CN102003888B - 直接空冷凝汽器喷雾增湿系统优化方法 - Google Patents

直接空冷凝汽器喷雾增湿系统优化方法 Download PDF

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Abstract

一种直接空冷凝汽器喷雾增湿系统优化方法，用于提高凝汽器的真空度，确保发电机组的安全经济运行。其技术方案是：它通过数值模拟现有喷雾增湿系统下空冷凝汽器的工作性能，分析喷嘴至传热面之间距离、喷嘴安装高度和喷雾方向角对空冷凝汽器压力的影响，从而得出上述参数的最佳取值范围，确定雾化喷嘴的最佳布置方式。本发明通过数值模拟现有喷雾增湿系统下空冷凝汽器的工作性能，对喷嘴至传热面之间距离、喷嘴安装高度和喷雾方向角进行优化，从而得出上述参数的最佳取值范围，确定雾化喷嘴的最佳布置方式，最大限度地提高了凝汽器的真空度，确保发电机组的安全经济运行。

Description

直接空冷凝汽器喷雾增湿系统优化方法
技术领域
本发明涉及一种电厂直接空冷凝汽器喷雾增湿系统的优化配置方法，属火力发电技术领域。
背景技术
直接空冷机组直接利用环境空气冷却汽轮机排汽，其冷却能力取决于进入空冷凝汽器的空气温度，在炎热的夏季，由于自然环境温度较高，导致空冷凝汽器冷却能力下降，从而影响了机组的安全经济运行。
为了降低夏季空冷凝汽器的入口空气温度（即空冷风机出口空气温度），强化其冷却效果，很多直接空冷发电机组采用了喷雾增湿系统，即在空冷风机出口附近布置若干除盐水雾化喷嘴，喷嘴将除盐水雾化成一定粒径的雾滴，雾滴在运动过程中与风机出口空气充分混合并迅速蒸发，由于水的汽化潜热较大，雾滴蒸发时会从空气中吸收大量的热，从而降低了空气的干球温度，降温后的湿空气流经空冷凝汽器，可增强换热效果，提高空冷凝汽器真空4～5kPa。
采用喷雾增湿方法提高凝汽器真空时，影响凝汽器真空的关键因素较多，比较普遍的是：喷嘴喷出的水雾在整个空冷单元内的充满程度、空气流场和水雾流场的混合耦合情况、以及喷嘴出口水雾对散热管的覆盖面积和喷雾均匀程度。传统的喷雾增湿系统存在以下几个问题：喷嘴设计不合理，除盐水的雾化效果不佳；水雾在散热管束上覆盖不均匀；喷雾增湿系统的管路及喷嘴布置方式不合理，造成水雾在空冷单元的空间内充满程度小，系统中其他一些参数的选择也影响了凝汽器的真空度。因此，有必要对现有直接空冷凝汽器喷雾增湿系统进行优化，以最大限度地提高凝汽器的真空度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足、提供一种直接空冷凝汽器喷雾增湿系统优化方法，以提高凝汽器的真空度，确保发电机组的安全经济运行。
本发明所述问题是以下述技术方案实现的：
一种直接空冷凝汽器喷雾增湿系统优化方法，它针对由多个空冷单元组成的直接空冷机组凝汽器，通过数值模拟现有喷雾增湿系统下空冷凝汽器的工作性能，从而确定喷嘴至传热面之间的距离、喷嘴安装高度和喷雾方向角，并最终确定雾化喷嘴的最佳布置方式，具体步骤如下：
a. 根据电厂所处位置的环境压力、空气干球温度、空气相对湿度和空冷风机全速运行时单个空冷单元的进风量                                               
Figure 2010105513689100002DEST_PATH_IMAGE002
，由湿空气的
Figure 2010105513689100002DEST_PATH_IMAGE004
图查出环境状态下空气的含湿量
Figure 2010105513689100002DEST_PATH_IMAGE006
和空气达到湿饱和状态下的含湿量
Figure 2010105513689100002DEST_PATH_IMAGE008
，然后利用下式计算单个空冷单元的总喷水量
Figure 2010105513689100002DEST_PATH_IMAGE010
：
Figure 2010105513689100002DEST_PATH_IMAGE012
   其中，
Figure 174948DEST_PATH_IMAGE010
为理论上单个空冷单元的总喷水量，单位为
Figure 2010105513689100002DEST_PATH_IMAGE014
； 
Figure 2010105513689100002DEST_PATH_IMAGE016
为空气密度，单位为
Figure 2010105513689100002DEST_PATH_IMAGE018
；
Figure 144785DEST_PATH_IMAGE002
为风机全速运行时单个空冷单元的进风量，单位为
Figure 2010105513689100002DEST_PATH_IMAGE020
；
Figure 432678DEST_PATH_IMAGE006
为环境状态下空气的含湿量，单位为
Figure 2010105513689100002DEST_PATH_IMAGE022
；
Figure 522993DEST_PATH_IMAGE008
为空气达到湿饱和状态下的含湿量，单位为
Figure 517625DEST_PATH_IMAGE022
；
b. 根据空冷单元总的喷水量
Figure 769615DEST_PATH_IMAGE010
和单个雾化喷嘴的流量，然后利用下式计算单个空冷单元喷雾增湿系统所需喷嘴数量
Figure DEST_PATH_IMAGE026
（取整数）：
Figure DEST_PATH_IMAGE028
其中，
Figure 378361DEST_PATH_IMAGE024
为单个雾化喷嘴的流量，单位为；
Figure 308457DEST_PATH_IMAGE026
为单个空冷单元所需雾化喷嘴数量；
c. 根据空冷单元结构参数和喷雾增湿系统参数，数值模拟空冷凝汽器空气侧的空气及水滴两相流动和换热情况，得出空冷凝汽器出口空气温度；
d. 利用空冷凝汽器出口空气温度，计算出空冷凝汽器内饱和蒸汽温度
Figure DEST_PATH_IMAGE030
：
Figure DEST_PATH_IMAGE032
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE034
为空气温升，单位为
Figure DEST_PATH_IMAGE036
；
Figure DEST_PATH_IMAGE038
为传热单元数；
Figure DEST_PATH_IMAGE040
为环境空气温度（即空冷风机入口空气温度），单位为
Figure 229883DEST_PATH_IMAGE036
；为汽轮机排汽量，单位为
Figure DEST_PATH_IMAGE044
；
Figure DEST_PATH_IMAGE046
为汽轮机排汽比焓，单位为
Figure DEST_PATH_IMAGE048
；
Figure DEST_PATH_IMAGE050
为凝结水比焓，单位为
Figure 367735DEST_PATH_IMAGE048
；
Figure DEST_PATH_IMAGE052
为空冷凝汽器的迎风面积，单位为；
Figure DEST_PATH_IMAGE056
为空冷凝汽器的迎面风速，单位为
Figure DEST_PATH_IMAGE058
；为空气平均密度，单位为
Figure DEST_PATH_IMAGE062
；
Figure DEST_PATH_IMAGE064
为空气的比热容，单位为。
然后根据空冷凝汽器内饱和蒸汽温度
Figure 423022DEST_PATH_IMAGE030
和水蒸汽性质表查出饱和压力，即空冷凝汽器压力；
e. 通过模拟喷雾增湿系统各参数变化对空冷凝汽器压力的影响，得到各参数的最佳取值范围：
①  在其他系统参数不变的情况下，多次改变喷嘴至传热面之间距离并模拟空冷凝汽器的喷雾增湿效果，绘制凝汽器压力与喷嘴至传热面之间距离的关系曲线，该曲线的最低段即对应喷嘴至传热面之间距离的最佳取值范围；
②  在其他系统参数不变的情况下，多次改变喷嘴安装高度并模拟空冷凝汽器的喷雾增湿效果，绘制凝汽器压力与喷嘴安装高度的关系曲线，该曲线的最低段即对应喷嘴安装高度的最佳取值范围；
③  在其他系统参数不变的情况下，多次改变喷雾方向角并模拟空冷凝汽器的喷雾增湿效果，绘制凝汽器压力与喷雾方向角的关系曲线，该曲线的最低段即对应喷雾方向角的最佳取值范围。
上述直接空冷凝汽器喷雾增湿系统优化方法，喷雾增湿系统应采用结构优化的喷嘴，所述喷嘴由喷嘴本体、旋流器和顶丝构成，所述喷嘴本体为圆筒形，其前端收缩成喷雾几何角α为70～120°的喷孔，后端设置有内螺纹和外螺纹；所述旋流器为安装在喷嘴本体内的与喷嘴本体同轴且外径与喷嘴本体的内径相匹配的柱状体，其前端面与喷嘴本体围成锥形的旋流腔，侧面上设置有旋流槽；所述顶丝呈圆筒状，顶压在旋流器的后端面上，其外表面上设置有与喷嘴本体后端的内螺纹相匹配的外螺纹。
上述直接空冷凝汽器喷雾增湿系统优化方法，所述喷嘴内旋流器的厚度为5～10mm，所述旋流槽设置3～5条，它们均布于旋流器侧面上，旋流槽与旋流器轴向夹角为45～60°，旋流槽的横截面槽深为2～4mm，槽宽为2～4mm。
上述直接空冷凝汽器喷雾增湿系统优化方法，所述喷嘴内旋流槽的旋转方向与喷嘴本体后端的外螺纹相反。
上述直接空冷凝汽器喷雾增湿系统优化方法，所述喷嘴的喷孔的孔径为0.8～1.6mm。
上述直接空冷凝汽器喷雾增湿系统优化方法，所述喷嘴间距相同。
本发明通过数值模拟现有喷雾增湿系统下空冷凝汽器的工作性能，对喷嘴至传热面之间距离、喷嘴安装高度和喷雾方向角进行优化，从而得出上述参数的最佳取值范围，确定雾化喷嘴的最佳布置方式，最大限度地提高了凝汽器的真空度，确保发电机组的安全经济运行。喷雾增湿系统优化后，空冷凝汽器真空可进一步提高2~3 kPa。
本发明还对喷嘴的结构参数进行了优化，优化后的喷嘴能够获得理想的雾化效果，喷出的水雾更加均匀，有效提高了凝汽器真空度。喷嘴前压力在0.5MPa以上时，雾化颗粒度
Figure DEST_PATH_IMAGE068
0.2mm，喷雾角Ф可达到90°以上，喷雾射程1.5m以上。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详述。
图1是直接空冷凝汽器空冷单元的喷雾增湿系统结构示意图；
图2是湿空气的图；
图3是本实施例中直接空冷凝汽器压力与喷嘴安装高度的关系曲线；
图4是本实施例中直接空冷凝汽器压力与喷嘴至传热面之间距离的关系曲线；
图5是本实施例中直接空冷凝汽器压力与喷雾方向的关系曲线；
图6是本发明喷雾增湿系统的喷嘴结构示意图。
图中各标号为：1、顶丝；2、喷嘴本体；3、旋流器；4、旋流槽；5、旋流腔；6、喷孔；7、蒸汽分配管；8、散热管束；9、喷嘴；10、水泵；11、空冷风机；12、凝结水回水管；13、支架。
文中所用符号：
Figure 986039DEST_PATH_IMAGE010
、理论上单个空冷单元的总喷水量；
Figure 407924DEST_PATH_IMAGE002
、风机全速运行时单个空冷单元的进风量；
Figure 643733DEST_PATH_IMAGE016
、空气密度；、环境状态下空气的含湿量；
Figure 432490DEST_PATH_IMAGE008
、空气达到湿饱和状态下的含湿量；
Figure DEST_PATH_IMAGE070
、空冷凝汽器内饱和蒸汽温度；
Figure 403988DEST_PATH_IMAGE034
、空气温升；
Figure 177909DEST_PATH_IMAGE038
、传热单元数；
Figure 856146DEST_PATH_IMAGE040
、环境空气温度；
Figure 57320DEST_PATH_IMAGE042
、汽轮机排汽量；、汽轮机排汽比焓；
Figure 703514DEST_PATH_IMAGE050
、凝结水比焓；
Figure 751104DEST_PATH_IMAGE052
、空冷凝汽器的迎风面积；
Figure 870982DEST_PATH_IMAGE056
、空冷凝汽器的迎面风速；
Figure 4023DEST_PATH_IMAGE060
、空气平均密度；
Figure 57430DEST_PATH_IMAGE064
、空气的比热容
具体实施方式
以下结合实施例详述直接空冷凝汽器喷嘴平面布置的喷雾增湿系统构成。直接空冷机组凝汽器由多个空冷单元组成，比如300MW直接空冷机组凝汽器一般有24个或30个空冷单元，600MW直接空冷机组凝汽器一般有56个或64个空冷单元。每个空冷单元结构和工作原理相同，因此每个空冷单元喷雾增湿系统雾化喷嘴布置方式相同，只需优化研究单个空冷单元喷雾增湿系统即可。
图1是直接空冷凝汽器空冷单个单元的喷雾增湿系统结构示意图。该喷雾增湿系统中喷嘴9均分为两列布置，排列方向平行于空冷凝汽器散热管束8所在的平面，每列雾化喷嘴9的安装高度（喷嘴9距空冷风机11出口平面的距离）相等。
空冷单元结构参数：长10米，宽10米，高10米；空冷风机11的风量为428m3/s。
环境参数：环境压力92.9KPa、干球温度为32℃、空气相对湿度为76%。
化学除盐水量的确定：
根据上述环境参数，由湿空气的
Figure DEST_PATH_IMAGE072
图（参看图2）查得该环境状态下空气的含湿量23.3
Figure 585626DEST_PATH_IMAGE022
和空气达到湿饱和状态下的含湿量
Figure DEST_PATH_IMAGE076
25
Figure 128602DEST_PATH_IMAGE022
，计算得空冷单元总的喷水量
Figure DEST_PATH_IMAGE078
0.779
Figure DEST_PATH_IMAGE080
。
喷雾增湿系统参数：喷嘴孔径为1.0mm，喷雾压力为1MPa，喷嘴数目20个，喷嘴至传热面之间距离1m，喷雾方向角（喷雾方向与竖直向上方向之间的夹角）为135°。
喷雾增湿系统数值模拟优化结果：喷嘴安装高度为0.5～0.7m，喷嘴至传热面之间距离为0.4～0.7m，喷雾方向角为105～135°。
图6是本发明适用于上述实施例喷雾增湿系统的喷嘴结构示意图。喷嘴包括顶丝1、旋流器3和喷嘴本体2三部分。喷嘴本体2由管形件构成，配有内、外螺纹。顶丝1由管形件构成，配有外螺纹。旋流器3由柱形件构成，侧面开有3～5条旋流槽4，为使喷嘴安装牢固，旋流槽4的方向与喷嘴本体2外螺纹方向相反。顶丝1将旋流器3固定在喷嘴本体2内，并使旋流器3与喷嘴本体2之间形成一旋流腔5。化学除盐水在压力作用下进入喷嘴内，经旋流槽4后旋转流入旋流腔5，最后通过喷孔6以旋状水雾喷出。试验研究得出：旋流器旋流槽角度为45～60°，喷雾几何角α为70～120°，旋流器3的厚度为5～10mm，喷嘴前压力在0.5MPa以上时，喷嘴达到最佳的雾化效果，雾化颗粒度0.2mm，喷雾角Ф可达到90°以上，喷雾射程1.5m以上。

Claims (5)

1.一种直接空冷凝汽器喷雾增湿系统优化方法，其特征是，它针对由多个空冷单元组成的直接空冷机组凝汽器，通过数值模拟现有喷雾增湿系统下空冷凝汽器的工作性能，从而确定喷嘴（9）至传热面之间的距离、喷嘴安装高度和喷雾方向角，并最终确定雾化喷嘴的最佳布置方式，具体步骤如下：
a. 根据电厂所处位置的环境压力、空气干球温度、空气相对湿度和空冷风机全速运行时单个空冷单元的进风量                                                ，由湿空气的图查出环境状态下空气的含湿量
Figure 2010105513689100001DEST_PATH_IMAGE003
和空气达到湿饱和状态下的含湿量，然后利用下式计算单个空冷单元的总喷水量
Figure 2010105513689100001DEST_PATH_IMAGE005
：
   其中， 
Figure 2010105513689100001DEST_PATH_IMAGE007
为空气密度，单位为
Figure 620493DEST_PATH_IMAGE008
；
Figure 112654DEST_PATH_IMAGE003
为环境状态下空气的含湿量，单位为
Figure 2010105513689100001DEST_PATH_IMAGE009
；
Figure 167329DEST_PATH_IMAGE004
为空气达到湿饱和状态下的含湿量，单位为
Figure 504769DEST_PATH_IMAGE009
；
b. 根据空冷单元总的喷水量和单个雾化喷嘴的流量
Figure 358773DEST_PATH_IMAGE010
，然后利用下式计算单个空冷单元喷雾增湿系统所需喷嘴数量
Figure 2010105513689100001DEST_PATH_IMAGE011
（取整数）：
Figure 897814DEST_PATH_IMAGE012
其中，
Figure 38945DEST_PATH_IMAGE010
为单个雾化喷嘴的流量，单位为
Figure 2010105513689100001DEST_PATH_IMAGE013
；
Figure 349972DEST_PATH_IMAGE011
为单个空冷单元所需雾化喷嘴数量；
c. 根据空冷单元结构参数和喷雾增湿系统参数，数值模拟空冷凝汽器空气侧的空气及水滴两相流动和换热情况，得出空冷凝汽器出口空气温度；
d. 利用空冷凝汽器出口空气温度，计算出空冷凝汽器内饱和蒸汽温度
Figure 183936DEST_PATH_IMAGE014
：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
其中，
Figure 947624DEST_PATH_IMAGE016
为空气温升，单位为
Figure DEST_PATH_IMAGE017
；
Figure 705495DEST_PATH_IMAGE018
为传热单元数；为环境空气温度，单位为
Figure 120296DEST_PATH_IMAGE017
；为汽轮机排汽量，单位为
Figure DEST_PATH_IMAGE021
；
Figure 373215DEST_PATH_IMAGE022
为汽轮机排汽比焓，单位为
Figure DEST_PATH_IMAGE023
；
Figure 606882DEST_PATH_IMAGE024
为凝结水比焓，单位为
Figure 141768DEST_PATH_IMAGE023
；
Figure DEST_PATH_IMAGE025
为空冷凝汽器的迎风面积，单位为
Figure 68267DEST_PATH_IMAGE026
；
Figure DEST_PATH_IMAGE027
为空冷凝汽器的迎面风速，单位为
Figure 868864DEST_PATH_IMAGE028
；
Figure DEST_PATH_IMAGE029
为空气平均密度，单位为
Figure 155489DEST_PATH_IMAGE030
；为空气的比热容，单位为
Figure 89422DEST_PATH_IMAGE032
；然后根据空冷凝汽器内饱和蒸汽温度
Figure 373773DEST_PATH_IMAGE014
和水蒸汽性质表查出饱和压力，即空冷凝汽器压力；
e. 通过模拟喷雾增湿系统各参数变化对空冷凝汽器压力的影响，得到各参数的最佳取值范围：
①  在其他系统参数不变的情况下，多次改变喷嘴至传热面之间距离并模拟空冷凝汽器的喷雾增湿效果，绘制凝汽器压力与喷嘴至传热面之间距离的关系曲线，该曲线的最低段即对应喷嘴至传热面之间距离的最佳取值范围；
②  在其他系统参数不变的情况下，多次改变喷嘴安装高度并模拟空冷凝汽器的喷雾增湿效果，绘制凝汽器压力与喷嘴安装高度的关系曲线，该曲线的最低段即对应喷嘴安装高度的最佳取值范围；
③  在其他系统参数不变的情况下，多次改变喷雾方向角并模拟空冷凝汽器的喷雾增湿效果，绘制凝汽器压力与喷雾方向角的关系曲线，该曲线的最低段即对应喷雾方向角的最佳取值范围。
2.根据权利要求1所述直接空冷凝汽器喷雾增湿系统优化方法，其特征是，所述喷雾增湿系统的喷嘴由喷嘴本体（2）、旋流器（3）和顶丝（1）构成，所述喷嘴本体（2）为圆筒形，其前端收缩成喷雾几何角α为70～120°的喷孔（6），后端设置有内螺纹和外螺纹；所述旋流器（3）为安装在喷嘴本体（2）内的与喷嘴本体（2）同轴且外径与喷嘴本体（2）的内径相匹配的柱状体，其前端面与喷嘴本体（2）围成锥形的旋流腔（5），侧面上设置有旋流槽（4）；所述顶丝（1）呈圆筒状，顶丝压在旋流器（3）的后端面上，其外表面上设置有与喷嘴本体（2）后端的内螺纹相匹配的外螺纹。
3.根据权利要求2所述直接空冷凝汽器喷雾增湿系统优化方法，其特征是，所述喷嘴内旋流器（3）的厚度为5～10mm，所述旋流槽（4）设置3～5条，它们均布于旋流器（3）侧面上，旋流槽（4）与旋流器（3）轴向夹角为45～60°，旋流槽（4）的横截面槽深为2～4mm，槽宽为2～4mm。
4.根据权利要求3所述直接空冷凝汽器喷雾增湿系统优化方法，其特征是，所述喷嘴内旋流槽（4）的旋转方向与喷嘴本体（2）后端的外螺纹的旋向相反。
5.根据权利要求4所述直接空冷凝汽器喷雾增湿系统优化方法，其特征是，所述喷嘴的喷孔（6）的孔径为0.8～1.6mm 。
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