循環(huán)水不平衡對(duì)間接空冷系統(tǒng)防凍性能影響的研究

秦永博

上海電氣電站工程公司 上海 201100

1 研究背景

近年來,間接空冷技術(shù)在我國(guó)得到了飛速發(fā)展,但是對(duì)于間接空冷防凍的研究還比較少,防凍因素的復(fù)雜性給間接空冷系統(tǒng)防凍的研究帶來了很多困難[1-2]。就我國(guó)而言,間接空冷防凍研究主要從已運(yùn)行電廠實(shí)際入手,結(jié)合基礎(chǔ)理論和數(shù)值模擬給出實(shí)際電廠在冬季低溫條件下的運(yùn)行方式。通過電廠運(yùn)行實(shí)際調(diào)研發(fā)現(xiàn),空冷塔散熱器在凍裂之后修復(fù)難度大,需要消耗人力、物力和財(cái)力,修復(fù)周期長(zhǎng),會(huì)造成大量直接和間接經(jīng)濟(jì)損失[3-5]。

筆者從電站空冷散熱器的工作原理入手,在冬季條件下,關(guān)閉不同扇段位置,研究循環(huán)水量不均勻,即循環(huán)水不平衡對(duì)空冷塔散熱器的影響,這對(duì)于間接空冷系統(tǒng)散熱器的防凍具有指導(dǎo)意義。垂直布置散熱器水路有兩種形式,分別為散熱器順流和散熱器逆流。在冬季低溫時(shí),可以通過雙回程順流來保證較高的出水溫度。雙回程布置可以提高管內(nèi)水流量分配的均勻性,進(jìn)而提高垂直間接空冷系統(tǒng)防凍的能力[6-7]。

2 間接空冷系統(tǒng)流體計(jì)算

間接空冷系統(tǒng)流體可以采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進(jìn)行模擬計(jì)算,這種方法在邊界層流動(dòng)、管內(nèi)流動(dòng)、自由剪切流動(dòng)、有回流流動(dòng)等問題中已經(jīng)得到很好的應(yīng)用,具有穩(wěn)定、簡(jiǎn)單的特點(diǎn),在較大范圍內(nèi)具有足夠的精度。標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型引入湍流動(dòng)能k和湍流耗散率ε兩個(gè)參數(shù),可以將湍流黏度μt變換為這兩個(gè)參數(shù)的函數(shù)形式[8-9]:

μt=ρCμk2/ε

(1)

式中:ρ為流體密度;Cμ為通過水和空氣的基礎(chǔ)剪切流試驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn)常數(shù),通常取0.09。

3 間接空冷系統(tǒng)建模

某電廠兩臺(tái)600 MW空冷機(jī)組一機(jī)一塔垂直布置空冷塔,結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。為了獲取并分析計(jì)算結(jié)果,將垂直空冷系統(tǒng)按照塔外側(cè)空冷散熱器的布置方式建立與表1結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)相一致的獨(dú)立散熱器單元,這一散熱器單元采用鋁管鋁翅片四排管垂直布置。為便于計(jì)算分析,將一周平均分為10個(gè)扇段,每36°設(shè)立一個(gè)扇段,如圖1所示,從右側(cè)開始逆時(shí)針命名為扇段1、扇段2、扇段3、……、扇段10。

表1 垂直布置空冷塔結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 扇段設(shè)置

在低溫條件下,關(guān)閉不同扇段進(jìn)行分析。借助數(shù)值模擬軟件,對(duì)間接空冷系統(tǒng)循環(huán)水進(jìn)行實(shí)體建模。在分析中,只考慮各扇段的總進(jìn)水量,對(duì)散熱器管束進(jìn)行簡(jiǎn)化,間接空冷系統(tǒng)循環(huán)水簡(jiǎn)化模型如圖2所示。

圖2 循環(huán)水簡(jiǎn)化模型

4 關(guān)閉扇段影響研究

根據(jù)項(xiàng)目可研報(bào)告及歷年氣象資料,研究所在地冬季年平均溫度為-15 ℃。按照冬季電廠空冷系統(tǒng)比較常見的兩種形式運(yùn)行[10],進(jìn)行對(duì)比分析計(jì)算。第一種形式為只開啟扇段4、扇段8、扇段10,第二種形式為只開啟扇段3、扇段5、扇段10。循環(huán)水量采用總水量的1/2,即16 156.71 kg/s,風(fēng)向?yàn)?5°。扇段開啟形式如圖3所示。

圖3 扇段開啟形式

4.1 第一種形式

第一種形式為關(guān)閉空冷塔的側(cè)向迎風(fēng)扇段和側(cè)向背風(fēng)扇段,通過循環(huán)水不平衡和平衡時(shí)的出水溫度,求出循環(huán)水不平衡對(duì)防凍的影響。通過對(duì)循環(huán)水?dāng)?shù)值模擬,求出第一種形式各扇段的循環(huán)水流量,如圖4所示。

圖4 第一種形式各扇段循環(huán)水流量

第一種形式各扇段循環(huán)水流量的不平衡率見表2。由表2可以看出,最大循環(huán)水流量差異性發(fā)生在扇段10,不平衡率為8.6%,最小循環(huán)水流量差異性發(fā)生在扇段4,不平衡率為-3.4%。第一種形式循環(huán)水流量差異性較小,有利于空冷塔防凍。第一種形式循環(huán)水壓力云圖如圖5所示,可以看出各扇段管路壓力相對(duì)均勻,流量分配相對(duì)平均。第一種形式空冷塔空氣流場(chǎng)速度矢量圖如圖6所示,可以看出塔內(nèi)流場(chǎng)渦流少,氣流偏移小,對(duì)整個(gè)塔內(nèi)的空氣流動(dòng)是有利的。

表2 第一種形式各扇段循環(huán)水流量不平衡率

圖5 第一種形式循環(huán)水壓力云圖

圖6 第一種形式空冷塔空氣流場(chǎng)速度矢量圖

4.2 第二種形式

第二種形式同樣關(guān)閉空冷塔的側(cè)向迎風(fēng)扇段和側(cè)向背風(fēng)扇段,分析原理與第一種形式相同。通過對(duì)循環(huán)水?dāng)?shù)值模擬,求出第二種形式各扇段的循環(huán)水流量,如圖7所示。

圖7 第二種形式各扇段循環(huán)水流量

第二種形式各扇段循環(huán)水流量的不平衡率見表3。由表3可以看出,各扇段循環(huán)水流量的差異性比較大,最大循環(huán)水流量差異性發(fā)生在扇段10,不平衡率為18.1%,最小循環(huán)水流量差異性發(fā)生在扇段3,不平衡率為-8.2%。扇段10處于另一根支管上,且離總?cè)肟谧罱?導(dǎo)致扇段10循環(huán)水流量增大。第二種形式循環(huán)水壓力云圖如圖8所示,可以看出各扇段管路壓力不均勻度較大。第二種形式空冷塔空氣流場(chǎng)速度矢量圖如圖9所示,可以看出塔內(nèi)流場(chǎng)渦流大,氣流偏移相對(duì)嚴(yán)重。

圖8 第二種形式循環(huán)水系統(tǒng)壓力云圖

圖9 第二種形式空冷塔空氣流場(chǎng)速度矢量圖

表3 第二種形式各扇段循環(huán)水流量不平衡率

4.3 對(duì)比分析

分析數(shù)據(jù)匯總見表4。

表4 分析數(shù)據(jù)匯總

從扇段管內(nèi)水量分配均勻性的角度看,第一種形式管內(nèi)水量分配比較均勻,最大循環(huán)水流量不平衡率為8.6%,第二種形式最大循環(huán)水流量不平衡率超過15%。

從各個(gè)扇段出水溫度的變化來看,第二種形式除流量大的扇段外,其它扇段的出水溫度由于循環(huán)水流量不均勻都得到降低。第二種形式水溫最大降低0.62 K,最小降低0.5 K。第一種形式水溫最大降低0.3 K,最小降低0.18 K,降低程度比第二種形式小。

從外部流場(chǎng)來看,兩種形式由于開啟的扇段數(shù)量較少,流場(chǎng)都存在渦流和偏移,其中第一種形式空冷塔內(nèi)的渦流及氣流偏移相對(duì)較小,更有利于流場(chǎng)流動(dòng)。

由以上分析得出,宜采用第一種形式,開啟扇段4、扇段8、扇段10來進(jìn)行間接空冷系統(tǒng)的防凍。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者研究循環(huán)水不平衡對(duì)間接空冷系統(tǒng)防凍性能的影響。由于分配不均勻所產(chǎn)生的循環(huán)水流量變化會(huì)影響扇段的傳熱系數(shù),進(jìn)而對(duì)扇段的散熱量及通風(fēng)量產(chǎn)生影響。扇段出水溫度的變化是扇段循環(huán)水流量不平衡和扇段風(fēng)量變化綜合作用的結(jié)果。

在冬季低溫條件下,為保證間接空冷系統(tǒng)的防凍要求,在關(guān)閉扇段的選擇上,應(yīng)優(yōu)先關(guān)閉迎風(fēng)側(cè)及背風(fēng)側(cè)扇段,這樣可以在最大程度上減小循環(huán)水流量不均勻性產(chǎn)生的影響,并保證冬季最低出水溫度的要求。