大型直接空冷系统蒸汽流量分配的研究及运行策略（可编辑）

大型直接空冷系统蒸汽流量分配的研究及运行策略（可编辑） 国内图书分类号: 学校代码: 国际图书分类号:. 密级:公开 工学硕士学位论文 大型直接空冷系统蒸汽流量分配研究及运 行策略 硕士研究生: 赵晓东 导 师: 杜小泽教授 工学硕士 申请学位: 学 科: 动力及工程热物理 专 业: 热能工程 所在学院: 能源动力与机械工程学院 答辩日期: 年月 授予学位单位: 华北电力大学 : ..:. : . : : : , ?: 华北电力大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明:此处所提交的博士学位论文《大型直接空冷系统蒸汽流量分 配研究及运行策略》,是本人在导师指导下,在华北电力大学攻读硕士学位期间 独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知,论文中除己注明部分外不包含他 人己发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体, 均己在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 日期:纠婢弓月久口日 华北电力大学硕士学位论文使用授权书 《大型直接空冷系统蒸汽流量分配研究及运行策略》系本人在华北电力大学 攻读硕士学位期间在导师指导下完成的博士学位论文。本论文的研究成果归华北 电力大学所有,本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华 北电力大学关于保存、使用学位论文的规定,同意学校保留并向有关部门送交论 文的复印件和电子版本,允许论文被查阅和借阅,学校可以为存在馆际合作关系 的兄弟高校用户提供文献传递服务和交换服务。本人授权华北电力大学,可以采 用影印、缩印或其他复制手段保存论文,可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于请在以上相应方框内打“?”: 保密口,在 年解密后适用本授权书 不保密‖ 作者签名: 日 日期:哆年弓月 趣乩二? 导师签名: 日期:乃亏年;月上。日 咖认寻华北电力大学硕士学位论文 摘 要 直接空冷机组在我国富煤少水地区取得了迅速的发展,但已经投运的直接空冷 机组,不同凝汽器单元的温度差异较大反映了各单元的流量分配不均匀。研究凝汽 器各单元的蒸汽流量分配,对评价凝汽器的性能并进一步指导空 冷单元的优化具有 重要意义。本文以某直接空冷机组为例,引入环境变化因素,建立其空 冷系统外部与内部流场的数学与物理模型,在考虑了沿程压损及局部压力损失后, 分析在工况下,采用空冷岛整体计算模型揭示空冷单元的蒸汽分布特性。同 时,基于上述方法,使用供电标准煤耗作为评判标准,对空冷单元采取的不同运行 策略进行考察。结论表明,空冷单元入口处以及分配管管径变化处的冷凝单元流量 变化较大;在外部冷却能力同等的情况下,内部蒸汽流量分配主要与冷凝单元的入 口压力参数有关;无论哪个方向的来风,其通常只对空冷岛前排迎风单元的传热特 性造成明显的影响;随着风速增加,其对空冷岛的影响逐渐深入,程度进一步加深。 通过对不同运行策略下的供电煤耗进行分析后得出,对空冷风机的调整,在机组背 压较高时应采取全区域全速提高,在机组背压较低时应采取分区域提升,并认为降 速节能不可行。 关键词:流量分配:直接空冷;经济运行;环境风华北电力大学硕 士学位论文 , . ,. . ,, ,, . ; ;: ? , .,,. : , , ,华北电力大学硕士学位论文 目 录 摘要..第章绪论?一 .研究背景 .直接空冷系统介绍..直接空冷凝汽器及附属部件??. ..存在问题?. .课题研究意义? .课题国内外研究现状? ..外部流场研究现状. ..内部流场研究现状. ..本文研究内容??. 第章直接空冷系统的数学及物理模型?一 .外部流场模型? .内部蒸汽流场. .排汽压力与蒸汽流量分配?. .边界条件??. .迭代流程??. .本章小结??. 第章结果与讨论? .数值模拟的验证??. .蒸汽管道内部流场特性??. .无风工况下的蒸汽流量分配特性?. .有风工况下的蒸汽流量分配特性?. .环境风影响下的背压变化?. .本章小结??. 第章直接空冷机组风机调整策略 .风机变频原理. .调整策略分析. .本章小结??. 第章与展望? 参考文献 华北电力大学硕士学位论文 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果.. 致射 华北电力大学硕士学位论文 第章绪论 .研究背景 建立高效、稳定的能源保障与供应体系,是维持国民经济和社会快速、稳定 发展的前提与要求。随着我国经济社会的飞速发展,全社会对能源的需求愈发迫 切,能源供需状况日益紧张。据《中国能源发展》 称,年我国 能源消费总量.亿吨标准煤,居世界第二位。源自公司年》【中发布数据显示,在我国的一次能源生产和消费 结构中,煤炭所占比例依然最高。这再次说明,我国能源生产对煤炭资源较强的 依赖性。 我国是一个水资源总量巨大但分布严重不均,人均保有量远低于世界平均水 平的国家。源自年中国水资源公报》,年全国水资源总量为. 亿,人均占有量却不足。另外,我国淡水资源分布存在较为严重的不 均匀性。年北方区水资源总量.亿,占据全国份额达到.%, 而南方区水资源总量为.亿,占据全国份额达到.%。据统计,在 全国多个城市当中,有多个城市缺水,其中多个城市处于严重缺 水状态,就连沿海城市也不例外,甚至更为严重。多个城市与地区由于地下水长 期超采情况严重,又不能及时进行回补,己形成数十个区域性的地下水位下降漏 斗,导致部分地区出现地面严重沉降以及海水入侵的情况。因为对水资源不合理 过度开发与利用,部分干旱和半干旱地区已经发生下游河道断流、河湖萎缩,生 态环境严重恶化等情况,到了不得不进行综合整治的时刻。 《.年中国火力发电行业投资分析及前景预测报告》指出,火力 发电在相当长的一段时间内依然会是我国发电行业中的主流。众所周知,火力发 电厂生产用水主要有热力系统用水、冷端系统用水、灰渣系统用水以及环保系统 用水等。当前技术水平下,我国单位发电取水量为..。然而,据以火力 发电为主要方式的我国重要能源基地多处于世界上最缺水地区之一的“三北”地 区,而在我国水资源丰富的地区其煤炭资源却较少。煤炭资源与水资源分布不均 的矛盾随着我国电力工业的发展日益加剧。 空冷技术,又称空气冷却技术,由于不存在中间循环冷却水的损耗,采用此 种技术的机组水耗率约比同等容量的湿冷机组低%.%孓,其显著 的节水效 益逐步得到业界的关注。国家能源局在《国家能源科技“十二五”规划》 中明确指出,大型超临界空冷机组系统技术将作为我国电力工业的发展方向?, 这体现出国家从政策层面给予的大力支持。空冷技术的出现,在缓解电力工业发华北电力大学硕士学位论文 展中的矛盾起到了极为显著的作用。 发电厂空冷技术的商业应用始于上世纪年代末,其在德国鲁尔矿区的 .汽轮机组上得到了顺利的推广,经历数十年的发展后技术逐渐趋于成熟。 按照冷却空气与汽轮机排汽之间传热过程的环节多少划分,电站空冷系统分为直 接空冷系统、间接空冷系统以及湿冷一干冷联合冷却系统】。目前,在众多种类 的空冷系统中,直接空冷系统体现出了高速势头,无论在单机容量还是在应用上 均大幅度超越其他类型。同期,间接空冷系统的发展则显得相对缓慢。干湿联合 系统则兼顾干冷系统和湿冷系统优势,是电站空冷技术未来发展的一个重要方向。 .直接空冷系统介绍 ..直接空冷凝汽器及附属部件 直接空冷系统,如图.所示,是一种利用空气直接冷却汽轮机的乏汽,通 过表面式热交换模式实现空气与汽轮机乏汽之间能量传递的冷却系统。在这种系 统中,汽轮机低压缸排汽流经大尺度排汽管道,并通过蒸汽分配管道进入空冷散 热器管束,同时由轴流风机进驱动将冷空气吸入,使得空气通过翅片管束外部进 行强制对流换热。直接空冷机组冷凝单元一般由顺流和逆流这两种形式组成。顺 流单元内,汽轮机排出的蒸汽自上而下流动,凝结水也是自上而下流动并汇集至 凝结水汇集管。顺流单元内不能完全冷凝的湿蒸汽进入逆流单元,在逆流单元内, 蒸汽与冷凝水呈相反方向流动,蒸汽自下而上流动,凝结水自上而下流动。由于 在凝汽器管束内存在不可凝气体,故在逆流单元上部设置抽真空装置用于抽出不 不凝结气体。通过大量的工程实践可以得出,直接空冷系统具有系统简单、占地 面积小、设备少等优点,易于在工程上得到应用与发展。 排汽管道系统是直接空冷系统的一个关键组成部分,其主要作用是连接汽轮 机排汽口与直接空冷凝汽器,实现在各种运行工况下将汽轮机乏汽从排汽装置导 入空冷凝汽器内。排汽管道设计通常较为复杂,蒸汽在其内流动时会产生不同程 度的沿程压力损失与局部阻力损失,从而导致电厂效率下降。一般来说,直接空 冷系统排汽管道的布置目前主要有高位布置和型布置这两种方式。通过对两 种布置方式的比较可以发现,相对于高位布置方式,型排汽管道布置具有 如下优点【】:使用型排汽管道布置,蒸汽侧压力损失较高位布置低,机组 的整体性能得到提升;使用型排汽管道布置,管道支吊架不再需要支撑在 汽机房上,节省了悬吊支撑的开销;使用型排汽管道布置,空冷系统的结 构与电站主建筑的结构互不影响,同时排汽主管道与空冷平台钢架构不发生关系: 使用型排汽管道布置,管道重量较传统的布置方式大为减轻,这 一特性能 够降低原材料成本,同时降低荷载;使用型排汽管道布置,可以有效减少华北电力大字坝士字位论文 管道支吊架数量;使用型排汽管道布置,可以缩短管道长度,减小整个空 冷系统的真空容积,由此可以选用小容量的真空泵。 在我国,直接空冷机组得到大面积的推广,装机容量与参数都实现了全面提 升。当前,已实现了大量亚临界、超临界甚至超超临界大型燃煤直接空冷机组的 施工建设与建成。其中的代表电站有赤峰克什克腾超超临界国产直 接空冷机组、托克托电厂五期超临界直接空冷机组以及太原第二热电 厂直接空冷供热机组等。 出口 蒸汽管道 凝汽器管束 凝结水管道 轴流风机 空气入口 图.空冷凝汽器单元结构示意图.一 ..存在问题 目前,直接空冷系统主要存在以下问题】: 较高的运行背压及背压变化率大 因为空气的比热远小于水的比热,这造成其与蒸汽的换热效果不佳,这使得 直接空冷机组运行背压偏高。空冷凝汽器的设计背压和夏季满发背压通常差距较 为明显,设计背压一般处在.之间,而夏季满发背压往往能达到 的范围,约高出湿冷机组倍左右,极大的降低了机组的经济性。 同时,受环境温度变化的影响,其背压变化范围较大,约在.这个区 间,极不利于控制系统的跟踪与调整。 环境风对机组运行影响明显 在环境风的作用下,空冷风机进出口条件均受到不同程度、不同性质的影响。 这一效果造成翅片管束与外界环境之间的换热特性随着环境风特性的不同而改 变,致使电站控制系统无法与之适应,造成机组运行效率降低甚至影响机组的安 全运行。华北电力大学坝士学位论文 空冷轴流风机功耗大 直接空冷系统风机较多,以级别机组为例,直接空冷冷凝单元标 准 配置一般为列行、行或行,单元总数分别达到、、个。这使得 空冷系统电耗通常可占厂用电耗的%左右,占总发电量的.%.。%左右。同 时,风机集群运行工作状态下,风机间存在不同程度的相互影响,这也造成机组 经济性的降低。 管束积灰情况严重 目前,直接空冷机组多运行于我国的西部富煤缺水地区。在这些区域,水少 风多,气候条件相对恶劣,沙尘天气频繁,这使得环境中存在较多的固体小颗粒。 空冷凝汽器的一般采用翅片管束与环境进行热量的交换。随着运行时间的增长, 这些颗粒会在翅片间隙上积聚,增加空气的流动阻力增加,使得空冷单元换热效 果变差。 真空系统严密性较差 直接空冷系统通常采用大尺度的排汽管道,同时其管路布置极其复杂,这一 特性造成管路间的接口、焊缝增多,造成严重的真空系统泄露问题。由于真空泄 露会造成机组背压的降低,这也将影响机组的经济性运行。 空冷凝汽器冬季易发生冻结 在直接空冷机组的运行实际中,直接空冷凝汽器在冬季启停、低负荷运行或 者低运行背压运行的情况下极易发生冻结。产生冻结后的空冷单元换热面积减少, 同时实践中也发现极易造成管子的冻裂。当前在运机组为预防此种情况,通常采 取高背压运行,这也进一步限制了空冷机组提高经济性的潜力。 空冷系统投资过大 随着机组容量的逐步提高,空冷系统越发庞大。与其同时,其前期投资也逐 渐与电站传统三大主机相当,增加了企业的还贷成本。当前空冷系统投 资己近.亿元人民币之多。 给水泵运行模式受到限制 由于空冷凝汽器极易受到环境因素的影响,目前在运机组普遍采用电动给水 泵的配置方式。随着机组容量的逐渐提升,电动给水泵已经逐渐成为了空冷机组 发展的瓶颈【。虽然目前以提出了一些构思方案】,但是或采用以水换效率 或未投入实际商业运行,业界尚未就行业标准达成一致。 .课题研究意义 直接空冷电站是我国电力工业发展必然方向,这是客观条件与主观因素相协 调的必然之路。因此,针对当前火电机组直接空冷系统存在的各种问题进行深入 浅出的研究与探讨,以理论和实践相结合的思路制定出因地制宜的优化运行方案,华北电力大学硕士学位论文 对于大幅度提高我国空冷凝汽设备的国产化水平,实现大型火电机组节水降耗工 程的全面实施,保证大型火力直接空冷机组的安全、高效运行具有深远的意义。 如前所述,直接空冷机组主要存在着易受不同环境因素及风机功耗过大等问 题。同时,排汽管道对湿蒸汽流动所造成的影响也必然使得机组效率的降低。上 述因素相互作用与影响,其耦合效应仅仅体现为机组的背压的变化,这为深入挖 掘出其内在联系制造了较大的困难。 本课题以某直接空冷机组为例,引入环境变化因素,建立其空冷系 统外部与内部流场的数学与物理模型,在考虑了沿程压损及局部 压力损失后,分 析在工况下,采用空冷岛整体计算模型揭示空冷单元的蒸汽分布特性。同 时,基于上述方法,使用供电标准煤耗作为评判标准,对空冷单元采取的不同运 行策略进行考察,以期指导机组的经济运行。 .课题国内外研究现状 为揭示外部流场与内部流场相互作用下,机组的运行特性,需要分别对外部 流场与内部流场的特性进行研究。 ..外部流场研究现状 空冷岛外部流场是一个在环境影响下,由轴流风机驱动空气与空冷翅片单元 进行强制对流换热的过程。因此,需要对空冷翅片管束换热特性、风机运行特性、 环境气象条件对机组影响这三方面做综合的考察。 空冷凝汽器目前所采用翅片管束类型主要有:单排波形翅片扁平管,双排矩 形翅片椭圆管,三排椭圆翅片椭圆管。由于管束流动传热性能决定空冷凝汽器热 力性能的关键因素,国内外的专家学者对此进行了大量的工作。国际上, 等通过实验的方式,重点研究了管排数对扁平翅片管换热器流动传热特性的 影响。和/】通以风洞实验数据为依据,获得了空冷凝汽器翅片 管束结构对进口流动损失的影响,指出进口空气流动损失与翅片间流速无关,随 进口空气入射角的减小而升高,并根据实验结果拟合了进口流动损失的关联式, 同时考查了不同风机结构和型单元框架对空冷凝汽器单元进口流动损失的影 响。在国内,杜小泽等通过对在运大型空冷机组进行现场试验以及对空冷单 元模型采取热态实验,获得了单排波形翅片扁平管束的流动传热性能,以此为依 据指导直接空冷系统的设计和运行。杨立军等【】分别以单排波形翅片扁平管为 研究对象,采取数值模拟的研究手段,认为随空冷凝汽器型管束半顶角减小, 空气流动损失增加,换热性能降低;同时以椭圆翅片椭圆管管束为关注重点【】, 计算分析了空气对流换热和摩擦系数随的变化规律,并采用最小二乘华北电力大学硕士学位论文 拟合得到了相应关联式。张凯峰等【】针对波形翅片扁平管束, 揭示了空气对流 换热系数和摩擦系数随翅片间距和高度的变化规律。明廷臻等】以数值分析为 手段,对椭圆管矩形翅片空气侧流动与传热特性进行了挖掘考察,发现翅片间距 对表面传热系数影响的程度并不显著,但对流动阻力和总散热量的影响却较为明 显:同时认为随翅片厚度的增加,表面传热系数和流动阻力也逐渐增加。陆斌等 【针对根波形翅片扁平管组成的系统进行了实验研究,得到了不同空气迎面 风速下,阻力和传热实验关联式。张树国等副研究了直翅片扁平管束和开孔直 翅片扁平管束的热力性能,并与波形翅片扁平管束进行了比较,指出直翅片扁平 管束流动传热性能在一定范围内优于波形翅片扁平管束。张来等】通过数值模 拟,分析了不同迎面风速下,矩形翅片椭圆管束的翅片上有无扰流孑时的局部换 热系数分布,比较了扰流孔尺寸、数量和位置对流体传热特性的影响。和 通过风洞实验,以种翅片管换热器为研究对象,对其空气侧性能 进行 了研究分析,得到了管径、管排数以及翅片间距对换热器热力性能的影响规律, 并拟合了阻力和传热特性实验关联式。 轴流风机是驱动冷却空气流动的机械,其在空冷系统中处于集群运行状态, 因此需要对其单机运行及群体运行特性进行分别的研究。国际上,和 】以数值分析为主要研究手段,研究了风机性能对空冷凝汽器型框架 动力学特性的影响,发现风机叶片安装角和工作流量对型框架动力学性能作 用明显,但型框架最小阻力损失并不与最大风机静压效率相对应:同时,开 发了描述风机叶型流场的数值模型一激盘模型,并进行了实验验证。 等【】以数值和实验相结合的方式,考查了风机进口流动变形对空冷风机性能的 影响,得到了优化的风机进口风筒形式。和研究了平台高度对风 机流量的影响,并拟合了关联式,指出空冷凝汽器边缘风机进口流动变形对风机 性能影响最大。..等在研究进口气流对风机影响的过程中,通过 改变 风机与风机之间的距离以及安装高度,得出了空气容积流量变化的试验关联式, 同时对空冷平台人行道影响风机容积率的程度进行了研究。在国内,杨立军等 针对空冷风机集群运行的特点,提出了集群因子的概念,以描述风机群不同 掣】针对轴流风机出口复杂空气流场和空 风机之间运行特性的差异。 冷单元型框架特殊结构,提出了空冷单元内冷却空气导流设计,并分析加装 导流装置后的空冷单元热力性能。吴秉礼和高延福州】分析了电站空冷风机的技 术特点与发展趋势。周文平和唐胜利采用次方流型对空冷风机进行了设计, 全压效率可比等流型设计高%左右。夏瑞春等”通过某直接空冷机 组的耗电试验,认为在真空不变的情况下,整体降速的方式较区域降速或停运的 方式更为省电。 空冷岛运行于开放的环境中,受外部环境影响其必然不可能工作于设计工况。华北电力大学硕士学位论文 考察空冷凝汽器受环境条件影响下的特征具有重要的意义。国际上, 和】就研究了环境风对空冷风机性能和空冷凝汽器热风回流的影响,指 出横向风空冷凝汽器正面来风会显著降低迎风面风机流量,而纵向风侧面来 风则在空冷凝汽器两侧产生严重热风回流。 和】通过将 型框架处理为矩形,并采用风机激盘模型,模拟了环境风作用下的空冷凝汽器性 能,发现风机性能下降是空冷凝汽器热力性能降低的主要原因,而热风回流对空 冷凝汽器性能影响不大。在国内,等拉。 通过风洞实验,对环境风作用下的 电站空冷凝汽器热风回流现象进行了研究,获得了热风回流率的变化规律。 等【。】针对典型直接空冷系统,通过简化翅片管束和风机模型,实现了环境风作 用下空冷系统热力性能的数值模拟,得到了冷却空气流量、进口空气温度和散热 量随环境风速、风向的变化规律。吕燕【】等以不同速度的横向风为分析对象, 借以研究在此条件下的空冷平台温度场、速度场的流场特性,提出在空冷散热器 间加设挡板以抑制热风回流现象的措施,并指出可将平台四周下延一定长度以减 弱回流的影响。严俊杰等【】、杨立军等】推导了直接空冷系统变工况计算的 数学模型,得到了机组背压和空冷系统热负荷以及进口空气温度之间的关系,分 等【】利用数值模拟 析了直接空冷系统运行经济性的影响因素。 工具对直接空冷机组热风回流现象进行分析,结论得出空冷岛的位置与环境条件 为主要诱因。 ..内部流场研究现状 空冷单元内部流场是一个湿蒸汽在复杂分配管道中流动、通过分配管道与外 界产生热量交换、并最终在翅片管中凝结为饱和水的综合相变、热量传递、压力 损失的复杂过程。因此,需要对蒸汽相变过程及管道流动特性进行综合分析。 当前对蒸汽侧的研究的方式以数值模拟为主要手段。在国际上,学者们在考 虑不凝结气体影响下,对管内凝结过程做了大量的工作【击,他们以流经型 管道时湿蒸汽的汽相与液相的分布特性的研究【、使用数值模拟的方式对多分 散性湿蒸汽流动下的液滴尺寸分布进行研究以及分析在边界层内的蒸汽凝结过 程。在国内,等【等采用实验的方式,分析了蒸汽喷射凝结的流动特 性和传热特性。而专注于空冷系统蒸汽侧的研究,石磊等通过对排汽管 道系统进行模拟、分析和研列制,认为利用改变分配管内结构可以有效改善流 场的非均匀性。王松岭等【】通过对直接空冷机组排汽管道内湿蒸气的流动特性 进行研究,对某直接空冷排汽管道内的蒸汽流场建立三维数值模型,采 用数值模拟技术得出,采用在直接空冷大尺度排汽管道的弯头和三通部位安装导 流板的方式,不仅能够有效减小蒸汽流体在管道内的流动阻力损失以及实现蒸汽 在管内流动的均匀分布,同时有利于提高空冷系统的整体热效率。刘学等【】使华北电力大学硕士学位论文 用数值分析的方法,对典型工况下蒸汽分配管道系统进行分析,提出可用于空冷 排汽管道系统的优化设计。赵晓东、杜小泽等。】通过数值模拟的方式,通过建 立直接空冷系统外部与内部流场的物理与数学模型,对大型直接空冷系 统的蒸汽流量分配规律进行了大量的工作。 ..本文研究内容 通过对国内外研究现状进行分析后发现,当前的研究主要侧重在空冷机组外 部流场的运行特性及相关优化,其评价指标多以翅片管束与环境的散热特性为基 准。但是对空冷凝汽器内部流场均匀性的研究较少,并且考虑到收敛问题与计算 量,当前工作普遍采用二维模型建模或将工质简化为近似理想气体进行计算,这 都难以反映出真实的情况。 本文以某直接空冷机组为例,引入环境变化因素,建立其空冷系 统外部与内部流场的数学与物理模型,在考虑了沿程压损及局部压力损失后,分 析在工况下,采用空冷岛整体计算模型揭示空冷单元的蒸汽分布特性。同 时,基于上述方法,使用供电标准煤耗作为评判标准,对空冷单元采取的不同运 行策略进行考察。华北电力大学硕士学位论文 第章直接空冷系统的数学及物理模型 以某直接空冷机组为例,在考虑变化环境风的基础上,本文将建 立该机组外部流场与内部流场的数值与物理模型 .外部流场模型 某典型直接空冷燃煤电站的典型厂区布局如图.所示。该电 站靠近空冷岛的主体建筑,如汽轮机房、锅炉房以及烟囱在建模时均作为主要考 虑。按照典型直接空冷系统进行假设,认为每台机组对应的空冷系统由个直 接空冷单元组成。这个单元按照行列的标准规划进行布置。此 电站空冷系统的整体布局如图.所示。 / 直接空冷单元的行列标号定义 ,、量;:竺竺、』直警空冷产芦 ‰娟“?:. 卜甜盯 森:蕊嘉 图.外部空气流场的物理模型 .为正确描述外部空气流场的流动与传热特性,其稳态控制方程由式.、.、 .分别给出 . .?砀一?锄砀? 其中,是空气密度,是空气的速度,为压力,是重力加速度。锄/./华北电力大学硕士学位论文 是有效动力粘度,其中‖是动力粘度。由于直接空冷单元的大型尺度,浮力效应 被列为考虑因素。一 /是比内能,其中乞丁是比焓,此处的 是空气的定容比热。以‖是有效导热系数,该参数通常由实验关联式获取。。矿是 应力张量,该参数通过式.获取,同时,是单位张量 砀:砌【;?一要.韧 通过对直接空冷系统的物理模型进行分析可以发现,空气在其中的流动与能 量传递过程是一个多尺度问题,因此需要对模型进行适当的简化方可用于特性分 析。在简化过程中,将翅片管换热器定义为多孔介质模型,同时对其对流换热系 数及阻力特性进行设定。在这个区域,空气在单位长度上通过翅片管束的压力损 失?肌由式.定义。翅片管束与环境空气的换热量由式进行控制 . ? 锄吒?‖ 厅一乃. 其中,无量纲阻力系数,其通常由实验关联式获取。是湿蒸汽的饱和温度, 乃.是流经换热器的空气温度。是由轴流风机驱动下,流经翅片管束的空气与 换热器的对流换热系数,该参数由式.的实验关联式给出【 .? 其中,/无,,以/心。此处,是等同于翅片管束外的特征直径。 丸是空气的导热系数,心是空气的动力粘度。,是翅片管束的迎面风速。 同时,忽略直接空冷单元轴流风机的内部流动特性,将其简化为一个压力跃 升界面,其压力跃升卸,通过式的速度多项式进行定义 ? 瓴?五%一。 其中,六是多项式系数,其通过用于直接空冷凝汽器的典型轴流风机特性曲线 获取。 计算结果采取七一占, 一占,七一占等不同的湍流模 型进行分别验证,同时对模型的网格独立性进行检验。本文采用 七一占湍 流模型进行运算【,其关系式由式、.给出 , ?户孤,?‖等七? 柳 棚书?纠卜妻岷铲印 其中,和占分别为湍流动能以及其对应的耗散率。吼,%,’;和。为 华北电力大学硕士学位论文 通常由空气作为载体的实验获取的系数。。表征由于速度梯度造成的湍流动能, 其由。一定义。表征由于浮力产生的湍流动能,对于理想气体来说, 一占湍流模 其由一以/定义。是湍流普朗特数,对于 型来说,其一般定义为.。“是湍流动力粘度,其由“心,,/占进行定义, 其中。是经验系数,此处定义为.。 采用数值模拟的方式对此数学模型进行求解。完整的计算域如图.所示, 其为如图.中央计算域的倍。中央计算域包括空冷系统和电站主体建筑, 采用非结构化四面体网格进行划分。除中央计算域外的区域采用 自适应六面体结 构化网格划分。考虑到空冷系统及电站主体建筑在几何结构上具 有对称性,仅对 一半的环境风向进行考虑以减少计算量。图.同时给出了选取的 五个典型风向, 分别是,,,.和.。 么. 潮 生。 圜 ?蹩 日黼器麟墨?口一 嘲嚏嚏礴秘豳 “?四 睡鹱蕊《骧潼鹱蕊鞠瞄捌 一蠢翻辫雕鬻鬟蘩翱 黼 瀚 踟‘ 弋。 图网格生成及特定风向角选取 .在一定程度的大气边界模型中,平均环境风速遵循式.随海拔告 诉变化 塑:上 甜 \、%/ 其中,%和。分别是标准参考海拔高度以及对应的平均环境风速。在中国,通 常选取甄。口是地形粗糙指数。在中国,按照国家标准定义通常被分成 种类别。大多数的空冷电站都被设置在有耕地、村庄、丛林、山丘及城镇的区域, 同时在一些高建筑物的边缘。 详细的计算方法及参数设定在文献中进行表述。 .内部蒸汽流场 一般认为,汽轮机的乏汽都是湿蒸汽。由排汽管道和空冷凝汽器组成的内部华北电力大学硕士学位论文 蒸汽流动及热传导的物理模型如图.所示。该空冷机组低压缸排汽由一根直径 为的主排汽管道到处,该排汽管道采用型布置,蒸汽分配管的管径依次为 ,.,.。每根蒸汽分配管又分别连接着三段水平渐缩分配管,管径变 化依次为.,.,.。在直角坐标系下建立从汽轮机排汽至凝汽器单 元 入口段的型上升管及水平分配管的三维几何模型,根据几何结构特点确定网 格类型、网格化方法及网格密度。为了避免出口段产生回流,在出口段处适当增 加了延长段。 汽轮机排汽为湿蒸汽。在模型中考虑湿蒸汽在排汽管道内流动过程中与外界 环境空气的热交换导致的湿度变化;同时考虑流动过程中局部压力升高可能造成 的水蒸汽凝结引起的湿度变化。 湿蒸汽在排汽管道内流动和传热的数学模型主要由湿蒸汽流动和相变模型 构成【。 计算域和网格生成 ?.,接空系繁釜警邋登’. 。吼 二:二。锄黟 、’ 。 。 。 。 。 吼劬罢。: . 湿蒸汽的流动控制方程基于下述假设: 忽略气相和液滴间的速度滑移以及液滴问的相互作用; 汽轮机排汽口湿蒸汽的湿度小于.; 于液滴的尺寸很小,一般介于..,因此在湿蒸汽模型中忽略被 冷凝下来液相的体积。 湿蒸汽的密度可以通过方程.进行定义 以’南华北电力大学硕士学位论文 其中,,是蒸汽的密度 由于流动中的凝结造成流体密度的变化,描述湿蒸汽流动的可压 缩 .方程以矢量的形式给出,如式.所示 ‖扯?】. 俐面瓦 其中,,甜,,,丁是混合物的数量。是节制体积。是面积元素。矢 量形, 和分别由式.至式.给出。日是源项,通过式进行定义 ‖ 一 ? 》 ?。 ?。? ??七 ‖ 。 嚼 皤 埔 嘣?七 :九譬 其中,和风分别是湿蒸汽的速度和压力。。,是热流量。九是湿蒸 汽的焓值。 是每单位质量的总能,并由式.进行定义 . :一一 两个输运方程需要单独添加以用于模拟湿蒸汽模型,它们分别控 制凝结水质 量份额口和单位体积液滴的数量密度增长,如式一和式所示 . ?一..只动 掣.反动成‘其中是由于凝结引起的质量变化率。‘是成核率。则 由式.进行定义 瓦丽/ 其中岛是液体的密度,乃是平均液滴的体积。 湿蒸汽的相变模型基于下述假设: 自发凝结; 液滴的生长基于平均的典型中间直径: 假设液滴为球形: 液滴被无限的蒸汽空间所包围; 与凝结时所释放的潜热相比,忽略细小液滴的热容。 以经典成核理论为依据,在不平衡凝结过程中,的描述由式.给出 专硝蠢,;加 ’, 其中,;是液滴的平均直径。是.临界液滴直径,并由式. 进行定义 咒:一旦 .、 咒一 其中,盯是温度下的液体表面张力。是温度下的凝结液体密度。 是气 体常数。是过饱和率,其意味着水蒸汽的压力相对于平衡饱和压 力的比率,并 通过式.进行定义 :?址 . 、 。 ‰丁 膨胀的过程是非常迅速的,因此,当相变发生的时候,该过程就会 偏离平衡 状态,过饱和率可能大于。 凝结包括两个部分,即蒸汽凝结向液滴传热和液滴放出潜热向蒸 汽的传热。 其关系式在文献中被提及,并以式.的形式进行表述? 。 ~ 一???????一 / 玩, 塑磊一等瓦 其中,瓦是液滴温度,‰是压力下的蒸发比焓。是比热比。九是湿 蒸汽在 某一压力下的比热。 成核率,被稳态经典自发凝结理论进行定义,其关系由式.给出 南争华北电力大学硕士学位论文 其中,是蒸发系数。是常数。帆是单个分子的质量。乡是非等 温修正影子,并通过式.进行定义 一 、 口鬻垒急以 通过式.至式.的数学描述,湿蒸汽的流场分布以及流体产生相变 对 湿度造成的影响可以被模拟分析。 直接空冷系统排气管道的压力损失是由沿程阻力损失和局部阻 力损失构成。 沿程阻力损失可由式.给出 “寺丢 其中,三是管子的长度,是水力半径。旯是沿程阻力系数,其取决于流体性质、 管道粗糙程度、流速和流态。 局部阻力损失通过式.进行定义 , 卸,? 。 其中,是局部阻力系数,对空冷凝汽管路的局部阻力损失主要集中在两个区域, 即从上升管进入水平分配管的部分和从水平分配管进入翅片管的部分,其一般取 决于速度矢量的改变。 由于五和通常是工程上的经验总结,对于空冷系统这种较为复杂的管路组 合并不能简单的将其视为常数处理。因此,使用数值模拟的方式来获取。 考虑收到环境风的影响,应该对整个空冷岛进行建模。在管径变化的区域采 取非结构三角形网格进行划分。其他区域采用自适应六边形网格 进行划分。计算 区域和网格生成如图所示。 .排汽压力与蒸汽流量分配 空气与蒸汽的换热主要是在空冷凝汽器单元内完成的,对空冷机组凝汽器单 元采用效能.传热单元数方法进行计算。对饱和蒸汽的等温凝结过程 一一删 . 胛:兰 ? 其中, 是翅片管束的传热面积。是翅片管束的迎风面积。是在一定压力 下的空气比热。占是空冷凝汽器效能,其由式.进行定义华北电力大学硕士学位论文 ::垒二刍 / ? 其中,乞。是凝汽器单元的进口温度,是直接空气凝汽单元的凝结温度,乞:是 空气侧的出口温度。 通过考察空气侧与蒸汽侧的能量平衡,。可由式.获取 、一。 ?一删“。 焘‘南口 彳,叩? 对于湿蒸汽来说,饱和压力与饱和温度的关系由式.进行定义 .. 锚 考虑局部压力损失与沿程压力损失造成的影响,汽轮机的排汽背压可以按照 式.的形式进行表述 见印,卸, 对大尺度直接空冷系统来说,从排汽口至每个直接空冷凝汽单元的局部阻力 损失与沿程阻力损失均是不同的。因此,每个直接空冷凝汽单元的饱和压力应如 式.进行表述 一 一印。一卸 其中,表示行数,按取值。表示列数,按照.进行取值。直接空冷凝 汽单元实际的饱和压力见.胁可以进入每一个凝汽单元的不均匀蒸汽分布求得。 对于特定的运行工况来说,不考虑管内不凝结气体与真空泄露所 造成的影响, 排汽热负荷和排汽量眠应满足式、的表述 %??鲵 %??‰ 其中,俨是排汽管道与环境的热交换量。‰是第行第研列凝汽单元的换热 量。/是第所于第列凝汽单元的蒸汽凝结量。 通过上述方程,可以获取汽轮机的排汽压力以及空冷岛的蒸汽流量分配特性。 .边界条件 某直接空冷机组的汽轮机 况被选取 作为分析案例。基于给定的热负荷,在变化环境风下内部流场变化特性将被考察。华北电力大学硕士学位论文 在标准运行工况下,汽轮机排汽压力为,对应焓值为./, 同时汽轮机的排汽量为./。通过此可以获取得汽轮机排汽的干度为 .,且饱和压力位.。排汽管道进口的流量可以被赋值。排汽管道被 认为是非滑移壁面,同时排汽管道与外部环境之间的自然对流换热系数被设定为 /。依据在工况下的设计参数,通过内部流场的数值模拟以及 .方法,每个直接空冷凝汽单元的出口压力砌,砌可以被计算获 取。计算过 程按照.章节进行表述。 .迭代流程 步骤一:通过模拟在考虑环境风影响下的外部流场,首先可以得到直接空冷 单元的进温度乞,以及各翅片管束的迎面风速’,。 步骤二:忽略内部流场的影响,对于确定的运行工况,假设空冷单元的饱和 压力。,于是可以获得排汽热负荷和排汽量眠。 步骤三:将。, 作为输入值代入流量计算程序,可以同时得到 每一个直接空冷凝汽单元的排汽热负荷瓯以及湿蒸汽流量帆,并且获取值应 该满足式.与式的关系 一??既 ,滓 / 睦剖鲰。。 眠一??帆 ,? / 煺虬。, 否则,应将一个新的。重新代入流量计算程序进行计算直到满足 关系。 步骤四:考虑内部流场的影响。首先参考产品设备说明书中关于在标准运 行工况下排汽管道的压力损失,并根据式,可以获取汽轮机的排汽背压。。 将。作为计算域的进边界条件,同时将。作为计算域的出口边界条件,则 可以通过数值模拟计算后去卸伽,,棚和船,此时由式可以得到每一 个直接空冷凝汽单元的新饱和压力以.加。以魏.加,和眠作为蒸汽流量计算 程序的输入值,可以得到新的每一个直接空冷凝汽单元的排汽热负荷,。.以及 湿蒸汽流量。通过不断迭代出新的。直到满足式.和式. ?. 华北电力大学硕士学位论文 ?. ? .本章小结 本章以某直接空冷电站为例,采用有限元分析方式,构建了该电 站空冷系统的外部空气流场与内部蒸汽流场的物理与数学模型。同时,基于传热 单元法,将外部流场与内部流场数据进行拟合,编译了空冷岛整体流量与背压计 算程序。为全面描述大型空冷系统的能量、质量分布规律奠定了理论基础。华北电力大学硕士学位论文 第章结果与讨论 共有环境风速被选取作为计算,分别/,/,/,/和 /。同时,每一种风速在 , , ,.。.。风向角时的外部流场 均通过数值模拟方式进行获取。对于选取的直接空冷机组,在 工况下,每个翅片管束的迎面风速以及每个直接空冷单元风机的入口风温均通过 外部空气流场模拟获取。单侧顺流凝汽单元的迎风面积为.,传热面积为 .。单侧逆流凝汽单元顺流部分的迎风面积为.,传热面积为 .;顺流部分的迎风面积为.,传热面积为.。 .数值模拟的验证 为对计算程序进行验证,选取某直接空冷机组设计说明中的三个 无风设计工况点进行计算验证。结果如表.、表所示。通过数值模拟值与 设计值之间的比较可以发现,其误差均在工程允许的范围中。 表. 与设计背压的比较 .? 表.与设计凝结水温度的比较.同时,在无风设计工况下,从汽轮 机排汽口至每个分配管入口处的压损 分布如图所示。数值模拟较设计说明书提供的压降,最大误差为.%, 其值为.,出现在入口处。但考虑到每条排气管的流场与管长均不相同, 其沿程损失和局部阻力损失应有所不同,可认为该模拟结果是可信的。华北电力大学硕士学位论文 , 罡 四 重 囡 图. 工况下,汽轮机排汽口到各分配管入口处的压力损失. .蒸汽管道内部流场特性 以无风工况下的内部流场特性作为考察基准。由于不考虑环境风影响,且每 台机组采取对称布置架构,因此对于单台机组而言,可只考察其中的个单元。 排汽上升管道内的湿蒸汽压力和湿度分布分别如图?所示。可以发现,在 直管内流动的湿蒸汽,压力分布均匀,且湿度变化幅度较小,液滴 增长率较为均 匀。而在管径变化或流向发生转变的地方,压力变化较为明显, 局部流体的湿度 ’稳、毪? .‖ : . 十’./ ’ 、 .. 穸” .. . .. ?魄? ??彤 囊戮’董 ?“ 翻 液滴增长率分布,/ 压力分布,, , / 图 工况下,型排汽管内的压力和液滴增长率分布 .? 华北电力大学硕士学位论文 发生改变。由于模型并没有添加相应的导流装置,存在比较严重的正压冲边和负 压回流现象,这些区域的液滴增长率出现负值或者增大,部分湿蒸汽凝结为液体。 同时,蒸汽通过弯管流入各蒸汽分配管时,速度方向急剧改变,会在入口处产生 明显的局部压力损失,形成涡流,如图.所示。 瞩 圈:? 融 压力分布 蒸汽流线 图.蒸汽分配管入口处蒸汽压力及流线 ?. 排汽至空冷凝汽单元入压力损失 不同空冷凝汽单元入湿度 图 工况下,排汽管道流场特性. 从分配管入口至每个空冷凝汽器单元入口的压损?及湿度变化如图. 和图.所示。可以发现湿度随着压损的增加而增大,但是其变化幅度并不是很华北电力大学硕士学位论文 大。同时,湿蒸气在排气管与分配管里流动的过程中,其与外界环 境的换热量数 量级约在,而流体的总能数量级约为。因此,可将在排气管内的 流动过程近似看成绝热的流动,并且每个冷凝单元入口焓值近似相等。 .无风工况下的蒸汽流量分配特性 ’一 窗 塾 旦 鸲 ‘ ‘ 逸 蒸汽流量分配 空冷凝汽单?散热量图. 设计工况下,冷凝单元内的蒸汽流量及散热量分配. 仅考虑内部流场对蒸汽流量的影响,以设计迎面风速作为计算参数,即每个 换热单元的迎面风速为一致,仍可按照个单元进行处理对蒸汽流量分配进行 考察。使用传热单元法进行计算,得到每个冷凝单元的凝结流量分配,如图 所示。从图中发现,号冷凝单元与两个逆流单元的流量最少,而其他单元的冷 凝量与湿度的分布规律近似相同。观察图得到,一号冷凝单元的 入压损 最大。造成这种情况的原因是号冷凝单元位于分配管入口处,蒸汽通过一个弯 管进入分配管时,沿流动方向产生了涡流,会造成相对较大的局部压力损失。对 于号逆流单元来说,虽然随着蒸汽在分配管中继续的流动,管径逐渐变小,其 顺流区域只有正常顺流单元的/,蒸汽的压力会逐渐增加,使得蒸汽饱和温度 提高。但是其逆流区的入口参数较低,在计算中按照能量守恒的方法,在不考虑 顺流区出口至逆流区进口的压力损失的情况下,逆流单元入口饱和压力约页流 单元低.。在同样的外部冷却能力下,必然造成逆流单元凝结量的减少。对 于号冷凝单元来说,观察图中逆流单元的顺流区域,可以发现,蒸汽在进 入号逆流单元前流经了一个减缩喷管,必然会产生一定程度的压力损失,使得 流量最低。从图可见,散热量的分布与流量的分布趋势大体一致。图.华北电力大学硕士学位论文 为该机组凝汽器表面的红外热成像壁温分布‘。其翅片管的表面 温度处于一个 相对较低的水平,这也验证了该计算的合理性。 图 号逆流单元附近结构示意图 . . ? ?,;;;;卜 莲,。 . 、 . 图.进处翅片管红外热成像 .? 实际情况中,即便在无风工况下,翅片管束的迎面风速也不可能完全一致。 前期的研究表明【,空冷系统的风机群在集群运行时,会产生群抽效应,空冷 岛边缘风机进口条件被恶化,使得边缘风机流量较中央风机流量小,造成边缘冷 却单元冷却能力较低。对空冷岛整体流量分配进行考察,图.给出空冷岛整体 的流量分配情况。可以看出,反映在凝汽器单元内的蒸汽分布上,越靠近空冷岛 的中心区域,凝汽器的蒸汽进汽量越大。由于采取对称布置,两台机组对应位置 凝汽器单元的冷却能力大致相等,拥有近似的流量分配特性。同时,图.所示 的蒸汽流过弯管出存在的涡流现象,会对靠近水平蒸汽管道入口附近的凝汽器单华北电力大学硕士学位论文 元进汽产生影响,造成进汽困难。如图.所示,入附近单元冷凝 量减少。 将模拟工况与设计工况进行比较可以发现,外部流场对流量分配的影响较内 部流场更为明显。具体表现为第 的分配上。受集群效应影响,该 列冷却单元的迎面风速高于设计参数,这使得即便受到内部流场影响,其冷凝蒸 汽量也会高于基于设计迎面风速的计算数值。同样的特性在列 .也有 体现。文献通过对换热热阻的数量级进行分析,指出排汽管对环境的散热量 主要是由管外换热热阻决定。此计算也印证了这一观点。 图. 模拟工况下,蒸汽流量分配特性 ..有风工况下的蒸汽流量分配特性 由上述分析可以知道,外部流场对蒸汽流量的分布特性起主要作用,而内部 流场自身的阻力特性仅起到次要作用。当环境风发生不断变化时,蒸汽流量的特 性变化也会随之不断变化。考察环境风下的蒸汽流量分配特性对进一步的风机优 化运行具有实际的意义。 图给出了在风向下,受不同风速影响号机组前排迎风单元的与蒸汽 流量分配情况。可以发现,随着环境风速的增加,风机运行所受阻力不断增加, 在前排迎风单元之间会逐渐产生涡流且范围逐渐增大,导致后排冷凝单元的出口 被加热的空气被前排单元卷吸,热风回流率增加,导致前 排单元的换热条件进一 步被恶化。华北电力大学硕士学位论文 ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ? 一 一 ~ , 幡 ~:未.一 ~一笔幺 ~、\ :;,., ~二毫一.. 一?藏一一\ ~二?? ~爱一?、‘ 。风向/ // . 一 , 一 一一一一, ’~ 一一一一?’一 。。 ‘ 一 一, 一 一 , 一 . 一一: 一 。。一。??澎一 ? ,, .‘. 。 ~ : 。‘一一 遵耄耋婺装 ’誊??霉霪妻喾二耄萋? 。 ’ :” 。 善。 一 . ? ? ?一 。风向/ / 。 图前排迎风冷凝单元的典型截面空气流线.? 与图相对应在相同环境条件下,前排迎风冷凝单元的湿蒸汽分布 特性如 图.所示。考察流量分配特性可以发现,随着环境风速的增加,前 排冷凝单 元的凝结量不断降低,这说明前排冷凝单元的传热面积基本上没 有得到有效利用。 然而,随着环境风速达到/时,第一排迎风冷凝单元的冷凝量在一定程度上 增加。同时,第二排迎风冷凝单元的冷凝量却明显的减少。可以推断出,当环境 风速持续增加的情况下,后排单元的传热特性逐渐恶化。由图可以看出, 在高环境风速下,一个明显的涡流在第二排空冷单元的顶部出现,其导致热空气 的排出并导致空冷单元冷凝能力的显著下降。因此,这些单元的蒸汽饱和温度升 高,随之其中的蒸汽流量也显著减少。华北电力大学硕士学位论文 ’ 立 主 童 蘸 。风向/。 。风向/ / 。 / 。 风向/ / 。 图.前排迎风冷凝单元的蒸汽流量分布 .? 与图.进行比较,在与图相同环境条件下时,号机组后排迎风冷凝 单元的蒸汽流量分配如图. 所示。相较于前排迎风冷凝单元而言,后排冷凝 单元的空气流场受到环境风影响的程度显著的降低。因此,尽管相对于没有受到 环境风影响时的蒸汽流量而言,不同蒸汽流量分布的不均匀更加明显,但是如图 . 所示,后排冷凝单元的蒸汽流量分布较前三排迎风冷凝单元更为一致。 华北电力大学硕士学位论文 嘶 : 一?,邑 : 黔 风向/。 风向/ / 。 / 。 ? ? 吝 。风向/ / 。 图 后排迎风冷凝单元的蒸汽流量分布 .? 由于受到锅炉及汽轮机房等加热的空气尾流对空冷单元产生的一系列影响, 一般认为来自锅炉后方的环境风,俗称炉后来风,为空冷系统的最不利来风【。。 在.风向角、/风速时,该直接空冷电站的外部空气流场如图 .所示。平行于风向方向与垂直风向方向的两个空气流场分别如图.幂 图.所示。此时,所