邢滿江，許小剛2，葛曉紅3，張 輝

(1.建投承德熱電有限責(zé)任公司，承德 067000；2.華北電力大學(xué)(保定),保定 071003；3.中鋼集團(tuán)邢臺(tái)機(jī)械軋輥有限公司，邢臺(tái) 054000)

0 引 言

某熱電廠C350-24.2/0.343/566/566型超臨界供熱機(jī)組凝汽器型號(hào)為上汽N-23500型，單殼體，對(duì)分雙流程、表面式，冷卻面積23 500m2,設(shè)計(jì)背壓4.9 kPa，汽側(cè)設(shè)計(jì)壓力0.098 MPa,水側(cè)設(shè)計(jì)壓力0.4 MPa，冷卻水量45 477.9 m3/h。凝結(jié)水補(bǔ)充水來自化學(xué)除鹽水，補(bǔ)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力1.0 MPa，設(shè)計(jì)水溫25 ℃。

凝汽器補(bǔ)水系統(tǒng)設(shè)有啟動(dòng)補(bǔ)水和運(yùn)行補(bǔ)水二套控制調(diào)節(jié)管路，補(bǔ)水來自廠房?jī)?nèi)除鹽水母管。如圖1所示。機(jī)組運(yùn)行正常補(bǔ)水量在37 t/h左右。正常補(bǔ)水進(jìn)水管道進(jìn)入凝汽器，采用在φ245×10補(bǔ)水管上打孔方式，補(bǔ)水以水柱狀噴出。如圖2所示。此種補(bǔ)水方式無法使溫度較高的排汽和低溫補(bǔ)水在喉部實(shí)現(xiàn)有效熱交換，或者說排汽的潛熱沒有足夠放熱給低溫的補(bǔ)水，低溫補(bǔ)水也無法吸收排汽的熱量而被加熱，導(dǎo)致機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性下降，從而導(dǎo)致凝結(jié)水過冷度和含氧量增加。

1 噴嘴霧化數(shù)值模型研究

不同噴嘴布置方式、布置角度、噴水壓力、噴水流量等對(duì)凝結(jié)水補(bǔ)水霧化效果和凝結(jié)水溶氧量以及凝結(jié)水過冷度有直接關(guān)系，下面我們通過數(shù)值模型進(jìn)行相應(yīng)研究。

圖1 凝汽器補(bǔ)充水系統(tǒng)圖

圖2 凝汽器補(bǔ)水噴管

1.1 噴嘴噴霧理論

噴霧的理論覆蓋范圍是在假設(shè)噴霧角度在整個(gè)噴霧距離中保持不變的情況下得到的。噴嘴通過在內(nèi)部安裝能夠產(chǎn)生渦流的帶環(huán)形槽的墊片或車銑加工出旋轉(zhuǎn)流道使液體在離心力作用下，以呈一定大小的圓錐噴霧角從噴孔噴出，形成圓錐形霧化帶，理論覆蓋范圍可以根據(jù)噴霧角和噴嘴長(zhǎng)度尺寸計(jì)算得出，計(jì)算公式如下：

(1)

式中，S為理論覆蓋范圍，m2；d為噴霧距離，m；α為噴霧夾角，(°)。

在實(shí)際噴霧中，有效噴霧角度會(huì)因水的粘度、噴嘴流量、噴射壓力和噴射距離等因素變化。一般來說，與理論范圍相比實(shí)際噴霧的覆蓋范圍比要小，噴嘴噴霧覆蓋范圍應(yīng)該有1/4～-1/3的重疊區(qū)域，從而能夠使噴霧效果分布均勻。

噴嘴內(nèi)流動(dòng)以及噴霧的數(shù)學(xué)模型

FLUENT提供兩種霧滴破碎模型：泰勒類比破碎(TAB)模型和波致破碎模型。對(duì)于泰勒類比破碎模型創(chuàng)建噴霧模型：選擇pressure-swirl-atomizer(壓力旋流霧化模型)。

湍動(dòng)能方程：

(2)

湍動(dòng)能耗散率方程：

(3)

TAB噴霧模型：

(4)

顆粒軌跡模型：

(5)

通過模型計(jì)算可以看出噴嘴截面上各個(gè)直徑段粒徑分布基本均勻，滿足霧化基本要求。

假設(shè)條件為350 MW級(jí)機(jī)組，汽輪機(jī)末級(jí)排汽量為D1=D0(1-∑α-αs)，喉部入口尺寸49.1 m2,主蒸汽流量為D0，各級(jí)抽汽份額為∑α，工質(zhì)損失為αs，喉部入口蒸汽溫度34.5 ℃，排汽壓力5.39 kPa，該壓力下蒸汽比容26.27 m3/kg，干度0.93。凝汽器化學(xué)補(bǔ)水溫度22～25 ℃，補(bǔ)水流量19 t/h時(shí)，數(shù)值計(jì)算見表1。

表1 噴嘴壓力、直徑與排汽速度變化

1.2 雙排噴嘴布置形式研究

對(duì)雙排噴嘴布置方式進(jìn)行數(shù)值模擬在補(bǔ)水量分別為22、30、35、40、45、50、55、60 t/h，噴射壓力0.5 MPa，噴嘴直徑6 mm，噴射角度為0、45、90、135、180°的工況下進(jìn)行數(shù)值模擬分析得知：補(bǔ)水量小于35 t/h時(shí)，噴嘴在雙排布置的方式下，順向噴霧的換熱效果好于逆向噴霧；補(bǔ)水量大于35 t/h時(shí)，噴射角45°的換熱效果最好。

1.3 噴嘴數(shù)量計(jì)算

以350 MW機(jī)組凝汽器為例，噴嘴在低壓加熱器兩側(cè)各布置一排，噴嘴高度1.85 m，噴射壓力0.5 MPa，噴嘴直徑6 mm，化學(xué)除鹽水溫度22～25 ℃，補(bǔ)水量由22 t/h增加至60 t/h，根據(jù)以上參數(shù)由噴嘴流量計(jì)算式可以得出不同補(bǔ)水量情況下的噴嘴個(gè)數(shù)，見表2。

表2 流量增加與噴嘴個(gè)數(shù)變化

1.4 正常運(yùn)行補(bǔ)水霧化噴嘴模型研究結(jié)論

綜合考慮噴嘴直徑、噴射壓力、排汽速度、補(bǔ)水量及噴嘴布置方式對(duì)霧化效果和換熱效果的影響，對(duì)喉部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)論如下：

(1)噴嘴的噴射角度對(duì)噴霧與蒸汽的耦合換熱效果影響很大，霧滴受到排汽的單位質(zhì)量拽力作用，與蒸汽的耦合換熱同時(shí)受到噴霧壓力和噴射角度的影響。噴射壓力偏低時(shí)，噴射出的霧滴受到的汽流阻力較大，耦合換熱輻射體積有限，降低了耦合換熱效果。當(dāng)噴射壓力較大時(shí)，逆向噴霧效果好于順向噴霧，當(dāng)噴射壓力較小時(shí)，順向噴霧效果優(yōu)于逆向噴霧。

(2)隨著噴霧壓力的增加，單個(gè)液滴具有的動(dòng)能增大，進(jìn)而可以減少霧滴受到的蒸汽的曳力影響，增大噴射距離，從而克服汽流阻力的作用增加空間分布，提高霧滴與蒸汽之間的換熱效率。

(3)噴嘴的直徑越小，噴出的霧滴直徑越小，從而增大霧滴與蒸汽的接觸面積，有利于二者之間的混合換熱。

(4)噴嘴間距確定，噴嘴間距應(yīng)滿足噴射椎體空間分布需要，盡可能增大空間體積，噴射流體速度減少至原三分之一左右時(shí)可以考慮噴射椎體空間進(jìn)行疊交，椎體空間疊交體積應(yīng)小于椎體空間體積10%，增強(qiáng)末端空間擾動(dòng)，加強(qiáng)末端霧滴與汽流混合換熱效果。噴嘴可以考慮交叉布置方式，噴嘴中心線夾角90°，縮短原噴嘴間距為80%～90%，可增大補(bǔ)水量，同時(shí)增強(qiáng)單位體積空間內(nèi)擾動(dòng)，增強(qiáng)耦合換熱效果。

(5)由于凝汽器喉部空間的限制，采用雙排噴嘴時(shí)可降低了噴嘴密度，適用于大流量補(bǔ)水工況運(yùn)行。

2 正常運(yùn)行補(bǔ)水技術(shù)優(yōu)化案例

本案例采用將噴嘴在低壓加熱器兩側(cè)雙排方式布置，兩排之間間距1 m，采用壓力式高壓旋轉(zhuǎn)霧化結(jié)構(gòu)噴頭。按補(bǔ)水量45 t/h設(shè)計(jì)，單個(gè)噴嘴流量不變，需要布置的噴嘴個(gè)數(shù)為40個(gè)，分別在低壓加熱器兩側(cè)各布置兩排，單排噴嘴個(gè)數(shù)為20個(gè)，布置高度1.85 m，間距1 m，噴嘴采用順向45°角交叉布置方式，噴嘴采用直徑為φ6壓力式高壓旋轉(zhuǎn)霧化結(jié)構(gòu)噴嘴。4根φ57×5化學(xué)正常補(bǔ)水母管接自原機(jī)組φ133×5正常補(bǔ)水管道后，增加單獨(dú)流量孔板對(duì)流量進(jìn)行測(cè)量，4根補(bǔ)水管道上均安裝補(bǔ)水控制電磁閥和檢修隔離真空手動(dòng)門，補(bǔ)水管道材質(zhì)采用304不銹鋼，管道上交叉45°開22個(gè)孔(預(yù)留2個(gè))安裝霧化噴嘴。具體布置如圖3所示。

圖3 正常運(yùn)行補(bǔ)水霧化系統(tǒng)圖

通過上述技術(shù)優(yōu)化將機(jī)組運(yùn)行中正常化學(xué)補(bǔ)水進(jìn)行合理霧化處理，用于提高機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性和降低凝結(jié)水的含氧量。正?；瘜W(xué)補(bǔ)水經(jīng)霧化噴嘴噴出后，形成一個(gè)呈90度的錐體形狀霧化帶，噴出的水霧呈螺旋形狀旋轉(zhuǎn)，以強(qiáng)化與汽機(jī)排汽的混合熱交換。這樣就可以迅速將補(bǔ)水加熱到排汽壓力下的飽和溫度進(jìn)而減小凝結(jié)水過冷度，最大限度的凝結(jié)排汽量，提高真空。另外，補(bǔ)水霧化后可以使補(bǔ)水中含有的空氣離析溢出而被真空泵抽走，降低了凝結(jié)水的含氧量，對(duì)提高凝結(jié)水在低加內(nèi)換熱效果、減緩低加氧化腐蝕速度有利。

3 凝汽器補(bǔ)水霧化后經(jīng)濟(jì)性研究

補(bǔ)水在凝汽器中實(shí)現(xiàn)霧化的熱經(jīng)濟(jì)效益變化可以分為兩部分，一部分是因?yàn)樘岣哒婵湛蓭淼臒峤?jīng)濟(jì)性收益，另一部分是因?yàn)檫^冷度變化和低加回?zé)嵯到y(tǒng)提高熱交換率帶來的熱經(jīng)濟(jì)性收益。

3.1 真空變化的熱經(jīng)濟(jì)性收益

由補(bǔ)水和排汽之間的熱平衡式求出補(bǔ)水霧化后增加的排汽凝結(jié)量ΔDn：

(6)

根據(jù)凝汽器特性曲線，可得出ΔDn對(duì)應(yīng)的凝汽器真空變化ΔP。凝汽器提高真空帶來的經(jīng)濟(jì)效益是多發(fā)電，節(jié)省煤，用下式表示：

ΔPT=1.02×103ΔpK1PT[kW]

(7)

ΔE=ΔPTτ[kW·h]

(8)

(9)

3.2 由過冷度變化和低加回?zé)嵯到y(tǒng)提高熱交換率帶來的熱經(jīng)濟(jì)性收益

(10)

ΔB=bb×δηi×τ×PT

(11)

式中,ΔB為全年節(jié)約標(biāo)煤量，kg；δηi為裝置效率相對(duì)提高率。

若暫不考慮提高真空對(duì)熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的影響，采用該技術(shù)后凝汽器真空提高、凝結(jié)水過冷度減小、凝結(jié)水溶氧量降低，低壓加熱器傳熱效果增強(qiáng)，提高除氧器除氧加熱效果減少高壓抽汽量等均可使機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性提高，一般可降低煤耗0.3 g/kW·h以上，機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)按5 000小時(shí)計(jì)算，1臺(tái)350 MW機(jī)組年節(jié)省標(biāo)煤450 t，每噸標(biāo)煤如按600元計(jì)算，則年節(jié)省燃料費(fèi)用27萬元。

4 結(jié)束語

超臨界供熱機(jī)組正常補(bǔ)水霧化后可使補(bǔ)水有效吸收汽輪機(jī)循環(huán)的汽化潛熱，降低冷源損失，提高循環(huán)效率；提高機(jī)組真空度，降低凝結(jié)水中含氧量，可改善回?zé)嵯到y(tǒng)低壓加熱器運(yùn)行環(huán)境，提高換熱效率，降低發(fā)供電煤耗，有助于提高發(fā)電廠熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，降低一次能源消耗，最終提升電廠盈利能力。