直接空冷系统优化设计软件研发及关键技术

第53卷第6期2011年L2月汽轮机技术1RURBINETECHNOLOGYVOI53NO6DEC2011直接空冷系统优化设计软件研发及关键技术石磊，黄志祥，朱嵩，汤东升。，陈泽韩1北京交通大学土建学院，北京100044；2广东省电力设计研究院，广州510663摘要介绍了直接空冷系统优化设计软件的编程思路和框架、研究策略和关键技术、实施步骤和计算方法。关键词工程热物理；直接空冷系统；优化设计软件；关键技术分类号TK262文献标识码A文章编号10015884201106042504KEYTECHNOLOGIESRESEARCHANDDEVELOPMENTONOPTIMALDESIGNSOFTWAREOFDIRECTAIRCOOLINGSYSTEMSHILEI，HUANGZHIXIANG，ZHUSONG，TANGDONGSHENG，CHENZEHAN1SCHOOLOFCIVILENGINEERING，BEIJINGJIAOTONGUNIVERSITY，BEIJING100044，CHINA；2GUANGDONGELECTRICPOWERDESIGNINSTITUTE，GUANGZHOU510663，CHINAABSTRACTTHEPROGRAMMINGTHOUGHTSANDKAME，RESEARCHSTRATEGIESANDKEYTECHNOLOGIES，IMPLEMENTAPPROACHESANDCALCULATIONMETHODSONOPTIMALDESIGNSOFTWAREOFDIRECTAIRCOOLINGSYSTEMAREINTRODUCEDKEYWORDSENGINEERINGTHERMOPHYSICS；DIRECTAIRCOOLEDSYSTEM；OPTIMALDESIGNSOFTWARE；KEYTECHNOLOGY0前言直接空冷系统的优化设计具有十分重要的意义，主要涉及直接空冷凝汽器DACC系统的传热、流动阻力、布置和噪声。直接空冷系统的优化设计是个技术经济问题，要进行多方案的比较，一般采用年总费用最小法，综合考虑初投资和运行费用，使空冷系统在寿命期内总费用最小。据此，本研究开发了直接空冷系统优化设计软件。软件采用VB60编程，并与MICROSOFT公司的数据处理软件EXCEL实现接口，有效地提升了VB在数据前后处理方面的能力，同时，方便了使用者。软件的开发基于单排管直接空气凝汽器DACC，适用于单排管直接空冷系统的研究、优化、设计和校核计算。通过改变DACC的传热系数和空气侧阻力，亦能完成双排管、三排管的研究、优化、设计和校核计算。根据不同的汽轮机特性，软件能完成固定进汽量、固定机组出力、变进汽量、变机组出力的汽轮机及DACC的综合优化及设计计算。通过对软件算法的优化，大大提高了程序的运算速度，节省了计算时间。软件具有可视化操作界面，使用简单、方便。1软件框架为方便工程使用，直接空冷机组冷端系统优化软件由静态设计和优化设计两大部分组成。静态设计实现在给定的壹查釜工塑篁壁耋工况的环境参数和汽轮机排收稿日期201I0413基金项目直接空冷机组冷端系统优化计算研究基金号CG136。汽参数等，通过设置DACC的迎面风速，快速确定DACC的总迎风面积、总散热面积和管束总数等；静态设计不涉及DACC全年优化的内容。优化设计包括全年直接空冷系统的运行优化和方案优选。优化设计分为固定初始温差ITD值的优化和设计ITD值的优化。固定ITD值的优化是在汽轮机选型完成后，对DACC不同迎面风速进行优化。设计ITD值的优化不但涵盖固定ITD值的计算范畴，还包括不同汽轮机设计背压下汽轮机侧全年优化的内容。优化设计由设计及满发气温计算、优化设计方式的选择、基本设计优化、方案设计优化、风机组设备选型、蒸汽侧阻力计算、变工况计算和经济性分析8个部分组成。其中，基本设计优化模块与静态设计具有相同的功能。软件的基本组成和主要功能模块，如图1所示。2基本设计优化围绕软件基本组成详述软件的研究策略和关键技术、实施步骤和计算方法。21设计及满发气温的确定设计及满发气温的确定离不开厂址典型年的逐时气象参数。目前，直接空冷系统优化设计典型年多为典型气温年，并在优化设计中，考虑环境风向和风速对DACC换热的影响J。通常，汽轮机TMCRTHA工况对应于设计气温，夏季TRL工况对应于满发气温。设计气温的确定有6OOOSJ时数法、5加权平均值法、算术平均法、30频率法等8种方法。为便于研究、分析和计算，软件实现了常用的5种作者简介石磊1973一，男，汉，河南信阳市人，工学博士，高级工程师，主要从事电厂空冷系统模拟和优化研究。426汽轮机技术第53卷图1直接空冷系统优化设计软件的组成设计气温和3种满发气温的计算。软件还提供了设计气温232水和水蒸汽物性参数的手动输入功能。通过设置任意不满发小时数，软件能确定按国际公式化委员会IFC制定的IAPWSIF97公式任意不满发小时数下满发气温。其通用计算模型和ANTOINE方程，确定水和水蒸汽物性22优化设计方式的选择参数。优化设计方式包括设计ITD值的优化和固定ITD值的233计算考核工况参数优化。通过复选框选择不同的设计背压和迎面风速，确定ITD值优化的计算工况。23基本设计优化根据计算或考核工况条件进行热力计算及校核计算，确定DACC总计算散热面积，并根据初步确定的管束长宽，初步确定总管束数，称为基本设计优化。根据基本设计优化的计算结果，综合考虑管束长宽、空冷岛平台布置方案、面积裕量、空冷单元设计方案、厂界噪声、轴流风机及风机组设备选型的优化过程，称为DACC方案设计优化。23I环境条件和空气物性参数环境气象条件，包括大气压力、环境温度、环境风速由厂址气象台站提供。采用式1确定空气密度。空气平均密度，即进出DACC的空气密度的算术平均值。空气的其它物性参数按常数计算。1D1293焘。志BBE一2式中，P。为湿空气密度，KSM；T。为环境空气温度，；B为当地大气压力，KPA；S为海拔高度，M；B为标准大气压力，KPA。按静态设计计算工况，通常为额定工况汽轮机参数和相应环境气象条件。汽轮机参数包括汽轮机排汽量、排汽背压、排汽干度、排汽焓等。汽轮机低压缸排汽参数、DACC入口蒸汽参数、系统ITD值、直接空冷凝汽器ITD值、凝结水温度、过冷度等的定义和测量位置按德国VGB导则确定。234散热器基本参数计算DACC的主要管型为单排管、双排管和三排管。工程中，多采用单排管。各厂商单排管基管尺寸、翅片厚度、翅片长度、翅化比有细微差异”J。235DACC特性参数DACC性能参数依照空冷厂商提供的试验关联式。DACC性能基础数据一般通过理论分析、数值模拟及试验确定。与DACC性能密切相关的几个无因次准数包括雷诺数RE、努谢尔特数NU、格拉晓夫数GR、欧拉数EU、普朗特数PR等。DACC的传热系数、空气侧阻力，冬季自然通风下DACC的性能等的确定，都会涉及以上无因次准数。一般，雷诺数与流动状态有关；DACC管束阻力与欧拉数、普朗特数有关；传热系数与雷诺数、普朗特数、努谢尔特数有关；冬季自然通风下，DACC的性能与格拉晓夫数、普朗特数有关。第6期石磊等直接空冷系统优化设计软件研发及关键技术427236热力计算和校核计算假定出口空气温度，采用效能一单元数口一NTU法进行热力计算和校核计算，确定某迎面风速下的翅片管总面积或总迎风面积。3方案设计优化根据基本设计优化确定的DACC计算总换热面积，进行DACC方案设计优化，确定满足场地要求和厂界噪声的DACC布置方案。31DACC管束规格及空冷单元设计根据不同迎面风速方案，确定的DACC总面积。按照不同管束规格，结合DACC平台布置方案、列数和排数，确定空冷单元数、风机功率、空冷平台的尺寸。32顺逆流比综合考虑防冻和DACC布置方案，按工程经验确定顺逆流面积比。顺流单元、逆流单元可分开独立设置，或采用混合单元布置方式。顺流管束和逆流管束的长度相同或不同。33DACC布置结合DACC管束规格，面积取舍原则趋于保守，与计算散热面积相比，设计散热面积留有一定的裕量。不同容量机组的布置方式，应结合总换热面积、管束尺寸和顺逆流比确定。为布置美观，平行于汽机房长度方向尽量与汽机房长度保持一致。一台独立的空冷岛布置后宜接近正方形。4风机组设备选型风机组设备的选型是否正确，直接关系到DACC系统的全年变工况运行和优化计算的正确性。由于试验工况不同，厂址气象条件的差异，以及各风机厂商的风机出厂试验工况的不同，使看似简单的风机静压计算和风机选型比较复杂。风机的设计和选型计算基于厂址气象条件和设计工况参数，即考虑当地大气压力和环境温度修正。由于环境温度的变化，DACC的变工况计算中，风机轴功率还要进行修正，即环境温度修正。风机组设备主要包括轴流风机、齿轮箱和电机。按照配套的顺逆流风机，风机组分为顺流风机组设备和逆流风机组设备。当顺逆流单元具有相同的管束和尺寸时，顺逆流风机具有基本相同的风量和风压。当顺逆流单元具有不同的管束和尺寸时，为方便生产、制造、安装和维护，顺流风机和逆流风机应尽量选用相同的型号，现场安装时仅调整叶片安装角。风机组设备选型还要兼顾设计要求的厂界噪声标准。5蒸汽侧变工况流动阻力不同工况下，排汽管道系统压降与排汽管道系统型式、管径、导流叶片的优化设计等因素有关。管束阻力与翅片管型式、管束长度、顺逆流方式、下联箱型式等有关。由于水蒸汽处于湿蒸汽区，应对各汽轮机工况下，不同长度的DACC管束的阻力特性、直接空冷排汽装置及排汽管道系统阻力特性进行系统地研究，“。6变工况优化针对某个设计迎面风速所对应的DACC总散热面积及设备选型方案，可进行该方案全年的变工况优化计算。即根据典型年逐时气象数据，按汽轮机运行模式和TMCR变工况特性表，进行全年变工况计算。采用年总费用最小法进行各方案的经济性比较分析，确定DACC最佳方案。以下以固定ITD值的变工况优化计算为例进行说明。61计算输入条件611典型年逐时气象参数典型年逐时气象参数及数据需要结合厂址或周边气象站多年逐时气象数据研究确定。典型年的确定方法有很多种，其中结合电厂预期的机组运行率及负荷率进行统计的气象参数比较准确。612汽轮机运行模式汽轮机运行模式，包括不同环境温度下汽轮机的出力、运行小时数、利用小时数。由于我国各个电力系统负荷的情况，以及各发电厂在系统中所起的作用不同，汽轮机年利用小时数未作统一规定，由各工程根据具体情况而定。当无汽轮机参考运行模式时，汽轮机各温度段利用小时数，可通过典型年各温度段自然小时数，以及年利用小时数和全年8760H进行等比例折算。613汽轮机变工况特性表通常，根据汽轮机厂商提供的汽轮机TMCR变工况特性表，进行DACC的设计和优化。根据汽轮机TMCR变工况特性表，可拟合得到汽轮机变工况特性曲线。62变工况优化计算根据汽轮机特性曲线表、典型年逐时环境温度表，通过DACC变工况计算，建立起二者之间的联系。确定变工况下，各项参数与环境温度之间的关系曲线，得到直接空冷系统全年典型年变工况运行数据。与常规直接空冷变工况计算方法相比，曲线拟合方式大幅度减少了迭代计算工作量，提高了软件的计算效率，减少了程序的运行时间。对于不同的汽轮机排热量，按照汽轮机排汽背压等于或大于阻塞背压工况，分别进行变工况计算。1汽轮机排汽背压等于阻塞背压时，根据不同环境温度，调整风机转速，直至满足汽轮机阻塞背压。此时，得到不同环境温度下，管束的实际迎面风速。一二垒一L一。1一ENTU3600AYTC。式中，V为DACC实际运行迎面风速，MS；D。为汽轮机排汽流量，KGS；为DACC入口蒸汽焓值，KJKG；H为DACC入口背压下饱和水焓值，KJKG；T为DACC人口蒸汽温度，；为空气平均密度，KGM；C。为空气比热，KJKG。2汽轮机排汽背压高于阻塞背压时，风机按设计迎面风速运行并保持不变，调整入口空气温度，直至满足汽轮机设计背压。4428汽轮机技术第53卷式中，为DACC设计迎面风速，MS。风机运行轴功率或电机输入功率按式5确定。N式中，为风机运行轴功率，KW；为风机设计轴功率，KW；T为风机选型设计计算工况下的环境温度，。63变工况特性参数输出根据TMCR变工况计算结果，每个方案可以得到各种参数与环境温度之间的关系曲线和拟合公式，示例如表1；进而，确定直接空冷系统典型年变工况运行数据表。表1各种参数与环境温度之间的关系表1汽轮机低压缸背压环境温度2，DACC入口蒸汽背压环境温度3凝结水温度环境温度4排热量环境温度5机组出力环境温度6机组热耗环境温度7汽轮机微增功率环境温度8风机总轴功率环境温度9电机总功率环境温度LO排汽流量环境温度11运行ITD值环境温度12凝结水过冷度环境温度13DACC迎面风速环境温度14DACC传热系数环境温度7经济性分析根据变工况计算结果，通过经济性分析，确定直接空冷系统年总费用。71计算条件计算条件包括优化比较电价E、贷款利率、内部收益率I、经济服务年限、年利用小时数、年固定费率AFCR、建设年限M、各年投资比率、辅机功率、电价折减系数等。对于设计ITD值的优化，还需要汽轮机热耗、标煤价格、标煤热值等参数。72汽轮机侧年总费用的确定汽轮机侧年总费用包括年固定费用和年运行费用。年固定费用通过汽轮机现值和年固定费率计算确定。汽轮机侧年运行费用包括燃料费、材料费、人员工资及福利等”。根据汽轮机变工况热耗，典型年气象及汽轮机运行模式，计算汽轮机全年耗热量。根据标煤发热量、燃料单价、确定全年耗煤量和燃料费。73DACC年总费用的确定DACC年总费用包括年固定费用和年运行费用两部分。731初投资现值和年固定费用计算采用空冷岛初投资现值Z计算年固定费用。年固定分摊率AFCR包括3部分，即资金回收系数、大修费率MR和基本折旧费率DR。ZZAFCR万元6AFCRCRMRDR7732年运行费用的计算年运行费用包括风机耗电费。、辅机耗电费、微增发电电费3个部分。L2一3万元8风机、辅机等耗电设备的年运行电费按发电成本电价或优化比较电价计算，即典型年不同气温段小时数的累积功耗X优化比较电价。汽轮机微增功率按汽轮机TMCR工况下的出力与考核工况的出力额定出力或铭牌出力的差值确定。微增功率引起的补偿电价折减系数取0809。733年总费用的确定年总费用Z按式8确定。Z，ZD万元974方案优选按年费用最小，根据各方案的优化计算结果进行比较，选出最优方案。8设计ITD值的优化由于不同汽轮机机型系列不同，末级叶片的长度不同；相同机型汽轮机设计背压也有所不同，因此，设计ITD值的优化比较复杂。一般涉及长短两种末级叶片，11KPA15KPA5种背压，机组特性由汽轮机厂提供