直接空冷机组雾化补水喷嘴布置方案的数值研究

李慧君，焦英智

(华北电力大学 能源与动力工程学院，河北 保定 0 71003)

直接空冷机组雾化补水喷嘴布置方案的数值研究

李慧君，焦英智

(华北电力大学 能源与动力工程学院，河北 保定 0 71003)

为降低空冷凝汽器热负荷并提高机组真空和热经济性，以NK600-24.2/566/566排汽管道为研究对象，建立了直接空冷机组雾化补水模型，在不同喷嘴布置方案下，利用FLUENT对雾化效果进行数值摸拟。通过数值计算找到最佳喷嘴布置方案并得到该方案下补水量对雾化效果的影响及排汽温度场变化。结果表明:相同喷嘴压力和孔径下，适当的双截面喷嘴布置方式下的雾化效果优于单截面布置方式;喷嘴采用单截面布置时，交叉布置方式的雾化效果优于平行布置。

排汽管道;雾化补水;数值模拟;喷嘴布置;雾化效果

0 引言

夏季真空度低是直接空冷机组普遍存在的问题，而空冷机组真空主要是由空冷凝汽器来维持的。为提高直接空冷机组真空，大多数电厂采用在空冷凝汽器表面进行喷雾增湿的措施。经喷嘴雾化后的压力水与空气在风机出口混合，不仅降低了空气温度，同时提高了空气湿度，从而提高空冷散热器的换热量。

喷雾增湿可以提高空冷机组真空，但也有以下不足之处:容易受到自然风的影响;水滴喷入外界环境中，造成化学除盐水的大量消耗;空气中存在杂质，长期运行导致空冷散热器表面结垢，增加换热热阻，影响机组的真空和热经济性［1～3］。

近年来，湿冷机组越来越多地采用凝汽器喉部雾化补水的方式，并取得了一定的经济效益，国内学者对凝汽器喉部雾化补水的流场和喷嘴布置方案进行了数值研究［4～6］。

由于热井补水对提高直接空冷机组真空和热经济性的影响很小［7，8］，因此提出将补水方式由热井补水改为在排汽管道内雾化补水。排汽管道内雾化补水不仅可以回收排汽的部分热量，还能够降低空冷凝汽器的热负荷，从而提高机组的真空和热经济性。在雾化补水过程中，不同的喷嘴布置方案对机组真空提高的幅度不同。为了提高排汽凝结量，降低空冷凝汽器热负荷，研究合理的喷嘴布置方案尤为重要。

本文采用数值模拟的方法，对排汽管道内喷雾增湿的喷嘴布置方案进行了研究。

1 模型的建立

1.1 物理模型

以NK600-24.2/566/566排汽管道为研究对象，管道尺寸为φ6 038×25 mm，长约22 m，高约29 m。所建模型的计算区域如图1所示。

图1 空冷排汽管道计算区域

1.2 数学模型

雾化补水过程中，排汽管道内汽、液两相间传热传质包括以下三个数学模型:连续相流动模型、离散相模型以及排汽凝结相变模型。

1.2.1 连续相流动模型

排汽流动达到稳态时的通用控制方程如下:

式中:ρ为蒸汽密度，kg/m3;ui为速度矢量;φ为通用变量;Γφ为广义扩散系数;Sφ为广义源项。

1.2.2 离散相模型

水滴作为离散相其运动方程［9］如下:

式中:Mp为水滴质量，kg;up为水滴速度，m/s;右侧第一项表示水滴所受作用力，主要由汽流阻力影响;第二项为液滴重力。

水滴传热方程如下［10］:

式中:Mp为水滴质量，kg;Cp为水滴的比热，J/(kg·K);h为水滴与周围蒸汽的对流换热系数;Ap为水滴表面积，m2;T为控制单元内汽相温度，K;Tp为水滴温度，K;hfg为凝结潜热，J/kg。

1.2.3 排汽凝结相变模型

排汽与液滴间进行传热传质作用，排汽被凝结。相变模型假设如下:

(1)水滴为球形;

(2)水滴处在无限蒸汽空间中;

(3)水滴生长基于平均的典型中间直径;

(4)与凝结时所释放的潜热相比，忽略细小的水滴热容量。

汽液两相传质过程中水滴生长模型如下［11］:

式中:dr/dt为水滴生长率;hfg为压力p下的排汽比焓，J/kg;R为汽体常数;γ为比热比;ρl为水滴密度，kg/m3;

水滴质量变化量由下式求得［11］:

式中:˙m为液相总质量，kg;r为水滴平均直径，m;N为水滴个数。

2 计算条件与喷嘴布置方案

计算中选取机组热耗率为THA工况，此时汽轮机排汽量为327.56 kg/s，排汽管道进口压力为18 kPa，排汽进口温度为331 K［12］。选取补水量为30 t/h，补水温度为25℃。管道模型采用非结构化网格，总数为77.26万。模型进、出口边界条件分别设为速度入口和压力出口。由于管道与环境换热量很小，将管壁设为绝热壁面。

选取喷嘴的孔径为3 mm，喷雾压力为0.35 MPa，对应喷嘴流量为0.298 kg/s，此时所需喷嘴个数为28个［13］。在与y轴和z轴平行的管道中心线两侧，喷嘴采用对称布置;喷嘴在y方向上等间距布置。方案1及方案2中，喷嘴布置于x=4 m截面，布置方式如图2、图3所示;方案3中喷嘴采用双截面布置方式，其中截面1位于x=4 m处，截面2位于x=5 m处，分别如图4(a)及图4(b)所示。

图2 喷嘴布置方案1

图3 喷嘴布置方案2

图4 喷嘴布置方案3

3 数值求解与结果分析

3.1 喷嘴角度对雾化效果的影响

在上述3种喷嘴布置方案下，改变喷嘴角度对雾化效果进行数值模拟。

相同喷雾角度下，采用单截面布置时，喷嘴在z方向上交叉布置与平行布置方式相比，降低了水滴在蒸汽空间中的重合度，增加了汽、液换热面积，提高了换热效果。喷嘴的双截面布置与单截面布置相比，进一步减小了水滴的空间重合度，增加了汽液的换热面积，有利于提高雾化效果。方案3在喷嘴角度为120°时排汽凝结量最大，约为0.083 kg/s，如图5所示。

图5 喷雾角度对凝结量的影响图

3.2 喷嘴截面位置对雾化效果的影响

在方案3下，选取喷嘴角度为120°，改变截面2的位置，对不同截面位置下喷雾效果进行数值模拟。随着截面2与截面1间距离的增大，水滴在蒸汽空间中的分布范围增大，与排汽换热面积增加，因此排汽凝结量增大;当两截面间距离超过一定范围时，虽然汽液两相间的换热面积增加，但由于水滴对排汽的湍流扰动减小，使换热效果降低。当截面2位于x=6 m处时排汽凝结量最大，约为0.085 kg/s，如图6所示。

图6 喷嘴位置对凝结量的影响图

3.3 喷嘴截面位置对管道压损的影响

在方案3下，选取喷嘴角度为120°，改变截面2的位置，对管道进出口截面间的管道压损进行数值计算。采用上述双截面喷嘴布置方案时，随着截面2与截面1间的距离逐渐增大，液滴在管道内停留的时间逐渐缩短，即液滴对蒸汽阻碍作用所持续的时间减小，因此，管道进出口截面间的压损减小并逐渐趋于稳定，如图7所示。

图7 喷嘴位置对管道压损影响图

3.4 补水量对雾化效果的影响

选取方案3中的最佳喷嘴布置方式，改变补水量，对不同补水量下的喷雾效果进行数值模拟。排汽流量一定时，随着雾化补水量的增加，与蒸汽进行传热、传质的水滴量增多，汽、液换热表面积增大，因而蒸汽凝结量提高。但随着补水量的逐渐增加，单位体积内液滴重合度增大，换热效率降低，因而蒸汽凝结量提高的幅度降低，如图8所示。

图8 补水量对凝结量的影响图

3.5 管道内温度场的分布

选取z=0截面作为温度场分析的参考面。图9为无喷嘴时的温度分布;图10是喷嘴布置方案3下，喷雾角度为120°，截面1位于x=4 m，截面2位于x=6 m处时的温度分布。

未加喷嘴时，由于管壁为绝热边界条件，不与外界环境换热，汽相温度不变，如图9所示。喷雾后z=0截面主要显示汽相温度，流经导流板前，液滴与排汽在管道内边运动边换热，汽相温度逐渐降低;由于湍流强度的不同，靠近管道中心的蒸汽温度降低较快，近壁侧蒸汽温度降低程度较小。流经导流板后，几乎所有的水滴都被导流板捕捉，不同温度的蒸汽间相互换热，其温差逐渐减小。如图10所示。

图9 未加喷嘴时截面温度分布

图10 加喷嘴后截面温度分布

由数值计算结果可知:喷雾前后出口排汽的平均温度降低约1.81K。出口排汽温度下降，降低了空冷凝汽器热负荷，有利于提高机组真空和热经济性。

在上述数值计算过程中，计算精度为1e－6，最终计算结果随迭代的进行保持不变。

此外，计算中在其他计算条件不变的前提下，水滴数及网格数目的变化对计算结果基本无影响。

4 结论

(1)补水雾化后使部分排汽凝结，排汽管道出口的蒸汽流量和温度下降，从而降低了空冷凝汽器热负荷，有利于提高机组真空和热经济性。

(2)以排汽凝结量为参考，适当的双截面喷嘴布置方式优于单截面布置方式。喷嘴采用单截面布置时，交叉布置优于平行布置方式。

(3)喷嘴布置方式影响空冷凝汽器的热负荷及机组真空，综合考虑雾化补水的各影响因素，寻求更有效的雾化补水方案对生产过程中节能降耗有一定的实际意义。

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Numerical Study of the Nozzle Layout of Atomized Make-up Water for Direct Air-cooled Unit

Li Huijun，Jiao Yingzhi
(School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

In order to reduce the heat load of air-cooled condenser and improve the vacuum and thermal economy of unit，taking the NK600-24.2/566/566 exhaust pipe as the object of study，this paper establishes the model of atomized make-up water for direct air-cooled unit，under different scheme of the nozzle layout．And it performs a numerical simulation about atomizing effect by using FLUENT through numerical calculation to find the optimal scheme of nozzle arrangement and influence of make-up water amount on the atomization effect and change of exhaust temperature field．The results showed that with the same nozzle pressure and diameter，atomizing effect of proper double section of the nozzle arrangement is better than single section，and cross layout is superior to parallel layout when the nozzle is with single cross section layout．

exhaustpipe;atomized make-up water;numericalsimulation;nozzle arrangement;the atomization effect

TK263.5

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.03.003

2014－12－25。

李慧君 (1964-)，男，教授，研究方向为强化换热及数值计算、电厂热力系统节能理论与监测诊断，E-mail:hj_li009@sina.com。