直接空冷火电站废热再利用系统

刘建军，陈汝刚，刘东民，吴 炜，刘元春

(中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064)

0 引言

我国直接空冷机组装机容量到2010年全国总装机容量达到40 GW[1]。目前火电站的全厂总效率在40%左右，机械式直接空冷系统风机的电耗量大约占电站输出功率的1% ～1.6%[2]，这就造成了巨大的能量消耗，在输出功率一定的情况下就需要消耗更多的煤炭资源，污染物的排放也将随之增加，还将带来一系列的环境问题。

1 直接空冷火电站废热再利用系统

废热再利用系统示意图如图1所示。利用烟囱内空气密度差产生的自然抽吸作用，形成沿烟囱上升的强大热气流，达到冷却空冷凝汽器的目的。还可以通过在烟囱入口处加装涡轮，利用强大的热气流推动涡轮转动，并带动发电机发电，回收利用热空气的部分能量，最终实现节能减排的目的。

图1 废热再利用系统示意图Fig.1 Scheme of the waste heat recycling system

2 理论分析与计算模型

2.1 热力学过程分析

2.1.1 理想循环过程

理想的热力循环模型假设系统内所有的流动是理想的、无能量损失的准静态过程。系统的理想热力循环过程如图2所示。

图2 理想循环过程T－S图Fig.2 T － S process of ideal cycle

Q为单位时间内地面冷空气从冷凝器吸收的热量;Pshaft为热空气推动涡轮输出的功率;η为废热再利用系统的发电效率。

式中m——系统空气的质量流量;

Cp——空气的定压比热;

g——重力加速度;

ΔH——烟囱的高度。

2.1.2 实际循环过程

实际的热力循环过程总是伴随着能量损失的不可逆过程，如图3所示。涡轮透平和烟囱内的热力过程存在如下几种损失:热气流经过涡轮透平机组，完成热能向机械能转换过程中，出现流动摩擦损失、冲击损失、二次流损失等涡轮透平膨胀损失;为了加固烟囱结构的强度，在烟囱内需要安装许多加固装置，这些装置对热气流上升形成局部损失，还有烟囱内壁摩擦损失;烟囱出口处，存在余温余速的排放使部分气流动能进入大气，出现动能损失[3]。

图3 实际循环过程T－S图Fig.3 T － S process of practical cycle

用滞止参数表示状态变化过程，涡轮透平膨胀损失用透平效率表示为

忽略烟囱出口的二次流，则动能损失为

其中，α与主流速度分布剖面有关，对于1/7幂次湍流速度分布，α =1.058[4]。

烟囱的阻力损失水头和损失比例系数为

从图3看出，在有损失情况下，烟囱及涡轮透平内的流动为熵增过程，透平轴功率为

式中tm——高空和地面温度的平均值。

为了确定轴功率，需要求出烟囱尾气排放温度。根据图3的热力性质可得到关于T4的二次方程

其中:

从图3的热力过程可得

根据普朗特阻力公式可得

联立方程组(1)～(9)，从中可以看出各个点的温度是相互联系的，在给定其它变量后经过迭代求解方程组就可以算出各点的参数，既可以求出涡轮的发电功率和系统效率。

2.2 系统抽吸力分析

凝汽器周围的空气在冷却三角单元的加热下，温度升高，密度减小。在浮力的作用下，热空气向上运动。这个浮力就是抽吸空气向上运动的抽吸力，也称为抽力[5]。抽力可由下式计算得到

式中F——抽吸力;

Δp——系统进出口压力差;

——烟囱内空气的质量;

——凝汽器盖罩内空气质量;

g——当地重力加速度。

2.2.1 系统内空气质量的计算

烟囱内空气的质量有两种计算方法，其一是认为烟囱内空气的密度是常数;其二是认为烟囱内空气的密度随着高度的变化而变化。对于第一种计算方法，烟囱内空气的质量可由下式计算

式中 ρin——烟囱入口处空气的密度;

A——烟囱的横截面积;

ΔH——烟囱的高度;

这里重力加速度不随着高度的变化而变化。对于第二种计算方法，烟囱内空气的质量可由下式计算

其中，烟囱内空气密度ρ是随着高度的变化而变化的。通常来说，空气的密度随温度和压力的变化关系以理想气体方程来表示，假设烟囱内空气压力与温度按线性分布，则烟囱内空气的质量为

2.2.2 系统进出口压差的计算

系统进出口压差的计算同样有两种方法计算，其一是将地球周围大气的密度近似认为是不可压缩的气体，各处的密度为常数

式中 ρe——地表大气的密度。

其二是将地球周围大气认为是可压缩的气体，满足理想气体方程。由大气的压高公式可得到系统压差为

式中pin——系统入口压力;

pout——系统出口压力;

tm——系统入口出口的平均温度。

综合上述分析过程可以求得系统的抽力，如果地球周围大气近似为不可压缩气体时，凝汽器盖罩中空气的密度近似为常数，则

其中，ΔH1为凝汽器盖罩的高度，本文中为57 m。则抽力为

如果地球周围大气近似为可压缩的气体时，抽力为

2.3 系统流动阻力的计算

整个系统流动阻力为沿程阻力和局部阻力。在整个系统中，凝汽器盖罩的高度与烟囱的高度相比是很小的，所以本文主要分析烟囱的沿程阻力

式中 Δpchim——烟囱内沿程压力损失;

λ——烟囱内的沿程损失系数;

ρ——烟囱内空气的密度，为了简化计算这里

近似空气密度为一常数。

沿程损失系数可由式(9)计算。

整个系统中局部阻力可以近似为两个部分，即进入烟囱入口截面变化造成的局部阻力损失和空气通过空冷三角形时造成的局部阻力损失。在烟囱进口2－2、3－3截面处，假设z2=z3，由伯努利方程可得

式中p1——凝汽器盖罩内压力;

c2——凝汽器盖罩内空气流动速度;

ξ——局部阻力系数;此处取 ξ=0.04。

空气通过翅片管式凝汽器时有很大的阻力，由文献推荐可由下式计算空气压降[6]

式中n——管排数，本文中使用的换热器为单排扁

平式管式换热器，管排数可以折算为13;

wNF——标准状态下迎风面风速/m·s－1，本文为5 m/s;

ρ——空气在定性温度(即管束的进出口平均温度)时的密度/kg·m－3。

对于整个系统的入口，凝汽器每个冷却三角单元的入口相当于一个空口淹没出流。其局部阻力可由下式计算[7]

式中m'——流过凝汽器每个冷却三角单元空气的质量流量;

ρe——地面空气密度;

Acell——凝汽器每个冷却三角单元的入口截面积;

μ——流量系数。

3 结果及分析

以600 MW机械通风直接空冷机组为研究对象，利用实际热力循环过程模型、抽力、阻力分析过程对本文提出的废热再利用系统的可行性进行了具体的计算分析。当地和机组的参数如表1所示。

表1 当地和机组参数Tab.1 Local and units parameters

图4 涡轮输出功率预测Fig.4 Prediction of turbine power output

图5 系统效率预测Fig.5 Prediction of system efficiency

图4、图5显示了涡轮输出功率和系统效率随着烟囱直径和高度的变化关系。从图中可以很明显的看出在锅炉满负荷运行时随着烟囱高度和直径的增加涡轮的输出功率和系统的效率是逐渐增大的。但是随着烟囱直径的增大，烟囱中热空气的流速将越来越小，对于特定的涡轮有最小的启动风速，所以在实际的实施过程中还需要选择合适的烟囱直径。考虑到建造大尺寸烟囱的难度和电站占地面积有限，这里选取高度为900 m，直径为80 m的烟囱进行分析计算。上图中标出了此时涡轮的输出功率和系统的效率。图6表示了抽吸压差随着烟囱高度的变化关系，可以看出随着烟囱高度的增加抽吸压差是随之增加的。本研究中空气密度的变化对计算的影响很大，所以在计算过程中把空气密度看成是随高度变化的，从图6中也可以看出两种算法的差别。沿程和局部阻力随着烟囱高度的变化如图7所示。从图8可以得出当选取烟囱高度为900 m，直径为80 m时，可以产生大约837 Pa的压差推动涡轮做功。

图6 系统抽吸压差曲线Fig.6 Curve of system suction pressure

图7 系统阻力分析曲线Fig.7 Curve of systerm resistance analysis

图8 系统净抽吸压差曲线Fig.8 Curve of system net suction pressure

从分析中得出此系统在电站满功率运行的条件下可以输出45.59 MW的电能，另外此系统还可以节省鼓风机的耗电量6～9.6 MW。这样相当于此系统可以输出51.59～55.19 MW的电能。假设系统的输出功率为50 MW，这样以机组一年运行320天，平均75%负荷计算，可以输出电能 2.89×108kWh，以0.375元/kWh计算，每年约可以产生1.08亿元的经济效益;国内火电站每千瓦时煤炭消耗平均水平以360克计算，每年可以节省标准煤约10.43 万 t。

4 总结

提出设计了废热再利用系统，建立了该系统的热力过程分析和阻力分析。给出了涡轮输出功率、系统效率、阻力随烟囱直径和高度的变化的关系曲线。该系统不仅省去了原有的鼓风机并且进一步利用了乏汽的部分余热。对一台600 MW直接空冷火电机组的理论计算结果表明该系统每年可以回收电能2.89×108kWh，可以产生约1.08亿元的经济效益;相当于每年可以节省标准煤约10.43万t，减少排放 CO2约27.32 万 t、SO2约 886t、NOx 约772t，经济效益和节能减排效果显著。

[1]孙佳南.高效节能超(超)临界空冷汽轮机的优势及发展前景[J].节能技术，2008，26(4):337 －339.

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[3]张楚华.大型太阳能烟囱发电站热力分析与计算[J].可再生能源，2007，25(2):3 －6.

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[6]史美中，王中铮.热交換器原理与设计[M].南京:东南大学出版社，1989:160－165.

[7]赵汉中.工程流体力学[M].武汉:华中科技大学出版社，2005:86－100.