直接空冷机组喷淋冷却系统的数值模拟和性能分析

石维柱, 安连锁, 张学镭, 范志强

(华北电力大学电站设备监测与控制教育部重点实验室,保定071003)

我国是一个煤炭资源和水资源分布极不均匀的国家,火力发电受煤炭资源和水资源双重制约的矛盾日益突出.直接空冷机组是解决富煤贫水矛盾的有效措施之一,近几年来得到了迅速发展.

直接空冷机组背压高,特别是在夏季,由于气温高,直接空冷机组背压最高能达到45～50 kPa[1],不同程度地出现了由于运行背压高而只能对机组采取限负荷运行.一般将机组负荷限制在10%～20%的额定出力,严重制约了空冷机组夏季的经济性和安全性[2-4].为此,在许多直接空冷机组上均加装了喷淋冷却系统,以改善空冷机组散热器的散热,提高机组的出力.例如,在乌拉特发电厂5号机组上安装了喷淋冷却系统后,在7～9月,其平均排汽压力由46 kPa降至37 kPa,年创造经济效益200多万元;又如在神华阳光神木发电有限责任公司的6号机组上安装喷淋冷却系统后,在负荷不变的情况下,机组的真空提高了8.8 kPa.

喷淋冷却系统的工作原理有两种:一种是蒸发冷却,原理是将雾化的除盐水直接喷在换热器表面,利用水气化吸热降低换热器表面温度,从而增强换热器的换热效果;另一种是喷雾冷却,原理是将雾化的除盐水喷在冷却风机的出口或入口,利用水气化吸热降低换热器周围空气的温度,达到降低机组背压的目的.两种冷却原理最大的区别是除盐水用量:一般,喷雾冷却除盐水的耗用量是蒸发冷却的几倍.这两种喷淋冷却的原理对喷嘴的雾化效果、喷嘴的位置选取和运行控制均有较高的要求[5].在电厂的喷淋系统中,这两种冷却方式均兼而有之.

喷淋冷却系统在实际应用中还存在一些问题,例如因喷雾器安装位置或喷淋系统设计不合理而达不到预期的喷淋效果,导致喷淋系统水的消耗量太大,甚至比同等条件下湿冷机组的耗水量还多,且在空冷岛下方形成“雨区”等.为此,本文以国产某300 MW直接空冷机组为例,设计了几种不同型式的喷淋冷却系统,并进行了数值模拟和性能分析,以期提高喷淋冷却系统的性能及减少除盐水的消耗量.

1 空冷单元喷淋冷却系统的数值模型

1.1 空冷单元的散热负荷

空冷单元的散热负荷是指机组在稳定工况下每个空冷单元的散热量,其数值由汽轮机的排汽量、排汽压力及排汽焓等参数确定.若忽略顺流单元和逆流单元散热量的差别,每个空冷单元的散热负荷可由下式确定.

式中:Qc为空冷单元的散热负荷,kW;Q为空冷岛的热负荷,kW;n为空冷单元数;Dc为汽轮机排汽量,kg/s;hc和分别为排汽焓和凝结水的焓[6],kJ/kg.

当压力变化不大时,(hc-h′c)可认为是定值.由式(1)可知,空冷单元的散热负荷仅取决于机组的排汽量或机组负荷.

1.2 空冷单元空气的吸热量

假设空冷单元出口空气已达到饱和状态,少量水会滴落在换热器表面而使换热效果增强,但同时少量水也会滴落到地面而使换热量减少.本文忽略二者对换热量的影响,认为空冷单元管外空气的吸热量Qn由以下3部分组成.

环境空气的散热量

水由入口温度升至空气出口温度所吸收的热量

水蒸发成水蒸气所吸收的汽化潜热

式中:D′a为喷雾后的空气质量流量,kg/s;Dw为总的喷水质量流量,kg/s;Dwzf为由水蒸发成水蒸气的质量流量,kg/s;cpa、cpw分别为空气和水的比定压热容,kJ/(kg◦K);ta1为喷雾前空气冷却器出口空气温度,℃;t′a2为喷雾后空冷器出口空气温度,℃;tw1为喷雾水温,℃;h1,h2分别为蒸发前水的焓值和蒸发后水蒸气的焓值,kJ/kg.

根据能量守恒定律,在稳定工况下有:

式中:Qn为空冷单元空气的吸热量,kW.

1.3 几何模型

数值模拟的目的是考察喷嘴的雾化特性、雾滴在空冷单元内的热湿交换过程以及增湿后的空气对散热器性能的影响.喷淋冷却系统几何模型主要以空冷单元为主体,对空冷风机和内部桥架等结构及相邻单元的结构均进行了必要的简化[7].某国产300 MW直接空冷机组的空冷单元平台长宽相等,均为12 200 mm,空冷三角夹角为60°,空冷风机的直径为 9 410 mm,空冷单元三角高度为11 200 mm,其几何模型示于图1.

1.4 喷淋冷却系统的型式

本文设计了3种型式的喷淋冷却系统,喷嘴选择螺旋实心喷嘴,其流量与压力的对应关系示于图2.

图1 空冷单元的几何模型Fig.1 Geometric model of the air cooling unit

图2 螺旋实心喷嘴流量与压力的对应关系Fig.2 Flow rate vs.pressure of helical solid spray nozzle

1.4.1 喷淋系统A

在喷淋系统A中采用了8个喷嘴,喷嘴的入口压力为0.2 MPa,喷孔直径为3.2 mm,单个喷嘴的喷水流量为0.14 kg/s,喷水温度为293 K,雾化角为120°,其喷嘴的布置形式示于图3.从图3可知:每个空冷单元布置2排供水支管,每排分2路,每路布置2个喷嘴.

图3 喷淋系统A的喷嘴布置图Fig.3 Nozzles lay out of spray system A

1.4.2 喷淋系统B

在喷淋系统B中采用了12个喷嘴,喷嘴的入口压力为0.3 MPa,喷孔直径为2.4 mm,单个喷嘴的喷水流量为0.091 6 kg/s,喷水温度为293 K,雾化角为90°,其喷嘴的布置形式示于图4.从图4可看出:每个空冷单元布置2排供水支管,每排分2路,每路布置3个喷嘴.

图4 喷淋系统B的喷嘴布置图Fig.4 Nozzles layout of spray system B

1.4.3 喷淋系统C

在喷淋系统C中采用了18个喷嘴,喷嘴的入口压力为0.2 MPa,喷孔直径为2.4 mm,单个喷嘴的喷水流量为0.075 kg/s,喷水温度为293 K,雾化角为90°,其喷嘴的布置形式示于图5.从图5可看出:每个空冷单元布置2排供水支管,每排分3路,每路布置3个喷嘴.

图5 喷淋系统C的喷嘴布置图Fig.5 Nozzles lay out of spray system C

1.5 数值计算方法

基于Simple算法,采用标准的k-ε湍流模型和离散相模型[8-9].在计算区域中,入口边界为空冷单元风机入口,并采用质量流率入口边界类型,而空冷单元两端间壁和底部则采用固壁边界类型.计算域顶部为压力出口边界类型[10],其他边界则为速度入口边界类型(其中速度设置为零).空冷单元入口空气温度为307 K,空气质量流量为600 kg/s,空冷单元选用多孔介质边界类型,单元热负荷为12.86 MW.

2 结果与分析

2.1 未加装喷淋冷却系统的数值模拟结果

未加装喷淋冷却系统时空冷单元出口温度场的分布如图6所示,其出口空气温度的统计平均值为338 K.

图6 喷淋前空冷单元的温度分布Fig.6 Temperature distribution of the air cooling unit before spray

2.2 加装喷淋冷却系统A的数值模拟结果

图7为加装喷淋冷却系统A的空冷单元温度场分布.从图7可知:该空冷单元出口空气温度的统计平均值为336 K.

2.3 加装喷淋冷却系统B的数值模拟结果

加装喷淋冷却系统B的空冷单元出口温度场分布如图8所示,其出口空气温度的统计平均值为335 K.

2.4 加装喷淋冷却系统C的数值模拟结果

图9为加装喷淋冷却系统C的空冷单元出口温度场分布.从图9可知:该空冷单元出口空气温度的统计平均值为333 K.

2.5 结果与分析

对比图6～图9发现:喷淋后空冷单元的出口空气平均温度比喷淋前降低了2～5 K.其中,加装喷淋冷却系统A的空冷单元出口空气平均温度降低了2 K;加装喷淋冷却系统B的空冷单元出口空气平均温度降低了3 K;加装喷淋冷却系统C的空冷单元出口空气平均温度降低了5 K、加装喷淋冷却系统C的空冷单元出口空气平均温度下降较多的原因是因为喷嘴数量比喷淋冷却系统A和B的多,并且流量小,喷射出来的雾滴也小,雾滴容易破碎蒸发;而且,喷淋冷却系统C的喷淋均匀,覆盖范围大,雾化效果更好,因此其出口空气平均温度的降低幅值也最大.

图7 加装喷淋冷却系统A的空冷单元温度场分布Fig.7 Temperature distribution of the air cooling unit with spray cooling system A

图8 加装喷淋冷却系统B的空冷单元出口温度场分布Fig.8 Temperature distribution at the outlet of the air cooling unit with spray cooling system B

图9 加装喷淋冷却系统C的温度场分布Fig.9 T emperature distribution with spray cooling system C

虽然喷淋冷却系统B中的喷嘴压力比喷淋冷却系统C的高,但由于前者的流量比后者大,喷嘴个数又少,因而使喷淋冷却系统B的局部散热效果尚可,但整个单元的喷雾不够均匀,覆盖范围也比较小,因此散热器的整体换热效果没有喷淋冷却系统C明显.喷淋冷却系统A中的喷孔直径较大,但喷嘴压力不够高,单个喷嘴的流量大,喷嘴数量又少,因此冷却效果明显不及喷淋冷却系统B和C.

根据空冷岛的变工况计算模型,由空冷单元出口空气平均温度可计算出空冷岛的排汽压力.表1为喷淋冷却系统的性能比较.从表1可看出:喷淋冷却系统A、B、C使排汽压力分别降低了2.6 kPa、3.9 kPa和6.7 kPa.对于所研究的直接空冷机组,在除盐水量充足时,应选择喷淋冷却系统C,因为其排汽压力的降幅最大;如除盐水量有限,则可选择喷淋冷却系统B.

表1 喷淋冷却系统的性能比较Tab.1 Performance comparison of the spray cooling systems

3 结 论

(1)喷淋后空冷单元的出口空气平均温度比喷淋前降低了2～5 K.其中,加装喷淋冷却系统A的空冷单元出口空气平均温度降低了2 K,排汽压力降低了2.6 kPa;加装喷淋冷却系统B的空冷单元出口空气平均温度降低了3 K,排汽压力降低了3.9 kPa;而加装喷淋冷却系统C的空冷单元出口空气平均温度降低了5 K,排汽压力降低了6.7 kPa.

(2)喷雾越均匀,雾滴覆盖范围越大,喷淋冷却系统的性能越好,排汽压力的降幅越大,经济性越好.因此,在实际应用中应尽量多布置喷嘴,以使喷雾区域均匀.

(3)以国产某300 MW机组为例,当除盐水量充足时,选择喷淋冷却系统C是最佳方案;如除盐水量有限,则可选择喷淋冷却系统B.

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