直接空冷凝汽器噴霧增濕系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

周蘭欣, 張 情, 李衛(wèi)華

(華北電力大學(xué) 電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點實驗室,保定071003)

目前,針對直接空冷機組夏季高背壓、低出力問 題,國內(nèi)大多數(shù)電廠普遍采用在空冷凝汽器的每個單元設(shè)置噴霧增濕系統(tǒng).實際運行表明,該方式可使真空提高4.5 k Pa左右,但在噴霧過程中,空冷凝汽器內(nèi)普遍存在大量淋水的現(xiàn)象,這主要是由于水霧在空冷單元分布不均及噴水量過多導(dǎo)致的.因噴霧增濕系統(tǒng)的布置方式不同,機組真空提高的幅度也不同,因此改善噴霧增濕系統(tǒng)的布置,機組真空的提高還有較大的裕度.所以,合理布置噴霧增濕系統(tǒng)尤為重要.

國外,T.A.Conradie和D.G.Kroger對噴霧增濕改善空冷凝汽器性能進行了試驗研究[1],國內(nèi)科研人員通過數(shù)值模擬證明了在空冷單元內(nèi)噴霧增濕的有效性[1-3],但對噴霧增濕系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究尚未見報道.對噴霧增濕系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,增加水霧在空冷凝汽器內(nèi)的均勻充滿度,進一步提高機組真空是目前工程中亟待解決的問題.筆者通過數(shù)值模擬的方法提出了噴霧增濕系統(tǒng)的最佳布置方式,提高了水霧在空冷凝汽器內(nèi)的均勻充滿度,從而有效地提高了機組真空.

1 噴霧增濕系統(tǒng)的原理與組成

在空冷單元內(nèi)安裝噴霧強化傳熱系統(tǒng),壓力水通過噴嘴以一定的噴射角向其周圍噴射出細小顆粒的霧狀水滴,與風(fēng)機出口的空氣接觸混合,經(jīng)過傳熱、傳質(zhì),形成氣、汽和水的混合物.水在蒸發(fā)的過程中會吸收很大的汽化潛熱,可有效地降低通過翅片管的冷卻空氣溫度,而部分未蒸發(fā)的水霧借助風(fēng)力在通過翅片管時還會起到強化傳熱的效果.噴霧強化傳熱系統(tǒng)的效果與噴霧的強度及均勻程度有關(guān),選取合理的噴嘴型式、噴霧壓力、噴嘴孔徑、噴霧方向及噴霧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是優(yōu)化的關(guān)鍵.圖1為直接空冷機組噴霧增濕系統(tǒng)示意圖.

圖1 直接空冷機組噴霧增濕系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of the spray humidification system for a direct air-cooling unit

2 凝汽器的單元模型

2.1 幾何模型與邊界條件

以單個空冷單元(圖1)作為研究對象,空冷單元尺寸為10 m×10 m×10 m,計算區(qū)域為12 m×10 m×20 m,網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,總的網(wǎng)格數(shù)為41.25萬個.圖2為單個空冷單元的計算區(qū)域和網(wǎng)絡(luò).

圖2 單個空冷單元的計算區(qū)域和網(wǎng)格Fig.2 Computational domain and the grid division of a air-cooling unit

空冷散熱器采用多孔介質(zhì)模型[4],單元模型頂部作為壓力出口邊界,在確定出口壓力時應(yīng)考慮大氣壓差.在不考慮橫向風(fēng)影響時,單元模型四周均設(shè)置為對稱邊界條件.風(fēng)機進口設(shè)置為進氣扇(fan)邊界條件,在計算中,這個風(fēng)機進口被看成無限薄的壓力躍遷面.

2.2 數(shù)學(xué)模型

當(dāng)不考慮空冷單元周邊環(huán)境風(fēng)速影響時,空冷單元周圍的大氣運動可認為是不可壓縮的定常流動,采用以下控制方程.

連續(xù)性方程

動量守恒方程

本構(gòu)方程

標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型

能量方程

式中:ρ為空氣密度,kg/m;u、v均為速度,m/s;p為壓強,Pa;μ為流體的動力黏性系數(shù),Pa·s;εij為應(yīng)變率張量;t為時間,s;T為溫度,K;E為流體內(nèi)能,J;q為單位面積熱流量;τij為應(yīng)力張量;δij為克羅內(nèi)克符號;下標(biāo)i,j,k分別取1,2,3.

3 數(shù)值求解與結(jié)果分析

對霧滴的求解采用Fluent中的離散相模型進行,其與空氣的熱濕作用通過耦合求解計算,由拉格朗日法計算其軌跡.

本文在壓力為92.9 kPa、干球溫度為32℃、濕度為76%的空氣工況下進行模擬計算.由濕空氣的h-d圖可以查得:1 kg空氣達到濕飽和狀態(tài)時最大的吸水量為1.7 g/kg,空冷風(fēng)機全速運行時的風(fēng)量為428 m3/s,總的噴水量為0.799 kg/s.

根據(jù)直接空冷凝汽器的熱平衡方程理論得到空冷凝汽器的凝結(jié)溫度tn,其求取的關(guān)鍵在于總傳熱系數(shù)K,而管內(nèi)蒸汽流速、管內(nèi)外污垢熱阻、管壁導(dǎo)熱系數(shù)、迎面風(fēng)速及環(huán)境溫度等很多因素都是K的影響因素,K的計算可參考文獻[3],并根據(jù)空冷凝汽器的凝結(jié)水溫度tn獲得空冷凝汽器壓力[5-8].

凝汽器壓力計算的基準(zhǔn)是在夏季工況下,排汽熱負荷為790 MW、空冷單元未噴霧前的凝汽器壓力為29.05 kPa.

3.1 噴嘴高度對噴霧增濕效果的影響

以對稱的方式分別將噴嘴距風(fēng)機棧橋中心線3 m、3.5 m、4 m及4.5 m處進行布置,并分別定義為方案1、方案2、方案3及方案4.圖3為噴嘴布置示意圖.噴嘴[9]孔徑為1.0 mm,噴霧壓力為1 MPa,噴嘴流量為0.041 kg/s,噴霧方向為在xy平面內(nèi)與y軸正向夾角為135°.

圖3 噴嘴布置示意圖(單位:mm)Fig.3 Schematic of the nozzle layout(unit:mm)

針對上述4種噴嘴布置方案,分別模擬了5種噴嘴高度(以空冷平臺為基準(zhǔn))的空氣流場,經(jīng)計算得出幾種方案在不同噴嘴高度下的凝汽器壓力.圖4為噴嘴高度對凝汽器壓力的影響.由圖4可看出:在方案3(噴嘴距風(fēng)機棧橋中心線4 m處)的布置方式下,當(dāng)噴嘴高度為0.3 m時,噴霧增濕效果最好,此時凝汽器壓力為22.93 k Pa,比噴霧前降低了6.02 kPa.

圖4 噴嘴高度對凝汽器壓力的影響Fig.4 Influence of nozzle height on the condenser pressure

3.2 噴霧方向?qū)婌F增濕效果的影響

基于圖4所得結(jié)果,在方案3布置方式下,選取高度為0.3 m,改變噴霧方向角度(在xy平面內(nèi)與y軸成正向夾角)進行了模擬.圖5為噴霧方向角度對凝汽器壓力的影響.

由圖5可知:噴霧方向在xy平面內(nèi)與y軸正方向夾角為120°時,噴霧增濕效果最好,此時凝汽器壓力為22.9 k Pa,比噴霧前降低了6.15 kPa.

3.3 噴嘴孔徑和噴霧壓力對噴霧增濕效果的影響

在方案3布置方式下,選取高度為0.3 m,噴霧方向為在xy平面內(nèi)與y軸正方向夾角為120°時,改變噴嘴的壓力及孔徑d進行了模擬.圖6為噴嘴孔徑與壓力對凝汽器壓力的影響.由圖6可知:當(dāng)噴嘴孔徑不變時,噴霧壓力越大,水滴的霧化程度越高,噴霧增濕效果越好,凝汽器壓力越低;當(dāng)噴霧壓力不變時,噴嘴孔徑越小,霧滴的粒徑分布越窄,越有利于噴霧增濕和真空的提高.

圖5 噴霧方向角度對凝汽器壓力的影響Fig.5 Influence of spray direction angle on the condenser pressure

圖6 噴嘴孔徑與壓力對凝汽器壓力的影響Fig.6 Influence of both nozzle size and pressure on the condenser pressure

當(dāng)噴嘴孔徑為0.4 mm、噴霧壓力為1.2 MPa時,噴霧增濕效果比其他情況都好,凝汽器壓力為20.21 kPa,比噴霧前降低了8.84 k Pa.

圖7為散熱器外表面溫度分布云圖.從圖7可知:噴霧前空冷散熱器外表面的溫度分布為330～341 K,噴霧后其溫度分布在295～340 K,經(jīng)統(tǒng)計,平均溫度比噴霧前降低了7.9 K.

4 結(jié) 論

(1)當(dāng)噴嘴孔徑越小、噴嘴流量越少時,空冷單元內(nèi)所需要的噴嘴數(shù)就越多,且霧滴霧化的細度越小,越有利于霧滴的均勻分布及其在空冷單元內(nèi)的充滿度,對噴霧增濕的效果越明顯.

(2)當(dāng)噴嘴孔徑為0.4 mm、噴霧壓力為1.2 MPa、噴嘴以對稱方式距風(fēng)機棧橋中心線4 m、噴嘴高度為0.3 m及噴霧方向在xy平面內(nèi)與y軸正方向夾角為120°時,凝汽器壓力降幅最大,比噴霧前降低了8.84 kPa.

圖7 散熱器外表面的溫度分布云圖Fig.7 Temperature distribution on outer surface of radiator

(3)凝汽器真空的微小變化對機組功率與熱經(jīng)濟指標(biāo)的影響都非常大.應(yīng)用噴霧增濕來提高機組真空比采用其他提高真空的方法效果更顯著,因此探索更經(jīng)濟、更有效的噴霧增濕系統(tǒng)十分必要.

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