1000MW直接空冷机组凝汽器污垢热阻对热经济性影响特性研究

第55卷第1期2013年2月汽轮机技术TURBINETECHN0L0GYVOI55NO1FEB20131OOOMW直接空冷机组凝汽器污垢热阻对热经济性影响特性研究韩中合，马务，王智华北电力大学能源动力与机械工程学院，保定071003摘要直接空冷机组运行一段时间后，其散热器管内、外污垢热阻会对机组的热经济性产生一定的影响。以某1000MW直接空冷机组为例，取污垢热阻的变化范围为00001MKW，用一孔，建立了机组排汽压力的管内、外污垢热阻数学模型。分析了热负荷一定的情况下，不同环境温度、迎面风速下，散热器管内、外污垢热阻对排汽压力的影响特性。结合当地经济因素，比较了不同管内、外污垢热阻阻值对机组年运行费用的影响程度，为机组的经济运行提供了参考。关键词直接空冷；污垢热阻；排汽压力；热经济性；年运行费用分类号TK247文献标识码A文章编号10015884201301005104STUDYONEFFECTONHEATECONOMYOF1000MWDIRECTAIRCOOLEDUNITBYRADIATORFOULINGTHERMALRESISTANCEHANZHONGHEMAWUWANGZHISCHOOLOFENERGY，POWERANDMECHANICALENGINEERING，NOAHCHINAELECTRICPOWERUNIVERSITY，BAODING071003，CHINAABSTRACTTHEINSIDEANDOUTSIDERADIATORFOULINGTHERMALRESISTANCEWILLHAVESOMEIMPACTONUNITTHERMALECONOMYAFTERTHEDIRECTAIRCOOLEDUNITRUNAPERIODOFTIMEONE600MWDIRECTAIRCOOLEDUNITHADBEENTAKENASTHEEXAMPLE，LIMITINGTHATBOTHFOULINGTHERMALRESISTANCEINANDOUTOFTHERADIATORVARIEDINTHERANGEOF00O01MKW，AMATHEMATICALMODELOFTHEFOULINGTHERMALRESISTANCECHARACTERISTICOFUNITEXHAUSTPRESSUREWASESTABLISHEDTHECHARACTERISTICSTHATTHERADIATORFOULINGTHERMALRESISTANCEHAVEONTHEUNITEXHAUSTPRESSUREWEREANALYZEDUNDERCERTAINHEATLOAD，DIFFERENTENVIRONMENTALTEMPERATUREANDHEAD一0NWINDVELOCITYCOMBINEDWITHLOCALECONOMICFACTORS，THEIMPACTOFDIFFERENTINSIDEANDOUTSIDERADIATORFOULINGTHERMALRESISTANCEVALUEOILTHEANNUALOPERATINGCOSTSOFTHEUNITWASCOMPAREDTOPROVIDEAREFERENCEFORTHEECONOMICOPERATIONOFTHEUNITKEYWORDSDIRECTAIRCOOLED；FOULINGTHERMALRESISTANCE；EXHAUSTPRESSURE；“HEATECONOMY；ANNUALOPERATINGCOSTSO前言在我国，煤炭资源丰富的三北地区，往往由于缺水而不能兴建电厂，因此丰富的煤炭资源不能开发和利用，对宏观经济是个极大的损失。空冷机组作为一种新的节水途径，它使用空气作为冷源，不存在冷却塔的大量的水资源散失损失。空冷机组与常规湿冷机组最主要的区别在于其冷端系统，汽轮机排汽通过粗大的排汽管道送至室外的散热器内，轴流风机使空气通过散热器外表面，与排汽完成对流换热，如图1所示。污垢热阻表示散热器传热面上因沉积物而导致传热效率下降程度的数值，即换热面上沉积物所产生的传热阻力，包括水垢、锈蚀以及其它污垢造成的附加热阻。空冷翅片管直接暴露在环境中，空气中的各种漂浮物均会在翅片管外结垢，凝结水蒸汽的侵蚀使翅片管内侧也会形成污垢。这些污垢会直接影响空冷机组的换热特性。分析散热器管内、外污垢热阻对排汽压力的影响规律，对选择空冷凝均具有一定参考意义。图1直接空冷机组原则性汽水系统图1考虑污垢热阻的冷端系统变工况数学模型11空冷机组冷端系统变工况的数学模型凝汽器管内蒸汽的放热量为QDH一H3600A，VRPCPAT。1式中，Q为汽轮机排热量，MW；D为汽轮机排汽量，KGS；为凝汽器入口蒸汽焓，KJKG；H为饱和温度下凝结水焓，KJKG；A，为迎风面面积，M；为迎面风速，MS；P为冷热空收稿日期20120619作者简介韩中合1964，男，教授，博士生导师，研究方向为热力设备状态监测与故障诊断；两相流计算与测量；叶轮机械CFD与优化设计。52汽轮机技术第55卷气平均密度，KGM；C为空气定压比热容，JKGK；KT。为空气的温升，。NTU是表示散热器换热能力大小的一个无量纲值，也是反映散热器综合技术经济性能的指标。，可表示为丽KF2ABT，CD、式中，K为总传热系数，WINK；F为散热器总散热面积，M。空气在空冷凝汽器中的温升为ATA3寿3凝汽器入口蒸汽饱和温度T为TNDN丽HH专143600AFU口GPE一。式中，T为凝汽器人口空气温度，。凝汽器的饱和温度和饱和压力是一一对应的，经拟合可按下式进行计算J一拍对于常规湿冷机组而言，低压缸排汽口与凝汽器人口的距离相对较短，可近似地认为排汽压力等于凝汽器压力。而直接空冷机组排汽管道较长，并且从低压缸排汽口到凝汽器入口有几十米高的水蒸汽柱，因此低压缸排汽压力与凝汽器人口压力相差较大。例如，某1000MW空冷机组在额定工况下的排汽压力为13KPA，测量得到排汽管压降为177KPA，不可忽略。记蒸汽流经排汽管道的压损为P，水蒸汽柱引起的重位压差为P。AP寺6式中，分别为沿程、局部阻力系数；为蒸汽在排汽管道中的流速，MS。AP2PGH7式中，H为排汽口到凝汽器人口的高度，IN。排汽压力P的表达式为PPPLP2812空冷凝汽器散热管污垢热阻变工况的数学模型直接空冷汽轮机组低压缸排汽与外界空气的热传递是在散热管内进行的，本文用田一NTU法分别研究管内外污垢热阻对排汽压力的影响特性。空冷凝汽器散热管总传热量又可表示为QKFAT9式中，管内蒸汽和空气传热平均温差，。ATFM10式中，L为纯逆流型散热器的对数平均温差，OC；为修正系数。_11一式中，为传热端差，。空气是在凝汽器散热管外表面的翅片间流动，蒸汽是在散热管内流动，因此二者是不相互混合的交叉流动，其修正系数可根据参数P、R可查；参数P定义为P12式中，T为凝汽器入口蒸汽温度，OC；F为凝汽器入口空气温度，。参数R定义为13式中，T为凝汽器出口蒸汽温度，。考虑到污垢热阻时的总传热系数表达式为111118I半寺去式中、。分别为散热管内外对流换热系数，WRFLK；、散热管光管基准内、外表面积，ILL。；R为间隙热阻，ILLKW；研为翅片热阻，INKW；6。为散热管厚度，M；A为散热管导热系数，INK；8、分别为散热管内外污垢热阻，IN。KW；F为散热管外表面面积，M。当蒸汽在管内的流速不大时，液膜上部为层流，下部出现紊流，KIRKBRIDE采用区域加权平均，得出沿整个液膜高度的平均凝结换热系数为式中，NU为努谢尔数，NUA；GA为伽利略数，GAGLV；PR为普朗特数，PRVIA；RE为雷诺数，REUDV，T，为运动粘度，MS；N为热扩散率，MS。除P用壁温T计算外，其余物理量定性温度为饱和温度，物性均是凝结液的，定性尺寸为竖壁高度。凝气器散热管外为强制对流换热，已有文献对国产矩形翅片椭圆管束的放热系数和气流阻力进行了实验论证，获得如下管外对流换热系数经验公式O019争RE16DFU17此式中定性温度为空气进出13平均温度。D为水力直径，M；F为流通面积，M；U为湿润周长，M；经计算，散热器翅片导热热阻，管内对流传热热阻及间隙热阻和翅片热阻数量级均很小，在计算管内污垢热阻对排汽压力的影响时可将其忽略。则式14可简化为古寺砖去古空冷机组的凝汽器散热管多为椭圆管，其光管基准外表面面积为FONLRL150B一。619式中，A、B为椭圆管长、短半轴尺寸，M。2散热管污垢热阻变工况特性排汽压力是冷端系统的综合指标，其高低关系到整个机组的热经济性。由以上公式可以看出，在变工况下，排汽压力的求取主要在于环境温度、迎面风速、低压缸排汽流量以第1期韩中合等1000MW直接空冷机组凝汽器污垢热阻对热经济性影响特性研究53及总传热系数，因此排汽压力的函数表达式为PT。，D，K，在同一种工况下，前3项保持不变，散热管内外污垢热阻会导致的变化，因此可以算出污垢热阻对排汽压力的影响规律。本文以某1000MW直接空冷机组为例，分别研究管内、外污垢热阻对排汽压力的影响特性。机组设计工况和散热器尺寸的数据示于表1。21散热管内污垢热阻若只考虑管内污垢热阻，则式18可简化为1。111、香一F20由式4、式5、式20可以计算排汽压力随管内污垢热阻的变化曲线的斜率为孥27A。21式中T、P。分别是管内污垢热阻为时对应的排汽温度，和排汽压力，KPA；RI、V、分别是管内污垢热阻为直时对应的散热器效率、传热单元数和管内换热系数，WM2K；A为散热管实际面积与散热管内表面面积之比。取污垢热阻的变化范围为00001MKW，可求出各个工况下，排汽压力随管内污垢热阻的变化规律，其关系如图2一图4所示。图2为额定工况下，排汽压力随管内污垢热阻的变化曲线。此曲线接近于一条直线，这是因为由式21可以计算得，在本文所取的污垢热阻范围内，排汽压力随管内污垢热阻的变化曲线的斜率基本上为定值。随着管内污垢热阻的增大，机组排汽压力显著增高。当污垢热阻从0变化到0001MKW时，排汽压力从13KPA增大到1636KPA。从图3和图4可以看出，各种工况下，当管内污垢热阻在一定范围内变化时，排汽压力随着环境温度的升高和迎面风速的降低而升高，并且环境温度越高、迎面风速越低，这种变化越明显。这是因为，排汽压力随管内污垢热阻的变化的鲁出图2排汽压力随管内污垢热阻的变化曲线鱼世詈星幽图3排汽压力随管内污垢热阻的变化曲线图4排汽压力随管内污垢热阻的变化曲线斜率如式21所示变工况下，各项中C。的变化率最大，决定着，C的变化趋势。当环境温度升高时，T变大，排汽压力的变化曲线斜率增大；当迎面风速升高时，。变小，排汽压力的变化曲线斜率减小。例如，当污垢热阻从0变化到0001MKW，迎面风速为35MS时，排汽压力增高283KPA，迎面风速为12MS时，对应的排汽压力增高了57KPA；环境温度为8C时，排汽压力增高了19KPA，环境温度为30时，排汽压力增高了636KPA。22散热管外污垢热阻若只考虑管外污垢热阻，则式18可简化为1111，、8OTFL，由式4、式5、式22可以计算排汽压力随管外污垢热阻的变化曲线的斜率为KO孥27ATAKNRVO“拍，式中，T。、P分别是管外污垢热阻为。时对应的排汽温度，和排汽压力，KPA；7。、们、分别是管外污垢热阻为。时对应的散热器效率、传热单元数和管外换热系数，WMK。取污垢热阻的变化范围为00001MKW，可求出各个工况下，排汽压力随管外污垢热阻的变化规律，其关系如加“心控埔054汽轮机技术第55卷如图5图7所示。鱼出鱼出里R坦图5排汽压力随管外污垢热阻的变化曲线图6排汽压力随管外污垢热阻的变化曲线图7排汽压力随管外污垢热阻的变化曲线图5为额定工况下排汽压力随管外污垢热阻的变化曲线，图6和图7为变工况下排汽压力随管外污垢热阻的变化曲线。可以看出，当管外热阻变化时，排汽压力变化的不太明显。这是因为，管外污垢热阻是以散热器实际散热面积为基准，而管内污垢热阻是以散热器内表面面积为基准的，前者与后者之比为A，使式23与式21相比，少了一项A，因此各种工况下排汽压力随管外污垢热阻的变化曲线较为平缓。例如，当污垢热阻从0变化NO001MKW，迎面风速为35MS时，排汽压力增高026KPA，迎面风速为12MS时，对应的排汽压力增高了063KPA；环境温度为8C时，排汽压力增高了02KPA，环境温度为30时，排汽压力增高了063KPA。3散热器污垢热阻对机组经济性的影响由前面的计算可以看出，散热器管内外污垢热阻的存在会使机组的排汽压力有不同程度的升高，进而影响到机组的热经济性，使机组的煤耗增高，运行费用上升。本文以1000MW直接空冷机组为例，计算机组的年运行费用随管内外污垢热阻的变化规律。机组的设计气温20C，设计排汽压力13KPA，相应热负荷为1104753KW。各个负荷的年运行小时数如表2，标煤价600YV_T。表2机组运行时间分布负荷，MW运行时间，H负荷，MW运行时间，H1000420O500118075021204OO30O以下公式计算出机组的耗煤量B24RBRPQL式中，Q。为机组热耗率，KJKW；P为机组发电功率，KW；J，76为锅炉效率；为管道效率；G为标煤热值，KJKG；R为机组运行小时数，H。机组的年运行费用为4U曰R25。式中，、R分别为各个负荷下的耗煤量；T为年运行时间，H。取污垢热阻的变化范围为00001MKW，由式24、式25可求出机组在污垢热阻的影响下年运行费用的变化规律，其关系如图8所示。鱼出鉴图8年运行费用随污垢热阻的变化规律从图8可以看出，机组在污垢热阻的影响下，年运行费用有不同程度的上升趋势。管内污垢热阻对年运行费用的影响比管外污垢热阻要明显，两者在00001MKW范围内变化时，管内污垢热阻对应的运行费用上升了1283万元，而管外污垢热阻对应的运行费用上升了103万元。当管内污垢热阻在000004MKW范围内变化时，运行费用上升的幅度相对较小，当管内污垢热阻大于00004MKW时，运行费用上升明显。运行中，应定期用高压水泵清洗散热器外表面，控制管外污垢热阻，还需加强对管内污垢热阻的控制，使其保持TO0004MKW以下。4结论1在同种工况下，机组的排汽压力随管内外污垢热阻的增大而升高，变化的曲线接近于一条直线，管内污垢热阻对排汽压力的影响要大于管外污垢热阻。管内污垢热阻和管外对流换热系数是影响排汽压力的主要因素。下转第58页勰他宝H58汽轮机技术第55卷50负荷75负荷90负荷【一O100荷F_一102040608010012014016O对外供汽流量TH图1机组发电热耗率随供热流量变化曲线42供热机组运行相对经济效益分析结果在机组供热工况发电热耗率特性计算结果的基础上，进行了供热工况下运行相对经济效益的计算。计算时，电厂外供热价为21GJ，热网供热厂用电耗功按2000KW计算，锅炉热效率按90，管道效率按99计算。标煤价格按700元T考虑。计算得到75负荷下供热各项成本随供汽量变化的计算结果如表2所示。计算结果表明，对中低压联通管对外供热的技术方案，在75负荷下存在某一供热运行经济效益的盈亏平衡点，此时对外供汽流量为215TH。机组供汽量低于供汽盈亏平衡点对应的流量时，供热工况运行的经济效益为负。5结论及建议1从电厂运行角度对大型供热机组在供热工况运行时现有的指标体系进行了评价。在此基础上，提出了供热机组运行直接经济效益的评价方法，并对经济效益法的计算过程进行了理论推导。理论分析表明，这种评估方法可以客观地提供电厂供热工况下运行经济效益，不同的热电热量分配方法对经济效益评估法的分析结果影响很小。2采用供热机组运行相对经济效益方法对某大型供热机组的效益进行了计算。计算结果表明，对中低压联通管对外供热的技术方案，在一定负荷下存在某一供热运行盈亏平衡点。机组供汽量低于供汽盈亏平衡点对应的流量时，单位对外供热量1GJ及每小时供热的亏损值增加较快，机组应尽量避免在这种状态下运行。参考文献1郑体宽热