环境风场影响下的直接空冷蒸汽分布特性及运行策略

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1、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600MWH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：无论哪个方向的來风，英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，随着风速増加，其对空冷岛的影响逐渐深入，程度进一步加深。以此为依据，分析

2、得出，对空冷风机的调整，在机组背压较高吋应釆取全区域全速提扁，在机组背压较低时应采取分区域捉升，并认为降速节能不可行。【关键^1】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］o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*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

3、论和数值模拟研究。石磊等针对600MW排汽管道系统进行模拟、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200㈱直接空冷排汽管道内的水蒸气流场进行三维数值模拟［6］。同吋，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。本文针対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

4、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内部流场物理模熨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

5、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问的相互作用；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.l-100um,因此在湿蒸汽模型小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P1一0式中，p—-湿蒸汽的密度，kg/m3；久--饱和蒸汽的密度，如品；0―蒸汽湿度。湿蒸汽的控制方程通过矢量形式的Navi

6、er-Stokes方程给出HdV=——£QdV+-G］•dA式中，2=(P,w,v,vv,T),V为控制体，帀为求解变量，F为无粘通量，C为粘性通量，万为源项。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，即攀+V.(”0)=「(3)ot式屮，r--由于凝结引起的质量变化率，kg/(m3-5)；-^^-+V-(pv77)=pl⑷dt式中，/—成核率(每秒钟单位体枳新增液滴数)77=为⑸(1-0)匕(门/几)式中，P,--液体密度，kg/m3；V(J--平均液滴的体积，m'相变模型使用了如下假设：1)自发

7、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I'可所包围；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，r=~^Pl+4矽亦y-⑹式中，/液滴的平均直径，m；r,--Kelvin-Helmholtz临界液滴直径，m2(7p{RTS式中，/一温度T下的液体表面张力，Nlm・,门一温度丁下凝结液体密度，kg/m3；R--气体常数，NwgK)；S—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S=—(8)%(门膨胀的过程是非常迅速的，因此当发生相变的时候

8、，该过程就会偏离平衡状态，过饱和率可能大于lo凝结包括两个部分，即蒸汽凝结向液滴传热和液滴放出