劉建軍，陳汝剛，劉東民，吳 煒，劉元春

(中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢 430064)

0 引言

我國直接空冷機組裝機容量到2010年全國總裝機容量達(dá)到40 GW[1]。目前火電站的全廠總效率在40%左右，機械式直接空冷系統(tǒng)風(fēng)機的電耗量大約占電站輸出功率的1% ～1.6%[2]，這就造成了巨大的能量消耗，在輸出功率一定的情況下就需要消耗更多的煤炭資源，污染物的排放也將隨之增加，還將帶來一系列的環(huán)境問題。

1 直接空冷火電站廢熱再利用系統(tǒng)

廢熱再利用系統(tǒng)示意圖如圖1所示。利用煙囪內(nèi)空氣密度差產(chǎn)生的自然抽吸作用，形成沿?zé)焽枭仙膹姶鬅釟饬?，達(dá)到冷卻空冷凝汽器的目的。還可以通過在煙囪入口處加裝渦輪，利用強大的熱氣流推動渦輪轉(zhuǎn)動，并帶動發(fā)電機發(fā)電，回收利用熱空氣的部分能量，最終實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

圖1 廢熱再利用系統(tǒng)示意圖Fig.1 Scheme of the waste heat recycling system

2 理論分析與計算模型

2.1 熱力學(xué)過程分析

2.1.1 理想循環(huán)過程

理想的熱力循環(huán)模型假設(shè)系統(tǒng)內(nèi)所有的流動是理想的、無能量損失的準(zhǔn)靜態(tài)過程。系統(tǒng)的理想熱力循環(huán)過程如圖2所示。

圖2 理想循環(huán)過程T－S圖Fig.2 T － S process of ideal cycle

Q為單位時間內(nèi)地面冷空氣從冷凝器吸收的熱量;Pshaft為熱空氣推動渦輪輸出的功率;η為廢熱再利用系統(tǒng)的發(fā)電效率。

式中m——系統(tǒng)空氣的質(zhì)量流量;

Cp——空氣的定壓比熱;

g——重力加速度;

ΔH——煙囪的高度。

2.1.2 實際循環(huán)過程

實際的熱力循環(huán)過程總是伴隨著能量損失的不可逆過程，如圖3所示。渦輪透平和煙囪內(nèi)的熱力過程存在如下幾種損失:熱氣流經(jīng)過渦輪透平機組，完成熱能向機械能轉(zhuǎn)換過程中，出現(xiàn)流動摩擦損失、沖擊損失、二次流損失等渦輪透平膨脹損失;為了加固煙囪結(jié)構(gòu)的強度，在煙囪內(nèi)需要安裝許多加固裝置，這些裝置對熱氣流上升形成局部損失，還有煙囪內(nèi)壁摩擦損失;煙囪出口處，存在余溫余速的排放使部分氣流動能進(jìn)入大氣，出現(xiàn)動能損失[3]。

圖3 實際循環(huán)過程T－S圖Fig.3 T － S process of practical cycle

用滯止參數(shù)表示狀態(tài)變化過程，渦輪透平膨脹損失用透平效率表示為

忽略煙囪出口的二次流，則動能損失為

其中，α與主流速度分布剖面有關(guān)，對于1/7冪次湍流速度分布，α =1.058[4]。

煙囪的阻力損失水頭和損失比例系數(shù)為

從圖3看出，在有損失情況下，煙囪及渦輪透平內(nèi)的流動為熵增過程，透平軸功率為

式中tm——高空和地面溫度的平均值。

為了確定軸功率，需要求出煙囪尾氣排放溫度。根據(jù)圖3的熱力性質(zhì)可得到關(guān)于T4的二次方程

其中:

從圖3的熱力過程可得

根據(jù)普朗特阻力公式可得

聯(lián)立方程組(1)～(9)，從中可以看出各個點的溫度是相互聯(lián)系的，在給定其它變量后經(jīng)過迭代求解方程組就可以算出各點的參數(shù)，既可以求出渦輪的發(fā)電功率和系統(tǒng)效率。

2.2 系統(tǒng)抽吸力分析

凝汽器周圍的空氣在冷卻三角單元的加熱下，溫度升高，密度減小。在浮力的作用下，熱空氣向上運動。這個浮力就是抽吸空氣向上運動的抽吸力，也稱為抽力[5]。抽力可由下式計算得到

式中F——抽吸力;

Δp——系統(tǒng)進(jìn)出口壓力差;

——煙囪內(nèi)空氣的質(zhì)量;

——凝汽器蓋罩內(nèi)空氣質(zhì)量;

g——當(dāng)?shù)刂亓铀俣取?/p>

2.2.1 系統(tǒng)內(nèi)空氣質(zhì)量的計算

煙囪內(nèi)空氣的質(zhì)量有兩種計算方法，其一是認(rèn)為煙囪內(nèi)空氣的密度是常數(shù);其二是認(rèn)為煙囪內(nèi)空氣的密度隨著高度的變化而變化。對于第一種計算方法，煙囪內(nèi)空氣的質(zhì)量可由下式計算

式中 ρin——煙囪入口處空氣的密度;

A——煙囪的橫截面積;

ΔH——煙囪的高度;

這里重力加速度不隨著高度的變化而變化。對于第二種計算方法，煙囪內(nèi)空氣的質(zhì)量可由下式計算

其中，煙囪內(nèi)空氣密度ρ是隨著高度的變化而變化的。通常來說，空氣的密度隨溫度和壓力的變化關(guān)系以理想氣體方程來表示，假設(shè)煙囪內(nèi)空氣壓力與溫度按線性分布，則煙囪內(nèi)空氣的質(zhì)量為

2.2.2 系統(tǒng)進(jìn)出口壓差的計算

系統(tǒng)進(jìn)出口壓差的計算同樣有兩種方法計算，其一是將地球周圍大氣的密度近似認(rèn)為是不可壓縮的氣體，各處的密度為常數(shù)

式中 ρe——地表大氣的密度。

其二是將地球周圍大氣認(rèn)為是可壓縮的氣體，滿足理想氣體方程。由大氣的壓高公式可得到系統(tǒng)壓差為

式中pin——系統(tǒng)入口壓力;

pout——系統(tǒng)出口壓力;

tm——系統(tǒng)入口出口的平均溫度。

綜合上述分析過程可以求得系統(tǒng)的抽力，如果地球周圍大氣近似為不可壓縮氣體時，凝汽器蓋罩中空氣的密度近似為常數(shù)，則

其中，ΔH1為凝汽器蓋罩的高度，本文中為57 m。則抽力為

如果地球周圍大氣近似為可壓縮的氣體時，抽力為

2.3 系統(tǒng)流動阻力的計算

整個系統(tǒng)流動阻力為沿程阻力和局部阻力。在整個系統(tǒng)中，凝汽器蓋罩的高度與煙囪的高度相比是很小的，所以本文主要分析煙囪的沿程阻力

式中 Δpchim——煙囪內(nèi)沿程壓力損失;

λ——煙囪內(nèi)的沿程損失系數(shù);

ρ——煙囪內(nèi)空氣的密度，為了簡化計算這里

近似空氣密度為一常數(shù)。

沿程損失系數(shù)可由式(9)計算。

整個系統(tǒng)中局部阻力可以近似為兩個部分，即進(jìn)入煙囪入口截面變化造成的局部阻力損失和空氣通過空冷三角形時造成的局部阻力損失。在煙囪進(jìn)口2－2、3－3截面處，假設(shè)z2=z3，由伯努利方程可得

式中p1——凝汽器蓋罩內(nèi)壓力;

c2——凝汽器蓋罩內(nèi)空氣流動速度;

ξ——局部阻力系數(shù);此處取 ξ=0.04。

空氣通過翅片管式凝汽器時有很大的阻力，由文獻(xiàn)推薦可由下式計算空氣壓降[6]

式中n——管排數(shù)，本文中使用的換熱器為單排扁

平式管式換熱器，管排數(shù)可以折算為13;

wNF——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下迎風(fēng)面風(fēng)速/m·s－1，本文為5 m/s;

ρ——空氣在定性溫度(即管束的進(jìn)出口平均溫度)時的密度/kg·m－3。

對于整個系統(tǒng)的入口，凝汽器每個冷卻三角單元的入口相當(dāng)于一個空口淹沒出流。其局部阻力可由下式計算[7]

式中m'——流過凝汽器每個冷卻三角單元空氣的質(zhì)量流量;

ρe——地面空氣密度;

Acell——凝汽器每個冷卻三角單元的入口截面積;

μ——流量系數(shù)。

3 結(jié)果及分析

以600 MW機械通風(fēng)直接空冷機組為研究對象，利用實際熱力循環(huán)過程模型、抽力、阻力分析過程對本文提出的廢熱再利用系統(tǒng)的可行性進(jìn)行了具體的計算分析。當(dāng)?shù)睾蜋C組的參數(shù)如表1所示。

表1 當(dāng)?shù)睾蜋C組參數(shù)Tab.1 Local and units parameters

圖4 渦輪輸出功率預(yù)測Fig.4 Prediction of turbine power output

圖5 系統(tǒng)效率預(yù)測Fig.5 Prediction of system efficiency

圖4、圖5顯示了渦輪輸出功率和系統(tǒng)效率隨著煙囪直徑和高度的變化關(guān)系。從圖中可以很明顯的看出在鍋爐滿負(fù)荷運行時隨著煙囪高度和直徑的增加渦輪的輸出功率和系統(tǒng)的效率是逐漸增大的。但是隨著煙囪直徑的增大，煙囪中熱空氣的流速將越來越小，對于特定的渦輪有最小的啟動風(fēng)速，所以在實際的實施過程中還需要選擇合適的煙囪直徑?？紤]到建造大尺寸煙囪的難度和電站占地面積有限，這里選取高度為900 m，直徑為80 m的煙囪進(jìn)行分析計算。上圖中標(biāo)出了此時渦輪的輸出功率和系統(tǒng)的效率。圖6表示了抽吸壓差隨著煙囪高度的變化關(guān)系，可以看出隨著煙囪高度的增加抽吸壓差是隨之增加的。本研究中空氣密度的變化對計算的影響很大，所以在計算過程中把空氣密度看成是隨高度變化的，從圖6中也可以看出兩種算法的差別。沿程和局部阻力隨著煙囪高度的變化如圖7所示。從圖8可以得出當(dāng)選取煙囪高度為900 m，直徑為80 m時，可以產(chǎn)生大約837 Pa的壓差推動渦輪做功。

圖6 系統(tǒng)抽吸壓差曲線Fig.6 Curve of system suction pressure

圖7 系統(tǒng)阻力分析曲線Fig.7 Curve of systerm resistance analysis

圖8 系統(tǒng)凈抽吸壓差曲線Fig.8 Curve of system net suction pressure

從分析中得出此系統(tǒng)在電站滿功率運行的條件下可以輸出45.59 MW的電能，另外此系統(tǒng)還可以節(jié)省鼓風(fēng)機的耗電量6～9.6 MW。這樣相當(dāng)于此系統(tǒng)可以輸出51.59～55.19 MW的電能。假設(shè)系統(tǒng)的輸出功率為50 MW，這樣以機組一年運行320天，平均75%負(fù)荷計算，可以輸出電能 2.89×108kWh，以0.375元/kWh計算，每年約可以產(chǎn)生1.08億元的經(jīng)濟效益;國內(nèi)火電站每千瓦時煤炭消耗平均水平以360克計算，每年可以節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤約10.43 萬 t。

4 總結(jié)

提出設(shè)計了廢熱再利用系統(tǒng)，建立了該系統(tǒng)的熱力過程分析和阻力分析。給出了渦輪輸出功率、系統(tǒng)效率、阻力隨煙囪直徑和高度的變化的關(guān)系曲線。該系統(tǒng)不僅省去了原有的鼓風(fēng)機并且進(jìn)一步利用了乏汽的部分余熱。對一臺600 MW直接空冷火電機組的理論計算結(jié)果表明該系統(tǒng)每年可以回收電能2.89×108kWh，可以產(chǎn)生約1.08億元的經(jīng)濟效益;相當(dāng)于每年可以節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤約10.43萬t，減少排放 CO2約27.32 萬 t、SO2約 886t、NOx 約772t，經(jīng)濟效益和節(jié)能減排效果顯著。

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