来流流速对水域环境及标准发电煤耗的影响.docx

1、POWERENGINEERING60引言第29卷第1期电力科学与工程Vol.29,No.l2013年】月ElectricPowerScienceandEngineeringJan.,2013来流流速对水域环境及标准发电煤耗的影响陈帅，程友良（华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北保定071003）摘要：以Fluent软件为平台，以是位式取排水布置方式为例，在不同来流流速下对电厂的取排水进行数值模拟。根据数值模拟结果，分折了不同工况下取排水对水域环境的影响，并以上述模拟结果为基础，通过等效炸降法，分析其对筱汽器标准发电煤耗的影响，为机组的运行提供参考。关键词：取排水；来流流速；水域环境；标准发

2、电煤耗；等效好降法中图分类号：TK16文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1672-0792.2013.01.0101数值模型收稿日期：2012-10-24。作者简介：陈帅（1988-），男，硕士研究生，从事流体理论及应用、凝汽器强化换热等方面的研究，E-mail：chenshuai-121。现代火电站和核电厂一般采用开式冷却系统，即从电厂周围水域中取水来冷却乏汽，然后再排放至该水域中。低温冷却水在与凝汽器进行热交换后，温度一般提高815。携带大量废热的排水不仅影响附近的水域环境而且会通过扩散回流回归到取水口而影响冷却水温度。确定排汽压力变化对机组标准发电煤耗的影响，对机组运行

3、和节能分析都具有重要意义。在以往的研究中，确定排汽压力变化对机组经济性的影响主要有三种方法：曲线法、热力学方法、等效焙降法。由于汽轮机低压缸排汽压力修正曲线通常采用制造厂提供的曲线，曲线法受机组热力系统结构、机组运行年限等因素的限制。李秀云、严俊杰等以变工况为基础，通过对三种方法的实例计算和比较，发现等效热降法的计算结果和常规热平衡计算结果基本吻合，实用性更强疽f本文就象山港的地形特征建立电厂取排水的数值模型，对差位式取排水进行数值模拟，并通过等效焰降法，计算100%THA（THA为额定出力工况），75%THA,50%THA工况下不同排汽压力下机组的标准发电煤耗，为经济性计算分析提供参考，为实

4、际运行作指导。1.1电厂差位式取排水三维模型图1为差位式的模型图。对模型进行合理简化，采用三维的计算模型，设取水口和排水口均布置在水面以下1m；取水管道伸入水域中的长度为6m,排水口部分长0m；假设排水速度为定值3.5m/so根据象山港环境水域温度情况，年平均水温为18.5P,最炎热时期（79月）累积频率10%B平均水温30.0丁。以水体温度最高时期为例，冷却水经热交换以后，温升约为10X,即排水温度为313K。电厂跄位式取nr水布我.mwfl（电船位犬曜敝辑水小齐丫响图图1电厂差位式取排水布置模型Fig.1Modelofdifferentialbit-takendrainagearrange

5、mentinpowerplant1.2控制方程本文采用k-湍流模型进行流场和温度场的数值模拟。其控制方程由连续性方程、动量方程、紊动能方程、紊流耗散方程组成。连续方程2凝汽器排汽压力的计算(1)动量方程号啊),寿砰沔)=嚏噌S”(2)A湍流模型a(以)+。(时).ah+纠西dtdxdxLv+aJdxj零+零噫IK虞+通常ffi谿镭热中，基轮弗热I供必也Dr=kAAt(5)式中：为汽轮机排气锁，kg/s；4为冷却面积,m2；A=1465O00w0,0,0d,其中，S为冷却表面清洁系数，此处取值0.85；切,为冷却水流速和管径的修正系数0.128(1MIS)(6)式中：山为取水管直径，m；为取水温

6、度,T；/为冷却管内水流速，m/s；吃为冷却水进口温度修正系数。(3)(4)图2乌沙山电厂300MW机组原则性热力系统图Fig.2Principlethermodynamicsystemdiagramof300MWunitinWushashanPowerPlant万(CG-Cjpe)能量方程a(pT)+。(伊)=出皿色叵dtdxtdxIPrarT)dXj采用一阶迎风格式对控制方程进行离散，压力和速度的耦合采用Simple算法，密度采用Boussinesq近似，指定密度常数值为无穷远处密度值外，近壁处采用标准壁面函数法，其中松弛因子和收敛条件保持默认的给定值不变。1.3边界条件上下游边界条件：上

7、游有均匀来流、流速和温度分别为卜和4；下游为自由出流边界条件。取排水口边界条件：取水口速度和温度分别为“和与，排水口速度和温度分别为呼和写；并假设取排水口的尺寸和流量相同。-10.42.、吃=1一亍血一一妇)式中：丸为冷却水流程数z的修正系数，此处为1;。为凝汽器单位面积蒸汽负荷的修正系数，此处为1；为传热对数温差，也“=A/ln(*+&)/&；其中，也为循环水温升，Af=r/(m-c),c为水的比热容，取4.1868kJ/(kgK)；为对应饱和温度下的气化潜热，J/kg;m为凝汽器冷却倍率，m=W/D；收为冷却水流量，kg/s；&为凝汽器的传热端差，&=.-妇-也，其中，.为排汽温度，勾。3

8、原则性热力系统图2为乌沙山电厂300MW机组原则性热力系统图。汽轮机为单轴、双缸、双排汽，高中压缸采用合缸结构，回热系统采用“三高四低一除氧”。图2所示的原则性热力系统中，主蒸汽进入高压缸做功，从高压缸排出后，进入再热器，然后进入中压缸做功；从中压缸中排出的蒸汽，一部分进入低压缸做功，一部分进入给水泵汽轮机(小机)做功，最后两部分蒸汽都排入凝汽器中冷却。4等效给降法的理论计算为了方便、准确计算，做如下简化：(1) 忽略凝结水通过凝结水泵后的炫升；(2) 汽轮机低压缸、给水泵汽轮机的排汽干度在同一工况下维持不变。4.1汽轮机做功变化汽轮机机组排汽压力的变化对汽轮机做功的影响主要有两个方面：一是排

9、汽压力的改变导致排汽比给改变，引起机组有效焰降变化，其计算如公式(8)；一是排汽压力的改变导致凝结水温度的改变，为了保持凝汽器的4号低压加热器凝结水的出口嬉值不变，抽汽的热耗量发生变化，凝汽器的4号低压加热器凝结水的烙值的变化等于抽汽的热耗量，其计算如公式(9)。%=-外(L-M)(8)月02=nn(、-知加4(9)式中：口点为低压缸的排汽量份额，kg/kg；a”为通过4号低压加热器凝结水流拭份额，kg/kg；L,分别为排汽压力变化前后的排汽焰，kJ/kg；匚,匚分别为排汽压力变化前后的凝结水焰，kJ/kg；为排汽压力变化后4号低压加热器的抽汽效率。对于排汽压力变化后4号低压加热器的抽汽效率业

10、，其计算如下：0=与(1。)A如图3所示，4号低压加热器为疏水放流式加热器，其计算公式女下赋：HOL(11)式中：L为4号低压加热器蒸汽的抽汽焰，kJ/kg。图34号低压加热器Fig.3No.4lowpressureheater4.2给水泵汽轮机做功变化如图2所示，本机组是通过给水泵汽轮机(小机)驱动给水泵提供给水。小机的进汽来自汽轮机中压缸的排汽，小机的排汽进入凝汽器，所以，当排汽压力变化时，小机的做功也受到影响。其影响主要有两个方面：一是小机排汽压力变化导致排汽焙的变化，从而引起有效焰降的变化，其计算如公式(13)；一是小机进气流量份额的变化引起的有效焙降的变化。为了保证给水泵流量和压头稳

11、定，小机的输出功率需保持恒定，由于排汽压力改变，小机需调整其排汽流量份额来补偿排汽压力变化的影响，而改变的排汽流量份额必将引起蒸汽做功的改变，其计算如公式(14)。%=AaBl-(f)(13)%=-土(妇一侦)(14)式中：为小机进气流量份额的变化，%=七妇一知,；财为给水泵汽轮机的排汽量份额，kg/kg；妇为给水泵汽轮机排汽压力变化前的排汽焙，kJ/kg；妇，为给水泵汽轮机排汽压力变化后的排汽嬉，kJ/kg；板为汽轮机中压缸排汽焙，kJ/kg。4.3装置效率的相对变化对于装置效率相对变化跚的计算，有两种情况：如=洁加Q%(15)洁加X100%(16)当装置效率增加时，选择公式(15)计算其相

12、对变化；当装置效率降低时，选择公式(16)计算其相对变化。本文前面计算汽轮机和小机的做功变化，均是假设其装置效率降低的情况，所以，装置效率相对变化阮的计算公式为(16)。在计算过程中，对于装置效率的不同假设，即假设装置效率降低，或假设装置效率增加，因为其各项/的符号不同，所以不同假设对结果不会有影响。对于等效焰降的变化即1虹新蒸汽的实际做功的变化，计算如公式(17)：H=AH。】+(17)如图2所示，在该原则性系统图中，汽轮机的做功包含驱动汽轮机的做功，所以，蒸汽在汽轮机中做功H的计算如公式(18)。2H=(a,农+%h.+a.h”)+奴+式中：九为第级抽汽的焙降，kJ/kg；%如为蒸汽做的功

13、，kj/kg；冬九，%如为各级抽汽做的功之和，kj/kg；口点h&,ani如分别为主蒸汽在汽轮机低压缸中、蒸汽在小机中做的功，kj/kg；aLAl,g%.九n,%.如，QphPfaT-g,a奴为各级轴封蒸汽在汽轮机里做的功，kj/kgo如图2所示，由于低压缸两侧的轴封蒸汽相同，所以，低压缸两侧的轴封蒸汽在汽轮机里做的功为2外，2农,kJ/kgo值得注意的是，在热力系统图2中，高压缸中有一部分蒸汽在高压缸左侧、中压缸右侧作为轴封，然后分为两部分：一部分被抽走输送至再热器；一部分在低压缸中做功。所以，-植,afAe分别为抽汽在汽轮机高压缸、抽汽在汽轮机中压缸里做的功，kj/kg。汽轮机排汽压力变化

14、后的热耗：q=(1-&)q(19)汽轮机排汽压力变化后的标准发电煤耗：=27308X1000(20)式中：q,q为汽轮机排汽压力变化前、后的热耗，kJ/(kWh);扩为汽轮机排汽压力变化后的标准发电煤耗，g/(kWh)。5结果及分析5.1模拟结果及分析取定管道半径、管道间距不变，选取4个工况分别进行数值模拟。根据中国海事服务网的监测，来流流速变化范围一般为0.2m/s至0.5m/s,所以模拟工况为0.2m/s,0.3m/s,0.4m/s,0.5m/s的来流流速，计算工况如表1所示。表1计算工况Tab.1Calculationcondition名称管道半径R/m管道间距AL/m来游流速(ms,)

15、工况12.3100.2工况22.3100.3工况32.3100.4工况42.3100.5管道间距为11m,管道半径为2.3m,其模拟结果如下。5.1.1随来流流速的变化温排水的流场分布图如图4所示为管径和管道间距不变，来流流速变化时的流场图。在射流与环境水流垂直的情况下，当来流存在一定的流速时，由于水流在来流方向上的冲刷剪切作用，射流会有一个随水流向下游倾斜的趋势。如图所示，随着来流流速的增大，温排水的射流体向下游倾斜的趋势有明显增加。而且，.比较图4(a)和(d)可以明显看出，温排水射流体向下游倾斜明显，且在上游的回流区面积减小，相反在排水口及排水管与岸边均形成了明显的回流区且面积逐渐增大。

16、动力POWERENGINEERING(a)来流速度().2m/s(c)来流速度0.4m/:(b)来流速度().3m/$(d)来流速度0.5m/s图4不同来流速度下取排水口纵向截面流场Fig.4Flowfieldoflongitudinalsectionunderdifferentflowrate5.1.2随来流流速的变化温排水的温度分布图温排水携带的废热对水域环境及取水的影响如图5所示。(a)来流速度0.2m/s(b)来流速度0.3m/s(c)来流速度0.4m/s(d)来流速度0.5m/s图5来流速度不同时截面x=5处取水口纵向截面温度场Fig.5Temperaturefieldofintak

17、enwateratthelongitudinalcross-sectionx=5图5所示为管径及管道间距不变，来流速度变化时的温度场图。如图所示，随若来流流速的增加，取水口对岸方向温排水区域面积明显减小.相应的环境水体未被影响的水域也就越多。因此，综合图4至图5的流场图及温度场图，在管径及管道间距不变的情况下，随着来流流速的增加,温排水对环境水域生态系统及冷却系统的影响均减弱。5.2排汽压力及标准发电煤耗的计算结果及分析汽轮机的额定排气量为2304.4t/h.环境平均水温为291K,冷却系统取水量为209293.56体工况及计算结果如表2所示。t/h,当地气压取一标准大气压，即101kPa,具

18、表2工况及真空度计算结果Tab.2Calculationonconditionandvacuumdegree名称管道半径R/m管道间距AA/m来流流速V/(m,8,)取水口平均温度/K排气温度/X.排气压力/kPa真空度工况12.3100.2297.647335.365.7410.943158工况22.3100.3294.415332.965.0220.950277工况32.3100.4292.3417431.524.630.954158工况42.3100.5291.433230.914.47240.955719由于标准发电煤耗将不同发热量的各种煤统一成发热量为29308kj/kg的标准煤后算

19、得的煤耗率，并且不包括厂用电煤耗，所以其计算结果较小。通过以上的公式计算标准发电煤耗，其计算结果如表3。表3标准发龟煤耗计算结果Tab.3CalculationresultofstandardcoalconsumptionV(kWh)工况来流速度V/(m-真空度)100%THA75%THA50%THA工况10.20.943158271.0912275.8444292.1327工况20.30.950277270.7093275.2935291.4864工况30.40.954158270.3973274.9623291.104工况40.50.955719270.2679274.8268290.94

20、58通过表3可以看出，在同一负荷下，不同的来流流速对取排水的煤耗有较明显的影响，进而对经济性有影响。例如，来流流速为0.2m/s时，100%THA负荷下标准发电煤耗为271.0912g/(kWh)；来流流速为0.3m/s时，100%THA负荷下标准发电煤耗为270.7093g/(kW.h)；煤耗相差0.38195g/(kWh),所以对煤耗有较明显的影响，其他工况也是如此。来流流速增大的情况下，煤耗呈降低的趋势，这主要是由于来流流速增强了循环泵排水口处的温水的散热，故强化了凝汽器的散热。但是，过大的来流流速又增加了循环泵的耗电，所以过分的来流流速会因耗电过多而得不偿失山)O6结论通过数值模拟及等

21、效治降法，计算100%THA、75%THA.50%THA工况下，不同来流流速对标准发电煤耗的影响。通过分析可知，不同的来流流速影响了取水口上游的回流区，对取水温度有一定的影响，进而影响到了标准发电煤耗。通过分析，可以总结出：来流流速对标准发电煤耗有较明显的影响，来流流速增大的情况下，煤耗呈降低的趋势。参考文献：1 徐晓群，曾江宁，曾浪宁，等.滨海电厂温排水对浮游动物分布的影响J.生态学杂志，2008,27(6)：933-939.XuXiaoqun,ZengJianging,ZengCanning,etal.Effectsofthermalwaterdischargedfromcoastalpo

22、werplantondistributionofzooplanktonJ.ChineseJournalofEcology,2008,27(6)：933-939.2 何国建.潮汐影响下电厂温排水运动的三维数值模拟J.水力发电学报，2008,27(3)：125-131.HeGuojian.3DnumericalsimulationforflowandheattransportofpowerplantaffectedbytideJJournalofHydroelectricEngineering,2008,27(3)：125-131.3 杨海生，郭江龙.汽轮机背压修正曲线计算的简化方法J.汽轮机技术

23、.2007,49(1)：32-34.YangHaisheng,GuoJiang-long.AsimplifiedmethodforcalculationofLPturbineexhaustpressurecorrectioncurvesJ.TurbineTechnology,2007,49(1)：32-34.4 林胡，周兰欣，胡学武，等.背压变化对汽轮机功率影响的计算修正J汽轮机技术，2004,46(1)：18-20.LinHu,ZhouLanxin,HuXuewu,etal.Rectificationandcalcultiontheeffectonturbinepowerofbaekpres

24、surevariationJ.Turf)ineTechnology,2004,46(1)：18-20.5 姜聪，陈海平，石维柱，等.海勒式空冷系统变工况热经济性分析计算模型J.电力科学与工程，2007,23(4)：32-34.JiangCong,ChenHaiping,ShiWeizhu,etal.Partloadoperationcalculationmodelaboutthermo-economicsinHaillerair-cooledsystemJ.ElectricPowerScienceandEngineering.2007,23(4):32-34.6 杨运超，常曙光，程刚强，等.背

25、压变化影响机组热经济性的分析方法比较J.热力发电，2008,37(4)：33-36.YangYunchao,ChangShuguang,ChengGangqiang,etal.ComparisonofanalasismethodsforinfluenceofbackpressurevariationuponthermaleconomicefficiencyoftheunitJ.ThermalPowerGeneration,2008,37(4)：33-36.7 李秀云，严俊杰，林万超.用等效热降法确定排汽压力变化对机组经济性的影响J.热能动力工程，1999,14(5)：353-355.8 盛焕程，刘树松.循环水泵双泵运行最佳时机J.热力发电，2003,32(9)：57-59.9 郭明，张华龙.电力生产技术经济指标J.热力发电,2003,32(9)：57-59.10 林万超.火电厂热系统定量分析M.西安：西安交通大学出版社，1985.11 沈士一.庄贺庆，