（工程热物理专业论文）直接空冷凝汽器喷淋系统优化运行及单元中空气流动传热特性研究.pdf

：。rr 1 7 r r _ 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：f 习茜久礴 签字日期：2 d 加年1 月2 日 导师躲八 签字日期：v 【。年7 月 中图分类号：t k l 7 2 u d c ： 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 直接空冷机组喷淋系统优化运行及 单元中空气流动传热特性研究 s t u d y o no p t i m a lo p e r a t i o no fs p r a yh u m i d i f i c a t i o ns y s t e m i nd i r e c ta i r - c o o l e dc o n d e n s e ra n df l o wa n dh e a tt r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c si na i r - c o o l e du n i t 作者姓名：周敬博 导师姓名：陈梅倩 学位类别：工学 学科专业：工程热物理 学号：0 8 1 2 1 8 9 6 职称：副教授 学位级别：硕士 研究方向：节能技术及传热强化 北京交通大学 2 0 1 0 年7 月 一一 一 致谢 本论文的工作是在我的导师陈梅倩副教授的悉心指导下完成的，陈梅倩副教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。导师在我学习期 间倾注了大量的心血，对我的论文研究工作给予了具体有效的指导，导师的宽容 和鼓励给了我莫大的精神支持，在此致以崇高的敬意和衷心的感谢! 贾力教授、杨飞副教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见， 在此向贾力老师，杨飞老师表示衷心的谢意! 杜小泽教授、扬立军副教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意 见，在此表示衷心的感谢! 在实验室工作及撰写论文期间，李书营、曾时明、董瑞、潘旭霞、刘亚奇、 王玉叶等同学对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激 之情! 在求学的道路上，我的家人给了我无私的爱心、关怀和帮助，感谢父母的理 解和支持! 借此机会，感谢所有参加论文评阅和答辩的各位老师! l 增湿系统的 益；直接空 冷单元易受环境横风的影响，对其温度场和流场进行研究对于提高机组运行水平 和空冷凝汽器的优化设计具有重要意义。 本文基于对某6 0 0 m w 发电机组典型喷淋系统的热力试验和热经济计算，得 到优化运行方案。研究结果表明：喷淋后实际雾化效果为所喷水量的7 9 ；同一 喷淋方式下，每小时经济效益随着负荷的升高而增加，且增加的趋势逐渐增大； 在同一负荷下，选择先喷卜6 排再喷7 8 排的喷淋方式经济性最好，选择同时喷8 排经济性最差。 通过数值模拟，分析风速、风向、散热器安装角度、进风筒形状等因素影响 下的空冷单元空气流动与传热特性的变化规律。研究结果表明，在x 向来风下， 风速每增加l m s ，风机流量下降约2 5 m a s ；由于同时受两侧挡风墙的影响，风向 为4 5 。时，风机通风量最小；随着风速的增大，6 0 。安装角风机通风量下降最快； 对于加装进风筒的空冷单元，在进风口面积一致时，风筒形状对通风量影响不大， 增大风筒进风口面积更有利于轴流风机吸风。 对单元下部加装导流装置后在大空间的流场与温度场进行了数值研究，分析 了导流层数、导流角度对单元流动传热特性的影响。结果表明：加装导流装置后 能有效削弱环境横向风的不利影响，当x 向风速度为9 m s 时，加装导流装置后的 轴流风机通风量比无导流时增大3 2 4 ；通风量随着导流层数的增加而增大，但 增加的幅度逐渐减小；在同一风速下，导流角度越大，轴流风机的吸风量越多， 回流率也越大。 本文的研究有利于运行人员进行各种喷淋方式的分析比较，对空冷凝汽器的 设计及优化运行分析具有一定的指导意义。 关键词：空冷单元；喷雾增湿；经济效益；数值模拟；导流装置 t e m p e r a t u r ef i e l d so ft h ec o o l i n ga i ri nt h ec o n d e n s e re e l l i si m p o r t a n t t h r o u g ht h e r m a lc a l c u l a t i o na n dt h e r m a le x p e r i m e n t so fat y p i c a l6 0 0 m wp o w e r p l a n ts p r a yh u m i d i f i c a t i o ns y s t e m ，t h eo p t i m a lo p e r m i o no fs p r a yh u m i d i f i c a t i o nw a s a n a l y z e d i ti si n d i c a t e dt h a tt h ea c t u a la t o m i z a t i o ne f f e c ti st h ep e r c e n t a g eo f 7 9o ft h e t o t a lw a t e rs p r a y , i nt h es a m ew a yo fs p r a y , t h ec o s tp e rh o u ri n c r e a s e d 、衍t ht h e i n c r e a s eo fl o a d ，a n dt h et r e n di sa l s og r o w i n gg r a d u a l l y , i nt h es a m el o a d ，t h e e c n o n m yo fs p r a y i n g1 - 6r o w sf i r s t ，t h e n7 8r o w si sb e s t , s p r a y i n g8r o w sa tt h es a m e t i m ei sw o r s t b yw a yo fc f d , t h ei n f l u e n c eo fw i n dv e l o c i t y , w i n dd i r e c t i o n , r a d i a t o ri n s t a l l a t i o n a n g l ea n ds h a p e so fw i n dc o v e r su p o nt h ef l o wa n dh e a tt r a n s f e ro f t h ec o o l i n ga i rw a s a n a l y z e d i ti sc o n c l u d e dt h a ta txd i r e c t i o n , t h ew i n ds p e e da d de a c hlm s ，f a nf l o w d e c r e a s e db ya b o u t2 5 m 3 s ，b e c a u s eo ft h ew i n do nb o t hs i d e so ft h ew a l l ，f a nf l o wi s l e a s ta tt h ed i r e c t i o no f4 5 。，a st h ew i n ds p e e di n c r e a s e s ，f l o wo f6 0 。r a d i a t o r i n s t a l l a t i o na n g l ed e c l i n e sf a s t ；f o ri n s t a l l a t i o no fi n l e tc o v e ro fa i r - c o o l e du n i t , t h e s h a p eo fi n l e tc o v e rh a sl i m i te f f e c to nt h ef a nf l o w , i n c r e a s i n gt h ei n l e tc o v e ra r e ah a s m o r eb e n e f i c i a lt of a nf l o w t h ee x t e m a & i n t e m a lv e l o c i t ya n dt e m p e r a t u r ef i e l d so ft h ec o o l i n ga i ri nt h e c o n d e n s e rc e l l 、析t l lt h ef l o wg u i d i n gd e v i c ew e r en u m e r i c a l l ys t u d y e da n dt h e i n f l u e n c eo f l a y e r sa n da n g l e so ft h ef l o wg u i d i n gd e v i c ew a sa n a l y z e d t h ec o n c l u s i o n i st h a tt h eg u i d i n gd e v i c ec a ne f f i c i e n t l yd e c r e a s et h en e g a t i v ei n f l u e n c eo fw i n d , w h e n a tt h ev e l o c i t yo f9 m s ，t h ef a nf l o wi n c r e a s e db y3 2 4 a f t e rt h eg u i l d i n gd e v i c e i n s t a l l e dc o m p a r e dt on o n - g u i d i n gd e v i c e ，t h ef l o wg r o w sa st h ei n c r e a s eo fg u i l d i n g d e v i c el a y e r , b u tt h er a t eo fi n c r e a s eg r a d u a l l yd e c r e a s e s ，a tt h es a m e 、析n dv e l o c i t y , t h eg r e a t e rt h ed e v i c ep o i n t , t h em o r ef l o wo ft h ef a na n dt h eg r e a t e rt h er e c y c l er a t e t h er e s e a r c hi sf a v o rt ot h eo p e r a t i o ns t a f ft oa n a l y z ea n dc o m p a r ev a r i o u ss p r a y m e t h o d s ，a n di si n s t r u c t i v e l ys i g n i f i c a n tt od e s i g na n do p t i m i z ea i r - c o o l e du n i ta sw e l l k e y w o r d s ：d i r e c ta i r - c o o l e du n i t ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ： s p r a yh u m i d i f i c a t i o n ；e c o n o m i c a lb e n e f i t ； g u i d i n gd e v i c e v 1 2 直接空冷系统工作原理及影响因素2 1 3 研究现状5 1 4 本文的研究内容7 2 直接空冷机组喷雾增湿系统热力实验及优化运行9 2 1 问题描述9 2 2 计算方法1 0 2 2 1 管网水力计算1 1 2 2 2 雾化降压计算。1 4 2 2 3 经济性计算15 2 3 试验结果及分析1 7 2 3 1 试验方案简介1 7 2 3 2 试验结果与分析18 2 4 喷淋系统优化运行方案2 l 2 4 1 管网水力计算结果及结论2 l 2 4 2 喷淋系统优化运行方案及经济性分析2 3 2 5 本章小结2 5 3 直接空冷单元流动与换热数值模拟2 7 3 1 物理模型2 7 3 2 数学模型2 8 3 3 边界条件2 9 3 3 1 计算域边界的设置2 9 3 3 2 翅片管的设置2 9 3 3 3 风机的设置3 0 3 3 4 其他边界条件的设置。3l 3 4 网格的划分3 l 3 5 模型验证3 2 3 6 数据处理3 2 3 7 计算结果及分析3 3 n v 1 1 1 北京交通大学硕士学位论文 3 7 1x 风向下模拟结果与分析3 3 引言 1 引言 1 1 概述 随着世界各国经济的迅速发展和人类物质文化生活水平的不断提高，大型火 力发电厂及大容量机组的投运面临着更为迫切、严格的要求，即在要求电力工业 高速发展的同时，对发电厂的耗水量、烟尘排放量、冷却水废热造成的大气和自 然水资源污染、生态平衡破坏规定了严格的限制标准【l l 。因此，人类在大规模开 发能源、发展电力工业的同时，必须采取有效措施，缓解用水矛盾，控制消除污 染，走可持续发展的道路。 发电厂汽轮机排汽空气冷却技术的应用和发展，为在严重缺水的煤矿和电力 负荷中心区域建设大型火力发电厂开辟了一条节水、经济、安全、可靠的途径， 也为在水资源丰富区域保持生态平衡、避免江河水资源污染创造了有利条件。因 此，发电厂空冷技术在世界范围内得到了广泛应用。特别是在我国，走和谐、可 持续发展道路，节约用水，避免污染，提高水资源利用率，已成为新世纪电力工 业发展的重大课题【2 】。华北、西北富煤而缺水地区，发电厂采用空冷技术已成为 必然，其他水资源相对充沛地区，发电厂采用空冷技术的问题也将会受到高度的 重视【3 】。 空冷机组是空冷汽轮机与空冷系统有机组合的总称，它们二者的主要区别在 于空冷汽轮机和空冷系统。空冷汽轮机相对常规湿冷汽轮机而言，主要区别在于 其尾部排汽冷却所采用的冷却方式不同，引起尾部运行参数的变化，从而导致汽 轮机结构等设计必须改变；空冷系统也称干冷系统，是相对湿冷系统而言的，它 是利用空气直接或间接冷却空冷汽轮机排汽的主要设备，装置及其附件等完整组 合的总称【3 】。由于其热交换( 冷却排汽，加热空气) 及其计算是以空气的干球温 度为基础，所以又称干冷系统。按照空气和排汽进行热交换方式的不同，发电厂 空冷系统主要有直接空冷系统和间接空冷系统。直接空冷是指汽轮机低压缸排汽 通过大口径的排汽管道直接进入空冷散热器管束，利用大直径风机驱动空气将之 冷却凝结。间接空冷机组分为海勒式和哈蒙式两种 4 1 ：( 1 ) 海勒式空冷机组：汽轮 机排汽进入混合式凝汽器与大量循环水混合将其冷却( 循环水水质与凝结水水质 相同) ，少部分水进入正常的回热系统，大部分水进入布置在空冷塔内的散热管束， 被空气冷却；( 2 ) 哈蒙式空冷机组：汽轮机排汽进入表面式凝汽器通过大量循环 水将其冷却，循环水再进入布置在空冷塔内的散热器管束，被空气冷却。 目前，采用空冷机组单机容量1 5 0 m w 及以上的大型机组电厂已遍及亚、欧、 非及美洲。据不完全统计，已有近5 0 多个大型空冷机组电厂，最大容量的空冷机组 北京交通大学硕士学位论文 是南非肯达尔( k e n d a l ) 电厂的6 8 6 m w 机组，电厂容量为6 x 6 8 6 m w 。这些空冷机组 的运行都收到了节约水资源的效果，它们的耗水量仅为湿冷机组耗水量的三分之 一【5 j 。我国的空冷技术起步并不太晚。1 9 6 6 年在哈尔滨工业大学试验电站的5 0 k w 机组上首先进行了直接空冷系统的试验。1 9 6 7 年在山西侯马电厂的1 5 m w 机组 上又进行了工业性直接空冷系统的试验。进入8 0 年代以后，庆阳石化总厂自备电 站3 m w 机组投运了直接空冷系统。1 9 8 7 年和1 9 8 8 年，山西大同第二发电厂的 两台2 0 0 m w 机组首次引进了匈牙利的海勒式间接空冷系统，使我国火电厂空冷 技术的发展进入了二个新的阶段。2 x 6 0 0 m w 大同二电厂投运的是国产同一种空 冷系统的机组。太原第二热电厂安装的2 x 2 0 0 m w 机组是表面式凝汽器间接空冷 系统，于1 9 9 4 年投入运行。目前，国产2 0 0 m w 机组直接空冷机组已在云冈发电 有限公司投入运行，大同二电厂二期2 台6 0 0 m w 机组、漳山2 台3 0 0 m w 机组、 古交2 台3 0 0 m w 机组以及塔山4 台5 0 m w 机组等相继采用了直接空冷技术 6 1 。 这些空冷电厂投入运行，将大大推进空冷技术的发展。 1 2 直接空冷系统工作原理及影响因素 直接空冷是指将汽轮机的乏气直接用空气来冷凝，所需冷却空气通常由机械 通风方式供应，其散热器是由外表面镀锌的椭圆形钢管外套矩形钢翅片的若干个 统换热仅有一次，即在空冷凝汽器内进行蒸汽的冷凝，属表面式 与冷凝设备合为一体，直接空冷的空冷装置必须采用机械通风。 统的流程如图1 1 所示，汽轮机排汽通过大直径的排汽管道直接 的空冷凝汽器内，空冷凝汽器下部的轴流风机使冷却空气由下而 器外表面，使空气与汽轮机排汽进行热交换，将排汽冷凝成水， 回汽轮机回热系统。 2 引言 1 锅炉；2 过热器；3 汽轮机；4 空冷凝汽器；5 凝结水泵；6 凝结水精处理装置；7 凝结水 升压泵；8 低压加热器；9 除氧器：1 0 给水泵；11 高压加热器；1 2 汽轮机排汽管道；1 3 轴 流冷却风机；1 4 立式电动机；1 5 凝结水箱；1 6 除铁器；1 7 发电机 图1 1 直接空冷机组系统图 f i g1 1s y s t e md i a g r a mo fd i r e c ta i r - c o o l e dp o w e rp l a n t 直接空冷机组的散热单元有顺流和逆流单元之分，其顺流是指蒸汽自上而下， 凝结水也是自上而下，当顺流单元内蒸汽不能完全冷凝，剩余蒸汽在逆流单元冷 凝，在这里蒸汽与冷凝水相反方向流动，即蒸汽由下而上，水自上而下相反方向 流动。机组运行蒸汽内总是有不可凝气体随蒸汽运动，设置逆流单元主要是排除 不可凝气体和在寒冷地区也可以防冻【7 j 。 -汽轮机排气- 1 顺流凝汽器；2 逆流凝汽器；3 凝结水收集装置 图1 2 空冷凝汽器顺流、逆流示意图 f i g1 2s k e t c hd i a g r a mo ff o r w a r da n da d v e r s ef l o wi nt h ea i r - c o o l e dc o n d e n s e r 寒冷地区，顺、逆流单元面积比约为5 ：l ，单元数相比约2 5 ：1 。6 0 0 m w 机组的散热器每列是2 组逆流单元，而在3 0 0 m w 机组的散热器每列是l 组逆流 3 北京交通大学硕士学位论文 单元。每台机组顺、逆流单元散热面积之和，为散热总面积。 在直接空冷系统中，空冷凝汽器的布置与厂址处的风向、风速及发电厂主厂 房朝向都有密切关系。大型火电机组的空冷凝汽器通常布置在紧靠汽机厂房的a 列柱外侧，与主厂房平行的纵向平台上布置若干个单元组，其总长度与主厂房长 度基本一致。每个单元组由多个主凝汽器与一个辅凝汽器组成“人”字型排列结构， 并在其下部设置多台大直径的轴流冷却风机。 和传统的水冷方式相比，直接空冷系统不需利用水作为冷却介质，节约大量 水资源；不需建设水冷却塔，节省基建和维护费用。然而，由于空气的热容、导 热系数远比水的要小，因此要达到同样的冷却效果，所需的换热面积要相应增大。 空冷岛的换热效果也极易受外界环境因素影响，如果在不利风向上的风速较大， 使加热后的气体无法顺利从平台上方排出，就会使大部分汽轮机排汽不能被及时 冷却，汽轮机背压升高，影响系统运行效率，严重的时候可能会造成系统停机， 因此必须根据当地条件进行运行优化【s 一。在实际应用中，影响空冷凝汽器换热 效果的主要因素有： ( 1 ) 自然界大风。自然界大风对直接空冷凝汽器的影响比较严重，由于空冷系 统附近厂房的存在，在某个主导风向上，风速越大，直接空冷凝汽器迎面风速就 越小，流过空冷器的冷却空气流量就越小，使冷却效果变差；尤其在夏季，环境气 温普遍较高，如在这一时段再受到自然大风的影响，必然对机组的运行产生影响。 调查发现各电厂在夏季高温段遇到外界大风时，均有不同程度的降负荷现象，甚 至出现过机组跳闸现象【l o l 。 ( 2 ) 平台高度。支撑结构平台高度从电厂总体规划、空冷系统自身的要求进行 综合考虑。平台高度的确定原则是使平台下部有足够的空间，以利空气能顺利地 流向风机。平台越高，对进风越有利，但增加工程造价。如何合理确定平台高度， 目前没有完善的理论公式，各家只有习惯的经验设计，解决此问题的途径是根据 多家经验，通过不同条件的模型计算和现场运行期间的测试，研究总结出一个较 理想的计算方法。 ( 3 ) 机组的真空系统严密性。由于空冷机组的真空容积庞大，是相同容量湿冷 机组的3 0 多倍，由于汽轮机泄漏、安装焊接等原因，都会在很大程度上影响真空 系统的严密性，致使机组背压提高，增大了煤耗，降低了机组负荷。 ( 4 ) 空冷凝汽器污垢。北方地区风沙大、污染较为严重，再加上夏季电厂周边 树木的飞絮、昆虫等( 站在风机桥架上，可看到翅片管、风筒和钢结构上沾有柳絮、 蜻蜒、飞蛾、灰尘) ，使空冷凝汽器翅片管的翅片间间隙减小，甚至堵塞，同时空 气通道采用错位布置，污垢难以冲洗干净，严重影响了空冷凝汽器的通风能力， 导致排汽背压升高。 4 ( 5 ) 环境温度。随着环境气温的升高，空冷单元凝汽器的进1 ：3 空气温度就会相 应升高，在排汽热负荷保持不变的条件下，导致a c c 冷凝温度升高，排汽压力 增加，使凝汽器的效率下降，机组运行经济性变差。 ( 6 ) 热风回流f l l 1 2 l 。由于风机的强制通风，从凝汽器排出的热空气在某些特定 的条件下被风机吸入后，会使入口的冷空气温度提高，导致散热器冷却能力的下 降而使汽轮机背压升高，它是直接空冷系统正常运行的一大危害。 ( 7 ) 防冻保护。直接空冷系统的防冻是影响电厂安全运行的一个重要问题， 国外设计和运行经验有许多措施来保证防冻是有效的。 乱设计上采用合理的顺流与逆流面积比，即“k d ”结构。对严寒地区“k d ” 取小值，对炎热地区取大值。 b 加设挡风墙，预防大风的袭击。 e 采用能逆转风机，以形成内部热风循环。 d 正确计算汽机排气压力与环境气温的关系，以确定风机合理运行方式。 1 3 研究现状 在雾化增湿研究方面，赵文升、王松岭等【l3 】采用数值模拟的方法，通过利用 c f d 软件对直接空冷系统中加装喷雾冷却装置进行了数值模拟，对喷雾冷却系统 对空冷凝汽器的换热影响进行了数值研究和分析，结果表明加装喷雾冷却装置的 确可以增强空冷凝汽器的换热，提高机组经济性和安全性。 赵文升等【1 4 】通过对直接空冷汽轮机组喷雾增湿系统的经济性分析，表明喷雾 增湿法在直接空冷系统中应用时可行的，研究表明：增设喷雾增湿系统后不仅可 以显著提高机组的经济性，而且有利于机组的安全运行。 李文海等【l5 】通过对大同第二发电厂空冷机组散热器表面家装喷淋装置前后， 在真空和运行方式不变的情况下机组运行状况的研究，得出在环境温度为2 7 以 上，投运空冷塔表面喷淋装置后机组负荷可增长1 5 2 0 m w 左右的结论，并进行了 经济性分析。 王智刚【1 6 】以6 0 0 m w 直接空冷机组为例，得出迎面风速、环境温度、排汽量与 汽轮机背压的数据，绘制了特性曲线并进行了分析，供电厂机组运行时参考。 方亮等【1 7 】分析了夏季影响6 0 0 m w 直接空冷机组满发的因素，得到高温时影响 直接空冷机组出力受限的主要因素，并提出了系统增加喷淋增湿装置的改造方案。 刘阳等【1 8 】在实验装置上以清水作为介质，分别对3 种不同孔径的压力式雾化喷 嘴进行了冷态实验。对压力式喷嘴雾化特性，如喷嘴流量、流量系数、雾化角及 雾滴索泰尔平均直径( s m d ) 等参数随压力和喷嘴孔径的变化关系进行了研究。 北京交通大学硕士学位论文 z h o u , y g 等【1 9 1 应用三维计算流体动力学数学模型模拟多相流体和吸附颗粒之 间的增湿颗粒在碱性喷雾发生器的焚烧炉烟气中的净化过程，在该模型中，应用 运动的离散相轨迹跟踪的方法，同时根据随即的概率模型，给出了颗粒捕获例子 来判断是否被抓住。 b h a s k e rc 2 0 j 应用c f d 软件对横流中单股紊动射流流场的流动特性进行了数 值模拟。运用s i m p l e c 算法求解了适体坐标系下的控制方程，壁面函数法处理 近壁区流动。 李天友，叶世超，李黔东等【2 1 】用一操作简单的实验装置，以一定质量分数的 甘油水溶液为工质，研究了压力式喷嘴雾化角，雾滴s a u t e r 直径( s m d ) 与喷嘴 孔径、雾化压力和粘度的关系。 陈斌，郭烈锦，张西民等阱】以空气，水为工质，使用马尔文粒度仪对单相和 两相雾化器喷嘴的雾化特性进行了实验研究。测量了不同压力配比条件下液滴雾 化粒子的粒径分布，详细讨论了压力对于喷嘴雾化效果的影响。 在电站直接空冷凝汽器数值模拟研究方面，d u v e n h a g e 等【2 3 】利用p h o e n i c s 软件，采用七一占湍流模型对水平布置空冷散热器的三维流场进行数值模拟研究， 发现横风沿着平行于空冷器的长轴方向，大大降低了迎风侧风机驱动的空气体积 流率，而当横风沿着纵向轴方向时将导致热空气回流增加。 m e y e r 【2 4 】采用数值模拟的方法考察进口流体变形对空冷散热器运行的影响， 引言 流动进行了数值研究，分析了不同运行工况( 风机转速、风机叶片安装角) 以及 环境因素( 横向风速度、环境温度) 对凝汽器单元流场特性的影响规律。 在风洞实验方面，g u 等【2 9 训】应用相似准则原理对大型直接空冷系统进行风 洞模拟实验，并提出用回流率的概念作为衡量冷凝器效率的指标。实验结果表明， 风速、空冷平台高度和来流风向角对冷凝器的效率有着重要影响。 赵顺安等【3 2 】通过2 0 0 m w 机组直接空冷装置空气动力模型实验，研究了空冷装 置的空气动力特性、空冷凝汽器和高架平台下建筑物对空冷流场的影响以及平台 的不同高度对阻力系数的影响，给出了2 0 0 m w 空冷装置的气流总阻力系数及沿 程各部分的阻力系数。结果表明，风机口靠近风机侧的风机进风量较大，汽机房 附近的风机进风量较小，其余大致均匀；平台高度的变化未对气流总阻力系数构 成影响。 苏咸伟等【3 3 】设计了凝汽器单元传热性能实验系统，可为直接空冷换热器的换 热机理、表面积灰、热空气回流等空冷凝汽器性能的影响等关键问题进行试验研 究。 苏咸等【殉对1 0 0 0 m w 空冷机组空冷岛进行了数值研究，结果表明平台高度为 4 5 m 时的迎面风速最低，随平台高度增加，迎面风速增加。但可以看到，当平台 高度超过5 0 m 之后，迎面风速反而降低。这是由于随着平台高度继续增加，空冷 岛进出口处对应环境风速升高，横向风对风机运行特性的影响加大，反而使空冷 岛迎面风速降低。可见，存在一个最佳的平台高度，在环境大风和机组运行条件 相同时，空冷岛迎面风速最大，冷却效果最好。在低环境风速条件下，随环境风 速增加，空冷岛回流率增加。当环境风速超过1 0 m s 左右时，空冷岛回流率反而 开始降低。 1 4 本文的研究内容 综上所述，在直接空冷凝汽器的换热和流动方面，前人已经取得很大成就， 但对空冷单元雾化增湿系统的热力实验与理论计算及削弱环境横风对凝汽器单元 的影响方面的研究还不完善，特别是加装导流装置后的空冷凝汽器单元流动传热 特性的研究较少，为此本文对某6 0 0 m w 机组直接空冷凝汽器喷淋系统优化运行 及单元流动传热特性开展研究，主要进行如下的研究内容： ( 1 ) 对直接空冷凝汽器典型喷淋雾化系统进行水力特性研究，得到在一定负 荷、环境温度下，喷水量对机组背压变化的影响规律。 ( 2 ) 在某电厂进行热力试验，测得喷淋前后单元内外温度、背压等运行参数， 分析雾滴在空冷单元内热湿交换结果并进行经济性计算，得到喷淋方式的优化运 7 北京交通大学硕士学位论文 一1_ 行方案。 ( 3 ) 通过数值模拟，研究散热器安装角度，来流风向及进风筒形状对空冷单 元传热与流动特性的影响。 ( 4 ) 通过数值模拟，研究在单元下部安装导流装置后对空冷单元传热与流动 特性的影响，分析不同层数、角度的导流装置对单元流场、温度场的影响。 直接空冷机组在夏季高温季节普遍存在出力受阻，不能满发的问题，大大降低 了机组的经济性和安全性，通过在空冷单元进口采用喷雾增湿方法可以有效地降 低入口空气的温度，从而提高凝汽器的冷却能力。本文采用现场试验与理论分析的 方法对某6 0 0 m w 电厂典型喷淋系统的喷淋方式进行优化设计，以提高经济效益， 达到节水的目的。 2 1 问题描述 喷雾增湿降温法的工作原理是：水经过喷嘴雾化形成一定粒径的雾滴，雾滴在 运动过程中与空气充分混合并迅速蒸发。由于水的汽化潜热较大，水蒸发时会大量 吸收空气中的热量，从而降低空气的温度，然后将降温后的湿空气送到空冷散热器， 以强化空冷器的换热效果，从而提高机组的出力。图2 1 为雾化增湿系统图。 图2 1 雾化增湿系统图 f i g 2 1s p r a yh u m i d i f i c a t i o ns y s t e mu s e di nt h ed i r e c ta i r - c o o l e dc o n d e n s e r 空冷喷淋系统在实际运行中是按照分区雾化喷淋方式进行的，平时多级水泵 不运行，只运行锅炉上水泵，每个单元只开8 个喷头。图2 2 为电厂典型喷淋系 统管网示意图。 喷淋系统采用分区雾化方式时，由于在不同的喷淋方式下，管网的总阻力发 生了变化，水泵工作点的位置也随之改变，管网的水力工况也就随之改变了。不 仅管网总流量和总压降变化，而且由于分支管段的阻抗变化，也要引起管网流量 9 北京交通大学硕士学位论文 分配的变化，这就造成了同一单元在不同喷淋方式下喷水量不同，从而真空提高 的大小不一致。而喷淋用除盐水的价格较高，在真空提高幅度增大的同时，耗水 量也相应增大，因此确定最经济的喷淋方式是需要解决的问题。 计 式 进 计 在 压 功 直接空冷机组喷雾增湿系统热力实验及优化运行 2 2 1 管网水力计算 2 2 1 1 投8 排管网工况点的确定 ( 1 ) 为了确定管网沿程阻力损失以及局部压降，首先需确定最不利环路，根 据文献【3 9 1 ，最不利环路为重水泵出口到管网最末端用户，由图2 2 可知，最不利环 路通过最远端支路最后一个单元的末端喷头。 ( 2 ) 喷头处流量和管段水头损失： 由喷头流量计算公式3 5 】 吼= k ( 1 0 p ) u 2 ( 2 1 ) 式中：g 。为喷头处水量，l m i n ；p 为喷头处水压，m p a ；k 为喷头流量特性系 数。得到 k = 吼( 1 0 p ) 1 7 2 ( 2 - 2 ) 根据方形喷射实心锥形喷嘴性能参数( 见表2 1 ) 计算得到k = 5 2 0 1 表2 1 方形喷射实心锥形喷嘴性能参数。 表2 1 方形喷射实心锥形喷嘴性能参数 t a b l e2 1p e r f o r m a n c ep a r a m e t e ro fs o l i ds q u a r et a p e r e ds p r a yn o z z l e 额定喷最大直 流量( u m m ) 孔孔径径 0 30 512 3 4 5 67 i 咖n 皿 b a rb a rb a rb a rb a rb a rb a rb a rb a r 3 21 63 13 9 5 4 7 4 8 9 1 0 21 1 31 2 31 3 2 4 o2 44 65 98 11 1 11 3 41 5 31 71 8 41 9 8 根据试验数据，投8 排时管网总流量为g ，可得喷嘴流量为： q o = g 8 ( 5 6 x 1 2 ) ( 2 - 3 ) 进而可得喷头处压力为： p=o1(qor)2(2-4) 各管段流速为： v = g 4 0 0 0 棚2( 2 5 ) 式中：g 为各管段流量，l s ；d 为各管段管径，r a i n ；v 为各管段流速，m s 。 根据文献3 6 1 ，管道单位长度水头损失计算公式为： p ，= o 0 0 0 0 1 0 7 v o 5 矿3 ( 2 - 6 ) 式中：p ，为管道水力压降，m p a m ；d ，为管道计算内径，m ，其值应按管道内 径减l m m 确定。 ( 3 ) 确定水泵扬程 根据文献p 5 1 ，局部水头损失按管网沿程水头损失的2 0 计算，即 北京交通大学硕士学位论文 乃= 0 2 5 f ( 2 - 7 ) 式中：p j 为局部阻力损失，m p a m 水泵扬程： h = e ( p j + p y ) + p o + z ( 2 - 8 ) 式中：e 为水泵扬程，a ；y - , ( p +) 为管道沿程和局部水头损失的累计值， ；为最不利点处喷头的工作压p力ympa p o ，m p a ：z 为最不利点处喷头与水泵之 间的高程差，m p a ( 4 ) 确定管网工况点 以阻抗的方式来表达管网的阻力特性，与管网几何尺寸、摩擦系数、局部阻 力系数、流体密度有关。当这些因素不变时，s 为常数。 一根据流体力学理论【3 6 】，得到： 直接空冷机组喷雾增湿系统热力实验及优化运行 s 一1 2 s 2 一l + s + s + s ( 2 - 1 4 ) 式中： s 一。为支路5 之后的管网总阻抗，p a ( m 3 h ) ；氐为支路2 和支路32 _ n 的干管阻抗，p a ( m 3 h ) ；s 为支路4 和支路3 之间的干管阻抗，p a ( m 3 h ) ；s 为 支路5 和支路4 之间的干管阻抗，p a ( m 3 h ) 。 支路5 分支点管网阻抗为： s 5 一l = l ( 1 s 5 + 1 s - 1 ) 2 ( 2 1 5 ) 支路6 之后的管网总阻抗为： s v l = s v + 墨一l ( 2 - 1 6 ) 支路6 分支点管网总阻抗为： 瓯一l = 1 ( 1 瓯+ l l , s v 1 ) ( 2 1 7 ) 则投1 2 5 6 排管网总阻抗为： 墨2 5 6 = 瓯_ 1 ( 2 - 1 8 ) ( 2 ) 确定管网工况点 投1 2 5 6 排时水泵输出扬程为： , 2 5 6 = s 2 5 6 g 1 2 5 6 ( 2 1 9 ) 式中：日1 2 5 6 为投1 2 5 6 排水泵输出扬程，p a ；g 1 2 5 6 为投1 2 5 6 排水泵输出流量，m 3 h 。 根据式2 2 1 绘制管网特性曲线，与水泵特性曲线的交点即为投1 2 5 6 排时管 网工况点。 ( 3 ) 确定投1 2 5 6 排后单元喷水量 由管网特性曲线得到投1 2 5 6 排水泵输出流量g 。：，。和输出扬程q ：铂，根据各并 联管段流量分配比例的计算公式，求改变工况后各排流量。 第6 排的流量为： g 4 - 6 = g 1 2 5 6 ( l 4 s 6 ) ( 2 - 2 0 ) 式中，g 。一。为投4 排时第6 排的流量，m 3 1 1 。 第5 排的流量为： g 4 5 = ( g 1 2 5 6 一g 4 6 ) q s , 一l , s 5 ) ( 2 - 2 1 ) 式中，g 。一，为投4 排时第5 排的流量，m 3 _ h 。 第2 排的流量为： g 4 2 = ( g 1 2 5 6 一g 4 - 6 一g 4 5 ) ( 是一l , s 2 ) ( 2 2 2 ) 式中，g 4 一，为投4 排时第2 排的流量，m 3 h 。 第1 排的流量为： g 4 一l = g 1 2 5 6 - g 4 6 一g 4 - 5 一g 4 2 ( 2 2 3 ) 式中，g 。一为投4 排时第1 排的流量，m 3 l l 。 北京交通大学硕士学位论文 2 2 1 3 其他工况单元流量的计算 依据上述计算方法，分别对投4 排( 投1 2 5 6 排，3 4 7 8 排，1 3 5 7 排，2 4 6 8 排， 1 2 7 8j j ，3 4 5 6j j f ，1 2 3 4j ，5 6 7 8j j f ) ；投6 扫 ( 投1 - 6j j ，投3 8 抖 ) ；投2j j ( 投1 2 排，3 4 排，5 6 排，7 8 排，1 3 排，2 4 排，5 7 排，6 8 排) 进行计算，得到 不同工况下各排的流量。 2 2 2 雾化降压计算 2 2 2 1 喷水降温计算 喷水前空气含湿量【3 8 】为： d l = 0 6 2 2 p ，( p p ，) = 0 6 2 2 q p ，( p 一印。) ( 2 2 4 ) 其中，p ，为湿空气中水蒸汽分压力，p a ：p ，为饱和湿空气中水蒸汽分压力，c at 2 根据饱和水蒸汽表查出，p a ；9 为入口空气相对湿度；p 为当地大气压力，p a 。 喷水前湿空气焓【3 8 】为： 曩= 1 0 0 5 t l + d l ( 2 5 0 1 + 1 8 6 t 0 ( 2 - 2 5 ) 式中，f 1 为喷水前入口空气温度，。 喷水后空气含湿量为： d 2 = m m 2 + d l ( 2 2 6 ) 式中，m 为单元喷水量，k g s ；m 2 为单元风量，k g s ；d 2 为喷水后空气含湿量。 由能量守恒【3 8 1 ，得到： g 。 口啊+ g ，h t = g ，。j 1 2 ( 2 - 2 7 ) q 州= 。( d 2 一吐) ( 2 2 8 ) 式中， g 。口为湿空气质量流量，k g s ：q 。，为喷水质量流量，k g s ：j l l 为喷水前湿 空气焓，k j k g ( 干空气) ；啊为所喷水的焓值，k j k g ( - 干空气) ；h ：为喷水后湿空气 的焓，k j k g ( - 干空气) 。 由于水的焓值h t 相对来说要小得多，含湿量差( 畋一吐) 也较小，所以喷水 带入的焓值可忽略不计，因此可得： = 啊 ( 2 - 2 9 ) 即该过程可近似看为绝热加湿降温过程 由式( 2 2 7 ) 和式( 2 3 1 ) 可得： h 2 = 1 0 0 5 t 2 + d 2 ( 2 5 0 1 + 1 8 6 t 2 ) ( 2 3 0 ) 则喷水后空气温度的变化量为： a t = f 2 一f l ( 2 3 1 ) 1 4 iijilll。 行 ( 2 3 2 ) 空气比热容，j ( k g 得到在不同环境温度 下机组热负荷q 和背压丑。 未喷水时出1 3 空气温度为： ， t l = f 1 + 舀l ( 2 - 3 3 ) 式中，厶为未喷水出口空气温度，。 凝汽器对数平均温差由下式计算h 1 1 ： a r m = ( 出一一出曲) 衄垃一出曲) ( 2 - 3 4 ) 式中， f 一为入口处空气与饱和蒸汽温差，；缸曲为出口处空气与饱和蒸汽 温差，。二者可分别用下式计算： 缸嘲= t b l - t i ( 2 - 3 5 ) 血血= t b l - t 1 ( 2 3 6 ) 式中