火电机组直接空冷系统热力设计和变工况计算程序.pdf

第 2 7卷第 5 期 2 0 0 6年 1 O月 能源技术 ENERGY TECH NOLOGY Vo 1 ． 2 7 NO ． 5 0c t ． 20 06 火电机组直接空冷 系统热力设计和 变工况计算程序 董韶峰 。 任浩 1 ． 华北水利水电学院， 郑州 4 5 0 0 1 1 ； 2 ． 广州市质量技术监督局天河分局 ， 广州 5 1 0 6 5 0 摘要 针对直接空冷 系统设计和变工况计算 中存在迭代现象， 特用 C 语 言编写了一套直 接空冷 系统的可视化计算程序， 并用算例证 明程序 的可靠性 。用变工况计算程 序对 已设计好 的直 接空冷 系统进行 了计算 ， 得到其变工况热力性能。 关键词 直接空冷 系统 D AC C ； 变工况特性 ； 效率一传热单元数 法 中图分类号 TK2 6 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 5 - 7 4 3 9 2 0 0 6 0 5 - 0 1 9 4 0 4 De s i g n i n g a n d Al t e r n a t e d W o r ki n g Co n di t i o n Co mp u t i n g Pr o g r a ms o f DACC DONG S h a o - f e n g 。 REN h a o 1 ． N o r t h C h i n a Un i v e r s i t y o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d E l e c t r i c P o w e r ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 1 I ， C h i n a ； 2 ． B u r e a u o f Qu a l i t y a n d T e c h n i c a l S u p e r v i s i o n o f Gu a n g z h o u C i t y T i a n h e B r a n c h 5 1 0 6 5 0 。C h i n a Ab s t r a c t S i n c e t h e r e e x i t i t e r a t i v e c a l c u l a t i o n s i n t h e d e s i g n a n d s t u d y o f a l t e r n a t e d wo r k i n g c o n d i t i o n o f DAC C，Vi s u a l p r o g r a ms a b o u t t h e s e a r e i n t r o d u c e d i n t h i s p a p e r ． Th e p r o g r a ms i n c l u d e t h e r e p a r t s ，t h e f i r s t i s g e o me t r i c p a r a me t e r s o f DACC，t h e n t h e s e c o n d i s d e s i g n i n g c a l c u l a t i o n，a n d t h e t h i r d i s i t s a l t e r n a t e d wo r k i n g c o n d i t i o n c a l c u l a t i o n ．Th e v a l i d i t y o f t h e s e p r o g r a ms i s v e r i f i e d b y u s e o f e x a mp l e s ，a n d t he a l t e r n a t e d wo r k i n g c o n d i t i o n t h e r ma l c h a r a c t e r i s t i c s a r e p r o v i d e d b y u s i n g t h e t h i r d p r o g r a m． Ke y w o r d s D i r e c t A i r C o o l i n g C o n d e n s e r D A C C ，C h a r a c t e r i s t i c s o f Al t e r n a t e d Wo r k i n g C o n d i t i o n ， E f f ic i e n c y --N u mb e r o f He a t t r a n s f e r Un i t rF NT U 目前 ， 国内外火电站普遍采用间接空冷系统 ， 这 种系统技术成熟 ， 但是 由于必须用水 为中间冷却介 质 ， 汽轮机排汽和空气之间的热交换被分 为蒸汽和 冷却水之间以及冷却水和空气之 间两个换热过程； 同时 ， 为了提高换热效率 ， 这种系统往往需要昂贵的 冷却水处理装置 ， 并且在循环中冷却水会不断蒸发， 必须及时补水 ， 从 而增加 了运行成本。直接空冷系 统 D AC C 采用风机驱动环境大气直接冷却汽轮机 出口蒸汽 蒸汽流经散热管放热变为凝结水 ， 空气横 掠散热器管束 吸 热升 温 ； 整 个过 程不 需要 中间 介 质冷媒水来传递热量 ， 因此节约了水资源 ， 并且 省去了昂贵的水处理设备 。随着工业发展对水资源 需求的增加 以及人类节 能与环保 意识的增强 ， 直 接 空冷系统的优势逐渐显现 ， 国内外直接空冷电站装 机容量也在不断扩 大， 相关 的研究工作也在不 断发 】 9 4 展 。 发电机组直接空冷系统 的设计 ， 往往需要根据 当地气候特点确定一个固定温度作为空气的进 口温 度， 然后按这个温度和热负荷来 布置整个空冷系统 。 但在实际运行时的大多数时间内空气温度都偏离设 计温度， 这就需要对空冷器进行变工况计算 ， 以便及 时采取有效 的调节措施来保证 D AC C和整个机 组 能经济可靠运行 。 DAC C系统 的设计和变工况计 算 中， 要根据定 性温度确定物性参数 ， 由于物性参数决定传热性能， 传热性能反过来又决定了出口温度 的大小从而改变 了定性温度 ， 因此计算 中需要使用迭代 ， 计算工作量 也较大 。为了方便 D AC C设计和变工况计算， 本 文 用 C语 言编写了 D AC C的管 束几何 尺寸计算 程序、 系统 的设计计算程序和变工况计算程序 。由 维普资讯 董韶峰等 火电机组直接空冷系统热力设 计和变工况计算程序 于 D AC C管束几何 尺寸计算程 序主要用来计算 管 束中单管的内外周长、 肋化系数等一些形状参数 ， 内 容简单 ， 因此本文主要介绍 系统 的设计 计算和变工 况计算。 1 D A C C系统 的设计计算 空冷器设计计算的主要任务是根据电站提供的 热负荷 凝汽压力和蒸汽流量 和设计温度 ， 确定直 接空冷器的结构尺寸 。本文采用效率一传热单元数 法对 DAC C系统进行热力计算 。 I ． I 空冷器传热系数的计算 1 内侧凝结换热表面传热系数 i [ _ 1 ． 1 3 t t 1／ 1 ＼ ￡ L 3一w 式中h i 内侧凝 结 面 传 热 系数 ， 4 ． 5 1 8 ． 0 k W／ m 2 K ； ￡ 凝结温度 ， ℃； 管内壁面温度， ℃； 管子与水平方向的夹角； Z 管束的长度 ， r i 1 ； 』D ， ， r ， 分 别 为水 在 - - 温 度下 的密 度 I f f l k g ／ m。 ， 导热系数 w／ r i 1 K ， 汽化 潜热 J ／ g 和动力粘性系数 N s ／ m。 。 2 空气与管外壁 的对流换热面传热系数 h 肋片管外对流换热表面传热系数的计算按经验 公 式 引 h o一 0 ． 9 R e 2 a h d h一 百4 f ， Re一 Um a x dh 式中 。 肋片管外对流换型表面传热系数 ， w／ m2K ； 肋片管材料导热系数 ， 钢管取 5 4 W／ m K ； d h 水力直径 ， m； 厂 流通 面积 ， m。 ； U 湿润周长， m； U m a x 最窄截面处的气流速度 ， m／ s 。 3 整个传热过程 的传热 系数 为 以椭 圆光管 外表面为基准 1 一 鲁 去 式 中m肋化系数 K光 光 管 外 表 面 为 准 的 传 热 系 数 ， k W／ m。 K ； F ， F 。 椭圆管内外周长 ， m； 。椭圆管导热系数 ， W／ m K ； 卜椭 圆管 的壁厚 ， m； e i ， e 。 椭圆 管内外的污垢热阻 ， m。 K ／ W ； h h 。 椭圆管内外对流换热表 面传热 系数 ， W／ m。K ； F 椭 圆管平均周长， m。 1 ． 2 所需散热面积的计算 1 传热单元数 NT U 由于管内侧是相变换热， 所 以 N T U -- 一 羞 Z A光／ A迎 3 式中A迎 散热器的迎风面积 ， m。 ； A光 光管外表面积 ， m。 ； 迎 迎 面风 速 ， m／ s ； 空气的平均密度 ， k g ／ m。 ； c 。 空气的平均 比热 ， J ／ k g K 。 2 散热器效率 刁 力一 1一 MU 4 3 空气通过散热器温升 由 一 得 到△ 一 t 2 一t l一 刁 x 一 t 1 5 式 中 t t 。 。 分别为空气的进出口温度 ， ℃。 4 所需全部迎风面积 EA 迎一 6 5 所需光管总面积 ∑A 光一z ∑A 迎 6 每组散热器的面积 假定需要 n组 ， 每组面积为 ∑A 光 光一 一 1 ． 3 D A C C 系统 设计 程序 计算所需的物性参数往往随温度而变 。例如式 1 中水蒸汽的物性参数 p ， ， ／ l ， r的取值依赖于管 壁温度和凝结温度的算术平均值。但是尽管设计时 凝结温度 t 已知 ， 而管壁温度 t 却是一 个未知数 ， 导致式 中的 t 。 一t 也无法 确定 ； 虽然可以根 据热阻 按比例计算壁 温 t ， 但热阻也是未知数 。又如外侧 维普资讯 董韶峰等 火 电机组直接空 冷系统热 力设计 和变工况计算程序 的对流换热表面传 热系数对计算结果 的影响很大， 式 2 的计算需要通过空气进 、 出口温度的算术平均 值来确定空气的物性参数， 式 3 的计算也要用到了 空气的物性参数 ， 这些都要求计算时已知空气 出口 温度 t 。 ， 而空气 出口温度又受 到换热性能 的影响 见式 4 和 5 ， 因此为了使计算能够进行就需要 迭代 。具体流程见 图 1 。 图 1设 计 流 程 图 程序 中管的内壁温度按 热阻比例和传热温差 确定； 空气和水的物性作为全局 常量存放在两个结 构化数组里面， 根据空气和水的定性温度， 用线性插 值法确定对应温度下的物性参数。为了验证设计程 序的准确性， 对功率为 6 Mw 汽轮机 汽耗量 d 。为 2 6 t ／ h 的直接空冷系统设计 分别 用程序计算 和手 算 。选定设计背压为 1 6 k P a ， 对应的饱和温度 t 。 为 5 5 ． 3 4℃， 空气设计温度为 2 O℃。结构尺寸为 椭 圆钢管长短外径 分别 为 1 0 0 mm 和 2 0 mm， 壁厚 1 ． 5 mm； 两排矩形钢肋片 1 1 9 mm4 9 ram片厚 0 ． 6 mm， 前排 片距 4 mm 冷空 气侧 ，后 排 片距 2 ． 5 ram 热空气侧 。D A C C几何 尺寸计算程序计 算出矩形肋片椭圆管的平均肋化系数为 1 4 ， 如果选 用迎面风速 迎一2 ． 6 m／ s ， 空冷器 由 6台轴流风机 送风的 6 个空冷单元组成 ， 那么设计方案的计算结 果见图 2 。可以看 出 每片散热器有前后两排共 8 7 根长为 4 ． 3 2 m 的管子组成 ，4片散热器组成一个 空冷单元， 共有 6个空冷单元。空冷器 的换热性能 参数为 t 。 一t 一1 ． 8℃， 管壁温度 t 一5 3 ． 5 4℃， 空 气 出口温度t 2 4 5 ． 9 ℃， K光一4 7 5 ． 6 w／ m。 K ， 与手算结果吻合 。 1 9 6 输 入 参敏 翟 诗疆 鱼厦 r一 舞 ■晤 一抽 棚 一 捧赣 一 麓 他幕■ -币广 一 * 曩_ II 广 一 t’ - 馒。 甚露rH 一 ■长 茄商 i H 抖 矗■ 长I氲赫； i 广H 平 均■帆百葫r一- RIAE, ■ 一州 空 气辑 薯l f菌一 ● 窑 簟无■ 一 t闻■ 1 r 薯 匿嚣 一H ■t■矗 ■ r ■耳t ■一 厦 什算姑果 t F K 嚏‘ t囊t牛■t 出口气誓 f． 矗幕 ■t ●叠■瓤 ●毙t■奢 一 ． 叠蔫暮 ■性 木薯 曼 J 蚪 叠 矗 暮 - 瞬一 瞬蔚广-_ H 萄■一 葡蔚i 荸 i i i H 同一 哺 瓣f g l ] ‘i。‘ 。‘。i‘ 。1‘1。‘4。 ‘1Q l ri l l ‘I m 。 。。‘ 。m。 ‘ 。 ri l l Ii i 萌 葡萄 ■ 商西瓣 瞄麓瓣 瞄i瓣 图 2 D AC C设计计算结果示例 2 D A C C系统的变工况计算 D AC C系统变工况计算主要 目的就是确定其在 不同环境温度和不 同迎面风速、 不 同负荷下 的凝结 温度和凝结压力 ， 同时也要考虑长期运行形成的污 垢热阻对空冷器的影响， 并分析这些条件对冷凝温 度的影响程度。 2 ． 1 空冷器参数的计算 1 K光与设计计算方法相同。 2 凝结温度的计算 传热单元数 NT U一 垒一 』 一 a pf 迎 迎 C a 散热器效率 “一 1一 N 丁 空气通过散热器温升 △丁a一 凝结温度 。 一 一 变工况程序流程和处理方法同设计计算相似。 为了验证变工况计算程序的正确性 ， 代入设计工况 下的运行参数 ， 计算结果见 图 3 。可 以看到凝结温 度为 5 5 ． 3 4℃， 与设计工况相等 ， 这也说 明了程序是 可靠的。 2 ． 2 利用程序对变工况运行的分析 利用变工况计算程序可 以方便地分析和讨论环 境温度、 负荷和迎面风速变化对系统的影响。 图 4中给出了在不同迎面风速下凝结温度随环 维普资讯 董韶峰等 火 电机组直接空冷系统热力设计 和变 工况计算程序 图 3 变工况计算 境温度变化的计算结果 ， 可以发现两者线性关联， 并 且在不同风速下的斜率近似相等 。 图 4 2 6 t ／ h负荷时 的变工 况特性 图 5 提供了在不同热负荷下， 凝汽压力随环境 温度的变化服从指数变化规律， 负荷越大凝汽压力 越高 ， 同时凝结温度也越高。 0 0 1 0 2 O 3 0 4 0 环境温度／ c 图 5 2 ． 6 m／ s 迎面风速 的变工况特性 长期运行形 成的污垢 热阻会使 DA C C偏 离设 计工况， 变工况程序考虑到了肋 片管 内外污垢 热阻 的影响 ， 只要把 内外污垢 热阻输入即可计算热阻对 热力性能的影 响。分 析计算结果见 图 6 ， 显然 内部 污垢热阻的影响比外部污垢热阻要显著得多 。 0 ． 0 0 0 0 0 ． 0 00 2 0 0 0 0 4 0 0 0 0 6 0．0 00 8 热 阻／ m2 ． K． w 图 6 内外污垢热阻 的影 响 利用变工况程 序可 以快 捷地获得 不 同条 件下 D AC C系统的热力性能 ， 可 以避免大量耗时 的人工 计算 ， 利用变工况特性曲线 ， 查到一定工况的运行参 数 ； 或者对一个或 多个 固定变量 如 环境温 度和负 荷 ， 通过调整 可调变 量来 保证一个 稳定 的运行参 数 ， D AC C系统的控制和调节相 当快速和方便 。 3 总 结 1 D AC C通常在变工况下运行 ， 其设计计算 和运行分析必须采用迭代 ， 本文通过编程的方法， 方 便了这些计算并用实例论证 了程序 的可靠性。 2 通过对 DA C C系统 的变工况计算 ， 可以分 析变工况热力性能。计算结果表明 系统 的凝结温 度随迎面风速的升高线性减少 ， 随环 境温度的升高 线性升高； 凝汽压力 随环境 温度 的升 高呈指数增 长 趋势； 内部污垢热阻比外部污垢热阻影响显著 ， 因此 直接空冷换热单元的内部清洗工作至关重要 。 3 通过 D AC C系统变工况性能 曲线 ， 可以查 出在特定工况下的出 口参数 和热力性能 ； 也可 以通 过调整迎面风速或负荷来保证不同环境温度下的经 济运行 。 参考文献 [ 1 ] 杨世铭， 陶文铨． 传热学E M3 ．北京 高等教育出版社， l 99 8． E 2 3 严俊杰， 张春雨等． 直接空冷系统变工况特性的理论研 究E J 3 ．热能动力工程， 2 0 0 0 ， 1 6 1 - 3 ， 1 7 ． 加 “ ＼ 出 ∞ 如 加 0 ＼ 维普资讯