某350 MW超临界热电联产机组运行补水雾化技术优化研究

邢满江，许小刚2，葛晓红3，张 辉

(1.建投承德热电有限责任公司，承德 067000；2.华北电力大学(保定),保定 071003；3.中钢集团邢台机械轧辊有限公司，邢台 054000)

0 引 言

某热电厂C350-24.2/0.343/566/566型超临界供热机组凝汽器型号为上汽N-23500型，单壳体，对分双流程、表面式，冷却面积23 500m2,设计背压4.9 kPa，汽侧设计压力0.098 MPa,水侧设计压力0.4 MPa，冷却水量45 477.9 m3/h。凝结水补充水来自化学除盐水，补水系统设计压力1.0 MPa，设计水温25 ℃。

凝汽器补水系统设有启动补水和运行补水二套控制调节管路，补水来自厂房内除盐水母管。如图1所示。机组运行正常补水量在37 t/h左右。正常补水进水管道进入凝汽器，采用在φ245×10补水管上打孔方式，补水以水柱状喷出。如图2所示。此种补水方式无法使温度较高的排汽和低温补水在喉部实现有效热交换，或者说排汽的潜热没有足够放热给低温的补水，低温补水也无法吸收排汽的热量而被加热，导致机组热经济性下降，从而导致凝结水过冷度和含氧量增加。

1 喷嘴雾化数值模型研究

不同喷嘴布置方式、布置角度、喷水压力、喷水流量等对凝结水补水雾化效果和凝结水溶氧量以及凝结水过冷度有直接关系，下面我们通过数值模型进行相应研究。

图1 凝汽器补充水系统图

图2 凝汽器补水喷管

1.1 喷嘴喷雾理论

喷雾的理论覆盖范围是在假设喷雾角度在整个喷雾距离中保持不变的情况下得到的。喷嘴通过在内部安装能够产生涡流的带环形槽的垫片或车铣加工出旋转流道使液体在离心力作用下，以呈一定大小的圆锥喷雾角从喷孔喷出，形成圆锥形雾化带，理论覆盖范围可以根据喷雾角和喷嘴长度尺寸计算得出，计算公式如下：

(1)

式中，S为理论覆盖范围，m2；d为喷雾距离，m；α为喷雾夹角，(°)。

在实际喷雾中，有效喷雾角度会因水的粘度、喷嘴流量、喷射压力和喷射距离等因素变化。一般来说，与理论范围相比实际喷雾的覆盖范围比要小，喷嘴喷雾覆盖范围应该有1/4～-1/3的重叠区域，从而能够使喷雾效果分布均匀。

喷嘴内流动以及喷雾的数学模型

FLUENT提供两种雾滴破碎模型：泰勒类比破碎(TAB)模型和波致破碎模型。对于泰勒类比破碎模型创建喷雾模型：选择pressure-swirl-atomizer(压力旋流雾化模型)。

湍动能方程：

(2)

湍动能耗散率方程：

(3)

TAB喷雾模型：

(4)

颗粒轨迹模型：

(5)

通过模型计算可以看出喷嘴截面上各个直径段粒径分布基本均匀，满足雾化基本要求。

假设条件为350 MW级机组，汽轮机末级排汽量为D1=D0(1-∑α-αs)，喉部入口尺寸49.1 m2,主蒸汽流量为D0，各级抽汽份额为∑α，工质损失为αs，喉部入口蒸汽温度34.5 ℃，排汽压力5.39 kPa，该压力下蒸汽比容26.27 m3/kg，干度0.93。凝汽器化学补水温度22～25 ℃，补水流量19 t/h时，数值计算见表1。

表1 喷嘴压力、直径与排汽速度变化

1.2 双排喷嘴布置形式研究

对双排喷嘴布置方式进行数值模拟在补水量分别为22、30、35、40、45、50、55、60 t/h，喷射压力0.5 MPa，喷嘴直径6 mm，喷射角度为0、45、90、135、180°的工况下进行数值模拟分析得知：补水量小于35 t/h时，喷嘴在双排布置的方式下，顺向喷雾的换热效果好于逆向喷雾；补水量大于35 t/h时，喷射角45°的换热效果最好。

1.3 喷嘴数量计算

以350 MW机组凝汽器为例，喷嘴在低压加热器两侧各布置一排，喷嘴高度1.85 m，喷射压力0.5 MPa，喷嘴直径6 mm，化学除盐水温度22～25 ℃，补水量由22 t/h增加至60 t/h，根据以上参数由喷嘴流量计算式可以得出不同补水量情况下的喷嘴个数，见表2。

表2 流量增加与喷嘴个数变化

1.4 正常运行补水雾化喷嘴模型研究结论

综合考虑喷嘴直径、喷射压力、排汽速度、补水量及喷嘴布置方式对雾化效果和换热效果的影响，对喉部流场进行了数值模拟，结论如下：

(1)喷嘴的喷射角度对喷雾与蒸汽的耦合换热效果影响很大，雾滴受到排汽的单位质量拽力作用，与蒸汽的耦合换热同时受到喷雾压力和喷射角度的影响。喷射压力偏低时，喷射出的雾滴受到的汽流阻力较大，耦合换热辐射体积有限，降低了耦合换热效果。当喷射压力较大时，逆向喷雾效果好于顺向喷雾，当喷射压力较小时，顺向喷雾效果优于逆向喷雾。

(2)随着喷雾压力的增加，单个液滴具有的动能增大，进而可以减少雾滴受到的蒸汽的曳力影响，增大喷射距离，从而克服汽流阻力的作用增加空间分布，提高雾滴与蒸汽之间的换热效率。

(3)喷嘴的直径越小，喷出的雾滴直径越小，从而增大雾滴与蒸汽的接触面积，有利于二者之间的混合换热。

(4)喷嘴间距确定，喷嘴间距应满足喷射椎体空间分布需要，尽可能增大空间体积，喷射流体速度减少至原三分之一左右时可以考虑喷射椎体空间进行叠交，椎体空间叠交体积应小于椎体空间体积10%，增强末端空间扰动，加强末端雾滴与汽流混合换热效果。喷嘴可以考虑交叉布置方式，喷嘴中心线夹角90°，缩短原喷嘴间距为80%～90%，可增大补水量，同时增强单位体积空间内扰动，增强耦合换热效果。

(5)由于凝汽器喉部空间的限制，采用双排喷嘴时可降低了喷嘴密度，适用于大流量补水工况运行。

2 正常运行补水技术优化案例

本案例采用将喷嘴在低压加热器两侧双排方式布置，两排之间间距1 m，采用压力式高压旋转雾化结构喷头。按补水量45 t/h设计，单个喷嘴流量不变，需要布置的喷嘴个数为40个，分别在低压加热器两侧各布置两排，单排喷嘴个数为20个，布置高度1.85 m，间距1 m，喷嘴采用顺向45°角交叉布置方式，喷嘴采用直径为φ6压力式高压旋转雾化结构喷嘴。4根φ57×5化学正常补水母管接自原机组φ133×5正常补水管道后，增加单独流量孔板对流量进行测量，4根补水管道上均安装补水控制电磁阀和检修隔离真空手动门，补水管道材质采用304不锈钢，管道上交叉45°开22个孔(预留2个)安装雾化喷嘴。具体布置如图3所示。

图3 正常运行补水雾化系统图

通过上述技术优化将机组运行中正常化学补水进行合理雾化处理，用于提高机组的热经济性和降低凝结水的含氧量。正常化学补水经雾化喷嘴喷出后，形成一个呈90度的锥体形状雾化带，喷出的水雾呈螺旋形状旋转，以强化与汽机排汽的混合热交换。这样就可以迅速将补水加热到排汽压力下的饱和温度进而减小凝结水过冷度，最大限度的凝结排汽量，提高真空。另外，补水雾化后可以使补水中含有的空气离析溢出而被真空泵抽走，降低了凝结水的含氧量，对提高凝结水在低加内换热效果、减缓低加氧化腐蚀速度有利。

3 凝汽器补水雾化后经济性研究

补水在凝汽器中实现雾化的热经济效益变化可以分为两部分，一部分是因为提高真空可带来的热经济性收益，另一部分是因为过冷度变化和低加回热系统提高热交换率带来的热经济性收益。

3.1 真空变化的热经济性收益

由补水和排汽之间的热平衡式求出补水雾化后增加的排汽凝结量ΔDn：

(6)

根据凝汽器特性曲线，可得出ΔDn对应的凝汽器真空变化ΔP。凝汽器提高真空带来的经济效益是多发电，节省煤，用下式表示：

ΔPT=1.02×103ΔpK1PT[kW]

(7)

ΔE=ΔPTτ[kW·h]

(8)

(9)

3.2 由过冷度变化和低加回热系统提高热交换率带来的热经济性收益

(10)

ΔB=bb×δηi×τ×PT

(11)

式中,ΔB为全年节约标煤量，kg；δηi为装置效率相对提高率。

若暂不考虑提高真空对热经济指标的影响，采用该技术后凝汽器真空提高、凝结水过冷度减小、凝结水溶氧量降低，低压加热器传热效果增强，提高除氧器除氧加热效果减少高压抽汽量等均可使机组热经济性提高，一般可降低煤耗0.3 g/kW·h以上，机组年利用小时数按5 000小时计算，1台350 MW机组年节省标煤450 t，每吨标煤如按600元计算，则年节省燃料费用27万元。

4 结束语

超临界供热机组正常补水雾化后可使补水有效吸收汽轮机循环的汽化潜热，降低冷源损失，提高循环效率；提高机组真空度，降低凝结水中含氧量，可改善回热系统低压加热器运行环境，提高换热效率，降低发供电煤耗，有助于提高发电厂热经济性指标，降低一次能源消耗，最终提升电厂盈利能力。