自然通风空冷系统防冻高效运行技术研究

发布时间：2020-11-02 15:33

　　 我国北方地区富煤缺水,电站空冷技术得到了迅速发展。自然通风空冷系统冬季低温运行时,空冷散热器内循环水极易发生冻结,导致翅片管束遭受破坏,使间接空冷机组的安全运行面临严峻考验。但目前国内外研究缺乏对高寒环境下自然通风空冷系统热力性能变化规律的深入揭示,导致空冷机组现有的防冻措施更多依赖于经验背压控制策略,使得冬季机组运行背压偏高,发电热效率下降。本文以高寒地区空冷散热器防冻运行为对象,开展自然通风空冷系统防冻理论、防冻方法和应对措施研究,为空冷电站冬季安全高效运行提供重要的理论和实践指导。首先,本文根据汽轮机排汽、循环水,以及环境空气的热负荷匹配原则,建立了凝汽器/自然通风空冷系统热力耦合模型。分析了低温环境下自然通风空冷系统的流动换热特性,揭示了不同循环水流量下空冷散热器扇区和散热器单元的循环水出口水温变化规律,发现了低温环境下存在潜在冻结风险的空冷扇区内散热器单元的分布特性,获得了不同环境气象条件下空冷扇区防冻流量,分析了各扇区循环水流量再分配对自然通风空冷系统防冻及经济运行的影响。研究表明:通过增加循环水流量,迎风扇区只在低风速条件下脱离冻结危险,高风速下翅片管束仍处于严重冻结状态,侧前风扇区和背风扇区的冻结危险全部解除,说明通过强化空冷散热器水侧热负荷可达到防冻目的。低风速时不应过多降低侧风及侧后风扇区循环水流量,以免在环境温度降低时发生冻结危险;然而在高风速下,侧风及侧后风扇区在循环水流量大幅削减时仍具有较高的防冻能力。可见,循环水流量再分配应遵循“低风速时适度提高迎风扇区且适度降低侧风及侧后风扇区水侧流量,高风速时尽可能增加迎风扇区而降低侧风及侧后风扇区水侧流量”的运行调整策略。通过采取适当的循环水流量再分配措施,可在均衡扇区防冻能力前提下提升自然通风空冷系统的冷却效率。其次,考察了空冷散热器传热面积递减,即扇区解列对自然通风空冷系统防冻运行的影响。通过建立不同扇区的轮换解列模型,对比了全扇区运行和某扇区停运时空冷散热器各扇区和散热器单元的输运性能及循环水出水温度。结果表明,在防冻前提下,无风时可适当降低空冷散热器的入口水温以提升机组运行的经济性。然而在环境风场作用下,运行扇区的空气侧冷却能力呈现非均匀分布,此时需提升空冷散热器的入口水温来强化水侧热负荷,从而实现与最高的空气侧冷却能力相匹配。实施扇区解列可有效增加水侧热负荷以使空冷散热器具备防冻能力,并且当迎风扇区退出运行时,空冷散热器所需的水侧防冻热负荷降至最低。此外,扇区解列前后,侧风及侧后风扇区均无潜在的冻结危险。扇区解列降低了汽轮机背压,实现了冷端系统的经济防冻运行。最后,在现有空冷机组冬季经验性防冻运行方式的基础上,本文提出了空冷散热器水侧流量和百叶窗开度的协同调控原则。通过建立实际可行的防冻策略模型,得到了空冷扇区在不同环境温度、不同环境风速下的防冻流量和百叶窗开度,用以指导机组在冬季的安全运行。同时,针对汽轮机的阻塞背压运行工况,本文研究了空冷机组在冬季的最优防冻运行方式。研究表明,当冬季气温不是很低时,应充分利用空冷塔的抽吸能力,使百叶窗处于全开状态以实现机组的经济运行。若在环境风场影响下某扇区的空气侧冷却能力超过水侧最高热负荷时,可通过单独增加循环水流量来有效地脱离冻结危险。当冬季气温很低时,应优先调低空冷散热器单元外的百叶窗开度来迅速降低空气的冷却能力,使之低于循环水的最大热负荷,从而实现自然通风空冷系统的防冻运行。当环境温度在-5℃和-10℃之间波动时,汽轮机的排汽背压不应低于防冻背压;当环境温度在-15℃和-30℃之间波动时,机组可在汽轮机的阻塞背压工况下运行,从而达到最优的防冻运行状态。
【学位单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM621
【部分图文】：

华北电力大学博士学位论文??第２章自然通风空冷系统的防冻研究方法??２．１物理模型??本文研究对象面向电站典型自然通风空冷系统，如图２－１所示，其主要结??构包括双曲线型混凝土塔体和大型空冷散热器。在实际运行中，空冷散热器通??常划分为］〇个扇区来控制循环水分配，由于其几何对称性，本文采用１号至５??号扇区做为数值模拟研究对象。另外，本文所建立的空冷机组模型几何尺寸，??列于表２－１中。??

ｌｌ?Ｘ?Ｐｚｚ＇ｄｘｄｙ＼??ｉ＇?ｌｌ＇Ｌ＾??图２－３散热器微元的输运过程??Ｆｉｇ．?２－３?Ｆｌｏｗ?ａｎｄ?ｈｅａｔ?ｔｒａｎｓｆｅｒ?ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ?ｏｆ?ｍａｃｒｏｓ?ｉｎ?ｈｅａｔ?ｅｘｃｈａｎｇｅｒ?ｃｏｌｕｍｎｓ??２．４计算域网格划分及边界条件??图２－４所示为自然通风空冷系统数值模型计算域及边界条件。以６００ＭＷ空??冷机组为例，其半塔模型计算域为２０００ｍｘｌ０００ｍｘ?１０００ｍ，为优化大尺度模型??的数值计算过程，本文采用区块化网格划分技术。位于模型中心的换热器和空??冷塔区域采用六面体网格划分，而外围矩形区域则采用六面体／散热器单元网格??划分，为更准确地呈现空冷散热器附近冷却空气的流动换热特性，在散热器附??近实施网格改善技术。最终所示计算域网格数量为３，９９２，７３１。??当存在环境风效应时，计算域迎风面设置为速度进口边界条件，横向风速??ｋ为关于高度ｚ（ｍ）的幂次函数：??１５??

２．５实验验证??２．５．１翅片管束风洞实验??空冷电站散热器通常使用开槽错列翅片管束，如上述图２－２及表２－２－所示。??为评估所选翅片管束的流动换热性能，常采用风洞实验来测量管束的阻力系数??和努塞尔数，并与数值模拟计算结果进行对比，如图２－５所示。??图２－５左侧为实验系统组成及各测点布置。实验系统由水侧和空气侧子系??统构成，测试段横截面尺寸和长度分别为５００＞＜７００ｍｍ、１０００ｍｍ。水侧子系统??采用精度为±〇．５°Ｃ的恒温水浴来控制入口水温保持为６０°Ｃ；采用精度为０．５％??的涡流流量计来控制水侧流量保持为〇．６９４ｋｇ／ｓ。空气侧子系统在测试段进、出??口各安装６个精度为±０．１°Ｃ的Ｔ型热电偶来测量冷却空气的进、出口温度；采??用精度为±２％的热线风速仪来控制空气流速在［０．５ｍ／ｓ，?５ｍ／ｓ］变化以实现流量控??制；在测试段进、出口中心位置安装精度为＝ｔ〇．１５Ｐａ皮托管来测量冷却空气的进、??１６??
【参考文献】

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本文编号：2867228