直接空冷机组空冷单元内喷雾增湿系统的结构优化

2012-07-06惠雪松孙会亮马少帅

东北电力技术 2012年8期

关键词：外排栈桥凝汽器

惠雪松，孙会亮，马少帅

(华北电力大学，河北保定 071003)

直接空冷机组普遍存在冷却能力下降、真空降低、出力不足等问题，大大降低了机组的安全性和经济性。

在空冷单元中加装喷雾增湿系统的可行性及经济性国内外学者已做了充分论述，纵向单层的布置也做了大量分析［1－5］。本文将讨论喷嘴双层四排布置时，喷嘴位置、喷雾方向、喷嘴孔径及喷雾压力对凝汽器背压的影响。

以600 MW机组为例，利用CFD软件 (fluent)对空冷岛内部流场进行数值模拟，得出加装喷雾增湿系统后对应于最低凝汽器压力的最佳布置方式，为直接空冷机组空冷岛喷雾增湿系统的优化设计提供理论参考。

1 模型的建立及计算方法

1.1 模型的建立及网络的划分

根据空冷单元的实际尺寸:长为11 m，宽为11 m，距风机平面高度为11.2 m(从风机平面到蒸汽分配管中心平面的距离)，换热器厚度为0.219 m，由蒸汽分配管中心线向上延伸到20 m，换热器下边界左右向外各延伸1 m作为计算区域，绘制空冷单元的实际模型。

利用Gambit软件生成相应的几何模型及计算网格。在划分网格时，考虑计算机空冷单元本身的结构特点，根据计算精度及计算机硬件性能要求，整个计算区域采用分块划分网格的方法:对换热器和上部计算区域采用六面体网格进行划分，其它的采用Tetra四面体非结构化网格生成方式。空冷单元的结构示意图、计算区域及网格见图1。

图1 计算区域和网格

1.2 计算方法

1.2.1 湍流模型的选择

标准的k－ε湍流模型由于适用范围广、计算精度高得到广泛应用。最简单完整的湍流模型有2个方程，只需求解速度和长度2个变量。在Fluent软件中，标准的k－ε模型是工程流场计算中的主要工具，在流场和热交换模拟中得到广泛应用。该模型可满足空冷单元数值模拟要求。

1.2.2 主控方程

不考虑空冷单元周边环境风速的影响 (其周围的大气运动认为是不可压缩定常流动)。直接空冷凝汽器的流动和传热在数值模拟时采用以下控制方程。

连续性方程:

动量守恒方程:

本构方程:

标准k－ε湍流模型:

能量方程:式中:ρ为空气密度，kg/m3;u为速度，m/s;p为压力，Pa;μ为流体动力粘性系数，Pa·s;εij为应变率张量;t为时间，s;T为温度，K;E为流体内能，J;q为单位面积热流量，W/m2;τij为应力张量;δij为克罗内克符号;下标i，j，k=1，2，3。

1.2.3 边界条件

采用质量流速入口条件:计算中，下平面为质量流速入口，上平面采用压力出口边界条件，前后2个面设置为wall，其余各面设为对称边界条件。

对换热器进行简化处理，不考虑蒸汽的冷凝过程，只考虑散热。换热器按多孔介质处理，设定恒定热源。

1.2.4 选取初始喷嘴

环境压力为92.9 kPa时，每kg干球温度为32℃、湿度为76%的湿空气达到饱和状态时，根据湿空气的h－d图可查得最大吸水量为1.7 g/kg。空冷风机全速运行时的风量为465 kg/s，总的喷水量不应大于0.790 5 kg/s。为便于比较，喷嘴个数及喷水量设为一致:取18个喷嘴，每个喷嘴的喷水量均设为空气饱和前提下的最大值0.043 9 kg/s。

2 计算结果及分析

在直接空冷机组夏季满负荷发电、单元入口温度为305 K(32℃)的工况下进行数值计算。

根据直接空冷凝汽器的热平衡方程得到空冷凝汽器的凝结水温度tn，进而可得空冷凝汽器压力［6－7］，空冷单元未加喷雾增湿系统前凝汽器压力为34.82 kPa。

2.1 喷嘴位置对凝汽器压力的影响

2.1.1 外排喷嘴位置

图2为未加喷雾增湿系统时，空冷单元z=0 m及y=1.5 m平面的速度矢量图。可见在空冷单元四角存在明显的回流。

根据未加喷雾增湿系统时空冷单元的速度矢量图，左右2个方向均布置两排喷嘴，外排5只，内排4只。以经过风机栈桥中心线中点且垂直于风机栈桥中心线的直线为基准，外排喷嘴距离分别为－4 m、－2 m、0 m、2 m、4 m，内排喷嘴距离分别为－3 m、－1 m、1 m、3 m。

以对称的方式在外排喷嘴距风机栈桥中心线3 m、3.5 m、4 m及4.5 m处进行布置，分别定义为方案1、方案2、方案3、方案4。初步给定内排喷嘴位置 (为距风机栈道中心线2 m、距风机平面高度1.5 m)，并保持不变。

图2 未加喷雾增湿系统时速度矢量图

选取喷嘴的初参数如下:喷雾压力为1 MPa，喷嘴孔径为1 mm，喷水温度为293 K(20℃)，喷嘴半角为60°，喷雾方向在xy平面内与y轴正向夹角为 135°［8－12］。图 3 为喷嘴布置图。

以上4种外排喷嘴采用纵向布置方案，分别模拟了6种高度的流场。经计算得出几种方案在不同喷嘴高度下的凝汽器压力。图4为外排喷嘴高度对凝汽器压力的影响，可知当外排喷嘴距风机栈桥中心线4 m、距风机平面高度0.6 m时，凝汽器压力为28.38 kPa，比喷雾前降低了6.44 kPa。

2.1.2 内排喷嘴位置

图3 喷嘴布置图

图4 外排喷嘴高度对凝汽器压力的影响

选取外排喷嘴的最优布置方案保持不变。以对称的方式分别在内排喷嘴在距风机栈桥中心线1.5 m、2 m及2.5 m处进行布置，为了与外排喷嘴布置方案不产生混淆，分别定义为方案5、方案6及方案7。

以上3种方案分别模拟了5种喷嘴高度。图5为内排喷嘴高度对凝汽器压力的影响。可见内排喷嘴布置在距风机栈桥中心线2 m、距风机平面高度1.9 m时，喷雾增湿效果最好，此时凝汽器压力为27.55 kPa，比喷雾前降低了7.27 kPa。

2.2 喷雾方向对凝汽器压力的影响

外排喷嘴距风机栈桥中心线4 m、距风机平面高度0.6 m、内排喷嘴距风机栈桥中心线2 m、距风机平面高度1.9 m(最优位置)，对喷雾方向进行数值计算。图6为喷雾方向对凝汽器压力的影响。

可见喷雾方向在xy平面内与y轴正向夹角为120°(逆时针旋转，下同)时，喷雾增湿系统效果最好，此时凝汽器压力为26.97 kPa，比喷雾前降低了7.85 kPa。

2.3 喷嘴压力和孔径对凝汽器压力的影响

外排喷嘴距风机栈桥中心线4 m、距风机平面高度0.6 m、内排喷嘴距风机栈桥中心线2 m、距风机平面高度1.9 m、喷雾方向在xy平面与y轴正向夹角为120°时，改变喷嘴压力及孔径进行模拟计算。图7为喷嘴压力及孔径对凝汽器压力的影响。可见当喷嘴孔径不发生变化时，喷雾压力越大，水的雾化程度越高，喷雾效果越好，凝汽器压力越低;喷嘴孔径越小，雾化效果越好，但喷雾距离越短，覆盖范围越小。所以在喷雾压力不变的情况下，存在最优孔径，为1 mm左右。