直接空冷机组喷雾增湿系统喷嘴布置位置数值研究

刘彦丰，张京卫，李宏伟

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003)

0 引言

空冷凝汽器中蒸汽直接由环境空气进行冷凝，因此环境空气温度对蒸汽的冷凝效果有很大的影响，尤其在夏季，外界空气温度很高，凝汽器高背压甚至限负荷运行会直接影响发电效益。通过安装喷雾增湿系统可以降低空冷凝汽器入口及出口空气温度，进而降低凝汽器背压，减少发电煤耗，提高经济效益[1]，但水滴并没有在空冷单元内完全蒸发，一部分会穿过散热器翅片管逃离到单元外部继续蒸发，该部分水滴由于蒸发过程中不再吸收单元内部空气湿热，对单元内空气温度降低不再起到任何作用，本文称之为“无效水”。同理，在空冷单元内部蒸发的水滴即为“有效水”。“有效水”占总喷水量的比例为“有效水份额”，有效水份额越大，从空气中吸收的热量越多，空气降温幅度越大。本文将“有效水份额”概念应用到现有纵向双排布置方案[2]，分别在x，y和z 3个方向上研究“有效水份额”关于喷嘴布置位置的变化规律，得出了使散热器出口空气温度最低的喷嘴布置位置。

1 几何模型、边界条件及求解方法

1.1 几何模型

本文以某600 MW直接空冷凝汽器单元为研究对象，整个计算区域高度为24.266 5 m，网格划分采用混合网格，网格总数为411 514个，如图1所示。

图1 计算模型网格划分Fig.1 Mesh division of the computational model

1.2 边界条件

基于 Simple算法，采用标准 k－e湍流模型[3]，风机筒入口采用质量流率入口，出口设置为压力出口，空冷单元四周设为对称边界条件，蒸汽分配管壁面、风机出口周围单元地面和风机筒壁设为绝热壁面边界条件，两侧散热器区域采用多孔介质模型[4]。计算中假定风机为一个无限薄的平面，将其边界设为风扇边界。空冷单元热负荷14.98 MW，空气质量流率为530.9 kg/s，环境空气温度306 K，空冷平台高度大气压为94 600 Pa。空气通过风扇平面时压升设为68 Pa。空气与水雾的热质交换视为等焓加湿过程[5]，夏季大气平均相对湿度为66%，所有空气达到饱和所需水量为1.206 2 kg/s。

采用离散相模型处理流场中液滴与空气的热质交换，风机出口周围单元地面、两侧散热器下部两侧面及空冷单元区域前后两侧面设为离散项逃离边界条件，液滴到达这3个面和凝汽器出口两个面时会逃离到外部而浪费掉。

1.3 求解方法

凝汽器管外吸热量由3部分组成[6]，即空气吸收的热量、水温度升高到凝汽器出口温度所吸收的热量和水蒸发吸收的有效热量。由于水的比热大概为空气的4倍，便于计算，本文将1 kg水折算成4 kg空气。

空气和水吸收的热量:

水蒸发吸收的有效热量:

空冷凝汽器散热量:

式中:cpa为空气比热;Ga，Gw分别为空气和水的质量流量;a为在空冷单元外蒸发以及从单元逃逸出的水量占总水量的份额，即无效水量份额，通过跟踪液滴轨迹可以求得;ta1，ta2分别为单元入口和出口空气温度;r为水汽化潜热;Q为凝汽器散热量。只有ta2为未知量，即可求出。

2 计算条件与求解分析

2.1 喷雾之前计算结果

单元内未布置喷嘴时 (Gw=0)，计算得ta2为334.03 K，与数值模拟得出的结果334.03 K完全相同，说明采用的数值计算模型是可靠的。

2.2 孔径2.1 mm喷嘴纵向双排布置方案喷嘴位置对计算结果的影响

本文选用普通工业实心锥喷嘴，喷嘴孔径为2.1 mm，喷雾压力为1.2 MPa，流量为0.123 33 kg/s，喷嘴个数取10个，纵向双排布置。

2.2.1 喷嘴在z方向上的位置变化对计算结果的影响

固定喷嘴在y方向和x方向上的位置，所有喷嘴的布置高度取y=0.5 m(单元地面高度y=0 m)，在x方向上，喷嘴与喷嘴之间间距取1.8 m(x正负方向上对称)，两排喷嘴距离中心轴线最小距离为z=0.5 m(z正负方向上对称)，并以0.5 m递增至4 m，如图2所示 (仅画出了1 m，2 m，3 m，4 m 4个位置)，喷雾方向向下。喷嘴到中心轴线的距离对有效水份额、出口空气温度的影响如图3、4所示。

由图3、4可知，总体趋势上，与中心轴线距离越大，即与散热器距离越近，液滴的有效蒸发份额越小，同时凝汽器出口空气温度也越低。分析其原因为喷嘴距离散热器越近，液滴在单元内的运行时间越短，在单元内未完全蒸发的液滴蒸发份额越小，在单元内完全蒸发的液滴蒸发总数量也会减小，总体上所有液滴蒸发成为水蒸气的份额越小，从空气中吸收的汽化潜热越少，空气温度降低幅度越小;相反，喷嘴布置距离中心轴线越小，即与散热器距离越远，液滴在单元内运行时间越长，所有液滴蒸发成水蒸气的份额越大，从空气中吸收的汽化潜热越大，空气温度降低幅度越大。但并不是距离中心轴线越近越好，如本文中最佳位置为z=1而不是z=0.5，原因是z=0.5时两排喷嘴之间的距离太小，液滴分布过于密集。

2.2.2 喷嘴在y方向上的位置变化对计算结果的影响

在上述计算结果的基础上，喷嘴布置在距离中心轴线1 m处，喷嘴布置高度分别取y=0.1 m，0.3 m，0.6 m，0.8 m，1.0 m，1.2 m，1.5 m，喷嘴孔径、压力、流量及喷雾方向与上述计算条件相同。喷嘴高度对有效水份额、出口空气温度的影响如图5、6所示。

图5 喷嘴高度对有效水份额的影响Fig.5 Impact of nozzle height on effective water share

比较各方案计算结果，可看到在总体趋势上，随布置高度的增加，有效水份额呈现逐渐减小的趋势，原因是喷嘴布置位置越高，初始时刻液滴距离散热器就越近，同上述z方向布置情况，液滴在单元内停留时间缩短，所有液滴蒸发成水蒸气的份额越小，但也并不是与单元地面的距离越小越好，因为这一距离越小，落到风机出口周围地面及单元区域前后两个对称面的液滴越多，这部分液滴不会进入到空气中与空气发生热湿交换，因而空气温度降低幅度变小。

图6 喷嘴布置高度对出口空气温度的影响Fig.6 Impact of nozzle height on outlet air temperature

2.2.3 喷嘴在x方向上的位置变化对计算结果的影响

在上述计算结果的基础上，将喷嘴布置在距离中心轴线1 m处，布置高度y=0.5 m，x方向上喷嘴之间的布置距离分别取1.2 m，1.4 m，1.6 m，1.8 m，2.0 m，2.2 m，2.4 m，其对喷雾有效水份额和凝汽器出口空气温度的影响如图7、8所示。

图7 喷嘴间距对有效水份额的影响Fig.7 Impact of distance between nozzles on effective water share

图8 喷嘴间距对出口温度的影响Fig.8 Impact of distance between nozzles on effective water share

由图7、8可知，随着x方向上喷嘴间距的增加，液滴蒸发有效水份额先增加后减小，分析其原因为刚开始随着喷嘴间距的增加，液滴的分布和蒸发空间增加，液滴越容易蒸发，该间距为2 m时液滴蒸发有效份额最大，超过2 m时，由于最外边两个喷嘴在x－z平面内到达风机出口外缘，所受风的浮力降低，从液滴跟踪结果得知落到单元地面的液滴质量增加，并且从单元区域前后两个侧面逃离到单元外部的液滴质量也开始大幅度增加，两方面使液滴未进入到空气与之发生热湿交换的份额增加。

3 喷雾前后散热器出口平面温度等值线分布对比

分别截取喷雾前和喷雾后 (喷嘴高度y=0.5 m，z方向上喷嘴与中心轴线距离1 m，x方向上喷嘴间距2 m)左侧散热器出口面温度等值线图，如图9、10所示。

从图中可看到，喷雾后散热器出口面大部分区域温度有不同程度的下降，在喷嘴上方区域及其周围温度大幅度下降。

4 结论

(1)安装喷雾增湿系统可显著降低凝汽器出口空气温度，本文得到的最大降温幅度为5.25 K。

(2)通过以上计算及结果分析可以得到，在z，y方向上，在喷嘴布置不能太密集及喷嘴高度不能太低的前提下，喷嘴距离散热器越远，液滴在单元内运行时间越长，蒸发份额越大，散热器出口温度越低。在x方向上，喷嘴之间的距离太小会影响液滴蒸发空间;距离太大会使掉落到地面和逃离到外部的液滴数量增加，使空气降温幅度减小。