雾化补水对直接空冷机组的热经济性影响分析

李慧君，焦英智，贾宝桐

(华北电力大学能源与动力工程学院，河北省保定市 071003)

雾化补水对直接空冷机组的热经济性影响分析

李慧君，焦英智，贾宝桐

(华北电力大学能源与动力工程学院，河北省保定市 071003)

直接空冷机组因背压较高，增加了冷源损失，影响了机组的热经济性。热井补水对减少冷源损失影响很小，为此提出对直接空冷机组采用雾化补水。将补水方式由直接进入热井改为在排汽管道内适当位置雾化后再进入热井，基于等效热降理论，建立了雾化补水物理模型和热经济模型，以NK600-24.2/566/566型机组为例，在不同工况下，分别计算雾化补水和热井补水方式的热经济性。计算结果表明：采用雾化补水提高机组热经济性是可行的；与热井方式相比，雾化补水能够减少冷源损失，提高机组热经济性，实现机组节能降耗的目的。

直接空冷机组；热井补水；雾化补水；热经济性

0 引 言

直接空冷机组采用空气代替冷却水作为冷却汽轮机排汽的工质，因此空冷机组可节约大量冷却水，但机组运行中存在着背压高且变化幅度大、凝汽器冬季运行易结垢、凝结水溶氧量超标及凝汽器冷却性能受环境影响大等问题[1-3]。这些问题都会影响机组的真空，从而影响机组热经济性。因此针对冷端存在的问题，采取提高机组真空和热经济性的措施意义重大。

喷雾技术在实际生产中用途广泛，在机组实际运行中，采取适当的喷雾措施可以提高机组真空。文献[4]采用喷雾增湿法降低空冷凝汽器入口空气温度，改善换热效果并提高机组真空，同时采用计算流体力学软件对喷雾效果进行了数值模拟，结果表明，采用喷雾增湿法可以显著提高机组运行真空。文献[5]模拟了喷雾方向改变时空气和雾滴的流场，分析了喷雾方向对喷雾增湿效果的影响，并找到最有利的喷雾方向。

机组实际运行中，由于设备、管道的渗漏，抽气设备的排气以及生产中的消耗，都会不可避免地引起工质损失。要保证机组连续正常地运行，必须向热力系统补充一定量的化学除盐水[6]。近年来，湿冷机组凝汽器化学补水越来越多地采用喷嘴雾化技术，并且取得了明显的经济效益[7-8]。文献[9]基于两相流理论，对湿冷机组凝汽器喉部雾化补水进行了数值模拟，分析了影响喷雾凝结换热效果的主要因素。结果表明，喷雾压力、喷嘴孔径及喷雾方向对换热效果具有综合作用，最佳补水雾化系统需要进行综合技术比较才能确定。目前，雾化补水对直接空冷机组热经济性影响的研究很少。

热井补水对于降低空冷凝汽器的热负荷，减少机组冷端损失的效果很小，而在排汽管道内雾化补水可以回收排汽的部分热量，降低空冷岛蒸汽负荷，从而提高机组的真空和热经济性[10-11]。本文基于等效热降理论，对直接空冷机组热井和排汽管道雾化补水的热经济性进行定量分析。

1 模型的建立

1.1 物理模型

空冷机组通常采用热井补水，对机组背压、凝汽器真空基本没有影响。为提高机组真空和热经济性，本文采用在排汽管道内，将补水全部雾化并由排汽加热至饱和状态后进入热井的方案，如图1所示。

图1 雾化补水系统

1.2 热经济计算模型

补水通常为过冷水，雾化后的补水进入汽轮机排汽管道，由于液滴直径小、换热面积大，因此，吸收部分排汽的汽化潜热，使之成为饱和水，同时减少了进入空冷岛的热负荷，在其他条件不变的情况下，提高了空冷岛真空度。

补水与排汽在传热过程中满足热量平衡方程，即

(1)

补水被加热为饱和水时，所需排汽量为

(2)

与热井补水相比，雾化补水在进入热井前已被加热成饱和水，因此对末级加热器造成排挤抽汽。由等效热降理论[12]可知，若对末级第j级加热器的排挤抽汽量为Dj，则排挤的末级抽汽返回汽轮机的做功量为

Hj=Dj(hj-hn)

(3)

式中：Hj为排挤抽汽做功量，kJ；Dj为排挤抽汽量，kg/s；hj为第j级加热器抽汽焓，kJ/kg。

单位新蒸汽做功增加为

ΔHwbs=αjj(hj-hn)

(4)

式中：αjj为第j级加热器的排挤抽汽份额，即αjj=Dj/D0，D0为新蒸汽量，kg/s。

通过雾化补水回收排汽热量属于内部纯热量的利用问题[12]。新蒸汽做功增量为

(5)

式中：ηj为第j级加热器的抽汽效率。

由式(3)～(5)可得，与热井方式相比，单位新蒸汽在雾化补水时做功增量为

(6)

式中：αwbs为补水份额，即αwbs=Dwbs/D0。

当化学补水从热井补入系统时，将增加末级第j级加热器的抽汽量，则单位新蒸汽做功降低量[12]为

(7)

由式(6)、(7)可得相对于无补水的工况，单位新蒸汽在雾化补水时做功增量为

(8)

机组热经济性指标变化量[12]为

(9)

式中：δηi为机组热效率相对变化量；H为新蒸汽等效焓降，kJ/kg。

Δq=qδηi

(10)

式中：q为热耗率，kJ/(kW·h)；Δq为热耗率变化量，kJ/(kW·h)，负号表示Δq与δηi变化方向相反。

Δbb=bbδηi

(11)

式中：bb为标准煤耗，g/(kW·h)；Δbb为标准煤耗变化量，g/(kW·h) ，负号表示Δbb与δηi变化方向相反。

2 不同补水方式的热经济性比较

本文以国产NK600-24.2/566/566型机组为例，该机组热力系统由“三高”、“三低”、“一除氧”组成，其热力系统如图2所示。选取机组最大连续出力(turbine maximum continuous rating, TMCR)，热耗率验收(turbine heat-rate acceptance, THA)、80% THA、60% THA和50% THA这5个工况点，对雾化补水和热井补水方式下的热经济性进行分析。

对于再热机组考虑再热器中吸热量及全部辅助成分做功损失，由等效热降理论可得新蒸汽等效热降[12]为

(12)

式中：h0为新蒸汽焓，kJ/kg；σ为蒸汽在再热器中的吸热量，kJ/kg；τr为工质在加热器中的焓升，kJ/kg；ηr为加热器抽汽效率；ΣΠ为系统全部辅助成分的做功损失，如门杆漏汽、轴封漏汽、给水泵功损等代数和，kJ/kg。

图2 600 MW机组热力系统

由文献[13]可得到不同工况下运行机组的主要参数，与热经济指标相关的参数计算结果见表1、2。

表1 各级加热器抽汽等效焓降

选取上述5个工况点的补水量均为30 t/h，补水温度为25 ℃，通过计算可以得到各热经济性指标随负荷的变化如图3所示。从图3可看出，当补水量一定时，采用排气管道雾化补水的热效率相对变化量随负荷的增加先减小，后稳定，之后又增大。机组负荷低于60%THA时，凝结水焓和水量较低，回收冷端余热后，补水的热量和流量与凝结水相比所占份额较大，增加了排挤抽汽，负荷越低，排挤抽汽量越大，热效率提升越多。从THA到TMCR工况，由于排汽压力升高，补水回收热量增加，与新蒸汽等效焓降相比所占份额提高，因而热效率升高。60%THA到THA负荷范围内，机组在距设计工况较近的范围内运行，雾化补水对机组热效率的提高略小。补水进入热井方式时，热效率相对变化量随负荷升高而增大，这是因为凝结水焓和凝结水量增高，补水量和其从热井中吸收的热量占凝结水的份额减小，对机组热效率的影响降低。热经济指标在雾化补水时的值始终大于热井方式下的值，且二者的差值随负荷增加逐渐减小。

表2 各级加热器抽汽效率

选取空冷机组80%THA工况点，在补水量变化时，热效率相对变化量与补水量的关系如图4所示。从图4可看出，当机组负荷一定，补水量增加，热效率相对变化量在采用雾化补水方式时逐渐提高，而采用热井方式时逐渐减小；这2种补水方式引起热效率相对变化量的差值随补水量增加而逐渐增大。这是由于雾化补水量越大，从机组冷端回收的热量越多，使末级加热器的排挤抽汽增加，从而使热效率逐渐提升；而热井补水方式，凝结焓值随补水量增加逐渐降低，增加了加热器抽汽，使热效率降低。

图3 不同补水方式下机组负荷对热效率、煤耗和热耗率的影响

图4 不同补水方式下热效率相对变化量随补水量变化曲线

通过计算雾化补水和热井补水方式的热经济性，可知：与热井补水方式相比，排汽管道内雾化补水可以提高机组的热经济性。从热力学的角度看，雾化补水吸收了排汽的低品位热量，使末级加热器入口水焓值增加，从而排挤能级较高的末级抽汽，减少了高品位热量的消耗，这部分热量返回汽轮机继续做功，从而提高了机组热经济性。

3 结 论

(1)通过对雾化补水建立物理和热经济模型进行实例计算，与热井补水相比，雾化补水方式可以提高机组的热经济性。

(2)热经济性的提高的大小除了与补水量有关外，还与机组负荷有关，但雾化补水总可以提高机组的热经济性。

(3)与热井补水方式相比，雾化补水方式除可提高机组热经济性外，还可以降低低压设备的氧腐程度及降低厂用电。

[1] 周兰欣，杨靖，杨祥良.600 MW直接空冷机组变工况特性的研究[J].动力工程，2007，27(2)：165-168.

[2] 霍振英.直接空冷机组冷端特性研究[D].保定：华北电力大学，2010.

[3] 赵利军.直接空冷机组提高运行真空度的探讨[J].神华科技，2013 (3) ：74-76.

[4] 王松岭，刘阳，赵文升，等.喷雾增湿降温法提高空冷机组出力的研究[J]. 热力发电, 2008, 37(8)：5-8.

[5] 周兰欣，张情，张淑侠，等.直接空冷机组空冷单元内喷雾方向对增湿效果影响的数值研究[J].电力建设，2010，31(11)：10-13.

[6] 韩庆祝，侯淑娟，薛宪阔.包头第三热电厂凝汽器补水系统优化改造及经济性分析[J].汽轮机技术，2009， 3：019.

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[8] 陈国慧，林万超，邢秦安，等.改变补水方式的节能效益解析[J].热能动力工程，2000，15(1)：69-70.

[9] 周兰欣，尹建兴，仲博学，等.火电机组凝汽器化学补水雾化的数值研究[J].电力建设，2009，30(12)：6-9.

[10] 田亚钊，陈宝菲.600 MW直接空冷机组补水方式探讨[J].电力设备，2006，7(3)：22-24.

[11] 李宏雄，王毓樟.300 MW机组化学补水系统结构优化[J].内蒙古电力技术，2008，26(2)：21-24.

[12] 林万超.火电厂热系统节能理论[M]. 西安：西安交通大学出版社，1994：25-34.

[13] 山西电力科学研究院. 兆光发电有限责任公司3号汽轮机性能试验报告 [R].太原：山西电力科学研究院，2011.

(编辑：蒋毅恒)

ThermalEconomyAnalysisofAtomizedMake-UpWaterforDirectAir-CoolingUnit

LI Huijun, JIAO Yingzhi, JIA Baotong

(School of Energy and Power Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China)

For direct air-cooling unit, the higher back pressure increases cold source loss and affects the thermal economy of unit. Make-up water through hot well had little affection on reducing cold source loss, so atomized make-up water was proposed for direct air-cooling unit, which changed make-up water method from entering hot well directly to entering hot well after it was atomized at the appropriate location within the exhaust pipe. This paper built the physical model and thermal economy model of atomized make-up water based on equivalent enthalpy drop method, and calculated the thermal economy of the two make-up water methods under different working conditions with taking NK600-24.2/566/566 as example. The result verifies the feasibility that atomized make-up water can improve the thermal economy of unit. Compared with hot well method, atomized make-up water can reduce cold source loss, improve thermal economy of unit and achieve the purpose of energy saving.

direct air-cooling unit; make-up water through hot well; atomized make-up water; thermal economy

TK 262

： A

： 1000-7229(2014)05-0118-04

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.05.021

2013-11-01

：2013-11-27

李慧君(1964)，男，教授，研究方向为强化换热及数值计算、电厂热力系统的节能理论与监测诊断；

焦英智(1987)，男，硕士研究生，研究方向为电站机组运行、维护与管理，E-mail：jyz864063212@126.com；

贾宝桐(1989)，男，硕士研究生，研究方向为电站设备状态监测与故障诊断。