直接空冷机组防冻机理分析

摘要

在中国富煤贫水的北方地区，直接空冷机组得到了大规模的应用。空冷凝汽器作为直接空冷机组的冷端换热设备，受季节环境影响因素大，其运行状况受到了运行人员的密切关注，机组普遍存在夏季背压过高和冬季冻结的问题。空冷凝汽器，直接采用空气做换热介质，在冬季气温低于冰点时，常常面临凝结水在管束内冻结的风险，并且空气等不凝结气体漏入凝汽器使得管束冻结风险更为增加，环境风也对空冷岛换热产生影响。本文从解决防冻问题的各个角度进行了研究。
　　1)针对火电机组直接空冷凝汽器扁平管内蒸汽凝结换热过程，设计了水冷扁平管凝结流型观察试验台，间接进行了管内凝结换热的试验研究和理论研究。首先搭建了光管水冷条件下的扁平管内蒸汽冷凝可视化实验台，可视化实验结果表明，管内汽液两相分层流动，扁平管圆弧底部形成了液池。然后建立涵盖壁面薄液膜和圆弧段液池的流动凝结分析模型，得到凝结液发展相关方程。对于壁面液膜双曲型发展方程，考虑其对流特征和物理守恒特性保持性技巧，提出共轭梯度法-牛顿法-模拟退火相结合的稳态求解算法，避免传统非稳态方法的复杂性。理论分析结果表明，管内凝结换热为分层流型，壁面液膜相比液池液膜薄很多，凝结传热系数很大。研究结果有利于下一步研究工程实际中空气冷却的扁平管。
　　2)针对直接空冷凝汽器扁平管内蒸汽逆流凝结流动换热过程、顺流凝结流动换热过程，建立包括扁平管平直壁面液膜发展段和底部圆弧段液池的理论分析模型，研究凝结液的空间分布及凝结过程的流动换热特性。然后将逆流模型应用于冬季低温环境运行的五个典型工况，得到扁平管内凝结液膜厚度、凝结换热系数、压力损失等沿程的变化规律。结果表明，扁平管的平直壁面上仅形成了一层很薄的液膜，凝结液主要向扁平管圆弧底部聚集形成液池;周向凝结换热系数随液膜厚度发生变化;得到逆流凝结过程的压力损失随流量的变化。发现在蒸汽主流流速高、壁面液膜很薄的进口区域，由于汽液相间剪切力过大引起了液膜回流。
　　将顺流模型应用于冬季条件下的五个蒸汽负荷，每个工况的蒸汽都全部凝结。而后对设计工况60°倾角五个蒸汽负荷的工况进行了计算，又改变倾角对液膜厚度的空间分布进行了计算。结果表明，凝结液膜厚度很薄，即使改变倾角，液膜厚度也变化不大。
　　针对直接空冷火电机组空冷凝汽器逆流区含有不凝结气体的扁平管内蒸汽顺流凝结传热过程，考虑了汽液两相流动的相界面剪切应力、相界面表面张力，以及相界面的扩散传质，建立了物理数学模型。改变扁平管出口不凝结气体的浓度、冷却能力等，通过对数学模型的数值求解，得到冬季运行不同工况条件下，凝结温度和液膜厚度的空间分布。研究结果表明:在凝结过程的末端，出口不凝结气体含量对蒸汽冷凝温度的降低有显著的影响;可将出口不凝结气体含量作为直接空冷凝汽器提高防冻能力的重要控制变量。
　　3)进一步的，在充分考虑不凝结气体、翅片管空气侧翅片区域和非翅片区域的强烈的换热不均匀性的基础上，对含有不凝结气体的混合蒸汽的逆流凝结换热过程进行了数值模拟，以三相点温度为标准，进行了冻结起始点的计算，然后对冻结发生的规律进行分析。再通过定量的分析，给出调节防冻的方法，结果表明，防冻措施最好的是增加翅片厚度，其次是改变迎面风速（风机转速），然后是增加背压，另外，增加逆流区翅片管出口混合蒸汽流量可以直接提高防冻性能。
　　4)建立空冷机组汽轮机热力系统-空冷岛模型，通过现场数据，对模型进行验证。
　　空冷单元风机来风以绝对速度对管束进口扁平管圆弧头部内的凝结水冲击冷却，且此处空气接近环境温度，换热强度大，冻结风险高，因而冲击冷却是一个研究重点。因而将这两个尺度的模型耦合起来，既能考察翅片管的整体流动换热性能，又能体现对防冻有直接影响的冲击换热特性。将翅片管级数值模拟结果简化成输入-输出代理模型，从空冷单元系统级数值模拟中获得系统级边界迎风面的速度分布，进而将翅片管数值模拟代理模型应用到系统边界上，得到了系统边界上翅片管冲击换热特性以及翅片管平均对流换热特性的空间分布。数值计算结果表明，冲击换热系数比平均对流换热系数大一个数量级;在迎风面上冲击换热系数和平均对流换热系数均呈现出上低下高、左右不对称的特点;冲击换热系数随着转速的下降而下降。研究结果可为确定冬季低温运行条件下空冷凝汽器的防冻策略提供依据。
　　空冷岛作为一个大尺度的换热器，其换热性能与内外流场息息相关。结合前述建模过程相关知识，对红外实验结果进行分析，以期加深对空冷岛的理解。
　　5)最后将扁平管内混合蒸汽凝结换热的防冻定量分析方法应用到空冷岛上，对冬季工况进行防冻机理分析，定量分析各种影响因素，给出直接空冷机组的防冻调控方法。结果表明，设计阶段，可以通过增加翅片厚度防冻，安装阶段可以通过气密性控制防冻，运行阶段，可以通过降低发电负荷、改变逆流区风机转速、改变顺流区风机转速增加背压而实现，另外，增加逆流区翅片管出口混合蒸汽流量可以直接提高防冻性能。
　　本文研究结论为直接空冷机组冬季低背压安全经济运行奠定了坚实的理论基础。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究的目的和意义

1．2 直接空冷机组防冻安全运行技术发展现状

1．3 本文课题及研究内容

第2章 倾斜扁平管水冷凝结换热试验及理论分析

2．1 引言

2．2 扁平管内蒸汽逆流凝结可视化实验系统

2．2．1 实验系统

2．2．2 扁平管内逆流凝结可视化实验

2．3 管内蒸汽凝结换热理论计算模型

2．3．1 壁面液膜发展方程

2．3．2 液池计算模型

2．3．3 总体计算流程

2．3．4 凝结传热系数

2．4 理论分析结果及讨论

2．4．1 液膜空间分布

2．4．2 局部凝结传热系数及平均凝结传热系数

2．5 本章小结

第3章 空冷翅片管凝结换热过程机理分析

3．1 引言

3．2 空冷逆流凝结

3．2．1 物理模型

3．2．2 壁面液膜数学模型

3．2．3 液池数学模型

3．2．4 轴向局部凝结传热系数

3．2．5 理论分析结果及讨论

3．3 空冷顺流凝结

3．3．1 理论分析结果及讨论

3．4 含不凝结气体的逆流凝结换热分析

3．4．1 补充数学物理模型

3．4．2 理论分析结果及讨论

3．5 本章小结

第4章 空冷翅片管防冻机理分析

4．1 引言

4．2 空气侧模型

4．3 含不凝结气体的蒸汽侧模型

4．4 理论分析结果及讨论

4．4．1 典型工况

4．4．2 蒸汽进口流量对防冻风险的影响

4．4．3 不凝结气体流量对冻结风险的影响

4．4．4 环境温度对冻结风险的影响

4．4．5 迎面风速对冻结风险的影响

4．4．6 背压对冻结风险的影响

4．4．7 翅片厚度对冻结风险的影响

4．4．8 冻结临界混合蒸汽流量的变化率的讨论

4．5 本章小结

第5章 汽轮机热力系统-空冷岛模型及其验证

5．1 引言

5．2 典型600MW机组

5．3 空冷单元-翅片管跨尺度建模

5．3．1 直接空冷凝汽器单元

5．3．2 连续翅片扁平管

5．3．3 跨尺度模拟策略

5．4 跨尺度数值模拟结果及讨论

5．4．1 最小二乘支持向量机拟合精度

5．4．2 复杂进口风条件下的传热系数变化规律

5．4．3 空冷单元迎风面风速分布

5．4．4 空冷单元管束迎风面平均对流换热系数二维分布、冲击换热系数二维分布

5．4．5 不同转速下冲击换热系数的分布规律

5．4．6 空冷单元迎面风速-转速运行曲线

5．5 空冷岛建模

5．6 空冷岛数值计算模型及其结果验证

5．7 空冷岛热力计算模型及其结果验证

5．7．1 空冷单元换热计算模型

5．7．2 蒸汽流动阻力计算模型

5．7．3 空冷岛热力计算模型

5．7．4 空冷岛热力计算模型结果验证

5．8 汽轮机热力系统建模

5．8．1 汽轮机系统变工况模型

5．8．2 汽轮机变工况理论计算结果与分析

5．9 红外热像仪拍摄结果分析

5．10 本章小结

5．10．1 空冷单元-翅片管跨尺度计算小结

5．10．2 直接空冷机组-空冷岛变工况计算小结

5．10．3 红外热像仪拍摄结果再分析小结

第6章 空冷机组防冻机理分析

6．1 引言

6．2 直接空冷机组防冻机理分析的数学模型

6．2．1 典型工况的汽轮机热力系统-空冷岛运行建模

6．2．2 翅片管防冻机理建模

6．2．3 直接空冷机组防冻机理分析流程

6．3 误差分析

6．4 趋势分析

6．4．1 环境温度的影响

6．4．2 逆流区风机转速的影响

6．4．3 顺流区风机转速的影响

6．4．4 机组发电负荷的影响

6．4．5 不凝结气体含量的影响

6．4．6 翅片厚度的影响

6．5 本章小结

第7章 结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介