燃煤发电直接空冷系统性能强化及运行优化研究

发布时间：2020-06-13 11:42

【摘要】：空冷技术由于其优越的节水能力,是我国富煤缺水地区火力发电的常规冷却手段。直接空冷系统采用机械通风强迫对流方式实现冷却空气和汽轮机排汽的直接热量交换。由于以空气作为冷却介质,因此直接空冷系统极易受到环境因素影响,如环境温度和环境风。本文将对极端环境下空冷凝汽器流动换热特性进行研究,包括夏季高温工况和冬季供热工况。在夏季高温天气空冷凝汽器的高背压现象是一个常见问题。对于空冷凝汽器,蛇形翅片扁平管是关键的换热元件。通过可视化热态风洞实验,对蛇形翅片扁平管的喷雾冷却机理进行研究,并使用红外热像仪测量翅片表面温度分布。喷雾冷却的强化传热机理包括两部分,液滴群蒸发预冷空气以及换热表面液膜蒸发。实验结果表明,空气冷却效率随风速增加而逐渐降低,随喷水量增加而增加。在空气雷诺数Re范围210～680,获得了喷雾工况下对流换热经验关联式。和未喷雾工况相比,三种喷水量下的努塞尔数Nu分别增加48%,56%和68%。此外,实验还定量评估了液滴群蒸发预冷空气和表面液膜蒸发两种机理的相对贡献,发现当雷诺数Re约为500时二者基本相等。实验结果为空冷凝汽器喷雾冷却技术优化提供了重要的参考依据。为进一步研究喷雾冷却强化翅片管换热机理,以单个翅片单元作为物理模型,通过数值模拟的方法对液滴群在翅片间运动蒸发以及形成液膜蒸发的过程进行分析。结果表明,喷雾冷却能够有效降低翅片表面温度并提高对流换热系数。喷水量的增加对强化换热能力提升有限。液滴粒径和迎面风速对液滴群扩散影响显著,从而改变管壁降温效果。在实际运行中应选择合适的液滴粒径,粒径过小虽有利于液滴群扩散,但部分液滴穿出翅片区域而未被利用。而粒径过大使得液滴群不能充分扩散,只有部分翅片区域受液滴和液膜蒸发影响,使得整体强化换热效果不佳。采用数值模拟的方法,以300 MW直接空冷机组单个空冷单元为研究对象,深入研究空冷单元内喷雾冷却系统的流动换热性能,并进行了实验验证。根据空冷单元内流场分析,提出了一种改进型喷嘴布置方案以提高喷雾冷却性能,并与原有布置方案比较了入口空气温度和汽轮机背压。喷水量可以分为三部分,包括液滴群在空气中预冷蒸发水量、翅片管束表面液膜蒸发水量,以及未完全蒸发而被排出的多余水量。通过数值模拟研究,获得了喷水量,喷射力方向和喷嘴间距对冷却性能的影响。结果表明,改进型喷嘴布置方案可显著提高冷却性能并可大幅降低汽轮机背压。对于实际空冷单元,喷雾系统可采用向上喷射,喷嘴间距0.8 m的改进型布置方案。此外,不同环境工况下的多余水量为最优喷水量的确定提供了依据。在冬季热电联产是一种主要的供热方式,汽轮机排汽可直接为供热热网提供热源,同时多余的蒸汽进入到直接空冷系统进行冷却。对于热电联产机组,进入到空冷岛的蒸汽量减少,导致部分风机只需要低速运行甚至停运。本文采用数值模拟的方法,对300 MW热电联产机组的空冷系统环境风效应进行了研究,并进行了实验验证。在冬季严寒工况热电联产机组只有部分空冷凝汽器在运行。为了研究空冷岛的流场和温度场,建立了物理和数学模型,并考虑了轴流风机全停时的自然对流,获得了不同环境风向风速下的空冷凝汽器换热量。结果表明,由环境风引起的热风回流和空气倒灌对空冷凝汽器换热影响十分明显。然而,与常规发电机组不同,热电联产机组空冷凝汽器换热量可能会因为风机全停下的空气倒灌而增加。此外,基于空冷岛流场和温度场分析,针对环境风下部分负荷热电联产机组进行运行方案研究。为保证热网供热安全以及热电联产机组经济运行,提出了不同环境工况下的空冷系统最优运行方案以及具体的轴流风机旋转速度。
【图文】：

示意图,直接空冷系统,机械通风,示意图

空冷系统的主要特点是初投资较低，占地面积小，受环境风影响严重，背压浮动大逡逑［３］。如图１－２所示，直接空冷系统通过强迫对流方式将汽轮机排汽与冷却空气进行逡逑直接换热。目前大型直接空冷系统主要布置在紧靠汽轮机厂房Ａ列柱外侧的独立高逡逑架平台上，被称为空冷岛。空冷凝气器一般由多个空冷单元呈矩形阵列布置。空冷逡逑单元为“Ａ”字型结构，主要由６０°夹角的屋顶状翅片管束以及轴流风机构成。空冷逡逑单元又分为顺流冷却单元（也称为顺流凝汽器）和逆流空冷单元（也称逆流凝汽器）逡逑两种类型，如图１－２所示。逡逑逦顺流单元逡逑ｍｍｍ逦／ｊ逦逆流单元逡逑，／＼逦，邋ｗ邋不凝结气体逡逑\卿神：逡逑＿？去凝结水箱逡逑ｙｉ邋＼邋ｙｊ逦ｘ－ｉ逡逑主蒸汽管道邋／邋＼ｘ邋ｉ＾＼Ｎ逡逑蒸汽邋ｔ＾＼逡逑凝结水ｍＨ逡逑不凝结气体逡逑图１－２机械通风直接空冷系统示意图｜４］逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｆｏｒｃｅｄ邋ｄｒａｆｔ邋ｄｉｒｅｃｔ邋ｄｒｙ邋ｃｏｏｌｉｎｇ邋ｓｙｓｔｅｍ逡逑目前电站直接空冷系统主要采用的单排蛇形翅片扁平管由钢制扁平芯管和钎逡逑焊硅铝合金蛇形翅片组成，如图１－３所示，通过管外空气对流带走管内蒸汽凝结潜逡逑热。逡逑空冷凝汽器直接使用环境空气作为冷却介质，因此其换热性能受到冷却空气千逡逑球温度的影响较大［５］。在我国直接空冷系统主要使用于北方地区，而这些地区的全逡逑年环境气温变化很大

示意图,扁平管,翅片,翅片管束

图２－４液滴索特平均直径和喷水量随喷嘴压力的变化逡逑Ｆｉｇ．２－４邋Ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ邋ｏｆ邋ｍｅａｎ邋Ｓａｕｔｅｒ邋ｄｉａｍｅｔｅｒ邋ａｎｄ邋ｗａｔｅｒ邋ｆｌｏｗ邋ｒａｔｅ邋ｗｉｔｈ邋ｗａｔｅｒ邋ｆｅｅｄ邋ｐｒｅｓｓｕｒｅ逡逑入口空气速度通过热线风速仪（ＣＴＡ）测量。如图２－２所示，，入口空气温度由逡逑５个Ｔ型热电偶测量，蛇形翅片扁平管的迎、背风面空气温度分别由９个Ｔ型热电逡逑偶测量，它们都均匀布置在相应截面处，最后通过计算各测点平均值作为截面处的逡逑平均温度。入口空气温度测点距离翅片管０．８邋ｍ，翅片管束迎、背风面空气温度测逡逑点分别距离翅片管0．0３ｍ。喷嘴位于翅片管束上游０．２８邋ｍ处。如图２－３所示，每根逡逑翅片管的迎风面和背风面表面都布置了温度测点。所有热电偶都作了保护处理以避逡逑免液滴触碰到测温探头。测量的温度通过Ａｇｉｌｅｎｔ数据采集器采集并上传到电脑。逡逑实验段入口以及翅片管束背风面的空气相对湿度由湿度计测量。由于翅片管束迎风逡逑１４逡逑
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM621

【参考文献】