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空冷岛内部流场的建模分析和试验对比点击：1909 日期：[ 2014-04-26 21:35:49 ] |
| 空冷岛内部流场的建模分析和试验对比 马 帅1,程通锐2 (1·华北电力大学能源动力与机械工程学院,河北保定071003;2·华北电力大学能源动力与机械工程学院,北京102206) 摘要:空冷岛作为一个空冷电厂的大型换热器,其性能与内外流场密切相关。对空冷岛内部流场进行了系统建模分析,并结合试验进行对比,对空冷岛内部流场的分布规律有了较为深入的理解,为进一步的优化提供了基础。给出了对应于试验结果的空冷岛凝结温度分布的原因及凝结压力分布、凝结流量分配计算结果。 关键词:空冷岛;系统建模分析;传热性能试验;分布规律 中图分类号:TK124 文献标识码:A 0 引 言 在中国西部恶劣的环境气候条件下,改进现有空冷凝汽器设计,开发适合中国国情的空冷凝汽器翅片管/管束结构,并针对空冷岛、凝汽器单元、翅片管/管束设计上的缺陷,制定相应的空冷岛优化运行调节策略,对于提高我国直接空冷机组运行水平,实现空冷机组的节能降耗具有重要意义。而改进现有空冷凝汽器设计,最终设计、制造出拥有我国完全自主知识产权的产品,首先必须获得现有空冷系统的传热特性,因此,深入研究火电厂空冷系统传热特性的意义就显得尤为重要。火电厂空冷系统传热特性与空气侧流场的分布、内部流场的分布息息相关。 顾志福[1]等通过数学模型的建立,模拟了周围环境对电站直接空冷系统运行的影响;高玉忠[2]采用集中参数法对600MW机组直接空冷凝汽器变工况计算进行了研究,绘制了空冷凝汽器特性曲线,分析了迎面风速、环境气温、凝汽器热负荷对空冷凝汽器性能的影响;金衍胜硕士论文[3]利用空冷凝汽器单体性能试验台和在役600MW直接空冷机组的冷端系统进行了试验研究;杨立军[4]等针对轴流风机全速和半速运行工况,计算得到了汽轮机背压随凝汽器凝结蒸汽量和进口空气温度的变化规律;也有针对热风回流做了一些改进措施[5]等。但视空冷岛为系统而建模的研究还很少。 本文在前人工作的基础上,给出从凝汽器单元、蒸汽分配管到空冷岛这个尺度的蒸汽流动分配的较详细的数学物理模型,综合考虑风的冷却能力分布、流动阻力等因素对空冷系统性能的影响,并据此模型对试验结果进行仔细分析,相互补充。 1·空冷岛建模 某电厂空冷岛由56个单元组成,共8排,每排7个单元。汽轮机做完功的蒸汽从低压缸2个排汽口流出,经排汽装置流到直径为6 m的两根互不相通的管道中。管道从厂房外部上升到空冷岛平台,蒸汽在空冷岛管内凝结。由于这两组管道互不相通,因而形成双背压凝汽器,有风时两侧凝结温度明显不同。空气由风机提供动力,由下向上,经过风机,经翅片间空隙流出,进行换热。空冷岛计算模型由以下4个模型描述。 1·1 单元传热计算模型 采用集中参数分析,对凝汽器单元建模。翅片管的扁平基管为近似矩形截面,且长短轴比例超过10∶1,翅片管束基于外表面的总传热系数K可以表示为: 式中: hi, ho为翅片管内冷凝和管外空气对流表面传热系数; Af是考虑空气侧翅片表面肋效率修正后的面积, Af=ηfAo,f+Af, t; Ao,f和Af, t分别为空气侧翅片面积和基管面积;将蛇形翅片看作等截面直肋,肋效率ηf的计算方法参见文献[6]。采用传热单元数法[6]建立计算模型。 式中: ts表示蒸汽凝结温度; ta1, ta2表示进出口空气温度; Ak表示单元换热面积;ρa表示空气密度;cpa表示空气定压比热; ua表示迎面风速; Aa表示单元翅片管处迎风面积。 换热器效能和传热单元数之间的关系为: ε=1-exp(-NTU)(4) 已知背压、空气流量和温度,应用公式(1)~(4)就可以计算凝结流量。 1·2 空冷岛传热计算模型 已知排汽流量、排汽焓,求背压。对一半的风机、凝汽器进行建模,计算流程图如图1。 1·3 空冷岛流动阻力计算模型 可以计算得到空冷岛管内蒸汽最高马赫数约为0·15,可视为不可压缩流体,因而采用考虑阻力的伯努利方程,对蒸汽分配管进行分析,推导压力公式如下: 式中: pn表示第n个单元的凝结压力(未考率凝结过程的流动阻力); m表示质量流量; An表示凝结单元通流截面积; Ai表示凝结单元对应的蒸汽分配管截面积;ρ表示密度;下标0表示排汽出口总管道;下标v表示水蒸气;λ表示将沿程各段分隔得到的阻力系数(可以通过局部各段数值模拟或参照经验公式的形式得到);εn表示水蒸气流向第n个单元的局部阻力系数。 1·4 空冷岛总体计算模型 先应用空冷岛传热计算模型计算,初步得到当前边界条件下的背压和各单元的凝结流量,再应用空冷岛流动阻力计算模型对各单元凝结压力进行修正得到新的凝结压力,再利用新的凝结压力对空冷岛进行传热核算,反复计算几次,直到流量分配不再变化为止。 2 模型计算及试验对比 2·1 无风工况模型核算 各个工况的核算结果如表1。 可以发现,总体计算结果满足工程近似的要求。 由于采用了试验拟合的平均总传热系数公式,因而对顺流区,逆流区未加以区分,该模型当前只使用于总体计算,可以反映大部分顺流区的规律。沿程阻力系数由紊流摩擦阻力公式得到,局部阻力系数不容易获得,根据试验结果,上游单元温度高,调节阻力系数,得到一致的结果即可,即局部阻力比较小而累积的沿程阻力相对较大。得到了工况THA1的流量分配和背压分配。THA1工况采用了均匀的速度分布,迎面流速取为1·84 m/s,进口温度22℃,排汽流量为338·2 kg/s,排汽焓为2 434 kJ/kg,进行模型计算,空冷岛模型计算结果如表2和表3。 分析计算结果。从空冷岛流动阻力公式和计算实践中可以发现:在阻力系数都为0时,压力修正为0,流量分配、压力分配都一样,而在给出的阻力系数的情况下,分配不再均匀。这是因为,均匀迎风速度下,风的入口条件一致,内部流动阻力成为流量分配不均的唯一原因,因而流量分配和压力分布一致。分流作用于主流,沿流向流速减小,局部阻力减小,促使凝汽器压力分配不均,使得流量分配不均。局部阻力系数和沿程阻力系数的大小及当地的速度决定了压力修正值的大小。 由于未考虑逆流区,流量分配、压力分布规律只适用于顺流区。 2·2 有风工况空冷岛模型计算 华电工程数模试验报告指出,处于环境风场上游的空冷单元,其流量远远低于下游的空冷单元,空冷单元进口空气温度则高于下游空冷单元。据此规律给出迎面风速在各个单元的分布,如表4。 对夏季工况TRL采用这样的速度分布,进口温度一致,进行模型计算,空冷岛模型计算结果如表5和表6。 分析计算结果。从表5可以知道,迎风侧的一半凝汽器的背压为89·6 kPa,背风侧的一半凝汽器的背压为25·4 kPa,该结果反映了双背压特征,两侧背压相差较大,这是由于迎面速度给出时的随意性造成,但仍然反映规律。 从表5各列的流量分配中可以看出的冷却能力与流量分配关系密切。冷却能力差的单元凝结流量也少。 比较表3与表6可以看出,阻力对流量分配的影响随流量的减小而减小,并且小于风的冷却能力。 2·3 对试验结果的分析 根据传热流体基本知识和建模得到的结果和经验,对试验结果进行分析。 图2为吹南风(从右向左吹)时的凝汽器外壁面温度分布,反映了蒸汽流动换热过程的凝结温度分布。 凝结温度对应饱和温度,从而可以看出迎风侧的背压比较高,背风侧的背压比较低,这是由于迎面侧风的流量少,冷却能力差。图3为顺、逆流区的温度分布图,蓝色的那个单元对应逆流区,这是因为逆流区蒸汽从下往上流动,由于蒸汽凝结而空气逐渐富集,使得水蒸汽的饱和压力减小,凝结温度降低较多。可以看出,无论顺流区还是逆流区,单元上部分的温度都比下部分的低。 对于顺流区,截取包含凝结蒸汽和凝结液的微元,建立凝结流动动量基本方程[7]: (-AdP)-(dFl+dFv)+(ρlAl+ρvAv)gsinθ=d(mvuv+mlul) (6) 上式左边第一项为微元上的压力差,第二项为微元控制体所收的摩擦力,第三项为微元控制体所受的重力,式右边为微元动量变化项或加速压降项。凝结过程,质量流量不变,动量减小,动量变化项小于0。从公式可以看出压力的变化取决于重力项、动量变化项之和与摩擦力项的大小比较。 从图3试验结果知道顺流区单元上部分的温度都比下部分的低。应用上述分析,可以知道,沿流程从上往下,重力势能减小及动量减小大于摩擦力的影响,使得压力增加,该压力对应饱和温度,从而凝结温度升高。 图4是反映了空冷岛外壁整体温度分布。可以看出,每一排,远离汽机房的单元凝结温度比较低。 3·结 论 (1)无风工况,总体计算结果即背压满足工程要求,有风工况,迎风一侧的背压高于背风一侧的背压。 (2)流动阻力较小程度上影响流量分配,风的冷却能力在较大程度上影响流量分配。 (3)从列向(轴向)看各单元,凝结温度略有降低,凝结压力略有降低;各排之间比较,冷却能力好的排凝结流量大。 (4)由于采用了平均传热系数,压力分布、流量分配规律适用于占绝大多数的顺流单元。更加细致准确的流量分配还有赖于对顺流、逆流传热系数及阻力系数的准确计算方法。 参考文献: [1]Gu Z, LiH, ZhangW, et a.l W ind tunnel simulationon re-circulation of air-cooled condensers of a powerplant[J]. Journal of Wind Engineering and IndustrialAerody-namics, 2005, 93 (6): 509-520. [2]高玉忠.电站直接空冷凝汽器变工况计算与特性分析[J].上海汽轮机, 2001, 9 (3): 5-7. [3]金衍胜.火电厂直接空冷系统传热性能试验研究[D].北京:华北电力大学, 2009. [4]杨立军,杜小泽,杨勇平,等.火电站直接空冷凝汽器性能考核评价方法[ J].中国电机工程学报,2007, 27 (2): 59-63. [5]周兰欣,李建波,李卫华,等. 600 MW机组空冷岛外部流场的数值模拟与结构优化[J].中国电机工程学报, 2009, 29 (17): 38-42. [6]杨世铭,陶文铨.传热学[M].北京:高等教育出版社, 1998. [7] CareyV P. Liquid-vaporphase-change phenomena [M].New York: Hemisphere, 1992. |
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