云岡熱電直接空冷噴濕系統(tǒng)研究與應(yīng)用

張繼斌

（山西大唐國(guó)際云岡熱電有限責(zé)任公司，山西 大同 037039）

0 概 述

直接空冷系統(tǒng)因其具有良好的節(jié)水效果，在最近幾年得到了廣泛的推廣和應(yīng)用［1］。

直接空冷機(jī)組在夏季高溫時(shí)段出力受阻是一個(gè)普遍問(wèn)題。在夏季，由于氣溫高，空冷器的冷卻能力明顯下降，導(dǎo)致機(jī)組被迫降負(fù)荷運(yùn)行，極端情況下，還會(huì)使機(jī)組的背壓超限而導(dǎo)致機(jī)組停運(yùn)。因此，采取空冷器噴濕系統(tǒng)以降低空冷器的進(jìn)口空氣溫度，是提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性和安全性的有效途徑之一。

1 云岡電廠的直接空冷系統(tǒng)

山西大唐國(guó)際云岡熱電公司的裝機(jī)容量為2×220MW直接空冷機(jī)組。

機(jī)組空冷凝汽器分主凝汽器和分凝汽器兩部分。主凝汽器設(shè)計(jì)成汽水順流式，規(guī)格為9 877mm×2 969mm×550mm，容積為1 340L，設(shè)計(jì)溫度120℃，設(shè)計(jì)壓力0.045MPa，這是空冷凝汽器的主體；分凝汽器則設(shè)計(jì)成汽水逆流式，規(guī)格為9 360 mm×2 969mm×550mm，容積為1160L，設(shè)計(jì)溫度120℃，設(shè)計(jì)壓力0.045MPa。

2 噴霧增濕系統(tǒng)的工作原理與特點(diǎn)

2.1 直接空冷增濕系統(tǒng)的工作原理

由于直接空冷系統(tǒng)是直接利用空氣進(jìn)行冷卻，因此，較高的空氣溫度將導(dǎo)致空冷器冷卻能力的下降，降低機(jī)組的真空度，導(dǎo)致機(jī)組不滿發(fā)小時(shí)數(shù)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值。直接空冷系統(tǒng)的夏季運(yùn)行工況，如圖1所示。

圖1 直接空冷系統(tǒng)夏季運(yùn)行工況示意圖

對(duì)于直接空冷系統(tǒng)汽輪機(jī)的排汽溫度可由公式確定［6］：

或

式（1）及（2）中：ta1——空冷器入口空氣溫度；

ITD——初始溫差；

δtp——汽輪機(jī)排汽在排汽管道中壓降引起的溫度差；

Δta——空冷器的空氣溫升；

δt——空冷器傳熱端差。

由圖1可知，由于空氣溫度的變化，空冷器的初始溫差I(lǐng)TD、傳熱端差δt均隨著入口空氣溫度的升高而增大。從而導(dǎo)致機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性下降。

噴霧增濕系統(tǒng)如圖2所示，其工作原理是：除鹽水經(jīng)過(guò)高壓泵加壓后，輸送至布置在空冷平臺(tái)的風(fēng)機(jī)出口和散熱器入口之間的霧化噴嘴，然后將降溫后的濕空氣送到空冷散熱器，以提高空冷島的換熱量。

圖2 直接空冷系統(tǒng)的噴霧增濕示意圖

2.2 噴霧增濕系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

噴霧增濕系統(tǒng)采用的給水管路布置，如圖3所示。該系統(tǒng)從電廠除鹽水箱取水，除鹽水經(jīng)過(guò)系統(tǒng)配備的過(guò)濾系統(tǒng)后進(jìn)入高壓泵，經(jīng)加壓后的水，通過(guò)管路輸送到布置器入口之間的噴嘴，霧化后進(jìn)行冷卻換熱。

圖3 直接空冷系統(tǒng)噴霧增濕管路系統(tǒng)

將噴霧系統(tǒng)中的噴嘴布置在距風(fēng)機(jī)出口處的某高度，且需沿風(fēng)機(jī)葉片圓周速度較大的位置布置，空冷島共有24個(gè)空冷單元，每單元作為單個(gè)噴霧室。每單元布置四排噴嘴，如圖4所示。在風(fēng)機(jī)棧橋兩側(cè)分別布置兩排，在距風(fēng)機(jī)棧橋中心線1m和3m處，共設(shè)10個(gè)噴嘴，靠近風(fēng)機(jī)的兩排各布置3個(gè)噴嘴，另兩排各布置2個(gè)噴嘴，高度為1m，噴孔直徑為1.6mm，向下噴霧，以有利于霧滴與空氣進(jìn)行充分的熱濕交換。

圖4 噴嘴的布置圖

3 噴霧增濕系統(tǒng)的數(shù)值分析

3.1 計(jì)算模型與邊界條件

為了研究增濕系統(tǒng)的可行性，現(xiàn)采用數(shù)值模擬的方法對(duì)其噴霧過(guò)程和特性進(jìn)行研究分析。

模型的建立主要以空冷島中間某空冷單元為主體，對(duì)空冷風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部橋架及相鄰單元的結(jié)構(gòu)均進(jìn)行了必要的簡(jiǎn)化，考慮了研究對(duì)象單元的左右兩側(cè)空冷器出風(fēng)對(duì)流場(chǎng)的影響。模型建立后，總網(wǎng)格數(shù)為627864，最后生成的網(wǎng)格，如圖5所示（中心面為對(duì)稱面）。

圖5 空冷單元噴霧模型網(wǎng)格圖

利用SIMPLE算法，建立標(biāo)準(zhǔn)的k－ε兩方程湍流模型，采用Fluent內(nèi)嵌的DPM模型模擬空冷單元內(nèi)噴嘴的霧化過(guò)程及霧滴與空氣的熱濕交換過(guò)程。對(duì)象單元入口的空氣溫度為307K（34℃），空氣流量為395kg／s；鄰側(cè)單元出風(fēng)流量為197.5 kg／s，溫度為341K（68℃）；環(huán)境壓力為89 400Pa；噴嘴的入口壓力0.5MPa，噴孔直徑為1.6mm，噴水流量為0.064 24kg／s，噴水溫度為293K（20℃），霧化角為120°，單元熱負(fù)荷為12.65MW。

3.2 對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析與討論

為了更加清晰地對(duì)霧化增濕系統(tǒng)的實(shí)際效果進(jìn)行驗(yàn)證和分析，分別對(duì)加入和未加入霧化增濕裝置的空冷單元進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果以某些斷面的溫度等值線分布圖，壓力等值線分布圖及速度等值線分布圖等進(jìn)行表示。

通過(guò)對(duì)增濕系統(tǒng)前后空冷單元內(nèi)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)模擬，數(shù)值模擬的結(jié)果，如圖6、圖7所示。

圖6 未加入霧化增濕裝置X＝0m斷面等值線圖

圖6為未加入霧化增濕裝置之前X＝0m斷面的數(shù)值模擬結(jié)果，從圖6中可知，該空冷單元的內(nèi)部流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布是均勻的。

圖7 加入霧化增濕裝置X＝0m斷面等值線圖

圖7為加入霧化增濕裝置之后X＝0m斷面的數(shù)值模擬結(jié)果，從各斷面的壓力和速度分布可知，由于采用向下的霧化方式，霧滴離開(kāi)噴嘴后，其速度方向與氣流方向相反，因此是先減速增壓，然后被高速氣流拖曳向上運(yùn)動(dòng)從而增速降壓。與之接觸的空氣溫度被降低，形成圖7中的低溫區(qū)域。

為了定量分析霧化前后整個(gè)計(jì)算區(qū)域的溫度變化，將主要溫度分布范圍劃分為幾個(gè)區(qū)間（ta1≤ta＜ta2）：307K以下；307K～315K；315K～320K；320 K～325K；325K～330K；330K～335K；335K～340K；340K以上。霧化前后各溫度區(qū)間所占百分比見(jiàn)圖8。

圖8 加入增濕裝置前后各溫度區(qū)間所占百分比

從各斷面的溫度分布和統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，在霧化核心區(qū)域，水霧滴與空氣進(jìn)行較強(qiáng)烈的熱濕交換后，能明顯降低空氣的溫度，幅度約為5℃。

4 噴霧增濕系統(tǒng)的應(yīng)用與分析

在直接空冷機(jī)組增設(shè)了噴霧增濕降溫系統(tǒng)后，從理論分析與現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的結(jié)果表明，該系統(tǒng)可有效地降低空冷單元內(nèi)的空氣溫度，從而強(qiáng)化空冷器的換熱效果，提高了機(jī)組的運(yùn)行負(fù)荷和運(yùn)行的安全性。具有較高的經(jīng)濟(jì)性。

4.1 理論分析

經(jīng)過(guò)理論計(jì)算和分析，投入噴霧增濕裝置后，當(dāng)環(huán)境溫度34℃、其噴水流量 為55.0t／h、空氣溫度可降低4℃，理論計(jì)算汽機(jī)的真空度可提高6.35 kPa以上，機(jī)組的帶負(fù)荷能力提高12%（24MW），按實(shí)際真空度提高6kPa進(jìn)行核算，如果每年按運(yùn)行360h（夏季高溫36d，每天投運(yùn)10h）核算凈發(fā)電量，扣除50kW噴濕水泵的耗電量18MW·h，每年（360h）凈增發(fā)電量為7 531MW·h。如果按累計(jì)發(fā)電成本0.231元／kW·h、電價(jià)0.320 9元／kW·h（含稅）核算，多發(fā)電量?jī)羰找?7.70萬(wàn)元?？鄢瘜W(xué)軟水13元／噸成本費(fèi)用約26萬(wàn)元，單機(jī)靜態(tài)投資按50萬(wàn)元計(jì)算，基建投資按20年分?jǐn)偝雒磕晖顿Y2.5萬(wàn)元和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用3.5萬(wàn)元，系統(tǒng)年維護(hù)費(fèi)用共計(jì)6萬(wàn)元，扣除系統(tǒng)水費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用32萬(wàn)元，機(jī)組可獲得年直接凈收益35.7萬(wàn)元。預(yù)計(jì)不用2年時(shí)間，即可收回投資成本，效益相當(dāng)可觀。

4.2 試驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證加裝噴霧增濕系統(tǒng)的實(shí)際效果，在2臺(tái)機(jī)組上進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。試驗(yàn)條件為：機(jī)組保持額定負(fù)荷200MW運(yùn)行工況不變，投運(yùn)5組空冷噴霧增濕系統(tǒng)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 噴霧增濕系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

從表1數(shù)據(jù)可知，在環(huán)境溫度提高1.6℃，汽機(jī)真空度平均提高62.01－59.03＝2.99kPa，真空度提高3.04%，合計(jì)節(jié)約機(jī)組供電煤耗約7.356 g／kW·h，相當(dāng)于每小時(shí)節(jié)約標(biāo)煤1.47t，按標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)500元／噸，每天節(jié)約標(biāo)煤費(fèi)用為7 356元。若除鹽水按13元／噸計(jì)，每天按投運(yùn)10h，空冷噴濕供水流量按50t／h核算，噴霧水費(fèi)用為6 500元，扣除水泵每小時(shí)電耗費(fèi)用16元，每天單機(jī)獲的直接收益約為840元。如果每年夏季按運(yùn)行360h核算，年直接創(chuàng)收價(jià)值為3.03萬(wàn)元，雙機(jī)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益將達(dá)到6.06萬(wàn)元。

總之，空冷水噴淋系統(tǒng)理論計(jì)算和效益試驗(yàn)結(jié)果基本一致，表明增設(shè)噴霧增濕系統(tǒng)是行之有效的。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)理論計(jì)算分析與投運(yùn)噴濕系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證，表明采用噴霧增濕系統(tǒng)，可以降低空冷器入口空氣溫度，從而提高空冷器的散熱效率，提高機(jī)組的真空度，在炎熱的夏季，直接空冷機(jī)組也可以滿發(fā)。通過(guò)云岡熱電空冷噴霧增濕系統(tǒng)的成功應(yīng)用，證明該方法對(duì)直接空冷機(jī)組具有較高的工程價(jià)值。