朱星榮，汪霞，余廷芳

(1.南昌大學機電工程學院，江西 南昌 330031； 2.貴溪發(fā)電有限責任公司，江西 貴溪 335400)

直接空冷機組的應(yīng)用對解決我國水資源短缺的矛盾，促進經(jīng)濟社會發(fā)展起到重要作用。與水冷方式相比，火電機組采用直接空冷方式具有節(jié)水的優(yōu)點，但也存在廠用電大，使得其熱耗一般比水冷機組高6%～9%，機組背壓高，導(dǎo)致直接空冷機組熱效率較水冷機組約低5%等缺點[1-2]。因直接空冷機組運行背壓受機組負荷、環(huán)境溫度及風機風量的影響[3]，運行中變化較大，導(dǎo)致直接空冷機組實際運行中機組效率往往偏離最佳值幅度大[4-5]，影響企業(yè)的經(jīng)濟效益。因此直接空冷機組的冷端優(yōu)化運行是該類機組提高經(jīng)濟性能的主要手段[6]，其中直接空冷凝汽器的變工況特性模型是機組冷端優(yōu)化的核心模型，對冷凝汽器這類換熱器性能特性研究，利用CFD數(shù)值模擬方法是一種較為廣泛的建模方法[7-8]，這類方法的優(yōu)點是設(shè)備針對性強，但必須有詳細的結(jié)構(gòu)尺寸，此外計算時間長，不利于在線優(yōu)化指導(dǎo)運行。利用廠家設(shè)計資料對空冷凝汽器進行變工況性能計算是空冷機組在線運行優(yōu)化建模的主要方法，文獻[9-12]通過建立直接空冷系統(tǒng)數(shù)值計算模型，考慮環(huán)境因素的影響，對直接空冷凝汽器變工況性能進行了分析研究，為機組處于安全經(jīng)濟背壓下運行提供指導(dǎo)。文獻[13-14]基于ε-NTU法，考慮到直接空冷機組排汽流經(jīng)較長排氣管道和較多彎頭的壓力損失，分別對300、600 MW直接空冷機組凝汽器進行了變工況特性研究，且得到了直接空冷機組冷端系統(tǒng)性能特性變化規(guī)律。

直接空冷凝汽器計算模型的計算快捷性、準確性決定了直接空冷機組冷端系統(tǒng)優(yōu)化的效果，而上述建模方法也存在其相應(yīng)的不足之處，如數(shù)值模擬方法必須得到詳細的空冷凝汽器的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，同時計算時間長，而傳統(tǒng)的ε-NTU方法為了簡便計算，通常把排汽焓與凝結(jié)水焓的差值視為定值，未考慮凝汽器冷凝溫度變化實際凝結(jié)熱的變化，導(dǎo)致計算精度往往偏離實際值較大。

本文基于廠家原始數(shù)據(jù)資料，考慮了凝汽器冷凝溫度變化實際凝結(jié)熱的變化及排汽壓損，基于傳統(tǒng)的ε-NTU法，建立了某600 MW直接空冷機組凝汽器變工況特性計算模型，驗證了該模型的準確性，與傳統(tǒng)模型相比準確度更高。分析了排汽流量、環(huán)境溫度和迎面風速對空冷凝汽器壓力的影響。

1 直接空冷凝汽器變工況計算模型

1.1 空冷凝汽器變工況數(shù)學模型

對于直接空冷冷端系統(tǒng)來說，排汽負荷、環(huán)境溫度和迎面風速是影響凝汽器壓力的主要因素。同時機組變工況運行中，空冷凝汽器凝結(jié)溫度變化導(dǎo)致排汽實際凝結(jié)熱發(fā)生變化，也就是說，凝汽器壓力在受到排汽流量、環(huán)境溫度和迎面風速這些主要參數(shù)影響的同時，排汽焓與凝結(jié)水焓的變化也影響著凝汽器壓力的變化。

凝汽器管內(nèi)蒸汽凝結(jié)放熱量：

Qn=Dn(hn-hs)

(1)

式中：Dn為汽輪機排汽量，kg·s-1；hn為排汽焓值，kJ·kg-1；hs為凝結(jié)水焓值，kJ·kg-1；

凝汽器管外空氣的吸熱量：

Qa=Gacp(ta2-ta1)=AFvNFρcp(ta2-ta1)

(2)

式中：Ga為空氣流量，kg·s-1；AF為迎風面積，m2；ρ為空氣密度，kg·m-3；vNF為迎面風速，m·s-1；cp為空氣比定壓熱容，kJ·kg-1·K-1；ta1為入口空氣溫度，℃；ta2為出口空氣溫度，℃；

根據(jù)ε-NTU法，一側(cè)有相變的換熱器效能ε為[15]：

(3)

式中：NTU為傳熱單元數(shù)；K為凝汽器的傳熱系數(shù)，kW· m-2· K-1；A為凝汽器總傳熱面積，m2；

由此，可得凝汽器內(nèi)凝結(jié)水溫度：

(4)

空冷凝汽器壓力可由經(jīng)驗公式計算得到[16]：

美國心理學家威廉·詹姆士說：“記憶的秘訣就是根據(jù)我們想記住的各種資料來進行各種各樣的聯(lián)想，而這些聯(lián)想就成了各種資料的釣鉤，萬一資料沉沒腦海，我們就可以通過聯(lián)想這樣的釣鉤將資料釣出來?！盵6]聯(lián)想記憶單詞就是充分運用發(fā)散思維展開自己的想象力，由此及彼、由點到面，通過詞與詞之間的上下關(guān)系、同義關(guān)系、反義關(guān)系等幫助學生建構(gòu)詞匯網(wǎng)絡(luò)，引導(dǎo)學生充分運用聯(lián)想，讓新的詞匯不斷融入舊的網(wǎng)絡(luò)，有助于記憶的同時，也加深對詞義的理解。這樣日積月累、持之以恒，就可以積少成多、厚積薄發(fā)。

(5)

1.2 變工況下傳熱系數(shù)的計算

傳熱系數(shù)K是計算變工況下直接空冷機組排汽壓力的重點，而其受到凝汽器管內(nèi)蒸汽流速、管內(nèi)外污垢熱阻、管壁導(dǎo)熱系數(shù)以及管外空氣流速等因素的影響，使得凝汽器變工況的計算變得十分困難。

對于空冷凝汽器，凝汽器管外為空氣掃掠管束，換熱熱阻達到較大的10-2數(shù)量級，主要集中在這一側(cè)；管內(nèi)為蒸汽凝結(jié)，換熱熱阻很小，僅約為10-4數(shù)量級，且空冷凝汽器的管壁較薄，而其導(dǎo)熱系數(shù)又較大，因此可以忽略管內(nèi)的換熱熱阻和管壁導(dǎo)熱熱阻。所以換熱熱阻主要集中在管外空氣側(cè)，在工程實際中，可認為傳熱系數(shù)僅是迎面風速的函數(shù)[13]。即：

(6)

式中：α0為管外空氣對流換熱系數(shù)；“od”表示變工況。

因此，已知設(shè)計傳熱系數(shù)，只需要知道變工況下的迎面風速，變工況下的傳熱系數(shù)可由式(6)計算出來。

1.3 機組排汽壓力的計算

直接空冷機組排汽壓力pc需要考慮排汽壓損Δp(包括排氣管道壓力損失及水蒸氣柱引起的壓差)，即：

pc=pn+Δp

(7)

變工況下的排汽壓損按式(8)簡化計算[17]：

(8)

1.4 變工況特性計算程序?qū)崿F(xiàn)

2 計算結(jié)果與分析

以某600 MW直接空冷機組為研究對象，進行直接空冷凝汽器變工況影響因素分析?？绽淠鞑捎秒p排管鋼翅片凝汽器，基管橫截面積為100 mm×20 mm，基管壁厚為1.5 mm，翅片規(guī)格及厚度分別為119 mm×49 mm、0.35 mm，空冷凝汽器管束分為順流管束和逆流管束，8個管束組成一個空冷凝汽器冷卻單元，以接近60°角組成的等腰三角“A”型結(jié)構(gòu)構(gòu)成?？绽淠鞯脑O(shè)計參數(shù)如表1所示。

2.1 空冷凝汽器變工況計算模型驗證及對比

為了驗證上述直接空冷凝汽器變工況計算模型的準確性，分別采用本模型與傳統(tǒng)模型計算了100%風機轉(zhuǎn)速不同環(huán)境溫度下，機組排汽壓力隨排汽流量的變化特性曲線，并與廠家提供的特性曲線進行對比，結(jié)果如圖2所示。

圖2中實線表示廠家提供的特性曲線，圖2(a)、(b)虛線分別為傳統(tǒng)模型及本模型計算的各點結(jié)果。從圖2(a)中可以看出，通過傳統(tǒng)模型計算得到的計算結(jié)果與廠家提供的特性曲線偏差較大，其最大誤差為1.88%；如圖2(b)可知，文中所建模型的計算結(jié)果和廠家提供特性曲線吻合較好。其最大誤差為1.68%，滿足工程精度要求，這表明文中所建模型具有足夠的準確性，且比傳統(tǒng)模型精度更高。

表1 設(shè)計參數(shù)Tab.1 Design parameters

2.2 直接空冷凝汽器變工況特性分析

應(yīng)用上面所建立的凝汽器變工況數(shù)學計算模型，分析了排汽流量、環(huán)境溫度和迎面風速對直接空冷凝汽器壓力的影響，得到的數(shù)據(jù)及繪制的曲線如下。

1) 迎面風速為2.1 m·s-1時，當排汽流量恒定，環(huán)境溫度變化時，空冷凝汽器壓力變化情況如圖3所示。

從圖3中能夠得出，在相同的排汽流量下，環(huán)境溫度升高，冷卻空氣進口溫度升高，空冷凝汽器壓力也會隨之增大，凝汽器真空下降。在機組排汽流量和通風量一定時，凝汽器工作壓力隨環(huán)境溫度的變化曲線在溫度較低時變化平緩，之后隨著環(huán)境溫度的升高，其斜率逐漸增大，表明在環(huán)境溫度較高時，相同的環(huán)境溫度變化對凝汽器工作壓力影響增大。相同的環(huán)境溫度下，隨排汽量的升高，凝汽器壓力溫度曲線斜率增大，表明凝汽器在較大的排汽流量下，凝汽器壓力對環(huán)境溫度的變化更加敏感。

2) 排汽流量為1 331 t·h-1時，當環(huán)境溫度恒定，迎面風速變化時，凝汽器壓力變化如圖4所示。

從圖4中能夠得出，隨著迎面風速的增大，凝汽器壓力逐漸減小，這說明迎面風速的增大強化了換熱，利于凝汽器換熱，從而使得凝汽器真空增大，且凝汽器壓力減小速率隨迎面風速的增大逐漸趨于平緩。當迎面風速小于2.8 m·s-1時，迎面風速變化對凝汽器壓力的影響較大，當迎面風速大于2.8 m·s-1時，再通過提高風機轉(zhuǎn)速來降低凝汽器壓力效果不明顯，反而會增加風機功耗。從圖中能夠得到，環(huán)境溫度越高，在迎面風速增大時，凝汽器壓力降低速率逐漸增大，這表明在夏季環(huán)境下，由于環(huán)境溫度高，凝汽器壓力對迎面風速的變化較為敏感。

3) 迎面風速為2.1 m·s-1時，當環(huán)境溫度恒定，機組排汽流量變化時，凝汽器壓力變化情況如圖5所示。

從圖5可見，在相同的環(huán)境溫度下，凝汽器壓力隨著機組排汽流量的增大逐漸增大。環(huán)境溫度越高，凝汽器壓力的變化越劇烈。表明在較高的環(huán)境溫度下，機組排汽流量(機組熱負荷)越大，空冷凝汽器壓力受到的影響越明顯，因此，在夏季高溫環(huán)境下，直接空冷機組需要限負荷運行，以確保機組的安全性和經(jīng)濟性。

3 結(jié)論

考慮凝汽器冷凝溫度變化實際凝結(jié)熱的變化及變工況下排汽壓損的變化，對傳統(tǒng)的ε-NTU法進行改進，從而改善了空冷凝汽器變工況特性模型計算精度，并且驗證了模型的準確性，分析了空冷凝汽器的變工況特性，得到的主要結(jié)論如下：

1) 建立了某600 MW直接空冷機組凝汽器變工況特性計算模型，借助廠家提供的特性曲線對傳統(tǒng)模型及本模型的計算結(jié)果進行了對比驗證，本模型最大誤差1.68%，滿足工程精度要求的同時，比傳統(tǒng)模型計算精度更高。

2) 凝汽器工作壓力隨環(huán)境溫度、排汽流量的增大而增大，隨迎面風速的增大而逐漸減小。隨著環(huán)境溫度的升高，凝汽器壓力受到環(huán)境溫度、排汽流量和迎面風速的影響越大。當迎面風速超過2.8 m·s-1時，再提高風機轉(zhuǎn)速來降低凝汽器壓力效果不明顯，反而會增加風機功耗，從而影響機組效益。另外，在較大的排汽流量下，凝汽器壓力對環(huán)境溫度的變化更加敏感，因此，在夏季高溫環(huán)境下，直接空冷機組需要限負荷運行，以確保機組的安全性和經(jīng)濟性。