劉彥豐,張京衛(wèi),李宏偉
(華北電力大學(xué) 能源動力與機械工程學(xué)院,河北 保定 071003)
空冷凝汽器中蒸汽直接由環(huán)境空氣進行冷凝,因此環(huán)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(fā)電效益。通過安裝噴霧增濕系統(tǒng)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(fā)電煤耗,提高經(jīng)濟效益[1],但水滴并沒有在空冷單元內(nèi)完全蒸發(fā),一部分會穿過散熱器翅片管逃離到單元外部繼續(xù)蒸發(fā),該部分水滴由于蒸發(fā)過程中不再吸收單元內(nèi)部空氣濕熱,對單元內(nèi)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(nèi)部蒸發(fā)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(yīng)用到現(xiàn)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(guān)于噴嘴布置位置的變化規(guī)律,得出了使散熱器出口空氣溫度最低的噴嘴布置位置。
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(qū)域高度為24.266 5 m,網(wǎng)格劃分采用混合網(wǎng)格,網(wǎng)格總數(shù)為411 514個,如圖1所示。
圖1 計算模型網(wǎng)格劃分Fig.1 Mesh division of the computational model
基于 Simple算法,采用標(biāo)準(zhǔn) k-e湍流模型[3],風(fēng)機筒入口采用質(zhì)量流率入口,出口設(shè)置為壓力出口,空冷單元四周設(shè)為對稱邊界條件,蒸汽分配管壁面、風(fēng)機出口周圍單元地面和風(fēng)機筒壁設(shè)為絕熱壁面邊界條件,兩側(cè)散熱器區(qū)域采用多孔介質(zhì)模型[4]。計算中假定風(fēng)機為一個無限薄的平面,將其邊界設(shè)為風(fēng)扇邊界??绽鋯卧獰嶝摵?4.98 MW,空氣質(zhì)量流率為530.9 kg/s,環(huán)境空氣溫度306 K,空冷平臺高度大氣壓為94 600 Pa??諝馔ㄟ^風(fēng)扇平面時壓升設(shè)為68 Pa??諝馀c水霧的熱質(zhì)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(zhì)交換,風(fēng)機出口周圍單元地面、兩側(cè)散熱器下部兩側(cè)面及空冷單元區(qū)域前后兩側(cè)面設(shè)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。
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(fā)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(fā)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(zhì)量流量;a為在空冷單元外蒸發(fā)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。
單元內(nèi)未布置噴嘴時 (Gw=0),計算得ta2為334.03 K,與數(shù)值模擬得出的結(jié)果334.03 K完全相同,說明采用的數(shù)值計算模型是可靠的。
本文選用普通工業(yè)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(shù)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(jié)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(fā)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(nèi)的運行時間越短,在單元內(nèi)未完全蒸發(fā)的液滴蒸發(fā)份額越小,在單元內(nèi)完全蒸發(fā)的液滴蒸發(fā)總數(shù)量也會減小,總體上所有液滴蒸發(fā)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(nèi)運行時間越長,所有液滴蒸發(fā)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(jié)果的影響
在上述計算結(jié)果的基礎(chǔ)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(jié)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(xiàn)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(nèi)停留時間縮短,所有液滴蒸發(fā)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(fēng)機出口周圍地面及單元區(qū)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(fā)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(jié)果的影響
在上述計算結(jié)果的基礎(chǔ)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(fā)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(fā)空間增加,液滴越容易蒸發(fā),該間距為2 m時液滴蒸發(fā)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(nèi)到達風(fēng)機出口外緣,所受風(fēng)的浮力降低,從液滴跟蹤結(jié)果得知落到單元地面的液滴質(zhì)量增加,并且從單元區(qū)域前后兩個側(cè)面逃離到單元外部的液滴質(zhì)量也開始大幅度增加,兩方面使液滴未進入到空氣與之發(fā)生熱濕交換的份額增加。
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(cè)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(qū)域溫度有不同程度的下降,在噴嘴上方區(qū)域及其周圍溫度大幅度下降。
(1)安裝噴霧增濕系統(tǒng)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(jié)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(nèi)運行時間越長,蒸發(fā)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(fā)空間;距離太大會使掉落到地面和逃離到外部的液滴數(shù)量增加,使空氣降溫幅度減小。