直接空冷機組噴霧增濕系統噴嘴布置位置數值研究

劉彥豐，張京衛，李宏偉

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

0 引言

空冷凝汽器中蒸汽直接由環境空氣進行冷凝，因此環境空氣溫度對蒸汽的冷凝效果有很大的影響，尤其在夏季，外界空氣溫度很高，凝汽器高背壓甚至限負荷運行會直接影響發電效益。通過安裝噴霧增濕系統可以降低空冷凝汽器入口及出口空氣溫度，進而降低凝汽器背壓，減少發電煤耗，提高經濟效益[1]，但水滴并沒有在空冷單元內完全蒸發，一部分會穿過散熱器翅片管逃離到單元外部繼續蒸發，該部分水滴由于蒸發過程中不再吸收單元內部空氣濕熱，對單元內空氣溫度降低不再起到任何作用，本文稱之為“無效水”。同理，在空冷單元內部蒸發的水滴即為“有效水”?！坝行闭伎倗娝康谋壤秊椤坝行蓊~”，有效水份額越大，從空氣中吸收的熱量越多，空氣降溫幅度越大。本文將“有效水份額”概念應用到現有縱向雙排布置方案[2]，分別在x，y和z 3個方向上研究“有效水份額”關于噴嘴布置位置的變化規律，得出了使散熱器出口空氣溫度最低的噴嘴布置位置。

1 幾何模型、邊界條件及求解方法

1.1 幾何模型

本文以某600 MW直接空冷凝汽器單元為研究對象，整個計算區域高度為24.266 5 m，網格劃分采用混合網格，網格總數為411 514個，如圖1所示。

圖1 計算模型網格劃分Fig.1 Mesh division of the computational model

1.2 邊界條件

基于 Simple算法，采用標準 k－e湍流模型[3]，風機筒入口采用質量流率入口，出口設置為壓力出口，空冷單元四周設為對稱邊界條件，蒸汽分配管壁面、風機出口周圍單元地面和風機筒壁設為絕熱壁面邊界條件，兩側散熱器區域采用多孔介質模型[4]。計算中假定風機為一個無限薄的平面，將其邊界設為風扇邊界?？绽鋯卧獰嶝摵?4.98 MW，空氣質量流率為530.9 kg/s，環境空氣溫度306 K，空冷平臺高度大氣壓為94 600 Pa?？諝馔ㄟ^風扇平面時壓升設為68 Pa。空氣與水霧的熱質交換視為等焓加濕過程[5]，夏季大氣平均相對濕度為66%，所有空氣達到飽和所需水量為1.206 2 kg/s。

采用離散相模型處理流場中液滴與空氣的熱質交換，風機出口周圍單元地面、兩側散熱器下部兩側面及空冷單元區域前后兩側面設為離散項逃離邊界條件，液滴到達這3個面和凝汽器出口兩個面時會逃離到外部而浪費掉。

1.3 求解方法

凝汽器管外吸熱量由3部分組成[6]，即空氣吸收的熱量、水溫度升高到凝汽器出口溫度所吸收的熱量和水蒸發吸收的有效熱量。由于水的比熱大概為空氣的4倍，便于計算，本文將1 kg水折算成4 kg空氣。

空氣和水吸收的熱量:

水蒸發吸收的有效熱量:

空冷凝汽器散熱量:

式中:cpa為空氣比熱;Ga，Gw分別為空氣和水的質量流量;a為在空冷單元外蒸發以及從單元逃逸出的水量占總水量的份額，即無效水量份額，通過跟蹤液滴軌跡可以求得;ta1，ta2分別為單元入口和出口空氣溫度;r為水汽化潛熱;Q為凝汽器散熱量。只有ta2為未知量，即可求出。

2 計算條件與求解分析

2.1 噴霧之前計算結果

單元內未布置噴嘴時 (Gw=0)，計算得ta2為334.03 K，與數值模擬得出的結果334.03 K完全相同，說明采用的數值計算模型是可靠的。

2.2 孔徑2.1 mm噴嘴縱向雙排布置方案噴嘴位置對計算結果的影響

本文選用普通工業實心錐噴嘴，噴嘴孔徑為2.1 mm，噴霧壓力為1.2 MPa，流量為0.123 33 kg/s，噴嘴個數取10個，縱向雙排布置。

2.2.1 噴嘴在z方向上的位置變化對計算結果的影響

固定噴嘴在y方向和x方向上的位置，所有噴嘴的布置高度取y=0.5 m(單元地面高度y=0 m)，在x方向上，噴嘴與噴嘴之間間距取1.8 m(x正負方向上對稱)，兩排噴嘴距離中心軸線最小距離為z=0.5 m(z正負方向上對稱)，并以0.5 m遞增至4 m，如圖2所示 (僅畫出了1 m，2 m，3 m，4 m 4個位置)，噴霧方向向下。噴嘴到中心軸線的距離對有效水份額、出口空氣溫度的影響如圖3、4所示。

由圖3、4可知，總體趨勢上，與中心軸線距離越大，即與散熱器距離越近，液滴的有效蒸發份額越小，同時凝汽器出口空氣溫度也越低。分析其原因為噴嘴距離散熱器越近，液滴在單元內的運行時間越短，在單元內未完全蒸發的液滴蒸發份額越小，在單元內完全蒸發的液滴蒸發總數量也會減小，總體上所有液滴蒸發成為水蒸氣的份額越小，從空氣中吸收的汽化潛熱越少，空氣溫度降低幅度越小;相反，噴嘴布置距離中心軸線越小，即與散熱器距離越遠，液滴在單元內運行時間越長，所有液滴蒸發成水蒸氣的份額越大，從空氣中吸收的汽化潛熱越大，空氣溫度降低幅度越大。但并不是距離中心軸線越近越好，如本文中最佳位置為z=1而不是z=0.5，原因是z=0.5時兩排噴嘴之間的距離太小，液滴分布過于密集。

2.2.2 噴嘴在y方向上的位置變化對計算結果的影響

在上述計算結果的基礎上，噴嘴布置在距離中心軸線1 m處，噴嘴布置高度分別取y=0.1 m，0.3 m，0.6 m，0.8 m，1.0 m，1.2 m，1.5 m，噴嘴孔徑、壓力、流量及噴霧方向與上述計算條件相同。噴嘴高度對有效水份額、出口空氣溫度的影響如圖5、6所示。

圖5 噴嘴高度對有效水份額的影響Fig.5 Impact of nozzle height on effective water share

比較各方案計算結果，可看到在總體趨勢上，隨布置高度的增加，有效水份額呈現逐漸減小的趨勢，原因是噴嘴布置位置越高，初始時刻液滴距離散熱器就越近，同上述z方向布置情況，液滴在單元內停留時間縮短，所有液滴蒸發成水蒸氣的份額越小，但也并不是與單元地面的距離越小越好，因為這一距離越小，落到風機出口周圍地面及單元區域前后兩個對稱面的液滴越多，這部分液滴不會進入到空氣中與空氣發生熱濕交換，因而空氣溫度降低幅度變小。

圖6 噴嘴布置高度對出口空氣溫度的影響Fig.6 Impact of nozzle height on outlet air temperature

2.2.3 噴嘴在x方向上的位置變化對計算結果的影響

在上述計算結果的基礎上，將噴嘴布置在距離中心軸線1 m處，布置高度y=0.5 m，x方向上噴嘴之間的布置距離分別取1.2 m，1.4 m，1.6 m，1.8 m，2.0 m，2.2 m，2.4 m，其對噴霧有效水份額和凝汽器出口空氣溫度的影響如圖7、8所示。

圖7 噴嘴間距對有效水份額的影響Fig.7 Impact of distance between nozzles on effective water share

圖8 噴嘴間距對出口溫度的影響Fig.8 Impact of distance between nozzles on effective water share

由圖7、8可知，隨著x方向上噴嘴間距的增加，液滴蒸發有效水份額先增加后減小，分析其原因為剛開始隨著噴嘴間距的增加，液滴的分布和蒸發空間增加，液滴越容易蒸發，該間距為2 m時液滴蒸發有效份額最大，超過2 m時，由于最外邊兩個噴嘴在x－z平面內到達風機出口外緣，所受風的浮力降低，從液滴跟蹤結果得知落到單元地面的液滴質量增加，并且從單元區域前后兩個側面逃離到單元外部的液滴質量也開始大幅度增加，兩方面使液滴未進入到空氣與之發生熱濕交換的份額增加。

3 噴霧前后散熱器出口平面溫度等值線分布對比

分別截取噴霧前和噴霧后 (噴嘴高度y=0.5 m，z方向上噴嘴與中心軸線距離1 m，x方向上噴嘴間距2 m)左側散熱器出口面溫度等值線圖，如圖9、10所示。

從圖中可看到，噴霧后散熱器出口面大部分區域溫度有不同程度的下降，在噴嘴上方區域及其周圍溫度大幅度下降。

4 結論

(1)安裝噴霧增濕系統可顯著降低凝汽器出口空氣溫度，本文得到的最大降溫幅度為5.25 K。

(2)通過以上計算及結果分析可以得到，在z，y方向上，在噴嘴布置不能太密集及噴嘴高度不能太低的前提下，噴嘴距離散熱器越遠，液滴在單元內運行時間越長，蒸發份額越大，散熱器出口溫度越低。在x方向上，噴嘴之間的距離太小會影響液滴蒸發空間;距離太大會使掉落到地面和逃離到外部的液滴數量增加，使空氣降溫幅度減小。