CN104992066B - 基于两个无量纲数的凝汽器传热系数计算方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于两个无量纲数的凝汽器传热系数计算方法，涉及汽轮发电机组技术领域，所解决的是现有方法确定凝汽器传热系数困难的技术问题。该方法先定义两个无量纲数，并建立两个无量纲数之间的数学模型，并采用多项式拟合方法拟合该数学模型中冷却水流量相关系数与冷却水流量的关系，再根据当前工况下的测量数据计算出第二无量纲数，然后再根据两个无量纲数之间的数学模型计算出第一无量纲数，进而计算出当前工况下的凝汽器总传热系数。本发明提供的方法，适用于凝汽式汽轮发电机组。
Description
技术领域
本发明涉及汽轮发电机组技术，特别是涉及一种基于两个无量纲数的凝汽器传热系数计算方法的技术。
背景技术
凝汽器及其辅助系统是汽轮发电机组冷端，其运行状态对汽轮发电机组的运行具有重要意义，因此关于凝汽器运行诊断及优化的研究与应用一直受到广泛的重视。凝汽器运行诊断及优化的关键问题是确定机组运行状态下应达到的传热系数(又称为换热系数)。
目前凝汽器传热系数的确定方法有以下三种：
1)理论计算方法
凝汽器基本传热过程是管外凝结放热，管壁导热以及管内对流传热过程。因此，理论上单管凝汽器总传热系数为总热阻的倒数，那么凝汽器正常传热系数kc可表示为：
其中，d1、d2为换热管外径、内径，αw为水侧对流放热系数，αs为蒸汽侧凝结放热系数，λt为冷却管壁的导热系数，l为管道的长度；
实际中凝汽器是多根换热管的复杂组合，在凝汽器换热面的不同区段，由于蒸汽参数、空气相对含量、冷却水参数和局部冷却管的排列形式等不相同，凝汽器各区段内换热状态也不相同，单管的换热模型显然不能描述实际凝汽器的传热。
2)工程计算方法
由于理论方法的不足，工程中往往通过经验公式来确定凝汽器传热系数，目前应用较广的是美国传热学会(HEI)推荐的公式、前苏联热工院的别尔曼经验公式和英国BEAMA公式。
但上述经验公式计算方法都未能考虑实际凝汽器冷却管束布置以及汽侧空气泄漏和清洁系数变化的影响，因此针对具体的机组计算中也存在一定的误差。
3)试验确定法
工程中也可通过试验方法来确定凝汽器传热系数：按照《汽轮机性能试验规程》以及《凝汽器性能试验规程》的规定，测量在不同机组负荷下的循环水流量、凝汽器压力、冷却水进口温度及出口水温等主要性能参数，通过查表或者软件的方式获得各工况下的循环水密度和凝汽器压力下的饱和压力，进而求得凝汽器总传热系数。
然而，凝汽器性能试验较为复杂，操作不便，因此只能确定有限工况的传热系数，并不能获得在优化过程所需要的各个工况下凝汽器传热系数，因此此种方法在实际应用中具有局限性。
综上所述，虽然从理论到工程实际都有方法来确定凝汽器的传热系数，但实际针对某台确定的机组，在任意工况下，其正常传热系数还是很难方便、准确、快速确定。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能在任意正常工况条件下方便、准确、快速的确定凝汽器总传热系数的基于两个无量纲数的凝汽器传热系数计算方法。
为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种基于两个无量纲数的凝汽器传热系数计算方法，涉及凝汽式汽轮发电机组，其特征在于，具体步骤如下：
1)定义两个无量纲数为：
其中，N为与凝汽器传热系数相关的第一无量纲数，M为描述凝汽式汽轮发电机组运行工况的第二无量纲数，Pe为凝汽式汽轮发电机组的负荷，kc为凝汽式汽轮发电机组的凝汽器总传热系数，Ac为凝汽式汽轮发电机组的凝汽器换热面积，Dw为凝汽式汽轮发电机组的冷却水流量，cp为凝汽式汽轮发电机组的冷却水比热容，tw1为凝汽式汽轮发电机组的冷却水进口温度；
2)定义两个无量纲数之间的关系，用数学模型表达为：
N＝a·Mb
其中，a、b均为与冷却水流量相关的系数；
3)采用多项式拟合方法拟合冷却水流量相关系数a与冷却水流量Dw的关系，及冷却水流量相关系数b与冷却水流量Dw的关系；
4)获取当前工况下凝汽式汽轮发电机组的负荷Pe、冷却水流量Dw、冷却水比热容cp、冷却水进口温度tw1；
5)计算当前工况下的第二无量纲数M，并根据步骤3所得到的冷却水流量相关系数a、b与冷却水流量Dw的关系，计算出当前工况下的冷却水流量相关系数a、b；
6)根据步骤2定义的两个无量纲数之间的关系，计算出当前工况下的第一无量纲数N；
7)根据步骤1的第一无量纲数定义，计算出当前工况下的凝汽器总传热系数kc。
本发明提供的基于两个无量纲数的凝汽器传热系数计算方法，通过两个无量纲参数来确定凝汽式汽轮发电机组在任意正常工况下的凝汽器总传热系数，具有计算方便、准确、快速的特点，只需要测量有限的工况就可以推广到该机组的其它工况，使得凝汽器工作状况的判定更为简单。
附图说明
图1是本发明实施例所涉及的凝汽式汽轮发电机组的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围，本发明中的顿号均表示和的关系。
本发明实施例所提供的一种基于两个无量纲数的凝汽器传热系数计算方法，涉及凝汽式汽轮发电机组，其特征在于，具体步骤如下：
1)定义两个无量纲数为：
其中，N为与凝汽器传热系数相关的第一无量纲数，M为描述凝汽式汽轮发电机组运行工况的第二无量纲数，Pe为凝汽式汽轮发电机组的负荷，kc为凝汽式汽轮发电机组的凝汽器总传热系数，Ac为凝汽式汽轮发电机组的凝汽器换热面积，Dw为凝汽式汽轮发电机组的冷却水流量，cp为凝汽式汽轮发电机组的冷却水比热容，tw1为凝汽式汽轮发电机组的冷却水进口温度；
2)采用试验法测量凝汽式汽轮发电机组在多种正常工况下的工作数据，并计算凝汽式汽轮发电机组在每一种试验工况下的第一无量纲数N、第二无量纲数M及凝汽器总传热系数；
在试验中，每种冷却水流量至少要做两种不同工况的试验；
凝汽器总传热系数的计算公式为：
其中，kc为凝汽式汽轮发电机组的凝汽器总传热系数，Dw为凝汽式汽轮发电机组的冷却水流量，cp为凝汽式汽轮发电机组的冷却水比热容，Ac为凝汽式汽轮发电机组的凝汽器换热面积，ts为凝汽式汽轮发电机组的饱和温度，tw1为凝汽式汽轮发电机组的冷却水进口温度，tw2为凝汽式汽轮发电机组的冷却水出口温度；
3)定义两个无量纲数之间的关系，用数学模型表达为：
N＝a·Mb
其中，a、b均为与冷却水流量相关的系数；
4)根据试验数据，采用多项式拟合方法(多项式拟合方法为现有技术)拟合冷却水流量相关系数a与冷却水流量Dw的关系，及冷却水流量相关系数b与冷却水流量Dw的关系，得到冷却水流量相关系数a、b与冷却水流量Dw的关系式为：
其中，n为拟合冷却水流量相关系数a的多项式的最大次数，m为拟合冷却水流量相关系数b的多项式的最大次数，ai为关于a的多项式的第i+1个系数，bi为关于b的多项式的第j+1个系数；
5)获取当前工况下凝汽式汽轮发电机组的负荷Pe、冷却水流量Dw、冷却水比热容cp、冷却水进口温度tw1；
6)计算当前工况下的第二无量纲数M，并根据步骤4所得到的冷却水流量相关系数a、b与冷却水流量Dw的关系，计算出当前工况下的冷却水流量相关系数a、b；
7)根据步骤3定义的两个无量纲数之间的关系，计算出当前工况下的第一无量纲数N；
8)根据步骤1的第一无量纲数定义，计算出当前工况下的凝汽器总传热系数kc，计算公式为：
图1为本发明实施例所涉及的凝汽式汽轮发电机组的结构示意图，如图1所示，凝汽式汽轮发电机组工作时，蒸汽1进入蒸汽轮机2膨胀做功带动发电机3发电，排汽进入凝汽器12，被冷却水冷却成为凝结水11，冷却水升温后通过冷却水出口管道7离开凝汽器12；在发电机的输电线路5上安装第一测点4可以测量凝汽式汽轮发电机组的负荷，在凝汽器的冷却水入口管道8上安装第二测点9，可以测量冷却水流量，在凝汽器的冷却水入口管道8上安装第三测点10，可以测量冷却水入口温度，将三个测点的测量值送入计算单元6，可以根据两个无量纲数的计算模型，计算确定凝汽器在该工况下的总传热系数。
本发明实施例的计算方法通过330MW汽轮发电机组的凝汽器进行了例证，该汽轮发电机组配套的凝汽器型号为N-16300-1，冷却面积为16300㎡，其冷却水流量只有两种；
采用试验法测量了汽轮发电机组的凝汽器在5个工况下的运行数据，并计算了5个工况下的第一无量纲数N、第二无量纲数M及凝汽器总传热系数kc，具体数据如表1所示；
表1
依据N＝a·Mb的幂函数关系拟合N和M的关系式如表2所示；
表2
由于只有两种流量，因此冷却水流量相关系数a、b是冷却水流量Dw的线性函数，拟合关系如下：
a＝0.1828Dw-0.6884
b＝-0.1343Dw+2.4252
则N和M的关系式为：
在机组运行过程中，计算当前工况下的凝汽器总传热系数时，根据测点测得的运行数据：凝汽式汽轮发电机组的负荷为270MW，冷却水流量为9.8125m3/s，冷却水进口温度为33.65℃；
则：
由可得出：
Claims (1)
1.一种基于两个无量纲数的凝汽器传热系数计算方法，涉及凝汽式汽轮发电机组，其特征在于，具体步骤如下：
1)定义两个无量纲数为：
<mrow>
<mi>N</mi>
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</msub>
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<msub>
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</msub>
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<msub>
<mi>P</mi>
<mi>e</mi>
</msub>
</mfrac>
</mrow>
<mrow>
<mi>M</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>D</mi>
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</msub>
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<msub>
<mi>t</mi>
<mrow>
<mi>w</mi>
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</mrow>
</msub>
<mo>&CenterDot;</mo>
<msub>
<mi>c</mi>
<mi>p</mi>
</msub>
</mrow>
<msub>
<mi>P</mi>
<mi>e</mi>
</msub>
</mfrac>
</mrow>
其中，N为与凝汽器传热系数相关的第一无量纲数，M为描述凝汽式汽轮发电机组运行工况的第二无量纲数，Pe为凝汽式汽轮发电机组的负荷，kc为凝汽式汽轮发电机组的凝汽器总传热系数，Ac为凝汽式汽轮发电机组的凝汽器换热面积，Dw为凝汽式汽轮发电机组的冷却水流量，cp为凝汽式汽轮发电机组的冷却水比热容，tw1为凝汽式汽轮发电机组的冷却水进口温度；
2)定义两个无量纲数之间的关系，用数学模型表达为：
N＝a·Mb
其中，a、b均为与冷却水流量相关的系数；
3)采用多项式拟合方法拟合冷却水流量相关系数a与冷却水流量Dw的关系，及冷却水流量相关系数b与冷却水流量Dw的关系；
4)获取当前工况下凝汽式汽轮发电机组的负荷Pe、冷却水流量Dw、冷却水比热容cp、冷却水进口温度tw1；
5)计算当前工况下的第二无量纲数M，并根据步骤3)所得到的冷却水流量相关系数a、b与冷却水流量Dw的关系，计算出当前工况下的冷却水流量相关系数a、b；
6)根据步骤2)定义的两个无量纲数之间的关系，计算出当前工况下的第一无量纲数N；
7)根据步骤1)的第一无量纲数定义，计算出当前工况下的凝汽器总传热系数kc。
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| 刘少卿."规整填料内直接接触冷凝传热实验研究".《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技I辑》.2015,第2015年卷(第1期),第B015-26页. * |
| 杨建国等."直接空冷凝汽器单排翅片管换热性能试验研究".《中国电机工程学报》.2012,第32卷(第35期),第74-79页. * |
| 王建刚."火电机组冷端系统运行优化的研究".《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技II辑》.2016,第2016年卷(第3期),第C042-905页. * |
| 石涛."600MW机组冷端运行优化研究".《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技II辑》.2011,第2011年卷(第7期),第C042-172页. * |
| 韩中合等."凝汽器换热系数计算及空气含量和污垢厚度对真空的影响分析".《华北电力大学学报》.2009,第36卷(第1期),第59-63页. * |
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