郭喜燕,李?lèi)?ài)娟,楊勇平
(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院,北京 102206)
換熱器是能量系統(tǒng)的常用設(shè)備,其類(lèi)型有混合式和表面式兩類(lèi)。就其工質(zhì)所處相態(tài),混合式換熱器有可分為單相 (汽-汽、液-液)和兩相(汽-液)。兩相混合式換熱器在電廠(chǎng)回?zé)嵯到y(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用,其中最典型的是除氧器,其次還包括某些國(guó)外機(jī)組的低壓加熱器,并且,兩相混合式換熱器內(nèi)進(jìn)行的是綜合傳熱和傳質(zhì)的強(qiáng)烈不可逆過(guò)程,機(jī)理最為復(fù)雜。
兩相混合式換熱器的穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)分析方法已經(jīng)成熟,近期的研究大多集中于基于傳熱學(xué)的傳熱傳質(zhì)分析[1],或針對(duì)具體設(shè)備進(jìn)行的研究。例如,對(duì)除氧器的研究主要集中在除氧器的優(yōu)化設(shè)計(jì)[2~4],而以往對(duì)除氧器的暫態(tài)研究主要集中在兩個(gè)方面:一是在機(jī)組甩負(fù)荷對(duì)給水泵安全運(yùn)行的影響 (主要指汽蝕)[5~8],二是對(duì)除氧器甩負(fù)荷后的凝結(jié)水、給水及除氧器水箱貯水的熱焓、流量及壓力變化的動(dòng)態(tài)分析[9~11]。而對(duì)該類(lèi)換熱器瞬態(tài)工況的熱力學(xué)分析,尤其是基于熱力學(xué)第二定律的能量分析,尚未發(fā)現(xiàn)有人涉及,而分析是換熱器節(jié)能的理論基礎(chǔ)。
基于上述背景,本文從基礎(chǔ)方程出發(fā),建立了兩相混合式換熱器的瞬態(tài)工況熱力學(xué)模型,并將之應(yīng)用于某600 MW機(jī)組的除氧器,得到了除氧器在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工況下,能量的分布情況,并進(jìn)行了對(duì)比,分析了穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工況下能量分布的差異,及其產(chǎn)生的原因。
從熱力學(xué)第一定律角度分析,混合式換熱器的入口各股流所攜帶能量分為三部分:一部分用于工質(zhì)熱存儲(chǔ),一小部分由于散熱而損失,其余部分則隨出口工質(zhì)離開(kāi)系統(tǒng),如圖1所示;相應(yīng)地,從熱力學(xué)第二定律角度分析,進(jìn)入系統(tǒng)的分為系統(tǒng)工質(zhì)存儲(chǔ)、工質(zhì)內(nèi)部損失、隨散熱而散失的及離開(kāi)系統(tǒng)的四部分,如圖2所示。
圖1 系統(tǒng)能量分布Fig.1 Energy transfer and conversion in closed feedwater heater
圖2 系統(tǒng)分布Fig.2 Exergy transfer and conversion in closed feedwater heater
從基本方程出發(fā),建立兩相混合式換熱器的能量分布模型。
質(zhì)量守恒方程:
開(kāi)口系能量方程:
式 (1) ~ (3)中:ECV為控制體的熱力學(xué)能,
·kJ;ExCV為控制體的,kJ;Q為控制體與外界換
·,kJ/kg,利用溫度和壓力求得;Ed為損失,kJ/s。
控制體內(nèi)工質(zhì)蓄熱量:
質(zhì)量守恒方程:
兩相工質(zhì)蓄熱:
考慮到m=ρV及e=h-pv,式 (7) 變?yōu)?/p>
式 (6) ~ (9) 中:ρ',h',e'x分別為飽和水的密度,體積,比焓,比; ρ″,h″,e″x為飽和蒸汽的密度,比焓,比,都是通過(guò)已知的蒸汽參數(shù)求取;V',V″分別為飽和水和蒸汽的體積,從運(yùn)行日志中得到水位參數(shù),進(jìn)而得到體積。
因?yàn)槠傮w積不變,所以汽部分體積變化率跟水部分體積比變化率相反,即
運(yùn)用所建模型對(duì)某600 MW機(jī)組除氧器40%THA工況進(jìn)行模擬。
圖3 除氧器示意圖Fig.3 The illustration of deaerator
除氧器進(jìn)口有三股流,分別為抽汽,給水進(jìn)口和高加疏水,混合后由給水流出。
運(yùn)用所建模型對(duì)除氧器進(jìn)行模擬,模擬時(shí)采用的原始數(shù)據(jù)見(jiàn)表1和表2。瞬態(tài)工況變化率取0.05℃/s(即3℃/min)。
表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structure parameters
表2 工質(zhì)初始參數(shù)Tab.2 Initial values of steam and feedwater parameters
為了進(jìn)一步驗(yàn)證瞬態(tài)結(jié)果,采用穩(wěn)態(tài)模型對(duì)該工況進(jìn)行了計(jì)算,并將結(jié)果與瞬態(tài)結(jié)果一并展示,并對(duì)其產(chǎn)生的誤差及原因進(jìn)行分析。計(jì)算得到的能量分布情況如圖4~7所示。
圖4 除氧器瞬態(tài)熱力學(xué)能分布Fig.4 Energy distribution of deaerator under transient state
圖5 除氧器瞬態(tài)分布Fig.5 Exergy distribution of deaerator under transient state
圖4是除氧器瞬態(tài)工況熱力學(xué)能分布圖,62%流出系統(tǒng),34%由系統(tǒng)工質(zhì)儲(chǔ)存,剩余4%散失。圖5是除氧器瞬態(tài)工況分布圖,從圖中可以看出,30%的由系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)儲(chǔ)存,33%流出系統(tǒng),33%損失在工質(zhì)內(nèi)部,剩余部分散失。工質(zhì)蓄能部分與工質(zhì)所在參數(shù)及參數(shù)變化率有關(guān)。發(fā)生在工質(zhì)內(nèi)部的損是由傳熱的不可逆性等造成的,數(shù)值上與散熱量,工質(zhì)的流量和壓力的變化率有關(guān)。
圖6 除氧器穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱力學(xué)能分布對(duì)比Fig.6 Energy distribution of deaerator under steady state and transient state
圖7 除氧器穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)分布對(duì)比Fig.7 Exergy distribution of deaerator under steady state and transient state
圖6是除氧器穩(wěn)態(tài)模型和瞬態(tài)模型計(jì)算的熱力學(xué)能分布對(duì)比圖。從圖中看出:穩(wěn)態(tài)模型不考慮蓄熱,流入系統(tǒng)的能量等于流出系統(tǒng)的能量和散熱;瞬態(tài)模型,流入系統(tǒng)的能量除流出系統(tǒng)外還有部分由系統(tǒng)工質(zhì)儲(chǔ)存,剩余的散失。對(duì)于散熱量,采用穩(wěn)態(tài)模型計(jì)算時(shí),系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)散熱量較小,瞬態(tài)模型中,由于系統(tǒng)工質(zhì)內(nèi)部能量變化,導(dǎo)致其與外部熱交換量增大。
如果以穩(wěn)態(tài)模型計(jì)算的熱力學(xué)能分布來(lái)代替瞬態(tài)模型的分布,會(huì)存在38.8%的誤差。由于穩(wěn)態(tài)模型忽略了系統(tǒng)工質(zhì)儲(chǔ)存的能量,誤差約為34.4%,其余部分誤差是散熱量的差異造成的。散熱量的差異是因?yàn)榉€(wěn)態(tài)模型不考慮工質(zhì)蓄熱,以及發(fā)生瞬態(tài)變化時(shí),由于參數(shù)變化導(dǎo)致流量變化而引起的。
發(fā)生瞬態(tài)變化時(shí),系統(tǒng)工質(zhì)儲(chǔ)存部分熱量,存儲(chǔ)量的多少主要是由系統(tǒng)內(nèi)蒸汽和水的質(zhì)量變化率和單位質(zhì)量的能量變化率有關(guān)。表3給出了汽、水部分壓力 (溫度)變化和流量變化引起的蓄熱量,從表中可以看出,水部分蓄熱占主要部分。對(duì)于蒸汽部分而言,流量變化的影響較大,壓力變化對(duì)蓄熱量的影響為負(fù)。這主要是由工質(zhì)參數(shù)決定的。對(duì)水部分,壓力變化引起的蓄熱量大于工質(zhì)流量變化引起的蓄熱量,因?yàn)榭刂企w內(nèi)本身水質(zhì)量很大,參數(shù)變化時(shí)引起的流量變化相對(duì)總質(zhì)量來(lái)說(shuō)較小。
表3 不同參數(shù)變化引起的蓄熱量Tab.3 Energy stored in working caused by different parameters
穩(wěn)態(tài)模型計(jì)算的情況下,工質(zhì)內(nèi)部處于均衡,瞬態(tài)時(shí),工質(zhì)蓄能。工質(zhì)儲(chǔ)存的主要由壓力,流量變化引起。表4給出了汽、水部分壓力 (溫度)變化和流量變化引起的蓄量。從表中可以看出系統(tǒng)工質(zhì)儲(chǔ)存的主要集中在水部分,主要原因是系統(tǒng)內(nèi)水的質(zhì)量遠(yuǎn)大于蒸汽的質(zhì)量。對(duì)于單位質(zhì)量的能量變化率,蒸汽比水大,但相對(duì)于質(zhì)量上的差距,影響不大。對(duì)于蒸汽部分,流量變化占主要部分,壓力對(duì)蓄量的影響為負(fù),這主要是由蒸汽參數(shù)決定的。
表4 不同參數(shù)引起的蓄量Tab.4 Exergy stored in working caused by different parameters
表4 不同參數(shù)引起的蓄量Tab.4 Exergy stored in working caused by different parameters
影響因素 蓄量 /(kJ·s-1)汽 水壓力 -22.865流量 277.445 1壓力16 107.46流量2 510.208
應(yīng)用本文所建立的混合式混熱器的熱力學(xué)模型對(duì)某600 MW機(jī)組除氧器進(jìn)行了的研究,得到了除氧器的熱力學(xué)能和的分布圖,并將穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工況下的熱力學(xué)能分布和分布進(jìn)行了對(duì)比,得到的結(jié)論如下:
(1)從能量分布百分比上看出,進(jìn)入系統(tǒng)的能量除流出系統(tǒng)外,主要由工質(zhì)存儲(chǔ)。在分布中,工質(zhì)內(nèi)部損也占有較大比例。
(2)對(duì)比系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型和瞬態(tài)模型計(jì)算的能量分布,可以看出主要差別在于進(jìn)入系統(tǒng)的能量和工質(zhì)儲(chǔ)存的能量上。散熱損和工質(zhì)內(nèi)部的損失也有差距。
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