（动力工程及工程热物理专业论文）直接空冷机组喷雾增湿系统优化设计.pdf

摘要 摘要 在夏季，由于环境温度和机组负荷经常波动，直接空冷机组常常在变工况条 件下运行，为了全面提高喷雾增湿系统的冷却效果，更好的解决直接空冷机组夏 季运行的经济性和安全性问题，很有必要对其在设计工况和变工况条件下进行优 化研究。 本文以某6 0 0 m w 直接空冷机组为研究对象，结合计算流体力学理论，采用 数值模拟软件f l u e n t ，建立了喷雾增湿系统数值计算模型，并根据空冷机组相 关热力计算理论，结合机组背压降低带来的节煤收益以及喷水费用，建立了空冷 机组喷雾增湿系统净收益数学计算模型。 在优化设计方面，首先，在设计工况条件下，以喷雾增湿系统净收益为优化 目标，对喷嘴在空冷单元内部的布置位置进行了优化：同时研究了喷嘴雾化压力、 雾化角、流量系数和喷嘴孔径对冷却效果的影响；然后，在变工况条件为使机组 仍可以获得最大净收益，对空冷单元内喷嘴布置位置和运行方式进行了优化调 整，通过数值模拟实验的方法，确定了各工况条件下的最大净收益及最佳喷水量； 最后，简单分析了煤价和除盐水价格分别变化时最佳喷水量和最大净收益的变化 情况。通过本文所建立的数学计算模型和相关计算结果，可确定煤价和除盐水价 格分别变化时各工况条件下的最佳喷水量和最大净收益。本文的计算结果和研究 结论可为空冷机组喷雾增湿系统的现场安装和运行提供指导。 关键词：直接空冷；喷雾增湿；数值模拟；优化设计； 华北电力大学硕士学位论文 a bs t r a c t i ns 硼眦e r ，b e c a u s et h et e m p e r a t u r ea n dt h el o a do f t e nf l u c t l l a t e ，t h ed i r e c t a i r - c o o l e du n i t so r e nw o r ki nv a r i a 【b l ec o n d i t i o n s ，i no r d e rt oi m p r o v et h ec o o l i n g e f f e c to ft h es p r a yh u m i d i 6 c a t i o ns y s t e mc o m p r e h e n s i v e l ya n ds o l v ei t se c o n o m ya n d s e c u r i t yp r o b l e m sp r e f e r a b l y ，i ti sr e a l l yn e c e s s a l 了t ou n d e r t a k eo p t i m i z i n gd e s i g n i n g f o r t h es p r a yh u m i d i f i c a t i o ns y s t e mu n d e rd e s i g nc o n d i t i o na n dv a r i l b l ec o n d i t i o n s t a k i n ga6 0 0m w d i r e c t e da i r c 0 0 1 e du n i t sa sr e s e a r c ho b j e c ta n dc o m b i n i n gt h e c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a i i l i c s ，t h i sa n i c l eh a sb u i l tt h en u m e r i c a lc o m p u t a t i o n a l m o d e lb vu s eo fm ef l u e n tn u m e r i c a ls i n m l a t i o ns o r w a r e ，a n do nt h eb a s i so f t h e m o d l m 锄i cc a l c u l a t i o nt h a tr e l a t e dw i t hd i r e c t e da i rc o o l e du n i t ，c o m b i n e dw i t h t h ec o a l s a v i n gb e n e 6 tr e s u l t e d 行o me x h a u s t e dp r e s s u r ed r o pa n dt h ec o s to fw a t e r i n j e c t i o n ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fn e ti n c o m eh a sb e e nb u i l t i nt e m so fo p t i m i z a t i o nd e s i g n ，f i r s t ，t d k i n gt h en e ti n c o m ea so p t i m i z a t i o n o b j e c t ，m en o z z l e s p o s i t i o ni nt h eu n i th a sb e e no p t i m i z e du n d e rd e s i g nc o n d i t i o n ； m e a nw e l l ，t h ei m p a c to fa t o m i z a t i o np r e s s u r e ，a t o m i z a t i o na n 西e ，n o wc o e 伍c i e n t a n db o r cd i a m e t e ro nc o o l i n ge n e c th a sb e e ns t u d i e d a f t e 刑a r d s ，t om a k et h es p r a y h u m i d i f i c a t i o ns y s t e ma c h i e v em a x i m u mn e ti n c o m eu n d e rv a r i a b l ec o n d i t i o n s ，t h e n o z z l e s p o s i t i o ni nt h eu n i ta n dt h eo p e r a t i o nm e t h o dh a sb e e na d u s t e da n d o p t i m i z e d ，a 1 1 db yu s eo fs i m u i a t i o ne x p e r i m e n t s ，t h em a x i m u mn e ti n c o m ei ne a c h c o n d i t i o nh a sb e e nc a l c u l a t e da sw e l la st h em o s ta p p r o p r i a t ew a t e ri n j e c t i o n ；a tl a s t ， t h e砒i c l e a n a l y z e dt h eb e h a v i o ro ft h em a x i m u mn e ti n c o m e a n dt h em o s t a p p r o p r i a t ew a t e ri n j e c t i o nw h e nm ep r i c eo fd e s a l t i n gw a t e ra n dc o a lc h a n g e s o n t h eb a s i so ft h em a t h e m a t i c a lm o d e la n dt h ec a l c u l a t e dr e s u l tr e l a t e d t h em a x i m u m n e ti n c o m ea n dm em o s ta p p r o p r i a t ew a t e ri n je c t i o ni ne a c hc o n d i t i o nc a nb e c a l c u l a t e dw h e nt h ep r i c eo fd e s a l t i n gw a t e ra n dc o a lc h a n g e s t h ec a l c u l a t e dr e s u l t s a n dt h er e s e a r c hc o n c l u s i o n sc a np r o v i d ei n s t r u c t i o n sf o rt h ei n s t a l l a t i o na n d o p e r a t i o no ft h es p r a yh n i d i f i c a t i o ns y s t e m k e y w o r d ： d i r e c t a i r c 0 0 1 e d ； s p r a y h u m i d i f i c a t i o n ； n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ； o p t i m i z a t i o nd e s i g n i i 华北电力大学硕上学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景及研究的目的和意义 当前，随着国家建设资源节约型社会目标的确定，大型空冷电站建设开始升 温，“十一五”规划纲要明确提出，要建设大型空冷电站。与湿冷机组相比，空冷 机组的优势在于节水( 可达到6 5 以上) 和环保。一台6 0 0 m w 空冷机组，较同 容量湿冷机组每小时节水量可达7 0 0 8 0 0 吨。由于空冷机组不产生淋水噪音，不 逸出水雾气团，减轻了对环境的污染，改善了空气的能见度。同时，废水排放明 显减少，甚至可以实现零排放，对当地水体的污染减少【lj 。由于空冷机组不受地 域水资源影响，空冷机组选址不受限制，因此可将机组建在煤矿坑口或电力负荷 中心，还可以节省燃煤费用和输电费用，抵消一部分由于发电煤耗高而增加的运 行费用。 由于直接空冷机组的冷却能力取决于进入空冷凝汽器空气的干球温度，夏季 较高的空气温度会导致空冷凝汽器冷却能力下降，降低凝汽器真空【2 】。因此在夏 季由于环境温度高，机组的满发背压会很高甚至超标，为了保证机组的安全运行， 机组不得不降负荷运行。但是夏季运行工况正处于电网度夏高负荷运行时期，且 从机组的调峰角度看日负荷的高峰负荷也正是处于环境温度高的时段，为了保证 供电负荷，机组不得不长时间大负荷高背压运行，背压升高，机组煤耗率升高， 不但会降低机组效益，而且在这种情况下，一旦出现诸如大风天气及热风回流等 不利情况，极易造成背压保护动作机组掉闸问题的出现。这样就会给机组安全运 行带来严重的威胁，同时也直接影响到电网的安全经济运行【3 】。针对这一问题， 非常有必要采取有效的度夏措施以降低空冷凝汽器的进口空气温度，进而降低机 组背压，解决空冷机组夏季出力受阻及安全运行问题，提高机组的经济性和安全 性。 目前在空冷单元内安装喷雾增湿系统可有效降低空冷凝汽器入口及出口空 气温度，降低汽轮机背压，使空冷机组夏季运行经济性和安全性得到保障。空冷 单元内喷雾增湿系统简图如图1 1 所示，其工作原理是：压力水通过喷头以一定 的喷射角向其四周喷射细小颗粒的雾状水滴，与风机出口的空气接触混合，通过 传热、传质、形成气、汽水混合物。由于水在蒸发过程中会吸收很大的汽化潜热， 可有效降低进入散热器的空气温度。而部分未蒸发的水雾在通过换热面时还会起 华北电力大学硕士学位论文 到强化传热的效果4 1 。由于散热器入口空气温度下降，散热器出口空气温度也会 降低，最终使凝汽器压力及汽轮机排汽压力下降，机组在夏季的安全性和经济性 得到改善。 图1 1 直接空冷机组喷雾增湿系统示意图 为了保证散热器翅片管受热面清洁、不受腐蚀，雾化增湿系统采用电厂除盐 水作为喷雾水源。工作时虽然需要消耗一定量的除盐水，承担一定的运行费用， 但相对于机组背压降低所带来的经济效益，其运行费用还是相对较小的，扣除运 行费用后的净收益仍然可观【5 j 。 由于喷雾增湿系统在夏季可带来显著的经济效益，空冷机组纷纷安装了喷雾 增湿系统，但喷雾增湿系统的降温效果与单元内雾化喷嘴选型、喷嘴布置位置及 喷水量紧密相关，而喷嘴选型又包括工作压力、内径、流量系数及喷雾角，这些 方面对喷雾增湿系统降温效果有如何影响，目前相关文献还不够全面；目前关于 喷雾增湿系统的喷嘴布置位置的研究优化均是以机组背压为衡量基准，而喷雾增 湿系统的安装以最大净收益为目的，应该综合考虑节煤收益和除盐水费用，以净 收益为衡量基准对喷嘴布置位置进行优化；根据实际情况，机组经常处于变工况 运行，在外界环境温度和机组负荷分别变化时，如何调节喷水量使机组达到最大 净收益，还没有相关文献进行研究。此外，煤价和除盐水价格对喷雾增湿系统的 运行也会有所影响，当煤价和除盐水价格分别变化时如何调节喷水量实现最大净 收益，也没有文献涉及。本文将对上述所有问题进行深一步的理论研究和优化， 以指导喷雾增湿系统的设计和夏季运行，以使得空冷机组在夏季设计工况和变工 况条件下均能实现最大经济效益。 2 华北电力大学硕士学位论文 1 2 空冷散热器喷雾蒸发降温及凝汽器换热特性国内外研究现状 喷雾增湿系统在空冷单元内通过两种方式来达到强化传热的目的。一是通过 水蒸发吸收空冷风机入口处空气的热量来降低空气温度；二是喷雾水直接喷到空 冷散热器表面，通过喷雾水在空冷翅片表面蒸发来达到强化传热目的【引。c h a n j 对空气冷却散热器翅片通道内液膜蒸发对冷却效果的影响进行了理论研究。苏凌 宇【8 对突然置入空气中的液滴的传热传质过程进行了理论研究，结果表明液滴在 初始时刻具有很大的蒸发速率，使得气液界面的温度会有所下降。刘乃玲【9 】通过 分析发现液滴蒸发分为非稳态和稳态两个阶段，建立了非稳态阶段的数学模型并 进行了求解，结果表明非稳态阶段过程很短，液滴尺寸变化很小。丁继贤i lu j 研究 了弱对流和强对流条件下环境压力对液滴蒸发过程的影响。蒋勇【l l j 等人对喷雾 过程进行了三维数值模拟，获得了喷雾液体蒸汽浓度场场强云图和等势线图。王 松岭【1 2 】采用1 2 m m 孔径、1 2 0 。喷雾角的压力式喷嘴，采用四排布置的方法在 1 2 m p a 的喷雾压力下对喷雾增湿系统的冷却效果进行了数值研究，结果发现空 冷单元内、外空气温度均明显下降。石维柱【l3 】采用喷嘴布置靠近散热器翅片管 的方法，通过改变喷嘴个数研究喷雾增湿系统的冷却效果，发现采用多个喷嘴分 散布置的方法冷却效果更好。王松岭1 1 4 j 对某2 0 0 m w 直接空冷机组喷雾增湿系统 进行了经济性分析。国外学者k a j a h a l l g e e r 对空冷光管散热器喷雾液膜蒸发强 化传热进行了数值研究，并用理论和实验研究进行了验证【l5 i 。y a n g 和d w c 1 a r k 分别对平翅片、百叶窗和开孔翅片散热器进行了喷雾强化传热研究i l 引。j h k i m 【1 7 】在散热器表面加上微通道涂层并进行喷雾，研究传热系数的变化情况。 a l a 和k a i 分别在光管和翅片管空气冷却器表面喷雾研究换热变化情况，发现翅 片结构换热增强了9 2 1 4 0 【1 8 j 。c o n r a d i e 和m a u l b e t s c h 等人对在空气侧喷雾以 增强凝汽器换热进行了实验研究【1 9 2 们。陈继军【2 1 等人给出了编程计算湿空气绝 热饱和温度的方法，并从液滴在气流中的受力角度分析了液滴直径对液滴雾化效 果的影响。刘阳【2 2 还以清水作为介质，分别对3 种不同孑l 径的压力式雾化喷嘴进 行了冷态实验，研究了压力式喷嘴的体积流量、流量系数、雾化角和雾滴索泰尔 平均直径( s m d ) 等随压力和喷嘴孔径的变化关系，指出喷嘴设计时要同时考虑雾 化压力和喷嘴孔径两个因素对雾化质量的影响。d f f l e t c h e 一2 3 j 介绍了应用c f d 软件如何对喷嘴流动特性研究进行建模。 在空冷散热器换热特性研究方面，胡三季【2 4 j 对直接空冷凝汽器所用的不同 管径、不同翅片间距的钢制椭圆管矩形翅片换热元件进行了热力性能试验，得出 了传热和阻力关联方程式。胡汉波 25 】对蛇形翅片单排管的换热和流动特性进行 华北电力大学砍士学位论文 了实验研究，并用数值模拟的方法考察了翅片长度对翅片管换热的影响。屠珊【2 6 】 通过实验发现在相同的迎面风速下椭圆翅片管比圆翅片管空气侧的换热系数大， 在相同的换热系数下椭圆管的压降比圆翅片管的低。r s m a t o s 等人同样也得出 了椭圆管的整体流动换热性能优于圆管，并且发现椭圆管的换热性能与长短轴之 比有关2 7 ，2 8 1 。h a c i 2 叨运用f l u e n t 计算流体软件对平直翅片管换热器进行了三 维数值研究，对翅片倾斜角度进行了优化计算，结果表明，翅片角度为3 0 度时 翅片换热量达到最大。杜小泽等人利用红外热像仪和热电偶对某实际运行中的 6 0 0 m w 空冷凝汽器外壁面温度进行了测量，发现顺流和逆流凝汽器的壁面温度 都表现出从上至下逐渐上升的趋势【3 0 ，3 1 1 。金衍胜 3 2 】分别对空冷凝汽器单体性能 试验台和在役6 0 0 m w 机组凝汽器进行了实验研究，根据实验数据得到了空气侧 换热准则关联式，并用凝汽器的设计值进行了验证。冯丽丽【3 3 j 通过相似分析的 原理对火电厂直接空冷凝汽器单元试验系统进行了设计。 1 3 论文研究内容 ( 1 ) 以计算流体力学理论为理论基础，以数值模拟软件为工具，建立了 6 0 0 m w 直接空冷单元喷雾增湿系统数值计算模型。 ( 2 ) 根据实际情况，选用空冷机组喷雾增湿系统常用的4 种孔径的普通工 业实心锥形雾化喷嘴，建立净收益数学计算模型，并以净收益为基准，在夏季设 计工况下对喷嘴进行选型优化和布置位置优化。 ( 3 ) 结合夏季设计工况下的优化结果，考虑机组夏季负荷变化和环境温度 变化等因素，对喷雾增湿系统的喷嘴布置位置进行优化调整，以实现在喷水量变 化的条件下仍能够达到较好的冷却效果。 ( 4 ) 分别在环境温度和负荷分别变化的条件下，调节喷水量，使机组在变 工况条件下仍可以获得最大净收益。 ( 5 ) 研究煤价和除盐水价格变化对喷雾增湿系统运行过程中最佳喷水量和 最大净收益的影响。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章数值计算模型及求解方法的建立 2 1 离散相模型简介 液滴运动轨迹的求解及液滴在运动中与空气的传热传质过程是通过n u e n t 内嵌的离散相模型来实现的，除了求解连续相( 空气) 的输运方程，f l u e n t 也可以在拉氏坐标下通过离散相模型来模拟流场中离散的第二相，由球形颗粒 ( 代表液滴或气泡) 构成的第二相分布在连续相中。f l u e n t 可以计算这些颗粒 的轨道以及由颗粒引起的热量质量传递。相问耦合以及耦合结果对离散相轨道、 连续相流动的影响均可考虑进去。 2 1 1f l u e n t 提供的离散相模型选择 ( 1 ) 对稳态与非稳态流动，可以应用拉氏公式考虑离散相的惯性力、曳力、 重力。 ( 2 ) 预报连续相中，由于湍流涡旋的作用对颗粒造成的影响。 ( 3 ) 离散相的加热、冷却。 ( 4 ) 液滴的蒸发与沸腾。 ( 5 ) 颗粒燃烧模型，包括挥发份析出以及焦炭燃烧模型( 因而可以模拟煤 粉燃烧) 。 ( 6 ) 连续相与离散相间的耦合。 ( 7 ) 液滴的迸裂与合并。 应用这些模型，f l u e n t 可以模拟各种涉及离散相的问题，诸如：颗粒分离 分级、喷雾干燥、气溶胶扩散过程、液体中气泡的搅浑、液体燃料的燃烧以及煤 粉燃烧等。 2 1 2 离散相模型的适用范围 f l u e n t 中的离散相模型假定第二相( 分散相) 非常稀薄，因而颗粒一颗粒之 间的相互作用、颗粒体积分数对连续相的影响均未加以考虑。这种假定意味着分 散相的体积分数很低，一般说来要小于l o 一2 0 。但颗粒质量承载率可以大于 华北电力大学硕士学位论文 1 0 2 0 ，即用户可以模拟分散相质量流率等于或大于连续相的流动。 2 1 3 离散相模型的求解过程概述 在f l u e n t 模型中，你可以通过定义颗粒的初始位置、速度、尺寸以及每 个( 种) 颗粒的温度来使用此模型。依据对颗粒物理属性的定义而确定的颗粒初 始条件可以用来初始化颗粒的轨道和传热质计算。当颗粒穿过流体运动时，颗 粒的轨道以及传热量、传质量可通过当地流体作用于颗粒上的各种平衡作用力、 对流辐射引起的热量质量传递来进行计算。可通过图形化界面或文本界面输出 计算出相应的传热质量。 既可以通过在一个固定的流场中( 非耦合方法) 来预测离散相的分布，也可 以在考虑离散相对连续相有影响的流场( 相间耦合方法) 中考察颗粒的分布。相 间耦合计算中，离散相的存在影响了连续相的流场，而连续相的流场反过来又影 响了离散相的分布。可以交替计算连续相和离散相直到两相的计算结果都达到收 敛标准。 稳态离散相问题的设定、求解的一般过程如下： ( 1 ) 求解连续相流场。 ( 2 ) 创建离散相喷射源( 射流源) 。 ( 3 ) 求解耦合流动( 如果希望计算的话) 。 ( 4 ) 用p l o t 或r e p o i 盯图形界面来跟踪离散相。 2 1 4 颗粒运动方程 2 1 4 1 颗粒力的平衡 f l u e n t 中通过积分拉氏坐标系下的颗粒作用力微分方程来求解离散相颗粒 ( 液滴或气泡) 的轨道。颗粒的作用力平衡方程在笛卡尔坐标系下的形式( x 方 向) 为： 鲁= ( 炉u 坛( 砟刊慨+ 只 ( 2 - 1 ) 式中( “一甜。) 为颗粒的单位质量曳力，其中 2 器竽 协2 ， 其中，“为流体相速度，“，为颗粒速度，为流体动力粘度，p 为流体密度， 6 砟为颗粒密度，d p 为颗粒直径，c 为其他作用力，r c 为相对雷诺数( 颗粒雷诺 数) ，其定义为： r e ：丝型 ( 2 3 ) 曳力系数c d 用下式表示： c d 强+ 卺+ 惫 ( 2 - 4 ) 对于球形颗粒，在一定的雷诺数范围内，上式中的吼，口：，口，为常数。 f l u e n t 缺省模式下，重力加速度为零。如果要考虑重力的影响，须在 o p e r a t i n gc o n d i t i o n s 面板中设定重力加速度的大小和方向。 颗粒平衡方程中包含的其他作用力e 在某些情况下可能很重要，其中最重 要的一项是所谓的“视质量力”( 附加质量力) 。它是由于要使颗粒周围流体加速 而引起的附加作用力，其表达式为： c = 三虽丢” ( 2 _ 5 ) 当p p 。时，视质量力不容忽略。流场中存在的流体压力梯度引起的附加作 用力为： c 2 料p 塞 协6 ， 此外其他作用力还包括热泳力( 适用于悬浮在有温度梯度流场中的颗粒) 、 布朗力( 适用于颗粒雷诺数较小的流动) 和s a 腼a i l 升力( 仅适用于亚观颗粒) 。 2 1 4 2 湍流流动中颗粒的随机轨道跟踪 当流动状态为湍流时，f l u e n t 使用流体的时均速度甜通过轨迹方程( 式 2 1 ) 来计算颗粒的轨道。用户还可以通过考虑流体速度脉动引致的瞬时速度 甜：云+ 甜来计算由于流体湍流引致的颗粒扩散，f l u e n t 采用随机的方法( 随机 游走模型) 来确定流体的瞬时速度。 2 1 4 3 轨道方程的积分 颗粒轨迹方程以及描述颗粒质量热量传递的附加方程都是在离散的时间步 长上逐步进行积分运算求解的。对方程( 2 1 ) 积分就得到了颗粒轨道上每一个位置 上的颗粒速度。颗粒轨道通过下式可以得到： 华北电力大学硕士学位论文 妾：甜p ( 2 - 7 ) d t 、。 这个方程与方程( 2 1 ) 相似，沿着每个坐标方向求解此方程就得到了离散相的轨 迹。 2 1 4 4 离散相边界条件 当颗粒与壁面发生碰撞时，将会发生下述几种情况： ( 1 ) 颗粒发生弹性或非弹性碰撞反射。 ( 2 ) 穿过壁面而逃逸( 颗粒的轨道计算在此处终止) 。 ( 3 ) 在壁面处被捕集。非挥发性颗粒在此处终止计算；颗粒或液滴中的挥 发性物质在此处被释放到气相中。 ( 4 ) 穿过内部的诸如辐射或多孔介质问断面区域。 用户也可以通过自定义函数来模拟颗粒轨迹。 2 1 5 颗粒的湍流扩散 在随机轨道模型中，沿着颗粒轨道，f l u e n t 在积分计算过程中，颗粒轨道 方程中的流体速度为瞬时速度甜+ z f ( f ) ，这样，就可以考虑颗粒的湍流扩散。通 过这种方法计算足够多的代表性颗粒的轨迹，湍流对颗粒的随机性影响就可以得 到考虑3 4 1 。 2 2 几何模型 2 2 1 空冷凝汽器结构组成 空冷凝汽器由5 6 个空冷单元组成，分成8 列，由8 个蒸汽分配管道分配蒸 汽，每列有7 个空冷单元，分为5 个顺流单元和2 个逆流单元，本文所进行的数 值计算中没有考虑逆流单元和顺流单元热负荷、散热器结构的区别。每个空冷单 元两侧各由5 个散热管束排列组成，每个散热器管束包含有4 0 根蛇形翅片管， 翅片管为碳钢管，管子长9 5 6 7 m ，管子椭圆形截面尺寸为2 1 9 m m 1 9 m m ，管与 管之间间距为5 7 2 m m ，蛇形铝翅片尺寸为2 0 0 m m 1 9 i m ，翅片间距为2 3 m m ， 翅片厚度为o 3 m m ，管子与翅片之间通过铜焊固定。翅片及其焊接结构如下图 2 1 所示。 华北电力大学硕士学位论文 s r ct u b ea f t e rb r a z l n g ，钢焊后的单排管 n o tt os c a l e ，不成比伊l a if i n 9 7 a i ) 铝制翅片f 9 7 蠹；+ 。我鸯、i 0 ，i 堪薯荽。 削c i a d 雇吕屡 a r b o ns l e e it 岫e 臌钢管 2 2 2 几何模型及其网格划分 以单个空冷单元为研究对象，空冷岛高4 5 m ，该高度大气压为9 4 6 0 0 p a ，单 元内散热器尺寸为1 1 4 4 m 9 5 6 7 m 0 2 1 9 m ，凝汽器总散热面积为1 5 0 1 5 2 0 m 2 。 轴流风机直径为9 7 5 4 m ，整个几何模型的高度为2 4 2 6 6 5 m 。以混合网格3 5 1 的方 法划分网格，共4 1 1 5 1 4 个，几何模型如图2 2 所示，网格划分如图2 3 所示。 ，么牛二二二二= 刁一? 黎嘲恻嗍岬嘲麟嫩熬 。i 蓍 | | 攀豢参ji 荔鎏攀 lt 捉il 承ii ：貉斌1 。i nl 一纛 9 图2 3 几何模型网格划分 华北电力大学硕士学位论文 2 3 控制方程 空冷平台周围环境风速远小于当地声速，故空冷单元周围大气运动视为不可 压缩定常流动。基于s i m p l e 算法，采用标准k 吨湍流模型处理计算区域内的湍 流问题，控制方程如下 1 2 】： 连续性方程： 当：o ( 2 8 ) 缸 。 动量方程： ，誓：一睾+ 黑+ ( _ 瓦鬲) + 脚留一) ( 2 - 9 )例；j = 一上+ 二一+ i 一册；础；f + 蒯u 一：。，j ( z y ) l j 瓠i8 x ；i 瓠l a xi a xi 、。p t | “” 嗨 、 湍流动能方程： a 等+ a 掣= 考箦崩哪瓯一胪陋坳 研 融i苏i 盯。j 舐，i “” 、。 扩散方程： 掣+ 掣= 鼽+ 箦矧+ 竿( g 。乜g 6 ) 屯p 街 挑苏小。呸砒i 尼一 ”“ “。七。 。 能量方程： 筹= 嘉 毒+ 剖若l 陋嗡 叙l缸川c p 听j 础，i 、。 式中：p 为空气密度；r 为空气温度；乙，为参考温度，取外界环境温度；p 为压力；甜为速度；“为脉动速度；，指标取值范围是l ，2 ，3 ；为流体动力 粘度；c 。为空气定压比热；b 为热膨胀系数；g 。为由平均速度梯度而产生的湍 动能，g 6 为由于浮力而产生的湍动能。c 。，c ：。，c ，。，仃r ，仃。均为湍流 常数。 2 4 边界条件 风机入口设为质量流率入口，空气的质量流量为5 3 0 9 k s ，几何模型顶部 设为压力出口，模型四周为对称边晁，蒸汽管壁面、风机出口圆面周围单元底面 和风机筒内壁设为绝热壁面边界条件。计算时假定风机所在区域为一个无限薄的 平面，空气通过风机时压力会升高跚，查风机性能曲线得该压升为6 8 p a 。将简 华北电力大学硕士学位论文 化后的风机平面边界条件设置为风扇。空冷凝汽器单元的热负荷为1 4 9 8 m w ， 环境温度3 0 6 k ，大气相对湿度为6 6 ，空气与水的热湿交换过程为绝热加湿过 程【3 7 1 ，所有空气变成饱和湿空气所需喷水量为1 2 0 6 2 k s ，确定单个喷嘴流量后， 即可确定所需喷嘴个数。 两侧散热器区域内部采用多孔介质模型 3 8 1 来处理空气对蒸汽的冷凝过程。 多孔介质的动量方程通过附加的动量源项来模拟流体通过多孔介质时的动量损 失，有两部分组成，一部分是粘性损失项，另一部分是内部损失项： 331 墨= d ：f ，+ q 寺p 川v ， ( 2 - 1 3 ) ，- 1= 1 厶 其中s ，是i 方向( x ，y 或z ) 动量源项，d 和c 是规定的矩阵。在多孔介质单元 中，动量损失对于压力梯度有贡献，压降和流体速度成比例。 对于简单的均匀多孔介质： s = 等u + c 2 吉p h h ( 2 - 1 4 ) 其中6 c 是粘性系数矩阵，p 为空气密度，环境温度为3 3 。q 是惯性阻力系数 矩阵，简单的指定d 和c 分别为对角阵1 亿和c 2 ，其它项为零。 本文采用文献 3 9 】中得到的流动阻力和流体速度的实验关联式： p = 2 4 5 4 3 2 + 13 3 6 8 “( 2 15 ) 考虑到多孔介质厚度为o 2 1 9 m ，单位长度上流动阻力与流体速度的关系为： 兰j _ ：1 1 2 “2 + 6 1 0 4 1 “ ( 2 1 6 ) 将式( 2 1 6 ) 与式( 2 1 4 ) 对比，求得散热器法线方向上粘性系数1 肠和惯性阻力 系数c 2 的值分别为3 2 8 1 7 7 9 和2 0 0 1 2 2 3 。 本文采用离散相模型来求解液滴运动轨迹方程，风机出口圆面周围地面、散 热器的下部左右两侧面及单元区域的前后两个侧面( 如图2 2 所示) 设为离散相 ( 液滴) 逃逸边界条件【4 0 1 ，液滴的轨迹计算到此后会终止，即逃离到外部而浪 费掉；两侧散热器出口虽设为离散相内部边界条件 4 0 1 ，但液滴到达该两面时会 进入单元外部继续蒸发，对单元内部空气的降温不再起作用，同样也浪费掉了。 数值计算完成后，分别计算该七个边界上的液滴质量流量，其和即为喷水浪费掉 的质量流量，本文称为“无效水”。 2 5 求解方法 本文基于s i m p l e 算法，采用标准k _ 标准湍流模型来考虑计算区域内的湍 华北电力大学硕士学位论文 流问题，在理论计算方面，散热器管外的吸热量分为三部分4 ，即空气温度升 高吸收的热量、水温度上升至到散热器出口空气温度的吸热量和水蒸发所吸收的 有效热量。考虑水比热的值大小大概为空气值的4 倍，而且水的质量流量相对于 空气而言很小，为方便计算，本文将1 k g 水折算成4 k g 空气。汽轮机排汽温度的 确定方法如下。 空气和水温度升高所吸收的热量： q l = c 。( g 。+ 4 g 。) o 。2 一f 。1 )( 2 - 1 7 ) 上式中，酿为空气和水温度升高所吸收的热量，为空气定压比热容，取 1 0 0 6 4 3 j 埏，g ，g w 分别为空气和水的质量流量，乙b 乙。分别为空冷单元风机入 口和散热器出口空气温度。 水蒸发所吸收的有效热量： q 2 = ( 1 一口) g 。，( 2 1 8 ) 其中，6 【为无效水量占总喷水量的份额，即无效水量份额；卜a 即为有效水 份额。，为水的汽化潜热，取2 4 5 0 0 0 0 j k g 。 空冷凝汽器散热量： q = q l + q( 2 - 1 9 ) 空气和水温升： f ：l r 2 2 0 1 4 g 。+ 4 g 。 、7 凝汽器端差： ， 乞= 署l ( 2 2 1 ) e 一吒一1 其中，k 为散热器传热系数，由于翅片管管内蒸汽流速、管内外污垢、管壁 及翅片的导热系数、散热器迎面风速及环境温度等很多因素都会影响到传热系数 k 的大小，无法一一进行考虑，但主要影响因素管内蒸汽流速和散热器迎面风速 的大小均不发生变化，因此本文假定在某一工况下传热系数k 不发生变化，取 2 7 7 w m 2 k 。a 为凝汽器总散热面积。 汽轮机排汽温度计算方法如下 4 2 】： t = 乞1 + 乞+ 乞+ f 口( 2 - 2 2 ) 如为汽轮机排汽温度，4 乙为从汽机房到空冷岛的排汽管道温降，取0 8 9 k ， 根据汽轮机排汽温度f 。，通过查询水蒸气热力性质软件可得到汽轮机排汽压力既， l ( p a 。与喷雾前排汽压力相比较得出汽轮机背压减小幅度，而由于背压降低引起 的煤耗变化可由现场运行数据得到，由煤耗降低节省的费用减去运行费用即得到 净收益。 华北电力大学坝士学位论文 根据现场运行数据，夏季设计工况下汽轮机排汽压力变化与煤耗变化之间的 关系为： b = 0 0 1 2 4 3 + 1 6 2 3 4 1 卸。 ( 2 2 3 ) 其中，么n 为汽轮机排汽压力变化，k p a ；厶6 为该背压变化对应的煤耗变化， g l 【吼；根据运行中水泵耗功与喷水量的关系( 表2 1 所示) ，拟合得到其关系表 达式如式( 2 2 4 ) 所示： 表2 1 水泵耗功情况 w 2 4 8 8 4 7 8 + o 3 3 1 1 7 3 6 g 。 ( 2 。2 4 ) 式中，w 为水泵耗功功率，k w ；以除盐水8 元吨、上网电价0 3 元k m 、煤 价4 0 0 元吨计算，喷雾增湿系统投运后每小时净收益的计算表达式为： p ：兰旦掣一o 3 w 一8 3 6 g 。 ( 2 2 5 )矽= 一u j 1 缈一舀j 0 u i z z ) j 1 1 0 0 0 ” 、 式中，p 为净收益，元小时，哟机组负荷，m w 。 喷雾增湿系统投运后，通过数值计算得到的有效水份额与式( 2 1 7 ) ( 2 2 5 ) ， 便可得到汽轮机背压变化和净收益。 2 6 本章小结 本章介绍了n u e n t 内嵌的离散相模型的求解过程，提出了喷雾增湿系统喷雾 有效水份额的概念，并以此来衡量液滴的蒸发冷却效果，根据空冷凝汽器相关热 力计算理论，结合喷雾增湿系统投运后机组背压降低带来的节煤收益和运行费 用，建立了净收益计算模型。 华北电力大学硕二i 学位论文 第三章夏季设计工况条件下喷雾增湿系统优化设计 3 1 喷雾增湿系统所用喷嘴简介 目前空冷机组喷雾增湿系统广泛采用普通工业实心圆锥喷嘴，该类喷嘴结构 简单，安装方便，喷射形式为全锥形，喷射区域为圆形，分布均匀，按结构又分 为轴流实心圆锥喷嘴、直角实心圆锥喷嘴和多头喷嘴。本文仅采用前两种。 3 1 1 轴流实心锥形喷嘴 轴流实心圆锥喷嘴在整个圆盘形喷射面上有均匀的液体分布。喷嘴内部的x 型旋片精确地引导进入喷嘴的液体流向喷嘴漩腔心部，得到了非常均匀的液体分 布。x 型旋片经过优化设计，保证了较大的自由通径，提高了运行安全性。轴流 实心圆锥喷嘴有非常宽的流量范围，多种喷射角可选。喷嘴外形图和喷雾结构图 如图3 1 、3 2 所示，其优点为： ( 1 ) 非常均匀的液体分布。 ( 2 ) 大流量分布。 ( 3 ) 多种喷射角。 口 丐。 图3 1 喷嘴外形图图3 2 喷雾结构图 其不同孔径的喷嘴的流量特性【4 3 。4 7 1 如下表3 1 所示。为方便区分，为其编 1 4 华北电力大学硕士学位论文 表3 1 轴流实心锥形喷嘴流量特性 3 1 2 直角实心圆锥喷嘴 直角实心圆锥喷嘴没有旋芯，因此不会堵塞。特别适合杂质颗粒较多的闭路 循环喷淋系统或灭火系统。这类喷嘴的另一个特点是在压力变化时，仍保持较稳 定的喷射角。直角实心圆锥喷嘴内部没有漩流片，依靠液体切向进入喷嘴的空腔 产生液体的旋转，喷嘴顶部特殊排列的沟槽将部分旋转的液体分流到喷嘴漩腔中 心产生均匀的液体分布，其喷嘴外形图和喷雾结构图如图3 3 、3 4 所示，其优 点为： ( 1 ) 运行可靠。 ( 2 ) 不堵塞。 ( 3 ) 喷射角稳定，基本不受压力变化的影响。 图3 3 喷嘴外形图图3 4 喷雾结构图 其不同孑l 径喷嘴的流量特性如下表3 2 所示。 华北电力大学硕士学位论文 表3 2 直角实心圆锥喷嘴流量特性 3 2 孑l 径2 1 m m 喷嘴布置位置优化 由表2 和表3 所示，2 1 m m 孔径喷嘴有l 号、2 号、3 号和9 号四种，首先 选用1 号喷嘴，空气与液滴之间的热湿交换过程为等焓加湿过程，通过查询湿空 气焓湿图可得出所有空气达到饱和湿度可吸收的水量，根据喷嘴流量特性，可计 算得到一定雾化压力下所需喷嘴个数。根据该方法，喷雾压力分别取o 6 m p a 、 0 9 m p a 和1 2 m p a 时需喷嘴个数分别为1 4 、1 2 和1 0 个，喷嘴布置采用双排布置 方式，喷嘴对称的分布于x z 平面内中心轴线左右两侧，如下图3 5 所示，图中 只画出了1 2 m p a 下喷嘴的布置位置，o 9 m p a 和o 6 m p a 下每侧喷嘴各布置6 个 和7 个。 周围单元地面 乏多 风机出口平面 砸形泓。 彩 喷嘴 ， !歹 ) _ 州、_ (“卜_ ，弘_ (k ，_ ； ：； (、一一卜一卜一()( ( 量 ， ， g o o ： 。o ： )卜c) 卜 卜一( 一卜 ( 量 、 基 o o 、 ：； o 。 )( )() 一一卜一 _() ： # f。z ? 一：髫、7 钐 ；l ； 萨配水线尺寸线一一一中心轴线 图3 5x z 平面内喷嘴布置位置示意图1 1 6 华北电力大学硕士学位论文 3 2 1z 方向上1 号喷嘴布置位置优化 首先，y 方向喷嘴的高度( 与单元地面的距离) 取为0 7 m ，x 方向上喷嘴的 间距取为1 8 m ，z 方向上喷嘴与中心轴线的距离分别取为o 5 m ，1 m ，1 5 m ，2 m ， 2 5 m ，3 m ，3 5 m 和4 m ，研究喷嘴在z 方向上的坐标变化对有喷雾效水份额的影 响，计算结果如下表3 3 所示，对应曲线图如图3 6 所示。 表3 3z 方向上的坐标变化对冷却效果的影响 距有效水份额 背压降低幅度l a净收益元j 、时 离 1 2 m p a0 9 m p a0 6 m p a1 2 m p a0 9 m p a o 6 m p a 1 2 m p a0 9 m p a0 6 m p a m o 9 5 o 9 0 0 8 5 0 8 0 有糯 效o 6 5 水0 6 0 份o 5 5 额：絮 0 4 0 0 3 5 o 3 0 0 2 5 0 2 0 0 0 喷嘴 喷嘴 喷嘴 0 51 o1 52 02 53 03 54 o4 5 与中心轴线距离m 图3 6z 方向上坐标变化对冷却效果的影响 由计算结果可知，总体趋势上，随着左右两排喷嘴与中心轴线的距离逐渐增 大，有效水份额会逐渐减小，对应的背压降低幅度也逐渐减小。且随着雾化压力 的增加，有效水份额显著增大，雾化压力每增加o 3 m p a ，有效水份额增加约 2 0 2 5 。 华北电力大学硕士学位论文 3 2 2y 方向上1 号喷嘴布置位置优化 在z 方向上布置位置优化的基础上，将左右两排喷嘴布置在距离中心轴线 z _ l m 处，改变喷嘴在y 方向上的坐标变化，研究y 方向上喷嘴高度变化对液滴 蒸发冷却效果的影响，其数值计算结果如下表3 4 所示，对应曲线图如图3 7 所 示。 表3 4y 方向上坐标变化对冷却效果的影响 有 效 水 份 额 + 1 2 m p a ，1 0 个喷嘴 o 51 o1 52 o2 5 高度m 喷嘴 喷嘴 图3 7y 方向上坐标变化对冷却效果的影响 由计算结果知，总体趋势上，随着喷嘴在y 方向上布置高度的逐渐增加，有 效水份额逐渐降低，从y 方向上的优化结果来看，雾化压力在很大程度上影响了 有效水份额的大小，这与z 方向上雾化压力对冷却效果的影响相同，即雾化压力 越大，冷却效果越好。 如踮舳乃加酪弱如笛 0 o o o o o o o o o 0 华北电力大学硕士学位论文 3 2 3x 方向上1 号喷嘴布置位置优化 根据上述研究结果，在喷嘴布置位置相同的条件下，1 2 m p a 压力下的冷却 效果明显好于0 9 m p a 和0 6 m p a 压力下的冷却效果，基于此，选用1 2 m p a 压力， 并结合以上在y 、z 方向上冷却效果最佳的喷嘴布置位置，即z = 1 m ，少= 0 7 m ，x 方向上喷嘴间距分别选取1 0 、1 2 、1 4 、1 6 、1 8 、2 0 、2 2 、2 4 m ，计算结果如 下表3 5 和图3 8 所示。 表3 5x 方向上喷嘴间距变化对冷却效果的影响 有 效 水 份 额 o | 81 01 21 41 6l 盘2 0 2 22 42 6 x 方向上喷嘴间距m 图3 8x 方向上喷嘴间距变化对冷却效果的影响 随着喷嘴在x 方向上布置间距的增加，有效水份额先逐渐增大，到一定值后 基本不变，最后逐渐减小，喷嘴间距