【摘要】：空冷技術(shù)由于其優(yōu)越的節(jié)水能力,是我國富煤缺水地區(qū)火力發(fā)電的常規(guī)冷卻手段。直接空冷系統(tǒng)采用機械通風(fēng)強迫對流方式實現(xiàn)冷卻空氣和汽輪機排汽的直接熱量交換。由于以空氣作為冷卻介質(zhì),因此直接空冷系統(tǒng)極易受到環(huán)境因素影響,如環(huán)境溫度和環(huán)境風(fēng)。本文將對極端環(huán)境下空冷凝汽器流動換熱特性進(jìn)行研究,包括夏季高溫工況和冬季供熱工況。在夏季高溫天氣空冷凝汽器的高背壓現(xiàn)象是一個常見問題。對于空冷凝汽器,蛇形翅片扁平管是關(guān)鍵的換熱元件。通過可視化熱態(tài)風(fēng)洞實驗,對蛇形翅片扁平管的噴霧冷卻機理進(jìn)行研究,并使用紅外熱像儀測量翅片表面溫度分布。噴霧冷卻的強化傳熱機理包括兩部分,液滴群蒸發(fā)預(yù)冷空氣以及換熱表面液膜蒸發(fā)。實驗結(jié)果表明,空氣冷卻效率隨風(fēng)速增加而逐漸降低,隨噴水量增加而增加。在空氣雷諾數(shù)Re范圍210～680,獲得了噴霧工況下對流換熱經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式。和未噴霧工況相比,三種噴水量下的努塞爾數(shù)Nu分別增加48%,56%和68%。此外,實驗還定量評估了液滴群蒸發(fā)預(yù)冷空氣和表面液膜蒸發(fā)兩種機理的相對貢獻(xiàn),發(fā)現(xiàn)當(dāng)雷諾數(shù)Re約為500時二者基本相等。實驗結(jié)果為空冷凝汽器噴霧冷卻技術(shù)優(yōu)化提供了重要的參考依據(jù)。為進(jìn)一步研究噴霧冷卻強化翅片管換熱機理,以單個翅片單元作為物理模型,通過數(shù)值模擬的方法對液滴群在翅片間運動蒸發(fā)以及形成液膜蒸發(fā)的過程進(jìn)行分析。結(jié)果表明,噴霧冷卻能夠有效降低翅片表面溫度并提高對流換熱系數(shù)。噴水量的增加對強化換熱能力提升有限。液滴粒徑和迎面風(fēng)速對液滴群擴(kuò)散影響顯著,從而改變管壁降溫效果。在實際運行中應(yīng)選擇合適的液滴粒徑,粒徑過小雖有利于液滴群擴(kuò)散,但部分液滴穿出翅片區(qū)域而未被利用。而粒徑過大使得液滴群不能充分?jǐn)U散,只有部分翅片區(qū)域受液滴和液膜蒸發(fā)影響,使得整體強化換熱效果不佳。采用數(shù)值模擬的方法,以300 MW直接空冷機組單個空冷單元為研究對象,深入研究空冷單元內(nèi)噴霧冷卻系統(tǒng)的流動換熱性能,并進(jìn)行了實驗驗證。根據(jù)空冷單元內(nèi)流場分析,提出了一種改進(jìn)型噴嘴布置方案以提高噴霧冷卻性能,并與原有布置方案比較了入口空氣溫度和汽輪機背壓。噴水量可以分為三部分,包括液滴群在空氣中預(yù)冷蒸發(fā)水量、翅片管束表面液膜蒸發(fā)水量,以及未完全蒸發(fā)而被排出的多余水量。通過數(shù)值模擬研究,獲得了噴水量,噴射力方向和噴嘴間距對冷卻性能的影響。結(jié)果表明,改進(jìn)型噴嘴布置方案可顯著提高冷卻性能并可大幅降低汽輪機背壓。對于實際空冷單元,噴霧系統(tǒng)可采用向上噴射,噴嘴間距0.8 m的改進(jìn)型布置方案。此外,不同環(huán)境工況下的多余水量為最優(yōu)噴水量的確定提供了依據(jù)。在冬季熱電聯(lián)產(chǎn)是一種主要的供熱方式,汽輪機排汽可直接為供熱熱網(wǎng)提供熱源,同時多余的蒸汽進(jìn)入到直接空冷系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。對于熱電聯(lián)產(chǎn)機組,進(jìn)入到空冷島的蒸汽量減少,導(dǎo)致部分風(fēng)機只需要低速運行甚至停運。本文采用數(shù)值模擬的方法,對300 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機組的空冷系統(tǒng)環(huán)境風(fēng)效應(yīng)進(jìn)行了研究,并進(jìn)行了實驗驗證。在冬季嚴(yán)寒工況熱電聯(lián)產(chǎn)機組只有部分空冷凝汽器在運行。為了研究空冷島的流場和溫度場,建立了物理和數(shù)學(xué)模型,并考慮了軸流風(fēng)機全停時的自然對流,獲得了不同環(huán)境風(fēng)向風(fēng)速下的空冷凝汽器換熱量。結(jié)果表明,由環(huán)境風(fēng)引起的熱風(fēng)回流和空氣倒灌對空冷凝汽器換熱影響十分明顯。然而,與常規(guī)發(fā)電機組不同,熱電聯(lián)產(chǎn)機組空冷凝汽器換熱量可能會因為風(fēng)機全停下的空氣倒灌而增加。此外,基于空冷島流場和溫度場分析,針對環(huán)境風(fēng)下部分負(fù)荷熱電聯(lián)產(chǎn)機組進(jìn)行運行方案研究。為保證熱網(wǎng)供熱安全以及熱電聯(lián)產(chǎn)機組經(jīng)濟(jì)運行,提出了不同環(huán)境工況下的空冷系統(tǒng)最優(yōu)運行方案以及具體的軸流風(fēng)機旋轉(zhuǎn)速度。
【圖文】：

空冷系統(tǒng)的主要特點是初投資較低，占地面積小，受環(huán)境風(fēng)影響嚴(yán)重，背壓浮動大逡逑［３］。如圖１－２所示，直接空冷系統(tǒng)通過強迫對流方式將汽輪機排汽與冷卻空氣進(jìn)行逡逑直接換熱。目前大型直接空冷系統(tǒng)主要布置在緊靠汽輪機廠房Ａ列柱外側(cè)的獨立高逡逑架平臺上，被稱為空冷島�？绽淠龤馄饕话阌啥鄠�空冷單元呈矩形陣列布置�？绽溴义蠁卧獮椤埃痢弊中徒Y(jié)構(gòu)，主要由６０°夾角的屋頂狀翅片管束以及軸流風(fēng)機構(gòu)成�？绽溴义蠁卧址譃轫樍骼鋮s單元（也稱為順流凝汽器）和逆流空冷單元（也稱逆流凝汽器）逡逑兩種類型，如圖１－２所示。逡逑邐順流單元逡逑ｍｍｍ邐／ｊ邐逆流單元逡逑，／＼邐，邋ｗ邋不凝結(jié)氣體逡逑\卿神：逡逑＿？去凝結(jié)水箱逡逑ｙｉ邋＼邋ｙｊ邐ｘ－ｉ逡逑主蒸汽管道邋／邋＼ｘ邋ｉ＾＼Ｎ逡逑蒸汽邋ｔ＾＼逡逑凝結(jié)水ｍＨ逡逑不凝結(jié)氣體逡逑圖１－２機械通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)示意圖｜４］逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｆｏｒｃｅｄ邋ｄｒａｆｔ邋ｄｉｒｅｃｔ邋ｄｒｙ邋ｃｏｏｌｉｎｇ邋ｓｙｓｔｅｍ逡逑目前電站直接空冷系統(tǒng)主要采用的單排蛇形翅片扁平管由鋼制扁平芯管和釬逡逑焊硅鋁合金蛇形翅片組成，如圖１－３所示，通過管外空氣對流帶走管內(nèi)蒸汽凝結(jié)潛逡逑熱。逡逑空冷凝汽器直接使用環(huán)境空氣作為冷卻介質(zhì)，因此其換熱性能受到冷卻空氣千逡逑球溫度的影響較大［５］。在我國直接空冷系統(tǒng)主要使用于北方地區(qū)，而這些地區(qū)的全逡逑年環(huán)境氣溫變化很大

圖２－４液滴索特平均直徑和噴水量隨噴嘴壓力的變化逡逑Ｆｉｇ．２－４邋Ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ邋ｏｆ邋ｍｅａｎ邋Ｓａｕｔｅｒ邋ｄｉａｍｅｔｅｒ邋ａｎｄ邋ｗａｔｅｒ邋ｆｌｏｗ邋ｒａｔｅ邋ｗｉｔｈ邋ｗａｔｅｒ邋ｆｅｅｄ邋ｐｒｅｓｓｕｒｅ逡逑入口空氣速度通過熱線風(fēng)速儀（ＣＴＡ）測量。如圖２－２所示，，入口空氣溫度由逡逑５個Ｔ型熱電偶測量，蛇形翅片扁平管的迎、背風(fēng)面空氣溫度分別由９個Ｔ型熱電逡逑偶測量，它們都均勻布置在相應(yīng)截面處，最后通過計算各測點平均值作為截面處的逡逑平均溫度。入口空氣溫度測點距離翅片管０．８邋ｍ，翅片管束迎、背風(fēng)面空氣溫度測逡逑點分別距離翅片管0．0３ｍ。噴嘴位于翅片管束上游０．２８邋ｍ處。如圖２－３所示，每根逡逑翅片管的迎風(fēng)面和背風(fēng)面表面都布置了溫度測點。所有熱電偶都作了保護(hù)處理以避逡逑免液滴觸碰到測溫探頭。測量的溫度通過Ａｇｉｌｅｎｔ數(shù)據(jù)采集器采集并上傳到電腦。逡逑實驗段入口以及翅片管束背風(fēng)面的空氣相對濕度由濕度計測量。由于翅片管束迎風(fēng)逡逑１４逡逑
【學(xué)位授予單位】：華北電力大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM621

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 李生衛(wèi);高建強;汪寧;孫鑫;;直接空冷凝汽器噴霧增濕系統(tǒng)在600MW機組上的應(yīng)用[J];電站系統(tǒng)工程;2015年04期

2 趙洪濱;謝攀;吳海霞;;直接空冷機組真空系統(tǒng)夏季噴淋性能研究[J];熱能動力工程;2015年03期

3 吳婷婷;張學(xué)鐳;;環(huán)境風(fēng)影響下直接空冷機組噴霧增濕系統(tǒng)數(shù)值模擬[J];電力建設(shè);2014年02期

4 陳瑤;張小松;薛海君;;噴霧降溫技術(shù)在大型發(fā)電廠直接空冷系統(tǒng)中的應(yīng)用[J];制冷與空調(diào);2013年09期

5 周蘭欣;惠雪松;李衛(wèi)華;馬少帥;孫會亮;;直接空冷凝汽器旋轉(zhuǎn)流場中應(yīng)用噴霧增濕的數(shù)值模擬[J];動力工程學(xué)報;2013年02期

6 馮麗麗;杜小澤;楊勇平;楊立軍;;扁平管交錯蛇形短翅片強化傳熱的研究[J];工程熱物理學(xué)報;2012年07期

7 辛娟娟;周致富;辛慧;陳斌;王國祥;郭烈錦;;單個液滴蒸發(fā)模型中不同質(zhì)量傳遞公式的有效性分析[J];化工學(xué)報;2012年06期

8 馮麗麗;杜小澤;楊勇平;楊立軍;;交錯蛇形短翅片對扁平管外傳熱的強化[J];中國電機工程學(xué)報;2012年17期

9 馮麗麗;杜小澤;楊勇平;楊立軍;;間斷蛇形短翅片強化扁平管傳熱的研究[J];中國科學(xué):技術(shù)科學(xué);2012年03期

10 周蘭欣;張情;李衛(wèi)華;;直接空冷凝汽器噴霧增濕系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J];動力工程學(xué)報;2011年02期

本文編號：2711125