云冈热电直接空冷喷湿系统研究与应用

张继斌

（山西大唐国际云冈热电有限责任公司，山西 大同 037039）

0 概 述

直接空冷系统因其具有良好的节水效果，在最近几年得到了广泛的推广和应用［1］。

直接空冷机组在夏季高温时段出力受阻是一个普遍问题。在夏季，由于气温高，空冷器的冷却能力明显下降，导致机组被迫降负荷运行，极端情况下，还会使机组的背压超限而导致机组停运。因此，采取空冷器喷湿系统以降低空冷器的进口空气温度，是提高机组经济性和安全性的有效途径之一。

1 云冈电厂的直接空冷系统

山西大唐国际云冈热电公司的装机容量为2×220MW直接空冷机组。

机组空冷凝汽器分主凝汽器和分凝汽器两部分。主凝汽器设计成汽水顺流式，规格为9 877mm×2 969mm×550mm，容积为1 340L，设计温度120℃，设计压力0.045MPa，这是空冷凝汽器的主体；分凝汽器则设计成汽水逆流式，规格为9 360 mm×2 969mm×550mm，容积为1160L，设计温度120℃，设计压力0.045MPa。

2 喷雾增湿系统的工作原理与特点

2.1 直接空冷增湿系统的工作原理

由于直接空冷系统是直接利用空气进行冷却，因此，较高的空气温度将导致空冷器冷却能力的下降，降低机组的真空度，导致机组不满发小时数远大于设计值。直接空冷系统的夏季运行工况，如图1所示。

图1 直接空冷系统夏季运行工况示意图

对于直接空冷系统汽轮机的排汽温度可由公式确定［6］：

或

式（1）及（2）中：ta1——空冷器入口空气温度；

ITD——初始温差；

δtp——汽轮机排汽在排汽管道中压降引起的温度差；

Δta——空冷器的空气温升；

δt——空冷器传热端差。

由图1可知，由于空气温度的变化，空冷器的初始温差ITD、传热端差δt均随着入口空气温度的升高而增大。从而导致机组的经济性下降。

喷雾增湿系统如图2所示，其工作原理是：除盐水经过高压泵加压后，输送至布置在空冷平台的风机出口和散热器入口之间的雾化喷嘴，然后将降温后的湿空气送到空冷散热器，以提高空冷岛的换热量。

图2 直接空冷系统的喷雾增湿示意图

2.2 喷雾增湿系统的设计特点

喷雾增湿系统采用的给水管路布置，如图3所示。该系统从电厂除盐水箱取水，除盐水经过系统配备的过滤系统后进入高压泵，经加压后的水，通过管路输送到布置器入口之间的喷嘴，雾化后进行冷却换热。

图3 直接空冷系统喷雾增湿管路系统

将喷雾系统中的喷嘴布置在距风机出口处的某高度，且需沿风机叶片圆周速度较大的位置布置，空冷岛共有24个空冷单元，每单元作为单个喷雾室。每单元布置四排喷嘴，如图4所示。在风机栈桥两侧分别布置两排，在距风机栈桥中心线1m和3m处，共设10个喷嘴，靠近风机的两排各布置3个喷嘴，另两排各布置2个喷嘴，高度为1m，喷孔直径为1.6mm，向下喷雾，以有利于雾滴与空气进行充分的热湿交换。

图4 喷嘴的布置图

3 喷雾增湿系统的数值分析

3.1 计算模型与边界条件

为了研究增湿系统的可行性，现采用数值模拟的方法对其喷雾过程和特性进行研究分析。

模型的建立主要以空冷岛中间某空冷单元为主体，对空冷风机的结构和内部桥架及相邻单元的结构均进行了必要的简化，考虑了研究对象单元的左右两侧空冷器出风对流场的影响。模型建立后，总网格数为627864，最后生成的网格，如图5所示（中心面为对称面）。

图5 空冷单元喷雾模型网格图

利用SIMPLE算法，建立标准的k－ε两方程湍流模型，采用Fluent内嵌的DPM模型模拟空冷单元内喷嘴的雾化过程及雾滴与空气的热湿交换过程。对象单元入口的空气温度为307K（34℃），空气流量为395kg／s；邻侧单元出风流量为197.5 kg／s，温度为341K（68℃）；环境压力为89 400Pa；喷嘴的入口压力0.5MPa，喷孔直径为1.6mm，喷水流量为0.064 24kg／s，喷水温度为293K（20℃），雾化角为120°，单元热负荷为12.65MW。

3.2 对计算结果的分析与讨论

为了更加清晰地对雾化增湿系统的实际效果进行验证和分析，分别对加入和未加入雾化增湿装置的空冷单元进行了数值模拟，模拟结果以某些断面的温度等值线分布图，压力等值线分布图及速度等值线分布图等进行表示。

通过对增湿系统前后空冷单元内的流场和温度场模拟，数值模拟的结果，如图6、图7所示。

图6 未加入雾化增湿装置X＝0m断面等值线图

图6为未加入雾化增湿装置之前X＝0m断面的数值模拟结果，从图6中可知，该空冷单元的内部流场和温度场分布是均匀的。

图7 加入雾化增湿装置X＝0m断面等值线图

图7为加入雾化增湿装置之后X＝0m断面的数值模拟结果，从各断面的压力和速度分布可知，由于采用向下的雾化方式，雾滴离开喷嘴后，其速度方向与气流方向相反，因此是先减速增压，然后被高速气流拖曳向上运动从而增速降压。与之接触的空气温度被降低，形成图7中的低温区域。

为了定量分析雾化前后整个计算区域的温度变化，将主要温度分布范围划分为几个区间（ta1≤ta＜ta2）：307K以下；307K～315K；315K～320K；320 K～325K；325K～330K；330K～335K；335K～340K；340K以上。雾化前后各温度区间所占百分比见图8。

图8 加入增湿装置前后各温度区间所占百分比

从各断面的温度分布和统计结果可知，在雾化核心区域，水雾滴与空气进行较强烈的热湿交换后，能明显降低空气的温度，幅度约为5℃。

4 喷雾增湿系统的应用与分析

在直接空冷机组增设了喷雾增湿降温系统后，从理论分析与现场运行的结果表明，该系统可有效地降低空冷单元内的空气温度，从而强化空冷器的换热效果，提高了机组的运行负荷和运行的安全性。具有较高的经济性。

4.1 理论分析

经过理论计算和分析，投入喷雾增湿装置后，当环境温度34℃、其喷水流量 为55.0t／h、空气温度可降低4℃，理论计算汽机的真空度可提高6.35 kPa以上，机组的带负荷能力提高12%（24MW），按实际真空度提高6kPa进行核算，如果每年按运行360h（夏季高温36d，每天投运10h）核算净发电量，扣除50kW喷湿水泵的耗电量18MW·h，每年（360h）净增发电量为7 531MW·h。如果按累计发电成本0.231元／kW·h、电价0.320 9元／kW·h（含税）核算，多发电量净收益67.70万元。扣除化学软水13元／吨成本费用约26万元，单机静态投资按50万元计算，基建投资按20年分摊出每年投资2.5万元和运行维护费用3.5万元，系统年维护费用共计6万元，扣除系统水费用和维护费用32万元，机组可获得年直接净收益35.7万元。预计不用2年时间，即可收回投资成本，效益相当可观。

4.2 试验分析

为了验证加装喷雾增湿系统的实际效果，在2台机组上进行了相关试验。试验条件为：机组保持额定负荷200MW运行工况不变，投运5组空冷喷雾增湿系统，试验数据如表1所示。

表1 喷雾增湿系统试验数据表

从表1数据可知，在环境温度提高1.6℃，汽机真空度平均提高62.01－59.03＝2.99kPa，真空度提高3.04%，合计节约机组供电煤耗约7.356 g／kW·h，相当于每小时节约标煤1.47t，按标煤单价500元／吨，每天节约标煤费用为7 356元。若除盐水按13元／吨计，每天按投运10h，空冷喷湿供水流量按50t／h核算，喷雾水费用为6 500元，扣除水泵每小时电耗费用16元，每天单机获的直接收益约为840元。如果每年夏季按运行360h核算，年直接创收价值为3.03万元，双机产生的经济效益将达到6.06万元。

总之，空冷水喷淋系统理论计算和效益试验结果基本一致，表明增设喷雾增湿系统是行之有效的。

5 结 语

通过理论计算分析与投运喷湿系统的试验验证，表明采用喷雾增湿系统，可以降低空冷器入口空气温度，从而提高空冷器的散热效率，提高机组的真空度，在炎热的夏季，直接空冷机组也可以满发。通过云冈热电空冷喷雾增湿系统的成功应用，证明该方法对直接空冷机组具有较高的工程价值。