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技术论文
间接空冷系统循环水管网配水均衡性分析
李丽梅、李海、张来、赵慧文、王东扬、李艳艳、朱欢来 (北京龙源冷却技术有限公司,北京,100176) 摘 要:表面式凝汽器间接空冷机组容量日趋增加,空冷塔内循环水管网系统日益复杂化,掌握管网内循环水流动特性和配水均衡性成为工艺管道系统设计的关键技术问题。本文以某工程2×660MW超超临界机组表面式间接空冷循环水系统为对象,采用适当的回路网路计算方法,通过建立各个三角独立回路的循环水管网水力工况数学模型,编制计算程序进行计算,得出全塔内的阻力分布特性和流量分布特性、各管段管径大小、全塔的总水阻等计算结果,提出了调节扇段间水力不平衡的方法,提高了表面式间接空冷循环水管网系统运行的经济性、安全性和可靠性。 关键词:间接空冷系统、循环水管网、配水均衡性、水阻、流量、压力 0 引言 空冷技术作为一种有效节水型火力发电技术,在我国富煤、缺水的西北、华北部等地区得到大力发展。根据蒸汽和空气热交换方式的不同,电站空冷系统分为直接空冷系统和间接空冷系统。其中,间接空冷系统又分为表面式间接空冷系统和混合式间接空冷系统。随着当前空冷机组容量不断增大,表面式凝汽器间接空冷系统因其运行控制维护简单,受环境气象条件影响变化较小等优点,近两年来得到大力发展,混合式间冷系统逐步被表面式间冷系统所替代,且随着系统容量的增加,表面式间冷塔内的循环水管网尺寸趋向大型化,布置趋向复杂化,配水均衡性问题日益重要。 目前,一些空冷系统中普遍存在着部分散热三角不热,或者近端三角压差高,流量超过设计值,而末端压差不足,流量低于设计值,因而造成近端三角过热,远端三角不热,也就是系统存在配水不均衡的问题,如何克服配水不均衡,实现循环水管网的水力平衡和换热均匀,提高管网的经济性、安全性和可靠性,改善间冷系统散热质量,是间接空冷系统设计所面临的重要问题,也是间接空冷系统发展所需要解决的关键问题。 1 计算模型 循环水系统是间接空冷系统的重要组成部分,在间接空冷系统循环水供水管网上连接许多用于承担换热任务的空冷三角,循环水进、出水管道逐级分支后与扇段内空冷散热器管束底部联箱连接,进入空冷塔的循环水流经供水管道(由供水母管、扇段供水管、供水环管、供水支管组成)进入冷却三角,在冷却三角内冷却后流经回水管道(由回水支管、回水环管、扇段回水管、回水母管组成)流出塔外,每个冷却段分别设独立的循环水进、出水支管,管道上装有电动阀门,管道与阀门法兰连接。某工程2×660MW超超临界机组表面式间接空冷系统,单台机组塔内设置172个散热三角,散热器垂直立式环形布置在塔外,为了调节和运行方便、配水均匀,初步将172个冷却三角分为10个冷却扇段,其中6个冷却扇段各设置18个冷却三角,4个冷却扇段各设置16个冷却三角,每段可实现独立运行,扇段环管布置在三角下方,管径初步设置为DN700,扇段供回水管管径初步设定为DN1200,循环水管道布置见图1。 图1循环水管道布置图 2计算方程 对于循环水管网的流动规律,主要依赖于管网的布置形式,分析水力工况变化的依据是水力计算,运用流体网络理论分析,解决循环水管网的流量分配、阻力特性、流动的动力(泵)工况分析和调节等,将循环水管网特性、管网中各节点、分支和分支上参数的表达和流动规律的描述更加精确,求解全塔内循环水管道的流动特性,运用代数的方法来研究流体输配管网结构、性质和水力关系,进行复杂管网的水力计算。通过进行水力计算,可以确定管网中各管段的压力损失(压降)等,进而计算出各节点的压力(压头)等参数。而管网的压力分布又决定着管网某处的流量值(也就是说管网系统中流体压力分布反映出流体的流动规律),这样,我们掌握了水力工况变化的规律,就可以分析水力不平衡的原因,研究改善水力不平衡状况的方法。 管道常用的水头计算公式如下[1]: 3 循环水管网的水力计算 间冷塔内循环水管网包含的分支、回路和节点较多,本文中的独立回路数344个,管网流体流动符合节点流量平衡方程、回路压力平衡方程和阻力定律。 水力工况分析中,管段压降和流量的关系式为[2]: ,对于循环水管网,是由许多串联和并联的管段组成,本文塔内水力计算范围包括全部参与系统内水循环的管道,始于空冷塔散热器外缘外2米的循环水主供水管道,终于空冷塔散热器外缘外2米的循环水主回水管道由于三角平行分支较多,管网计算模型的建立是通过对每个三角建立一个环路进行计算,将环路中的管道、管件、膨胀节和阀门等按照水流动方向逐个连接起来,从而形成一个单循环,通过编制计算程序对整个塔内全部三角环路进行计算叠加得出整个环路的阻抗,进而得出压力损失,在压力损失差的驱动下,进入各个扇段的流量重新分配,得出各个环路的设计流量,并进行系统内10个扇段及每个段内各个三角内水力平衡计算分析,尽量使各段内及段内各三角内的压损接近,流量达到平衡,以便达到各三角换热性能一致。 4 计算结果与分析 进行循环水管网分析之前,首先需要确定管网计算需要基础参数,某工程冷却塔循环水流量:61534.72t/h,三角数172个,冷三角高24.0m。根据循环冷却水流量和火力发电厂水工设计规范要求的经济流速[3],初步确定循环水供回水主管道管径为DN3000mm—DN2200mm—DN2000mm—DN1800mm— DN1600mm—DN1200mm,根据扇段分布,确定扇段及三角内的初始流量分配见表1 表1 塔内扇段及三角内初始流量分配 塔内扇段 扇段内三角数 每个三角内流量 扇段内流量 个 m3/s m3/s 第一扇段 18 0.099 1.79 第二扇段 18 0.099 1.79 第三扇段 18 0.099 1.79 第四扇段 16 0.099 1.59 第五扇段 16 0.099 1.59 第六扇段 16 0.099 1.59 第七扇段 16 0.099 1.59 第八扇段 18 0.099 1.79 第九扇段 18 0.099 1.79 第十扇段 18 0.099 1.79 (1)根据塔内循环水管路布置图,初步将各扇段内的主进出水管道统一设置为DN1200,扇段内环管设置为DN700,计算结果如下表2 表2 塔内水阻计算结果(一) 项目 100%工况 75%工况 40%工况 三泵运行 两泵运行 单泵运行 第一扇段内总阻力(m) 8.70 4.89 1.40 第二扇段内总阻力(m) 9.00 5.10 1.45 第三扇段内总阻力(m) 9.19 5.17 1.48 第四扇段内总阻力(m) 9.24 5.20 1.49 第五扇段内总阻力(m) 9.27 5.22 1.50 第六扇段内总阻力(m) 9.32 5.24 1.50 第七扇段内总阻力(m) 9.21 5.18 1.48 第八扇段内总阻力(m) 9.24 5.20 1.48 第九扇段内总阻力(m) 8.96 5.04 1.45 第十扇段内总阻力(m) 8.73 4.91 1.40 全塔总阻力(m) 9.07 5.11 1.46 从上表2中得出,距离主供回水较近的第一扇段水阻较小,不同运行工况下的水阻分别为8.70m(100%),4.89(75%),1.40m(40%),距离主供回水管道较远的第六扇段水阻较大,不同运行工况下的水阻分别为9.32m(100%),5.24(75%),1.50m(40%),100%运行工况下的差值为0.62m,差值较大,容易引起扇段间的水力不平衡,导致近端第一扇段的流量较大,散热量较大,远端第六扇段的流量较小,散热量较小,因此,需要调节近端和远端扇段内的水力不平衡。 (2)本文采用调节不同扇段内的供回水管径来进行初步调节,将第一、十段主进回水管道直径设置为DN1000,其它扇段主进回管道直径设置为DN1200,调节后计算结果如下表3。 表3 全塔内水阻计算结果(二) 项目 100%工况 75%工况 40%工况 三泵运行 两泵运行 单泵运行 第一扇段内总阻力(m) 9.06 5.10 1.45 第二扇段内总阻力(m) 9.00 5.06 1.45 第三扇段内总阻力(m) 9.19 5.17 1.48 第四扇段内总阻力(m) 9.24 5.20 1.49 第五扇段内总阻力(m) 9.27 5.22 1.49 第六扇段内总阻力(m) 9.32 5.24 1.50 第七扇段内总阻力(m) 9.21 5.18 1.48 第八扇段内总阻力(m) 9.24 5.20 1.49 第九扇段内总阻力(m) 8.97 5.04 1.44 第十扇段内总阻力(m) 9.10 5.12 1.46 全塔总阻力(m) 9.15 5.15 1.47 从上表3中得出,距离主供回水管道较近的第一扇段水阻在100%运行工况下,通过初步调节管径,扇段内的阻力值由8.70m增加到9.06m,其它工况下的水阻也相应增加,100%运行工况下第六扇段与第一扇段水阻差值降为0.26m,有效减少了扇段间的水力不平衡,保持扇段间换热均匀的同时,降低了系统的初投资。 (3)循环水泵运行台数与投运扇段数量的关系 通过表2、表3 的计算结果,可以看出,单台泵运行时,系统水阻较小,循环水泵处于低效运转状态,此时,可以减少投运扇段数量,投运扇段数量与扇段内总水阻关系计算结果如下表4所示,不同流量工况下空冷塔内水阻特性曲线见图3。在实际运行中根据以上计算结果,联锁调节间冷塔的运行段数、百叶窗开度、环境气温、汽轮机排汽背压、循环水回水温度,实现自动调节,以求达到机组净出力最大。 表4 投运扇段数量与扇段内总水阻计算结果 投入扇段数量 全塔水阻(m) 单泵运行投入10个扇段 1.47 单泵运行投入6个扇段 3.40 单泵运行投入4个扇段 7.53 两泵运行投入10个扇段 5.15 三泵运行投入10个扇段 9.15 5 结论 本文研究了热水网路水力工况计算的数学模型和求解方法,编制程序计算塔内各个三角回路的水力特性,根据流动分配规律,进行叠加计算,进而得出全塔总水阻、扇段间流量分配、阻力特性曲线等参数,并提出了减少系统阻力的措施及调节扇段间流量平衡的方法[4],结论如下: (1)在设计中,为了减少系统阻力,降低水泵功耗,调节扇段间水力平衡,在管径设置上尽量采取循环水在流动过程中管内流速逐渐递减的布置。 (2)在循环水管件的选择上,采用了阻力值较小的斜插三通,管道的转弯最大限度的避免了采用90º弯角。 (3)在实际运行中,根据水阻特性曲线,联锁调节间冷塔的投运扇段数量、百叶窗开度、环境气温、汽轮机排汽背压、循环水回水温度,实现自动调节,以求达到机组净出力最大。 (4)为了保证系统稳定运行,在闭式循环间接空冷系统中设置定压点,满足机组停运和运行中管道系统内不发生超压、倒空、汽化等现象。 参考文献 [1]《流体力学泵与风机》第五版蔡增基,龙天渝主编,中国建筑工业出版社。 [2]《流体输配管网》,付祥钊,王岳人、王元、梁栋编,中国建筑工业出版社。 [3]《火力发电厂汽水管道设计技术规定》DL/T5054-2006。 [4]《动力管道设计手册》,机械工业出版社。 2x660MW超临界机组间接空冷系统配置研究 董慧遐 陈剑宇 (内蒙古电力勘测设计院有限责任公司,呼和浩特,010020) 摘 要:以依托工程为例,对2x660MW超临界间接空冷机组采用常规四排管和新型六排管散热器,按一机一塔及两机一塔方案进行技术经济比较,为660MW机组间接空冷系统的选型提供依据。 关键词:2x660MW间接空冷机组;一机一塔;两机一塔;四排管、六排管 配置研究 0 引言 随着空冷技术在我国的迅速发展,间接空冷系统的利用更加成熟和完善,目前,虽然1000MW间接空冷机组尚没有投运业绩,但已有完成设计正在施工的机组。据了解目前正在施工的1000MW间接空冷机组空冷塔高度已达190m,X柱0m直径174m,该高度已超过现行设计规范的范围,故现阶段对超大空冷塔的设计、施工等研究已纵深化。 基于间接空冷机组的发展现状,本文以660MW间接空冷机组为例, 对660MW机组一机一塔及两机一塔的配置及经济性进行研究。由于空冷塔的规模由空冷散热器决定,而随着机组容量及循环水量的增大,为了有效的降低空冷塔的规模和系统的水阻,在常规的铝管铝翅片的四排管基础再上增加两排管形成新型的六排管,以下方案比较中即采用常规的铝管铝翅片的四排管和新型的六排管散热器,均为双流程。 1 工程设计条件 拟建工程位于内蒙古自治区境内,电厂规划容量4×660MW,本期工程建设2×660MW国产超超临界燃煤空冷发电机组,同步建设烟气脱硫、脱硝装置。主机及小机冷却采用表面式间接空冷系统。 1.1 气象要素 表1 气象要素表 项 目 数值 厂址海拔高度 (m) 854.3 全年平均温度 (℃) 3.0 月平均气压 (hPa) 854.3 平均相对湿度 (%) 58 平均风速 (m/s) 1.8 极端最高气温 (℃) 36.7 极端最低气温 (℃) -34.6 设计气温 (℃) 11 满发气温 (℃) 29.5 设计风速 (m/s) 4 1.2 汽轮机特性参数 表2 汽轮机特性参数表 项 目 THA TRL TMCR VWO 汽轮机排汽量 (t/h) 1087.25 1152.96 1136.92 1179.08 汽轮机背压 (kpa.a) 11 27 11 11 汽轮机排汽焓 (kJ/kg) 2408.7 2508.9 2411.7 2406.3 给水泵汽轮机排汽量 (t/h) (排汽直接排入大汽轮机凝汽器) 91.19 124.22 105.41 118.10 给水泵汽轮机排汽焓 (kJ/kg) 2519.8 2606.9 2511.8 2505.1 1.3 空冷散热器技术特征 表3 空冷散热器技术特征表 铝管铝翅片 四排管 新型六排管 基管∕翅片型式 圆管方翅片 圆管方翅片 翅片加工工艺 大套片 大套片 基管管径 (mm) 25.4﹡1 25.4﹡1 翅片尺寸 (mm) 133﹡640﹡0.3 200﹡640﹡0.3 翅片厚度 (mm) 0.3 0.3 翅片间距 (mm) 3.2 4.0 翅片管排数 (排) 4 6 翅化比(散热面积/迎风面积) ~70 ~95 管束间连接方式 橡胶圈密封连接 橡胶圈密封连接 1.4 经济性参数 发电成本: 0.18元/kWh; 经济运行年限: 20年; 年利用小时数: 5500 h; 投资收益率: 8%; 维修费用率: 2.5%; 征地费: 1.6万元/亩 2 各方案主要设计数据对比 在设计温度11℃,汽轮机设计背压 11 kpa;满发气温29.5℃,汽轮机设计背压 27kpa;循环水量为66000 m3/h(TMCR工况冷却倍率53倍),单机凝汽器冷却面积为38000 ㎡,凝汽器设计端差3℃下,按一机一塔及两机一塔共4个方案分别优化计算(空冷散热器按四排管和新型六排管散热器,双流程),计算结果见下表。 2.1 一机一塔方案 表4 一机一塔方案主要参数 序号 项目 单位 主要参数 四排管 新型六排管 1 散热器参数 1.1 管束尺寸(长×宽×高) mm 4900x2560x136 5700x2560x200 1.2 管束数量 个 1272 952 1.3 冷却柱尺寸(长×宽×高) mm 19600x2560x136 17100x2560x200 1.4 冷却柱管束数量 个 4 3 1.5 A型冷却单元(长×宽×高) 19600x2848x2528 17100x2848x2528 1.6 A型夹角 度 ~49 ~49 1.7 单台机总散热面积 m2 1116918 1319700 1.8 空气迎风面流速 m/s ~1.98 ~2.07 1.9 散热系数 W/m2•K ~49.2 ~47 2 空冷塔 2.1 空冷塔散热器外缘直径 m 145.1 145.1 2.2 空冷塔X 柱0m 直径 m 135.8 135.8 2.3 空冷塔进风口高度 m 22.0 19.0 2.4 空冷塔喉部直径 m 91.7 92.7 2.5 空冷塔出口直径 m 94.4 95.4 2.6 空冷塔高度 m 167.8 167.8 2.7 空冷塔总阻力 Pa -123.5 -134.8 2.8 空冷塔总风量 m3/s 32708 30190 2.2 二机一塔方案 表5 二机一塔方案主要参数 序号 项目 单位 主要参数 四排管 新型六排管 1 散热器参数 1.1 管束尺寸(长×宽×高) mm 5700x2560x136 5700x2560x200 1.2 管束数量 个 1992 1880 1.3 冷却柱尺寸(长×宽×高) mm 28500x2560x136 28500x2560x200 1.4 冷却柱管束数量 个 5 5 1.5 A型冷却单元(长×宽×高) 28500x2848x2528 28500x2848x2528 1.6 A型夹角 度 ~49 ~49 1.7 单台机总散热面积 m2 1017354 1303066 1.8 空气迎风面流速 m/s ~2.07 ~2.18 1.9 散热系数 W/m2•K ~53 ~50 2 空冷塔 2.1 空冷塔散热器外缘直径 m 181.3 173.2 2.2 空冷塔X 柱0m 直径 m 172.1 163.9 2.3 空冷塔进风口高度 m 31.0 31.0 2.4 空冷塔喉部直径 m 116.6 110.5 2.5 空冷塔出口直径 m 168 144.8 2.6 空冷塔高度 m 210 190 2.7 空冷塔总阻力 Pa -151.7 -142.9 2.8 空冷塔总风量 m3/s 66177 59683 3各方案经济性比较 上述4个方案中虽然循环水量相同,但由于散热器的型式不同,水侧过流断面阻力相差较大,造成空冷塔内水损失有较大差别,循环水泵扬程及运行费用不同。 表6 各方案经济性比较 序号 项目 单位 一机一塔 二机一塔 四排管 新型六排管 四排管 新型六排管 1 初投资 1.1 总散热面积 m2 2*1116918 2*1319700 2*1017354 2*1303066 1. 2 设备及安装投资 万元 18764.2 22171.0 17091.5 21891.5 1.3 冷却塔土建投资 万元 18982 17866 22169 19164 1.4 总占地 公顷 5.3 5.3 3.3 3 1.5 总占地费用 万元 159.1 159.1 98.7 90 1.6 初投资 万元 37687.5 40196.1 39359.2 41145.5 1.7 初投资差值 万元 0 +2508.6 +1671.7 +3458 2 年总投资现值 万元 4780.6 5098.8 5063.6 5219.31 3 循泵耗电费用差 万元 171.43 0 276.55 98.65 4 年总费用 万元 4952.03 5098.8 5340.15 5317.96 5 年总费用优劣排名 1 2 4 3 从上表中可以看出:(1)针对2x660MW机组,无论空冷散热器采用四排管还是新型的六排管,一机一塔方案初投资及年总费用均优于二机一塔,原因是由于660MW机组排热量较大,采用二机一塔,空冷塔的外形尺寸增加较大,两种散热器对应的冷却塔高度远超规范要求,冷却塔的壁厚及下部基础混凝土量大幅增加,造成二机一塔土建费用均高于一机一塔方案;(2)从空冷散热器的投资而言,四排管的设备费要低于新型六排管大约15%~20%之间,原因是四排管的换热性能要优于新型六排管,故其散热面积小于新型六排管,同时二机一塔方案中新型六排管配置的空冷塔外形尺寸远小于四排管,四排管塔高已超200m;(3)从循环水泵耗电分析,由于新型六排管水侧过流断面大,初步计算塔内水损比四排管降低30%以上。 4 结论 4.1 从依托工程比较的结果来看,若当地征地费用较低,且总平面的布置不受占地面积的影响,对于2x660MW机组,一机一塔方案从投资、设计及施工等角度要优于二机一塔。 4.2相同的散热量情况下,新型六排管的设备费要高于四排管。 4.3对于2x660MW机组,一机一塔,新型六排管经济性要差于四排管;而二机一塔方案中新型六排管经济性要好于四排管,故新型六排管更加适合于大容量机组。 参考文献 [1]吴晓鹏,万金忠,张文君,张春琳 1000MW机组空冷散热器特性及间接空冷系统配置研究 [2]电力工程水务设计手册 中国电力出版社 2005 作者简介 董慧遐 女 高级工程师,主要从事电厂水工工艺设计工作。E-mail :dhuixia@nmdsy.com
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