直接空冷凝汽器汽水分布在线计算模型及其应用.pdf

第5 8 卷第5 期 2 0 1 6 年1 0 月 汽轮机技术 T U R B I N ET E C H N O L O G Y V 0 1 5 8N o 5 0 ct 2 0 1 6 直接空冷凝汽器汽水分布在线计算模型及其应用 高建强，肖雄 ( 华北电力大学能源动力与机械工程学院，保定0 7 1 0 0 3 ) 摘要：直接空冷凝汽器内部流体的流动状况直接影响机组的安全经济运行。而直接空冷凝汽器体积庞大、结构复 杂，在运行当中，凝汽器存在换热和汽水分配不均现象。根据流体在空冷岛不同管段内的流动和换热过程，建立了 直接空冷凝汽器管内汽永分布在线计算模型。以某3 0 0 M w 直接空冷机组为研究对象，通过在线计算模型软件获 得了不同负荷和换热条件下蒸汽和凝结水在凝汽器各单元内的分布情况，实现了内部流场分布特性的在线监测。 关键词：直接空冷凝汽器；经济运行；汽水分配；计算模型；在线监测 分类号：2 6 4 1 + 1文献标识码：A文章编号：1 0 0 1 - 5 8 8 4 ( 2 0 1 6 ) 0 5 _ 0 3 6 5 旬5 T h eO I llin eC a lcu la t io nM o d e lf o rt h eD is t r ib u t io nC h a r a ct e r is t ics0 fI n t e m a ln o w int h eD ir e ctA i卜co o lin gC o n d e n s e ra n dI t sA p p lica t io n G A O J i锄 q ia I lg ，X M OX io n g ( S ch o o l o fE n e r g y ，P o w e r0 fM e ch 锄ica l E n 西n e e r in g ，N o n llC llin aE le ct r ic P o w e rU n iv e r s it y ，B a o d in g0 7 1 0 0 3 ，C h in a ) A b s 岫I d ：1 1 1 eco n d it i0 ft llein t e m a ln llidn o 耐n gind i”e cta i卜c0 0 liI lgco n d e 璐e r 世；ct st I I es a f e 蛐de co n 删co p e m t io n o f 山eu 1 1 it sd ir e ct ly F 皿h e H n o r e ，lled ir e cta ir e o o lil】ge o n d e n s e h a sh u g ev o l啪ea n de o m p lj ca t e i s n lct u r e ，w h icb 1 e a d in ginu n e v e nd is t r ib u t io np h e n o m e n o no fh e a tt r a I ls f e r 舳dn I l】【d 面n gt lleo p e r a t io n A cco r d in gt ot h en o w 粕dh e a t 岫s f e rp r o e e 豁o fs e 踟ind 每r e n ts e ct io 璐f j o mt llea ir - co o lin gis l粕d ，a 出f e e ta ir - 0 0 0 lin gco n d e n s e ro f llin em o d e lf 打 ca lcu la t in gt llein t e m a ln o w6 e ldd is t r ib u t io nf e a t u r e sh 鹪b e e ne s t 枞is h e d 1 出n ga3 0 0 M Wd ir e cta ir - co o lin gu llit 鹊t h e o b j e ct “s t u d y ，t h ed is t r ib u t io nco n d ilio no fs e 锄舳dco n d e f ls e dw a t e ri璐id ee a chu n itu n d e rt h ecd it i彻s 诵t 王ld ir e I l 1 0 a da n dh e a tt r a n s f e rh a sb e e ng a in e d 岫u g It h e f t w a r e0 fo I I lin eca lcllla t i蚰H 均d e l，w h icha ch ie v e st h eo I llin e m o n it o r in go fin t e m a l n o wf ie ldd 矗建d b u t io nf e a t u I s 1 【e yw o “b ：棚聆cta ir o I in g 咖d I e n r ；仪删删co p e 翻艋o n ；n o wm s t r ib u 6 ；l饥h 6 蚰m o d e l；们llin e m 砌矧避 O 前言 直接空冷机组耗水量约比同等容量湿冷机组低6 5 左 右，节水效果非常显著。近年来直接空冷技术在我国北方富 煤缺水地区的电厂得到了广泛应用。然而直接空冷凝汽器 体积庞大、结构复杂，在运行当中，参数存在不同程度的偏 差。在冬季，局部管束还会出现冰冻现象，严重影响机组的 安全经济运行。 直接空冷凝汽器在运行当中，其参数存在的偏差主要是 由凝汽器结构、换热和流动不均造成的。对于已经投运的机 组，结构参数已经确定，参数偏差则与其换热和流动不均有 着密切的关系。如果能够在线监测直接空冷凝汽器各管内 汽水参数的分布状况，则可以通过冷却风机的转速调节，在 一定程度上消除、控制其换热偏差。但对于凝汽器各管内的 汽水参数，如流量、压力、温度等，采用传统的直接测量方法， 还存在很大困难，无法实现。因此，需要采用软测量技术 ， 建立直接空淦凝汽墨筐凼沲丞分布特性在线计算模型，通过 收稿日期：2 0 1 6 一o l- 2 6 数学模型求解，可以得到机组在不同工况条件下有关参数的 分布规律，指导机组的运行控制。 目前，针对空冷凝汽器管内汽水分布状况的研究多采用 数值模拟的方法旧3 1 ，对管道内湿蒸汽速度场、温度场等进行 数值模拟，得到了一些汽水参数的分布规律H 。但是，在变 工况后，需要重新设定模型的初始条件和边界条件，且需较 长运算时间才能收敛，不能实时运算，无法满足在线监测的 要求。因此，需要对有关模型进行合理简化，实现在线实时 运算。 本文以山西某3 0 0 M w 直接空冷机组为研究对象，建立 了直接空冷凝汽器管内汽水分布在线计算模型，实现了对凝 汽器各单元汽水流量、压力等参数的在线计算。 1 数学模型 直接空冷凝汽器按照汽水流程可划分为主排汽管、蒸汽 分配管、凝结管、凝结水集箱等几个部分，其中按照管内蒸汽 与凝结水流动方向关系，凝结管又分为顺流凝结管和逆流凝 作者简介：高建强( 1 9 6 6 ) ，男，汉，河北定州人，教授，博士。主要从事系统建模与仿真方面的研究工作。 3 6 6 汽轮机技术第5 8 卷 结管。凝结管一般为多排、双排或单排布置的翅片管，这些 翅片管与水平成口角，呈“A ”型结构布置在空冷平台。“A ” 型架下布置一台轴流风机，“A ”型架及其两端的隔离墙与轴 流风机组成一个独立的直接空冷单元。这些空冷单元包括 顺流单元和逆流单元，分别由顺、逆流凝结管组成。 直接空冷凝汽器管内汽水流量的大小与管内压降有关。 在某一工况下，各单元中的流量与压降存在一一对应的关 系。只要把流动过程中的压降和流量的关系确定后，就能够 根据管路结构数据、汽水状态参数，通过数学模型求解得到 各个管路中的汽水流量。 正常运行工况下，空冷凝汽器主排汽管和蒸汽分配管中 蒸汽的含水量较小，且蒸汽的冷凝份额也很小，因此，假设其 管内流体为混合均匀的湿蒸汽，可看作是均相流体，其流动 阻力计算模型比较简单。 空冷凝汽器中的蒸汽主要在凝结管、凝结水集箱内完成 凝结放热，其内部为汽液两相流动。由于管内汽液两相流的 流量与流动阻力之间的计算模型较复杂。因此，凝结管、凝 结水集箱内的流动与换热模型的建立及其求解是本文重点 研究的内容。 1 1 凝结管压降模型 忽略管内不凝结气体的影响。汽水在凝结管中的流动 压降主要由重位压降、加速压降和摩擦阻力压降3 部分组 成5 | ： p = p 。+ p 。+ p r ( 1 ) 式中，4 以为重位压降，M P a ；p 。为加速压降，M P a ；4 P ，为摩 擦阻力压降，M P a 。 1 1 1 重位压降 凝结管与水平方向呈口角布置，其重位压降 o 为： p 。= p f ( 1 一a ) + p 。d s iI 】届 ( 2 ) 式中，p 。妒。为凝结管内液、汽的平均密度，k g m 3 ；口为截面含 汽率；L 为凝结管的长度，m ；口为凝结管与水平所成的夹角。 1 1 2 加速压降 两相流在流动过程中有比容的变化。根据两相流动的 基本方程，其加速压降为o ： 却。甜 警+ 竿字 一 等+ 竿半 ) ( 3 ) 式中，茁。、a ，和戈：、a ：分别表示凝结管进出口处的干度和截 面含汽率。 1 1 3 摩擦阻力压降 针对直接空冷凝汽器低压、低流量、小管径的特点，选用 修正的L M 计算法J ，采用分气相进行压降的计算： 乃= q b 9 2 ( 4 ) 瓴= 鲁半 ( 5 ) 瓴= 音 产 ( 5 ) 咖，2 = a 丁( 6 ) 式中，A 。为摩擦阻力系数；钆2 为全气相摩擦修正系数；G 为 质量流量，k g ( m 2 s ) ；p 。为汽的比容，m 3 k g ；n 取决于流 态6 。 1 1 4 截面含汽率 在计算压降的过程当中需要知道截面含汽率a ，倾斜管 中的截面含汽率的计算采用米洛保尔斯基计算法5 | ： a ： 一 ( 7 1 鲁字】 一 式中，I s 为滑速比；以和p f 分别为凝结管中水和汽的密度， k g m 3 ；算为蒸汽干度。 滑速比J s 的计算式如下： 5 望掣5 = 1 + _ ( 8 ) F r l西R 8 l百 对于水平倾角为y 的倾斜管： S ，= K S ( 9 ) r K = 1 当R e l2 1 0 5 时 q = 1 + ( 1 5 1 0 。6 R e - ) 【1 一砉】 ( 1 0 ) 【 当R e 2 1 0 5 时 1 2 凝结水集箱压降模型 凝结水集箱尺寸较大，内部流体认为是汽水分层形式流 动。 如图l所示，液体均匀分布在凝结水集箱下侧，其中润 湿角p 可以用经验公式进行计算7 | ： 疗= O 5 2 ( 1 一a ) o ”4 + 0 2 6 F r 0 s 8 ( 1 1 ) 式中，F r 为弗劳德数，定义为： F r - 渤 ( 1 2 ) 其压降计算公式为： p = q 吉) 扣 2 ( r ) ( 1 3 ) ，= ( 1 一日) 丘+ ，p ( 1 4 ) 式中，为管长，m ；D 为管径，m ；峨为汽液相间速度，I n s ；， 为两相摩擦系数沂为相间摩擦系数，取o 0 1 4 2 ；正为气相摩 擦系数。 图1 凝结水集箱横截面示意图 1 3 凝结管传热计算模型 假设凝结管外部换热均匀，且各管排的凝结管尺寸相 同。在建立凝结管压降模型时，根据单位管长换热量来计算 蒸汽凝结量。单位管长换热量为 1 ： j ：芏( 1 5 ) m 式中，Q 为单元换热量，w ；m 为凝结管数量；Z 为凝结管长， m 。 由于蒸汽的凝结主要发生在凝结管中，对于凝结管采用 占一刑法可知旧J ： Q = A ，叩。c( n 2 一f 。1 ) ( 1 6 ) 第5 期高建强等：直接空冷凝汽器汽水分布在线计算模型及其应用 3 6 7 式中，A ，为单元迎风面积，m 2 ；t ，为迎面风速，n s ；以为空气 密度，k g m 3 ；c为空气定压比热，J ( k g K ) ；。、匕分别为各 单元空气进出口平均温度，。 2 应用实例 2 1 研究对象 以山西某3 0 0 M w 直接空冷机组为研究对象。该机组的 空冷凝汽器分成6 列，每列4 个单元，共有2 4 个空冷单元。 每列中有顺流单元和逆流单元，其中顺、逆流单元比例为3 ： 1 ，每列第2 单元为逆流单元o | 。该空冷凝汽器主排汽管直 径为5 5 0 0 m m ；蒸汽分配管道直径为2 6 0 0 2 0 0 0 1 4 0 0 m m 。采 用的单排管基本参数如表1 所示。 表l单排管基本参数单位：m m 图2 为该直接空冷凝汽器汽水流程简图，图中虚线表示 凝结水。该空冷凝汽器的6 列对应图中的6 个大支路，每列 中的1 、3 、4 单元为顺流单元，对应图中每个大支路中的3 个 并联小支路，并与顺流单元串联布置。汽轮机在运行当中， 排汽由主排汽管分配到1 8 个顺流单元中进行凝结换热，未 完全凝结的蒸汽再进入逆流单元中进行凝结换热。实际运 行当中，每单元分为左右两部分，图中进行简化处理，合并为 一部分，但在计算过程中是分开计算的。 图2 直接空冷凝汽器汽水流程简图 2 2 计算过程 计算中需满足如下规律：串联回路流体的流量相等，各 段管路压差相加；并联回路两回路问连接点压力相等，连接 点间流量相加。 2 2 1 压力计算 计算开始前先将总排汽流量平均分配到各顺流单元，作 为压力计算和流量循环迭代计算初始值。 每列蒸汽分配管中的混合湿蒸汽分别进入第1 、3 、4 顺 流单元换热，这里应用凝结管压降模型进行压力计算。计算 过程中所需凝结水参数通过凝结管传热计算模型得到。各 顺流单元凝结水和未凝结蒸汽流动过程中的汽水压降由凝 结水集箱压降模型计算得到。 2 2 2 流量计算 对于每列单元间流量循环计算，以第3 、4 单元汽水汇集 节点A 两边压差4 P 为判据，先假定第4 单元流量G 。不变， 按图3 所示流程，进行循环迭代计算，得出第3 单元蒸汽流 量。再以第3 单元凝结水集箱两边压差4 p 为判据计算得到 第1 单元蒸汽流量，从而得到1 列的蒸汽流量。 图3 直接空冷凝汽器循环计算流程图 假如已经得到第l列的蒸汽流量，以第l、第2 列凝结管 人口压差4 P 为判据，按图3 进行计算得到第2 列流量，再假 定第2 列流量得到第3 列流量。由于第l、2 、3 列与第6 、5 、4 列对称，同理可得第6 、5 、4 列流量。将各列流量相加与主排 汽流量比较，如果相差较大，重新分配流量进行迭代计算，直 到计算的流量与主排汽流量的误差在允许的范围内，停止计 算，输出结果。 3 计算结果及讨论 3 1 单列空冷凝汽器汽水流量分布 表2 为排汽流量变化时机组的初始参数，为计算过程中 初始计算数据。通过各列蒸汽分配管的蒸汽全部进入3 个 顺流单元。图4 为空冷凝汽器其中一列的各顺流单元流量 随机组负荷从2 0 0 M w 到3 0 0 M w 变化过程中的分布情况。 从图4 可以看出，蒸汽流量基本上随负荷的增大而增大，两 者的变化趋势基本相同。只有第4 单元由于阻力损失较大， 排汽流量较高时蒸汽流量变化量差异比较明显。流经第4 单元管束的蒸汽比第3 单元要多经过一段蒸汽分配管和凝 结水管，造成相同流量和换热条件下其阻力相对而言较大。 表2排汽流量变化时的初始条件 图5 为凝结水集箱处压力分布及随单列流量变化的情 况。由图5 可知，在换热不变的情况下，凝结水集箱压力与 单列流量呈负相关。通过提高风机转速可使换热增强，分别 提高第l单元和第3 单元的风机转速。结果如图5 所示，低 流量时随着换热的增强压力降低，而高流量时随着换热的增 强压力升高。由此可见，优化风机运行情况可以调节凝结水 集箱的压力，降低凝结水过冷度，减少热损失，从而提高机组 汽轮机技术第5 8 卷 訇4 各单元蒸汽流量随排汽流量的变化情况 1 4 8 4 妄1 4 8 2 二= ：1 4 8 0 鎏1 4 7 8 ：l2 427j I Jj j 9 刈_l蔫，7 L i直譬( k s J 图5总流量变化时凝结水箱压力分布情况 运行经济性。 图6 所示为在机组负荷从2 4 0 M w 到3 0 0 M w 变工况运 行过程当中，将第1 单元风机转速提高8 r m in 后各单元流量 的变化情况。通过提高第1 单元风机转速，提高了第l单元 的换热系数而使换热增强。由图6 可知，第1 单元流量上 升，同时第3 、4 单元流量减少。降低第1 单元风机转速各单 元流量变化趋势相反，其中第4 单元流量变化较大，因为第1 单元换热系数调整幅度较大，使得处于后面的凝结管流量减 少，流动特性发生较大变化。 l234 单元数 图6 第1 单兀风机转速提高前后各单兀流量分日a 情况 图7 所示为将第3 单元风机转速提高8 r m in 时，各单元 流量的变化情况。各单元流量变化趋势与改变第1 单元风 机转速变化时基本一致，但是第4 单元变化幅度更加剧烈， 因此在调整第3 单元风机转速的时候一定要小幅度调整，否 则会使第4 单元产生流量极少或无蒸汽通过现象，降低凝汽 器性能，可能还会诱发空冷岛“结冻”现象。 0 0 2 5 0 0 2 4 0 0 2 3 瓷 量o 0 2 2 啦 _ _ g 0 0 2 l 0 0 2 0 0 0 1 9 眩羽第3 单元风机 转速提高前 圆第3 单元风机 转速提高后 蓁肉编 l2j4 。i亿甜 图7 第3 单元风机转速提高前后各单元流量分配情况 3 2 空冷凝汽器整体汽水流量分布 由前面分析可知，通过调整风机转速而间接调整各单元 换热系数可以部分消除流量分配不均现象。下面以整体空 冷凝汽器模型为研究对象，研究其流量分配情况，为优化风 机运行提供依据。图8 、图9 为机组负荷从2 4 0 M w 到 3 0 0 M w 变化过程中，空冷凝汽器每列流量的分配情况。 3 3 3 0 2 7 2 4 2 1 1 4 0lS 01 6 01 7 01 8 0 排汽流量，( k g ，s ) 图8 凝汽器各列换热同步调整时流量分布情况 3 3 3 0 2 7 2 4 2 1 1 4 01 5 01 6 01 7 01 8 0 排汽流量( k g ，s ) 图9 分别调整凝汽器各列换热时的流量分布情况 图8 、图9 表示两种风机调整方式下排汽流量变化时各 列流量的变化情况，图8 中随排汽流量同步调节每列的风机 转速，维持各单元换热系数比基本不变，微量调节。图9 中 随通过各列的蒸汽流量分别调节，维持各单元换热系数比基 本不变，微量调节。从图中可以看出两种调节方式下，在高 负荷时，各列流量基本均匀。因此，通过调整风机运行可以 基本消除各列流量分配不均现象。在低负荷情况时，会出现 流量分配严重不均现象，尤其是第一种风机运行方式下，结 构差异与风机冷却能力差异的累积加剧了这种不均匀性，增 加了机组运行的难度。 嘶 叭 嵫 呦 叭 耋 0 O 0 0 O O 0 0 第5 期高建强等：直接空冷凝汽器汽水分布在线计算模型及其应用 3 6 9 目前，直接空冷机组的风机自动调节模式为各风机同频 运行，随着背压、负荷调整风机转速。在实际运行过程中如 果采用这种模式，不但会使各列流量不均匀，而且也会使各 单元流量分配不均匀。如果这种质量、动量平衡和换热平衡 不能耦合，会使空冷凝汽器中出现个别单元、个别列无蒸汽 通过，导致空冷凝汽器冷却性能降低，严重时危及机组安全。 通过计算流程编制成相应的程序，开发直接空冷凝汽器 内部流量分布特性在线计算模型软件。该软件基于直接空 冷凝汽器温度场在线监测系统，已应用于某3 0 0 M w 直接空 冷发电机组上，并且运行良好。 4 结论 ( 1 ) 实际应用表明，该软件能够在线计算凝汽器各列、各 单元的流量分配和压力分布情况，能够为机组运行调整提供 参考。 ( 2 ) 空冷凝汽器内流量的分配与变化情况，受换热状况 的影响。总体来看，当其中一单元换热效果增强时，该单元 流量增加，而其它单元流量减小。 ( 3 ) 从结果得知，风机的同频调节存在流量分配不均的 特点。以在线计算软件的输出结果为参考依据，分别对风机 进行调节，可以消除流量分配不均现象。 ( 4 ) 从低负荷到高负荷的变化过程中，流量分配不均情 况逐渐变小。所以，在条件允许的情况下，尽量使机组保持 在高负荷运行状态。 参考文献 1 韩璞，乔弘，王东风，等火电厂热工参数软测量技术的发 展和现状 J 仪器仪表学报，2 0 0 7 ，( 6 ) ：1 1 3 9 一1 1 4 6 2 刘学，王忠会，石磊，等超临界直接空冷排汽管道系统内 流场的数值模拟 J 汽轮机技术，2 0 0 8 ，5 0 ( 6 ) ：4 2 8 4 3 0 3 石磊，张东黎，陈俊丽，等6 0 0 M w 机组排汽管道内湿蒸汽 的数值模拟 J 动力工程，2 0 0 8 ，2 8 ( 2 ) ：1 7 2 1 7 5 4 刘艳，姜沃函，董建华，等6 0 0 M w 直接空冷汽轮机组排汽 装置流场数值模拟和结构改进 J 汽轮机技术，2 0 I l，5 3 ( 5 ) ： 3 3 9 3 4 1 5 林宗虎，王树众，王栋气液两相流和沸腾传热 M 西安： 西安交通大学出版社，2 0 0 3 6 阎昌琪气液两相流 M 哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社， 2 0 1 2 7 田强，赵翠华，李金霞，等液膜区气液界面形状对水平管段 塞流压降计算的影响 J 油气天地面工程，2 0 1 0 ，2 9 ( 8 ) ：1 2 8 鲁红亮平行流冷凝器的热分布特性和流量分配特性研究 D 武汉：华中科技大学，2 0 1 0 9 杨世铭，陶文铨传热学 M 北京：高等教育出版社，1 9 9 8 2 0 r 7 2 1 1 1 0 高建强，王艳基于B P 神经网络的直接空冷凝汽器换热性 能预测 J 动力工程学报，2 0 1 3 ，3 3 ( 6 ) ：4 4 3 4 4 7 ( 上接第3 5 0 页) 4 结论 ( 1 ) 通过模拟刷式汽封和梳齿汽封内部流动情况，比较 了两种汽封压力场分布和速度场分布。在相同进口压力条 件下，刷式汽封漏汽量小于梳齿汽封漏汽量。 ( 2 ) 通过某电厂汽封改造实例，采用刷式汽封替换电厂 原汽轮机梳齿汽封，可以减少汽轮机漏汽量，降低汽轮机热 耗率。汽封改造后较改造前降低了1 7 9l彤( k W h ) ，去除 3 6k J ( k w h ) 的烟气余热回收系统节能，其余1 4 3 k J ( k w “) 的节能量为汽封改造节能效果。 参考文献 1 胡丹梅，沈洋，费孝律汽轮机刷式汽封流场数值计算 J 热力透平，2 0 ll，4 0 ( 3 ) ：1 8 8 1 9 1 2 B A Y L E YFJ ，L O N GcA Aco m b in e de 】【p e r ir r 屺n t a la n dt lle D r e t i ca l一咖d yo fn w 肌dp r e 鹅u r ed is 研b u t i吣inab m s h 咖l J A S M EJ o 啊la lo fE n 西n 优r in gf o rG 船T U I r b in 鹊蛐dP d w e r ，1 9 9 3 ， 1 1 5 ( 2 ) ：4 0 4 4 lO 3 ch e wJw ，G u a r d in oc，s im I ll“帆o fn o w 蛐dh e a t 岫皿s f hint h e 卸唧o n0 f ab m s h9 e a l J I n tJ H tF lu id n o w ，2 0 0 4 ，2 5 ( 4 ) ： 6 4 9 6 5 8 4 戴伟刷式密封泄漏