循環水不平衡對間接空冷系統防凍性能影響的研究

秦永博

上海電氣電站工程公司 上海 201100

1 研究背景

近年來,間接空冷技術在我國得到了飛速發展,但是對于間接空冷防凍的研究還比較少,防凍因素的復雜性給間接空冷系統防凍的研究帶來了很多困難[1-2]。就我國而言,間接空冷防凍研究主要從已運行電廠實際入手,結合基礎理論和數值模擬給出實際電廠在冬季低溫條件下的運行方式。通過電廠運行實際調研發現,空冷塔散熱器在凍裂之后修復難度大,需要消耗人力、物力和財力,修復周期長,會造成大量直接和間接經濟損失[3-5]。

筆者從電站空冷散熱器的工作原理入手,在冬季條件下,關閉不同扇段位置,研究循環水量不均勻,即循環水不平衡對空冷塔散熱器的影響,這對于間接空冷系統散熱器的防凍具有指導意義。垂直布置散熱器水路有兩種形式,分別為散熱器順流和散熱器逆流。在冬季低溫時,可以通過雙回程順流來保證較高的出水溫度。雙回程布置可以提高管內水流量分配的均勻性,進而提高垂直間接空冷系統防凍的能力[6-7]。

2 間接空冷系統流體計算

間接空冷系統流體可以采用標準k-ε湍流模型進行模擬計算,這種方法在邊界層流動、管內流動、自由剪切流動、有回流流動等問題中已經得到很好的應用,具有穩定、簡單的特點,在較大范圍內具有足夠的精度。標準k-ε湍流模型引入湍流動能k和湍流耗散率ε兩個參數,可以將湍流黏度μt變換為這兩個參數的函數形式[8-9]:

μt=ρCμk2/ε

(1)

式中:ρ為流體密度;Cμ為通過水和空氣的基礎剪切流試驗得到的經驗常數,通常取0.09。

3 間接空冷系統建模

某電廠兩臺600 MW空冷機組一機一塔垂直布置空冷塔,結構參數見表1。為了獲取并分析計算結果,將垂直空冷系統按照塔外側空冷散熱器的布置方式建立與表1結構數據相一致的獨立散熱器單元,這一散熱器單元采用鋁管鋁翅片四排管垂直布置。為便于計算分析,將一周平均分為10個扇段,每36°設立一個扇段,如圖1所示,從右側開始逆時針命名為扇段1、扇段2、扇段3、……、扇段10。

表1 垂直布置空冷塔結構參數

圖1 扇段設置

在低溫條件下,關閉不同扇段進行分析。借助數值模擬軟件,對間接空冷系統循環水進行實體建模。在分析中,只考慮各扇段的總進水量,對散熱器管束進行簡化,間接空冷系統循環水簡化模型如圖2所示。

圖2 循環水簡化模型

4 關閉扇段影響研究

根據項目可研報告及歷年氣象資料,研究所在地冬季年平均溫度為-15 ℃。按照冬季電廠空冷系統比較常見的兩種形式運行[10],進行對比分析計算。第一種形式為只開啟扇段4、扇段8、扇段10,第二種形式為只開啟扇段3、扇段5、扇段10。循環水量采用總水量的1/2,即16 156.71 kg/s,風向為45°。扇段開啟形式如圖3所示。

圖3 扇段開啟形式

4.1 第一種形式

第一種形式為關閉空冷塔的側向迎風扇段和側向背風扇段,通過循環水不平衡和平衡時的出水溫度,求出循環水不平衡對防凍的影響。通過對循環水數值模擬,求出第一種形式各扇段的循環水流量,如圖4所示。

圖4 第一種形式各扇段循環水流量

第一種形式各扇段循環水流量的不平衡率見表2。由表2可以看出,最大循環水流量差異性發生在扇段10,不平衡率為8.6%,最小循環水流量差異性發生在扇段4,不平衡率為-3.4%。第一種形式循環水流量差異性較小,有利于空冷塔防凍。第一種形式循環水壓力云圖如圖5所示,可以看出各扇段管路壓力相對均勻,流量分配相對平均。第一種形式空冷塔空氣流場速度矢量圖如圖6所示,可以看出塔內流場渦流少,氣流偏移小,對整個塔內的空氣流動是有利的。

表2 第一種形式各扇段循環水流量不平衡率

圖5 第一種形式循環水壓力云圖

圖6 第一種形式空冷塔空氣流場速度矢量圖

4.2 第二種形式

第二種形式同樣關閉空冷塔的側向迎風扇段和側向背風扇段,分析原理與第一種形式相同。通過對循環水數值模擬,求出第二種形式各扇段的循環水流量,如圖7所示。

圖7 第二種形式各扇段循環水流量

第二種形式各扇段循環水流量的不平衡率見表3。由表3可以看出,各扇段循環水流量的差異性比較大,最大循環水流量差異性發生在扇段10,不平衡率為18.1%,最小循環水流量差異性發生在扇段3,不平衡率為-8.2%。扇段10處于另一根支管上,且離總入口最近,導致扇段10循環水流量增大。第二種形式循環水壓力云圖如圖8所示,可以看出各扇段管路壓力不均勻度較大。第二種形式空冷塔空氣流場速度矢量圖如圖9所示,可以看出塔內流場渦流大,氣流偏移相對嚴重。

圖8 第二種形式循環水系統壓力云圖

圖9 第二種形式空冷塔空氣流場速度矢量圖

表3 第二種形式各扇段循環水流量不平衡率

4.3 對比分析

分析數據匯總見表4。

表4 分析數據匯總

從扇段管內水量分配均勻性的角度看,第一種形式管內水量分配比較均勻,最大循環水流量不平衡率為8.6%,第二種形式最大循環水流量不平衡率超過15%。

從各個扇段出水溫度的變化來看,第二種形式除流量大的扇段外,其它扇段的出水溫度由于循環水流量不均勻都得到降低。第二種形式水溫最大降低0.62 K,最小降低0.5 K。第一種形式水溫最大降低0.3 K,最小降低0.18 K,降低程度比第二種形式小。

從外部流場來看,兩種形式由于開啟的扇段數量較少,流場都存在渦流和偏移,其中第一種形式空冷塔內的渦流及氣流偏移相對較小,更有利于流場流動。

由以上分析得出,宜采用第一種形式,開啟扇段4、扇段8、扇段10來進行間接空冷系統的防凍。

5 結束語

筆者研究循環水不平衡對間接空冷系統防凍性能的影響。由于分配不均勻所產生的循環水流量變化會影響扇段的傳熱系數,進而對扇段的散熱量及通風量產生影響。扇段出水溫度的變化是扇段循環水流量不平衡和扇段風量變化綜合作用的結果。

在冬季低溫條件下,為保證間接空冷系統的防凍要求,在關閉扇段的選擇上,應優先關閉迎風側及背風側扇段,這樣可以在最大程度上減小循環水流量不均勻性產生的影響,并保證冬季最低出水溫度的要求。