5個工況點的補水量均為30 t/h，補水溫度為25 ℃，通過計算可以得到各熱經濟性指標隨負荷的變化如圖3所示。從圖3可看出，當補水量一定時，采用排氣管道霧化補水的熱效率相對變化量隨負荷的增加先減小，后穩定，之后又增大。機組負荷低于60%THA時，凝結水焓和水量較低，回收冷端余熱后，補水的熱量和流量與凝結水相比所占份額較大，增加了排擠抽汽，負荷越低，排擠抽汽量越大，熱效率提升越多。從THA到TMCR工況，由于排汽壓力升高，補水回收熱量增加，與新蒸汽等效焓降相比所占份額提高，因而熱效率升高。60%THA到THA負荷范圍內，機組在距設計工況較近的范圍內運行，霧化補水對機組熱效率的提高略小。補水進入熱井方式時，熱效率相對變化量隨負荷升高而增大，這是因為凝結水焓和凝結水量增高，補水量和其從熱井中吸收的熱量占凝結水的份額減小，對機組熱效率的影響降低。熱經濟指標在霧化補水時的值始終大于熱井方式下的值，且二者的差值隨負荷增加逐漸減小。

表2 各級加熱器抽汽效率

選取空冷機組80%THA工況點，在補水量變化時，熱效率相對變化量與補水量的關系如圖4所示。從圖4可看出，當機組負荷一定，補水量增加，熱效率相對變化量在采用霧化補水方式時逐漸提高，而采用熱井方式時逐漸減?。贿@2種補水方式引起熱效率相對變化量的差值隨補水量增加而逐漸增大。這是由于霧化補水量越大，從機組冷端回收的熱量越多，使末級加熱器的排擠抽汽增加，從而使熱效率逐漸提升；而熱井補水方式，凝結焓值隨補水量增加逐漸降低，增加了加熱器抽汽，使熱效率降低。

圖3 不同補水方式下機組負荷對熱效率、煤耗和熱耗率的影響

圖4 不同補水方式下熱效率相對變化量隨補水量變化曲線

通過計算霧化補水和熱井補水方式的熱經濟性，可知：與熱井補水方式相比，排汽管道內霧化補水可以提高機組的熱經濟性。從熱力學的角度看，霧化補水吸收了排汽的低品位熱量，使末級加熱器入口水焓值增加，從而排擠能級較高的末級抽汽，減少了高品位熱量的消耗，這部分熱量返回汽輪機繼續做功，從而提高了機組熱經濟性。

3 結 論

(1)通過對霧化補水建立物理和熱經濟模型進行實例計算，與熱井補水相比，霧化補水方式可以提高機組的熱經濟性。

(2)熱經濟性的提高的大小除了與補水量有關外，還與機組負荷有關，但霧化補水總可以提高機組的熱經濟性。

(3)與熱井補水方式相比，霧化補水方式除可提高機組熱經濟性外，還可以降低低壓設備的氧腐程度及降低廠用電。

[1] 周蘭欣，楊靖，楊祥良.600 MW直接空冷機組變工況特性的研究[J].動力工程，2007，27(2)：165-168.

[2] 霍振英.直接空冷機組冷端特性研究[D].保定：華北電力大學，2010.

[3] 趙利軍.直接空冷機組提高運行真空度的探討[J].神華科技，2013 (3) ：74-76.

[4] 王松嶺，劉陽，趙文升，等.噴霧增濕降溫法提高空冷機組出力的研究[J]. 熱力發電, 2008, 37(8)：5-8.

[5] 周蘭欣，張情，張淑俠，等.直接空冷機組空冷單元內噴霧方向對增濕效果影響的數值研究[J].電力建設，2010，31(11)：10-13.

[6] 韓慶祝，侯淑娟，薛憲闊.包頭第三熱電廠凝汽器補水系統優化改造及經濟性分析[J].汽輪機技術，2009， 3：019.

[7] 尹建興.凝汽器喉部霧化補水流場的數值分析[D].保定：華北電力大學，2010.

[8] 陳國慧，林萬超，邢秦安，等.改變補水方式的節能效益解析[J].熱能動力工程，2000，15(1)：69-70.

[9] 周蘭欣，尹建興，仲博學，等.火電機組凝汽器化學補水霧化的數值研究[J].電力建設，2009，30(12)：6-9.

[10] 田亞釗，陳寶菲.600 MW直接空冷機組補水方式探討[J].電力設備，2006，7(3)：22-24.

[11] 李宏雄，王毓樟.300 MW機組化學補水系統結構優化[J].內蒙古電力技術，2008，26(2)：21-24.

[12] 林萬超.火電廠熱系統節能理論[M]. 西安：西安交通大學出版社，1994：25-34.

[13] 山西電力科學研究院. 兆光發電有限責任公司3號汽輪機性能試驗報告 [R].太原：山西電力科學研究院，2011.

(編輯：蔣毅恒)

ThermalEconomyAnalysisofAtomizedMake-UpWaterforDirectAir-CoolingUnit

LI Huijun, JIAO Yingzhi, JIA Baotong

(School of Energy and Power Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China)

For direct air-cooling unit, the higher back pressure increases cold source loss and affects the thermal economy of unit. Make-up water through hot well had little affection on reducing cold source loss, so atomized make-up water was proposed for direct air-cooling unit, which changed make-up water method from entering hot well directly to entering hot well after it was atomized at the appropriate location within the exhaust pipe. This paper built the physical model and thermal economy model of atomized make-up water based on equivalent enthalpy drop method, and calculated the thermal economy of the two make-up water methods under different working conditions with taking NK600-24.2/566/566 as example. The result verifies the feasibility that atomized make-up water can improve the thermal economy of unit. Compared with hot well method, atomized make-up water can reduce cold source loss, improve thermal economy of unit and achieve the purpose of energy saving.

direct air-cooling unit; make-up water through hot well; atomized make-up water; thermal economy

TK 262

： A

： 1000-7229(2014)05-0118-04

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.05.021

2013-11-01

：2013-11-27

李慧君(1964)，男，教授，研究方向為強化換熱及數值計算、電廠熱力系統的節能理論與監測診斷；

焦英智(1987)，男，碩士研究生，研究方向為電站機組運行、維護與管理，E-mail：jyz864063212@126.com；

賈寶桐(1989)，男，碩士研究生，研究方向為電站設備狀態監測與故障診斷。