李慧君，焦英智，賈寶桐

(華北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，河北省保定市 071003)

霧化補(bǔ)水對直接空冷機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性影響分析

李慧君，焦英智，賈寶桐

(華北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，河北省保定市 071003)

直接空冷機(jī)組因背壓較高，增加了冷源損失，影響了機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性。熱井補(bǔ)水對減少冷源損失影響很小，為此提出對直接空冷機(jī)組采用霧化補(bǔ)水。將補(bǔ)水方式由直接進(jìn)入熱井改為在排汽管道內(nèi)適當(dāng)位置霧化后再進(jìn)入熱井，基于等效熱降理論，建立了霧化補(bǔ)水物理模型和熱經(jīng)濟(jì)模型，以NK600-24.2/566/566型機(jī)組為例，在不同工況下，分別計算霧化補(bǔ)水和熱井補(bǔ)水方式的熱經(jīng)濟(jì)性。計算結(jié)果表明：采用霧化補(bǔ)水提高機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性是可行的；與熱井方式相比，霧化補(bǔ)水能夠減少冷源損失，提高機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性，實現(xiàn)機(jī)組節(jié)能降耗的目的。

直接空冷機(jī)組；熱井補(bǔ)水；霧化補(bǔ)水；熱經(jīng)濟(jì)性

0 引 言

直接空冷機(jī)組采用空氣代替冷卻水作為冷卻汽輪機(jī)排汽的工質(zhì)，因此空冷機(jī)組可節(jié)約大量冷卻水，但機(jī)組運(yùn)行中存在著背壓高且變化幅度大、凝汽器冬季運(yùn)行易結(jié)垢、凝結(jié)水溶氧量超標(biāo)及凝汽器冷卻性能受環(huán)境影響大等問題[1-3]。這些問題都會影響機(jī)組的真空，從而影響機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性。因此針對冷端存在的問題，采取提高機(jī)組真空和熱經(jīng)濟(jì)性的措施意義重大。

噴霧技術(shù)在實際生產(chǎn)中用途廣泛，在機(jī)組實際運(yùn)行中，采取適當(dāng)?shù)膰婌F措施可以提高機(jī)組真空。文獻(xiàn)[4]采用噴霧增濕法降低空冷凝汽器入口空氣溫度，改善換熱效果并提高機(jī)組真空，同時采用計算流體力學(xué)軟件對噴霧效果進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，采用噴霧增濕法可以顯著提高機(jī)組運(yùn)行真空。文獻(xiàn)[5]模擬了噴霧方向改變時空氣和霧滴的流場，分析了噴霧方向?qū)婌F增濕效果的影響，并找到最有利的噴霧方向。

機(jī)組實際運(yùn)行中，由于設(shè)備、管道的滲漏，抽氣設(shè)備的排氣以及生產(chǎn)中的消耗，都會不可避免地引起工質(zhì)損失。要保證機(jī)組連續(xù)正常地運(yùn)行，必須向熱力系統(tǒng)補(bǔ)充一定量的化學(xué)除鹽水[6]。近年來，濕冷機(jī)組凝汽器化學(xué)補(bǔ)水越來越多地采用噴嘴霧化技術(shù)，并且取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益[7-8]。文獻(xiàn)[9]基于兩相流理論，對濕冷機(jī)組凝汽器喉部霧化補(bǔ)水進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了影響噴霧凝結(jié)換熱效果的主要因素。結(jié)果表明，噴霧壓力、噴嘴孔徑及噴霧方向?qū)Q熱效果具有綜合作用，最佳補(bǔ)水霧化系統(tǒng)需要進(jìn)行綜合技術(shù)比較才能確定。目前，霧化補(bǔ)水對直接空冷機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性影響的研究很少。

熱井補(bǔ)水對于降低空冷凝汽器的熱負(fù)荷，減少機(jī)組冷端損失的效果很小，而在排汽管道內(nèi)霧化補(bǔ)水可以回收排汽的部分熱量，降低空冷島蒸汽負(fù)荷，從而提高機(jī)組的真空和熱經(jīng)濟(jì)性[10-11]。本文基于等效熱降理論，對直接空冷機(jī)組熱井和排汽管道霧化補(bǔ)水的熱經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行定量分析。

1 模型的建立

1.1 物理模型

空冷機(jī)組通常采用熱井補(bǔ)水，對機(jī)組背壓、凝汽器真空基本沒有影響。為提高機(jī)組真空和熱經(jīng)濟(jì)性，本文采用在排汽管道內(nèi)，將補(bǔ)水全部霧化并由排汽加熱至飽和狀態(tài)后進(jìn)入熱井的方案，如圖1所示。

圖1 霧化補(bǔ)水系統(tǒng)

1.2 熱經(jīng)濟(jì)計算模型

補(bǔ)水通常為過冷水，霧化后的補(bǔ)水進(jìn)入汽輪機(jī)排汽管道，由于液滴直徑小、換熱面積大，因此，吸收部分排汽的汽化潛熱，使之成為飽和水，同時減少了進(jìn)入空冷島的熱負(fù)荷，在其他條件不變的情況下，提高了空冷島真空度。

補(bǔ)水與排汽在傳熱過程中滿足熱量平衡方程，即

(1)

補(bǔ)水被加熱為飽和水時，所需排汽量為

(2)

與熱井補(bǔ)水相比，霧化補(bǔ)水在進(jìn)入熱井前已被加熱成飽和水，因此對末級加熱器造成排擠抽汽。由等效熱降理論[12]可知，若對末級第j級加熱器的排擠抽汽量為Dj，則排擠的末級抽汽返回汽輪機(jī)的做功量為

Hj=Dj(hj-hn)

(3)

式中：Hj為排擠抽汽做功量，kJ；Dj為排擠抽汽量，kg/s；hj為第j級加熱器抽汽焓，kJ/kg。

單位新蒸汽做功增加為

ΔHwbs=αjj(hj-hn)

(4)

式中：αjj為第j級加熱器的排擠抽汽份額，即αjj=Dj/D0，D0為新蒸汽量，kg/s。

通過霧化補(bǔ)水回收排汽熱量屬于內(nèi)部純熱量的利用問題[12]。新蒸汽做功增量為

(5)

式中：ηj為第j級加熱器的抽汽效率。

由式(3)～(5)可得，與熱井方式相比，單位新蒸汽在霧化補(bǔ)水時做功增量為

(6)

式中：αwbs為補(bǔ)水份額，即αwbs=Dwbs/D0。

當(dāng)化學(xué)補(bǔ)水從熱井補(bǔ)入系統(tǒng)時，將增加末級第j級加熱器的抽汽量，則單位新蒸汽做功降低量[12]為

(7)

由式(6)、(7)可得相對于無補(bǔ)水的工況，單位新蒸汽在霧化補(bǔ)水時做功增量為

(8)

機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)變化量[12]為

(9)

式中：δηi為機(jī)組熱效率相對變化量；H為新蒸汽等效焓降，kJ/kg。

Δq=qδηi

(10)

式中：q為熱耗率，kJ/(kW·h)；Δq為熱耗率變化量，kJ/(kW·h)，負(fù)號表示Δq與δηi變化方向相反。

Δbb=bbδηi

(11)

式中：bb為標(biāo)準(zhǔn)煤耗，g/(kW·h)；Δbb為標(biāo)準(zhǔn)煤耗變化量，g/(kW·h) ，負(fù)號表示Δbb與δηi變化方向相反。

2 不同補(bǔ)水方式的熱經(jīng)濟(jì)性比較

本文以國產(chǎn)NK600-24.2/566/566型機(jī)組為例，該機(jī)組熱力系統(tǒng)由“三高”、“三低”、“一除氧”組成，其熱力系統(tǒng)如圖2所示。選取機(jī)組最大連續(xù)出力(turbine maximum continuous rating, TMCR)，熱耗率驗收(turbine heat-rate acceptance, THA)、80% THA、60% THA和50% THA這5個工況點(diǎn)，對霧化補(bǔ)水和熱井補(bǔ)水方式下的熱經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。

對于再熱機(jī)組考慮再熱器中吸熱量及全部輔助成分做功損失，由等效熱降理論可得新蒸汽等效熱降[12]為

(12)

式中：h0為新蒸汽焓，kJ/kg；σ為蒸汽在再熱器中的吸熱量，kJ/kg；τr為工質(zhì)在加熱器中的焓升，kJ/kg；ηr為加熱器抽汽效率；ΣΠ為系統(tǒng)全部輔助成分的做功損失，如門桿漏汽、軸封漏汽、給水泵功損等代數(shù)和，kJ/kg。

圖2 600 MW機(jī)組熱力系統(tǒng)

由文獻(xiàn)[13]可得到不同工況下運(yùn)行機(jī)組的主要參數(shù)，與熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相關(guān)的參數(shù)計算結(jié)果見表1、2。

表1 各級加熱器抽汽等效焓降

選取上述5個工況點(diǎn)的補(bǔ)水量均為30 t/h，補(bǔ)水溫度為25 ℃，通過計算可以得到各熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)隨負(fù)荷的變化如圖3所示。從圖3可看出，當(dāng)補(bǔ)水量一定時，采用排氣管道霧化補(bǔ)水的熱效率相對變化量隨負(fù)荷的增加先減小，后穩(wěn)定，之后又增大。機(jī)組負(fù)荷低于60%THA時，凝結(jié)水焓和水量較低，回收冷端余熱后，補(bǔ)水的熱量和流量與凝結(jié)水相比所占份額較大，增加了排擠抽汽，負(fù)荷越低，排擠抽汽量越大，熱效率提升越多。從THA到TMCR工況，由于排汽壓力升高，補(bǔ)水回收熱量增加，與新蒸汽等效焓降相比所占份額提高，因而熱效率升高。60%THA到THA負(fù)荷范圍內(nèi)，機(jī)組在距設(shè)計工況較近的范圍內(nèi)運(yùn)行，霧化補(bǔ)水對機(jī)組熱效率的提高略小。補(bǔ)水進(jìn)入熱井方式時，熱效率相對變化量隨負(fù)荷升高而增大，這是因為凝結(jié)水焓和凝結(jié)水量增高，補(bǔ)水量和其從熱井中吸收的熱量占凝結(jié)水的份額減小，對機(jī)組熱效率的影響降低。熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)在霧化補(bǔ)水時的值始終大于熱井方式下的值，且二者的差值隨負(fù)荷增加逐漸減小。

表2 各級加熱器抽汽效率

選取空冷機(jī)組80%THA工況點(diǎn)，在補(bǔ)水量變化時，熱效率相對變化量與補(bǔ)水量的關(guān)系如圖4所示。從圖4可看出，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷一定，補(bǔ)水量增加，熱效率相對變化量在采用霧化補(bǔ)水方式時逐漸提高，而采用熱井方式時逐漸減小；這2種補(bǔ)水方式引起熱效率相對變化量的差值隨補(bǔ)水量增加而逐漸增大。這是由于霧化補(bǔ)水量越大，從機(jī)組冷端回收的熱量越多，使末級加熱器的排擠抽汽增加，從而使熱效率逐漸提升；而熱井補(bǔ)水方式，凝結(jié)焓值隨補(bǔ)水量增加逐漸降低，增加了加熱器抽汽，使熱效率降低。

圖3 不同補(bǔ)水方式下機(jī)組負(fù)荷對熱效率、煤耗和熱耗率的影響

圖4 不同補(bǔ)水方式下熱效率相對變化量隨補(bǔ)水量變化曲線

通過計算霧化補(bǔ)水和熱井補(bǔ)水方式的熱經(jīng)濟(jì)性，可知：與熱井補(bǔ)水方式相比，排汽管道內(nèi)霧化補(bǔ)水可以提高機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性。從熱力學(xué)的角度看，霧化補(bǔ)水吸收了排汽的低品位熱量，使末級加熱器入口水焓值增加，從而排擠能級較高的末級抽汽，減少了高品位熱量的消耗，這部分熱量返回汽輪機(jī)繼續(xù)做功，從而提高了機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性。

3 結(jié) 論

(1)通過對霧化補(bǔ)水建立物理和熱經(jīng)濟(jì)模型進(jìn)行實例計算，與熱井補(bǔ)水相比，霧化補(bǔ)水方式可以提高機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性。

(2)熱經(jīng)濟(jì)性的提高的大小除了與補(bǔ)水量有關(guān)外，還與機(jī)組負(fù)荷有關(guān)，但霧化補(bǔ)水總可以提高機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性。

(3)與熱井補(bǔ)水方式相比，霧化補(bǔ)水方式除可提高機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性外，還可以降低低壓設(shè)備的氧腐程度及降低廠用電。

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(編輯：蔣毅恒)

ThermalEconomyAnalysisofAtomizedMake-UpWaterforDirectAir-CoolingUnit

LI Huijun, JIAO Yingzhi, JIA Baotong

(School of Energy and Power Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China)

For direct air-cooling unit, the higher back pressure increases cold source loss and affects the thermal economy of unit. Make-up water through hot well had little affection on reducing cold source loss, so atomized make-up water was proposed for direct air-cooling unit, which changed make-up water method from entering hot well directly to entering hot well after it was atomized at the appropriate location within the exhaust pipe. This paper built the physical model and thermal economy model of atomized make-up water based on equivalent enthalpy drop method, and calculated the thermal economy of the two make-up water methods under different working conditions with taking NK600-24.2/566/566 as example. The result verifies the feasibility that atomized make-up water can improve the thermal economy of unit. Compared with hot well method, atomized make-up water can reduce cold source loss, improve thermal economy of unit and achieve the purpose of energy saving.

direct air-cooling unit; make-up water through hot well; atomized make-up water; thermal economy

TK 262

： A

： 1000-7229(2014)05-0118-04

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.05.021

2013-11-01

：2013-11-27

李慧君(1964)，男，教授，研究方向為強(qiáng)化換熱及數(shù)值計算、電廠熱力系統(tǒng)的節(jié)能理論與監(jiān)測診斷；

焦英智(1987)，男，碩士研究生，研究方向為電站機(jī)組運(yùn)行、維護(hù)與管理，E-mail：jyz864063212@126.com；

賈寶桐(1989)，男，碩士研究生，研究方向為電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷。