11、 环境风场影响下的直接空冷蒸汽分布特性及运行策略-revised

1、第七届全国火电空冷机组技术交流研讨会论文集环境风场影响下的直接空冷蒸汽分布特性及运行策略赵晓东杜小泽杨立军杨勇平（华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室北京102206）【摘 要】在环境风影响下，直接空冷机组的运行特性会产生及其多样的变化。本文以某600MW直接空冷机组为例，引入环境变化因素，建立其空冷系统的外部与内部流场模型，分析在THA工况下，空冷单元的蒸汽分布特性，并使用供电标准煤耗对机组采取不同运行策略进行考察。计算结果表明：无论哪个方向的来风，其通常只对空冷岛前排迎风单元的传热特性造成明显的影响。同时，随着风速增加，其对空冷岛的影响逐渐深入，程度进一步加深。以此为依据，分

2、析得出，对空冷风机的调整，在机组背压较高时应采取全区域全速提高，在机组背压较低时应采取分区域提升，并认为降速节能不可行。【关键词】流量分配直接空冷经济运行环境风0引言空冷技术具有非常显著的节水效果，是“富煤缺水”地区火力发电的关键技术1-3。为弥补空气冷却能力差的不足，火电机组的空冷凝汽器需要通过翅片管束增大空气侧传热面积，导致空冷系统体积异常庞大，一台600MW直接空冷机组凝汽器的总传热面积一般在140万m2以上。汽轮机排汽在空冷岛内空间分布的均匀性成为制约空冷系统热负荷能力的重要因素之一。国内外已有相关研究针对火电空冷系统蒸汽侧的流量分配开展了理论和数值模拟研究。石磊等针对600MW排汽管

3、道系统进行模拟、分析和研究4,5。王松岭等研究直接空冷机组排汽管道内水蒸气的流动特性，采用CFD技术对某200MW直接空冷排汽管道内的水蒸气流场进行三维数值模拟6。同时，环境空气及其相关气候、气象条件对空冷系统性能存在直接而显著的影响7-13。在环境风场和凝汽器轴流风机强制通风的耦合作用下，空冷岛内流动和传热的不均匀性会进一步加剧，影响空冷系统的冷却能力，进而影响机组运行性能。本文针对600MW直接空冷机组的冷端系统，通过理论分析和数值模拟，揭示环境风作用下汽轮机排汽在各凝汽器单元内的分配规律。以此为基础，探讨空冷系统轴流风机群的调节策略，以应对环境风对空冷机组运行的不利影响。1物理数学模型以

4、某600MW直接空冷机组为例，分别对其排汽管道和凝汽器单元内部湿蒸汽流场，以及整个机组在环境风场作用下的外部空气流场建立数学模型。1.1内部流场模型如图1所示，单台机组空冷系统由56个空冷单元组成，共8列，每列7个冷却单元。考虑环境风场影响，对空冷岛整体进行建模。管径变化的部分采用非结构化网格划分，其余部分使用结构化网格。(a) 直接空冷系统排汽管道(b) 计算域及网格生成图1内部流场物理模型汽轮机排汽为湿蒸汽。在模型中考虑湿蒸汽在排汽管道内流动过程中与外界环境空气的热交换导致的湿度变化；同时考虑流动过程中局部压力升高可能造成的水蒸汽凝结引起的湿度变化。描述湿蒸汽在排汽管道内流动和传热的数学模

5、型包括湿蒸汽流动模型和相变模型14。湿蒸汽流动控制方程基于如下假设：1）忽略气相和液滴间的速度滑移以及液滴间的相互作用； 2）汽轮机排汽口湿蒸汽的湿度小于0.2；3）由于液滴的尺寸很小，一般介于0.1-100m，因此在湿蒸汽模型中忽略被冷凝下来液相的体积。湿蒸汽的密度可以通过下述方程进行定义 (1)式中，-湿蒸汽的密度，；-饱和蒸汽的密度，；-蒸汽湿度。湿蒸汽的控制方程通过矢量形式的Navier - Stokes方程给出 (2)式中，为控制体，为求解变量，为无粘通量，为粘性通量，为源项。为模拟湿蒸汽模型，还需要两个输运方程，它们分别控制凝结水质量份额和单位体积液滴的数量密度增长，即 (3)式中

6、，-由于凝结引起的质量变化率，； (4)式中，-成核率(每秒钟单位体积新增液滴数) (5)式中，-液体密度，；-平均液滴的体积，相变模型使用了如下假设：1)自发凝结；2)液滴的生长基于平均的典型中间直径；3)假设液滴为球形；4)液滴被无限的蒸汽空间所包围；5)与凝结时所释放的潜热相比，忽略细小液滴的热容。以经典成核理论为依据，在不平衡凝结过程中， (6)式中，-液滴的平均直径，m；-Kelvin- Helmholtz临界液滴直径，m (7)式中，-温度下的液体表面张力，；-温度下凝结液体密度，；-气体常数，；-过饱和率，指水蒸汽的压力相对于平衡饱和压力的比率，有如下定义 (8)膨胀的过程是非常

7、迅速的，因此当发生相变的时候，该过程就会偏离平衡状态，过饱和率可能大于1。凝结包括两个部分，即蒸汽凝结向液滴传热和液滴放出潜热向蒸汽的传热，其关系式在文献15中被提及，并可写作下列表达式 (9)式中，为液滴温度，；为压力下的蒸发比焓，；为比热比成核率由稳态经典自发凝结理论定义： (10)式中，为蒸发系数；-Boltzmann常数；-单个分子的质量；-液滴表面张力，；为非等温修正影子，通过下式定义 (11)通过1.1.1与1.1.2中的数学模型，可以计算湿蒸汽的流场分布以及流体产生相变对湿度造成的影响。直接空冷系统排气管道的压力损失是由沿程阻力损失和局部阻力损失构成。沿程阻力损失可由下式表示，

8、(12)式中，为管长，；为水力半径，；为管径，；表示断面平均流速，；为沿程阻力系数，与流体性质、管道粗糙程度以及流速和流态有关。局部阻力损失通过下式进行定义， (13)式中，为局部阻力系数。对空冷凝汽管路的局部阻力损失主要集中在两个区域，即从上升管进入水平分配管的部分和从水平分配管进入翅片管的部分。由于和通常是工程上的经验总结，对于空冷系统这种较为复杂的管路组合并不能简单的将其视为常数处理。在本文中通过CFD计算获取。(a)空冷单元编号规则(b)网格生成及风向角度约定图2外部流程物理模型1.2外部流场模型 按照典型的2600MW进行机组布局，对外部环境进行简化，仅考虑烟囱、汽机房、空冷岛等与空

9、冷岛靠近的物体。为减少网格数量，对中心计算区域采用非结构化网格，外部流动区域使用结构化网格。同时因为模型具有对称性，环境风计算只选取一半的区域。如图2所示，风向角选取0，45，90，-45，-90。由于环境风场影响下的空冷岛运行是一个多尺度的输运问题，必须做一定程度的简化。将翅片管设定为多孔介质模型，对其与外界的对流换热系数以及阻力特性系数通过进行约定。不考虑风机内部的流动特性，将风机简化为FAN模型，并参考风机制造厂提供的性能特性曲线对其压升特性进行设定。环境风速设定使用UDF实现。数值计算方法参见文献16。1.3边界条件选取某600MW直接空冷机组的汽轮机热耗保证（即turbine hea

10、t acceptance，简称THA）工况作为计算工况，考察在给定热负荷的基础上，不同环境风影响下其内部流场的变化。对内部流场来说，其THA工况下，汽轮机排汽压力为15kPa，其焓值为2435.4kJ/kg，总蒸汽流量为1217.57t/h。可得到其对应的干度为0.9313，温度为327.13K。给定排汽管道入口处的汽轮机排汽流量；将排汽管道设定为无滑移壁面边界；考虑排汽管道外壁与周围空气介质之间的自然对流换热，表面传热系数取10W/(m2K)；根据给定的THA工况下设计参数，设置每个凝汽器单元出口边界条件为压力出口边界条件。对外部流场来说，风机转速按照额定工况69r/min选取。横向环境风速

11、选取3m/s、6m/s、9m/s、12m/s、15m/s，并分别计算每个风速在风向角度为0、45、90、-45、-90时的流场分布情况。1.4蒸汽流量分配计算空气与蒸汽的换热主要是在空冷凝汽器单元内完成的，对空冷机组凝汽器单元采用效能-传热单元数方法（-NTU）进行计算。对于饱和蒸汽的等温凝结过程， (14)其中，空冷凝汽器效能，传热单元数。根据空气侧和蒸汽侧的能量平衡关系，推导可得空冷凝汽器内的凝结温度， (15)上述各式中，-汽化潜热，kJ/kg；-环境温度，；-空气侧出口温度，；-翅片管迎面风速，m/s；-翅片管迎风面积，m2；-空气密度，kg/m3；-空气定压比热，。对本文选取的机组，

12、在THA工况下，空冷凝汽器管束的迎面风速及各风机入口风温均通过外部流场计算获取。每一个顺流凝汽器单元单侧翅片管的迎风面积为126.83m2，传热面积为15631.11m2，每一个逆流凝汽器单元单侧翅片管顺流部分的迎风面积为82.46m2，传热面积为10160.23m2，逆流部分的迎风面积为44.41m2，传热面积为5470.88m2。通过对换热热阻的数量级进行分析17，可认为，排汽管对环境的散热量主要是由管外换热热阻决定。在确定的翅片管上，管外换热系数主要受迎面风速影响。当环境风速改变或凝汽器风机变频调整时，空冷凝汽器的迎面风速也将发生变化。由实验数据18得知，凝汽器空气侧的传热系数随迎面风速

13、有如下变化： (14)记排汽热负荷为Ms，总流量为D0，排汽压力为Ps，顺流单元凝结压力Pn1，逆流单元凝结压力Pn2，所有顺流单元散热量为M1、流量为D1，所有逆流单元散热量为M2、流量为D2，总散热量为M= M1+ M2、总流量为D= D1+ D2。计算程序如图3所示。图3空冷岛整体模型迭代算法框图2计算结果分析及策略2.1环境风影响下的流量特性分析以无风工况下的流量分配作为基准，分别对各环境风影响下的工况进行分析。如图4所示，在无风工况下，受到风机集群运行时群抽效应以及蒸汽管路损失的影响，在相同转速下每台风机的流量并不相同。研究表明19，受到外界环境影响，空冷岛边缘风机进口条件被恶化，集

14、群因子较小，使得风机流量较中央风机流量小，造成边缘冷却单元冷却能力较低。同时，蒸汽通过弯管流入各蒸汽分配管时，速度方向急剧改变，会在入口处产生明显的局部压力损失，形成涡流，造成入口处单元冷凝量减少，如图5所示。由于采取对称布置，两台机组对应位置凝汽器单元的冷却能力大致相等，拥有近似的流量分配特性。图4无风THA工况下蒸汽流量分配特性(a)蒸汽分配管入口处压力分布(b)蒸汽分配管入口处蒸汽流线图5蒸汽分配管入口处蒸汽压力及流线分析图6给出了在0风向下，受不同风速影响2号机组前排迎风单元的与蒸汽流量分配情况。可以发现，随着环境风速的增加，风机运行所受阻力不断增加，在前排迎风单元之间会逐渐产生涡流且

15、范围逐渐增大，导致后排冷凝单元的出口被加热的空气被前排单元卷吸，热风回流率增加，导致前排单元的换热条件进一步被恶化。从流量分配上，前排单元的冷凝量随着环境风速的增加不断降低，前排冷凝单元的换热面积基本上没有被利用。(a)0风向6m/s(b)0风向9m/s(c)0风向15m/s图6前排迎风冷凝单元的典型截面空气流线及蒸汽流量分配特性图7给出了在0风向时，2号机组后排迎风冷凝单元的外部流场与蒸汽流量分配情况。(a)0风向6m/s(b)0风向9m/s(c)0风向15m/s图7后排迎风冷凝单元的典型截面空气流线及蒸汽流量分配特性对于后排的迎风冷凝单元来说，其受到环境风影响较小，环境风对空冷岛的影响基本

16、被前排单元所抵消，蒸汽流量分配的特性基本与不受环境风影响时大体一致。此时，对于在环境风下游的1号机组而言，其外部流场受到环境风的影响减弱，空冷岛运行状态好于2号机组。(a)平行风向截面(b)垂直风向截面(c)空冷岛蒸汽流量分配图8炉后来风的典型截面流线与蒸汽流量分配研究表明20，炉后来风通常认为是直接空冷系统的最不利风向，其对直接空冷系统的运行工况影响较为严重。图8以-90风向12m/s环境风为例，给出某个沿环境风向截面、某个垂直环境风向截面的空气流线以及该工况下1、2号机组的蒸汽流量分布。可以发现，空气在流经主厂房后产生了涡流，加大了空冷风机出口的阻力，并经一定程度加热后进入空冷单元入口，造

17、成空冷单元传热条件的恶化。同时，从流量分配来看，由于采取对称布置，两台机组的换热特性基本保持一致。空冷岛中部单元的冷却能力较强，冷凝量多于边缘单元，这是由于在与来风方向垂直的截面也出现涡流，其流动方向有利于中央冷凝单元，但增加了边缘单元的热风回流率，使边缘单元的换热特性进一步恶化，造成凝结量大幅度降低。图9给出通过计算获取的在THA工况下，受不同环境风影响的机组背压。可以看出，炉前来风，即45和90风向下，环境风对机组背压影响较小，可以基本维持原有工况运行；炉后来风，即-45和-90风向下，环境风对机组背压影响较为明显，特别是在风速较高的情况下，不采取措施会危及机组安全运行。0风向对机组的影响

18、介于炉前来风与炉后来风之间，但其对风向上游机组，即2号机组，的影响大于对风向下游机组，即1号机组。特殊的，对于45和-45风向，由于其直接影响风向上游机组的两排冷凝单元的风机进风条件与阻力特性，因此对风向上游机组来说，其对空冷岛运行的干扰程度要强于垂直进风的情况。(a)1号机组背压(b)2号机组背压图9THA工况下，不同环境风影响的机组背压计算2.2空冷风机调整策略空冷风机作为空冷电站的重要辅机，其电耗在空冷电站的运行中长期占据了较大的比重。在不同环境下采取合适的调整策略，对于保证机组安全、高效运行有现实的意义。目前，大型空冷电站通常使用变频风机控制空冷岛的运行。通过改变变频器的频率可以实现风

19、机的无级变速，但是风机电流也会随之升高。一般来说，从风机安全运行考虑，特别是夏季高温时期，以不超过额定转速10%为宜。通过对不同环境风影响下的蒸汽流量分配进行分析，提出以下几种调整策略，并进行验证：A:提高全所有风机转速同等幅度B:提高第一排迎风单元的风机转速C:提高第一排迎风单元的风机转速，降低同机组在风向最下游的风机转速D:将提高额度分摊至前几排迎风单元，提高多排风机的转速E:将提高额度分摊至前几排迎风单元，提高多排风机的转速，并降低同机组在风向最下游风机的转速。以90风向角，9m/s环境风速为例，维持机组环境温度15时额定660MW出力，环境温度33时额定600MW出力，汽轮机进口压力、

20、温度恒定，同时假设除空冷风机外厂内其余辅机用电负荷近似不变。按照不同运行策略计算其供电煤耗的变化。由于其换热特性具有对称性，此处仅选取1号机组进行计算。表1、表2分别给出了15和33时，按照不同策略调整风机转速，机组所节省的供电标准煤耗。可以发现，尽管不同环境温度造成机组运行工况不同，但是不同风机调整策略所节省标准供电煤耗的趋势基本一致。以发电煤耗作为衡量标准，在此两种工况下，A方案明显优于其他方案，特别是运行背压较高时，按照10%幅度最为上限做调整，A方案所降低的供电标准煤耗更为明显。剩下的各组方案均是期望通过在尽可能降低风机电耗与降低发电煤耗之间寻求最优组合，但是效果并没有达到预期。可以认

21、为，对于运行在THA工况下的机组来说，在机组运行状态允许的条件下，尽可能加大风机转速是有利于提高机组效率的。而依靠降低风机转速来实现机组的节能降耗，特别是对于600MW以上级别的机组来说，是不可行的。表1环境温度15，THA工况，不同调整策略节省供电标准煤耗减少提高NoneLine1 5%Line1 10%Line1 6%Line2 4%Line1 4%Line2 3%Line3 3%Line7 5%1.04g/kWh0.95g/kWhNullNullNullLine7 10%2.06g/kWh1.96g/kWh1.85g/kWh1.83g/kWh1.79g/kWhLine7 6%Line6

22、4%1.50g/kWh1.40g/kWh1.29g/kWh1.27g/kWh1.22g/kWhLine7 4%Line6 3%Line5 3%1.16g/kWh1.06g/kWh0.95g/kWh0.90g/kWh0.87g/kWhAll 5%2.19g/kWhNullNullNullNullAll 10%3.99g/kWhNullNullNullNull表2环境温度33，THA工况，不同调整策略节省供电标准煤耗减少提高NoneLine1 5%Line1 10%Line1 6%Line2 4%Line1 4%Line2 3%Line3 3%Line7 5%1.31g/kWh1.19g/kWhN

23、ullNullNullLine7 10%2.55g/kWh2.43g/kWh2.29g/kWh2.26g/kWh2.22g/kWhLine7 6%Line6 4%1.88g/kWh1.75g/kWh1.61g/kWh1.57g/kWh1.54g/kWhLine7 4%Line6 3%Line5 3%1.47g/kWh1.35g/kWh1.20g/kWh1.17g/kWh1.13g/kWhAll 5%2.74g/kWhNullNullNullNullAll 10%5.02g/kWhNullNullNullNull注意到，随着运行背压的降低，同样的调整方案所节省的供电标准煤耗量在逐渐的降低，并且B

24、方案与A方案在选择同样调整幅度时，节省标准煤耗量的差距也在逐步的降低。同时，B方案虽然逊色于A方案，但是通过比较可以发现，B方案对改善流量负荷分配特性更为明显。以环境温度15下，A方案增加10%和B方案增加10%为例，图10给出了两种调整策略各自的蒸汽流量分配特性。可以发现，A方案尽管整体风量加大，但是蒸汽流量的分配特性基本没有改变。而B方案使得流量分配更加均匀，更充分的利用了换热单元。因此，综合B方案和A方案的特性，引入F方案，即同时增加所有风机转速，但是按照第一排风机转速提升幅度较高，后几排风机提升幅度较低的策略。(a)A方案增加10%策略蒸汽流量分配(b)B方案增加10%策略蒸汽流量分配

25、图10不同风机调整策略下，蒸汽流量特性比较仍以环境温度15下，90度风向角，THA工况为例，分别对3m/s、9m/s来风做考察。按照A方案提升10%记为A1，按照A方案提升5%记为A2，按照B方案提升10%记为B，按照F方案提升第一排迎风单元10%，后面所有单元5%记为F，分别计算其供电标准煤耗。图10THA工况下，不同调整方案节省供电标准煤耗对比图10给出了按照不同方案调整所节省的供电标准煤耗。可以看出，随着环境风速降低，对恒定THA工况下的机组来说，运行背压逐渐降低。此时，对于相同的风机转速方案，节省的供电标准煤耗逐渐降低，这表明单纯依靠调整风机转速来提高机组效率的方式逐渐达到极限，A方案

26、的优势被进一步削弱，其与F方案的差距进一步缩小。可以认为，当机组受环境影响较小，运行于低背压时，特别是逐渐接近阻塞背压，风机电耗的增幅将对发电煤耗降幅的抵消将逐渐增强，甚至抵消发电煤耗的降幅。因此，应根据实际来风情况，采取分区域升速调整，即F方案。而当机组受环境影响严重，运行于高背压时，应尽量采取全区域全速调整，保证机组的安全、经济运行。3结论通过对直接空冷系统的外部流场以及内部流场分别建模，并引入环境因素，分析直接空冷系统受环境风影响时的蒸汽流量分配特性，有以下结论：1) 无论哪个方向的来风，其通常只对空冷岛前排迎风单元的传热特性造成明显的影响，后排迎风单元的传热特性改变不多。特殊的，对于-

27、90来风，其虽然对边缘风机影响较中央风机严重，但是从蒸汽流量分配上来看，也局限在前排的冷凝单元上。2) 随着环境风速的增加，环境风对空冷岛的影响逐渐深入，影响的程度也逐渐加深，迎风前排单元的热风回流程度进一步加重。3) 外部流场对蒸汽流量的分布特性起到了主导作用，内部流场的阻力特性仅起次要作用。 同时，以上述分析为依据，通过对不同风机调整策略下，机组所节省的供电标准煤耗进行比较分析，得出下述方案：1) 通过降低风机转速来实现节能的方案不可行。2) 受环境影响较小且机组运行背压低时，应根据实际负荷及厂用电率情况，采取空冷系统的分区调整。3) 受环境影响较大且机组运行背压高时，应采取全区域尽量提高

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