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蒸汽流量计在干湿联合冷却系统模型及其变工况特性分析

时间:2018/05/31来源:未知

摘要:针对某300MW直接空冷机组夏季汽轮机排汽压力过高的问题, 建立了分建式干湿联合冷却系统及其计算模型, 在主蒸汽流量分别为700、900t/h时, 对采用直接空气冷却系统和干湿联合冷却系统机组的汽轮机排汽压力及净发电功率随环境干球温度的变化情况进行了分析, 结果表明:干湿联合冷却系统的性能受环境干球温度的影响远小于直接空气冷却系统;在高环境干球温度下, 干湿联合冷却系统的经济性和稳定性均优于直接空气冷却系统;在主蒸汽流量计流量为700t/h, 环境干球温度高于10℃时, 采用干湿联合冷却系统较为适宜, 而在主蒸汽流量为900t/h, 环境干球温度高于5℃时, 关闭湿式冷却系统较为经济。
 

某300 MW直接空冷机组空冷设计面积较小, 设计背压较高, 尤其在夏季高温工况下汽轮机运行背压远高于设计值, 个别时段达45~48kPa, 致使机组在夏季电网负荷高峰阶段被迫限负荷运行。对此, 本文利用城市中水作为湿冷凝汽器循环水建立了干湿联合冷却系统, 并在大型火电机组上首次应用。

1 干湿联合冷却系统

干湿联合冷却系统由干式冷却系统和湿式冷却系统组成[1]。该机组冷却系统为分建式干湿联合冷却系统, 干冷凝汽器为直接空冷凝汽器, 湿冷凝汽器为常规表面式换热器。汽轮机排汽一部分进入直接空冷凝汽器进行冷凝, 另一部分进入湿式凝汽器通过循环水进行冷凝, 而加热后的循环水进入机械逆流式冷却塔通过空气进行冷却 (图1) 。空冷凝汽器全年运行, 而湿冷凝汽器仅在部分季节中投运。

图1 分建式干湿联合冷却系统Fig.1 Schematic diagram of the separated wet-dry joint cooling system

图1 分建式干湿联合冷却系统Fig.1 Schematic diagram of the separated wet-dry joint cooling system

 

2 数学模型

在已知机组主蒸汽流量下, 通过汽轮机热平衡计算可得汽轮机的排汽量Dc。假设排入直接空冷凝汽器的蒸汽量为Dcd, 则排入湿冷凝汽器的蒸汽量Dcw为:

计算公式

2.1 湿冷冷却系统

湿冷凝汽器压力对应的饱和水温度为[2]:

计算公式

其中:

计算公式

式中:tw1为循环水进口温度, ℃;Δt为循环水温升, ℃;δt为传热端差, ℃;Dn为汽轮机排入湿冷凝汽器的蒸汽量, kg/s;hcw为排入湿冷凝汽器的蒸汽焓, J/kg;h′cw为湿冷凝汽器的凝结水焓, J/kg;Dw为冷却水流量, kg/s;m为循环倍率;cp为水的定压比热容, J/ (kg·℃) ;Kcw为凝汽器的总传热系数, J/ (m2·s·℃) , 其根据美国传热学会相关计算方法求得;Ac为冷却水管外表面总面积, m2。循环水进口温度tw1近似为冷却塔出水温度t2, 可通过冷却塔热力计算获得。

冷却塔热力计算采用F· 麦克尔公式焓差法[3], 根据《火力发电厂水工设计技术规定》[4]:
计算公式

 

式中, N (λ) 为冷却塔的特性数, 即淋水填料的热力特性Ω, 一般由填料厂家直接提供:

 

冷却塔的冷却数N (t2) 为:

 

式中:λ为空气流量与水流量之比;A为与冷却塔填料相关的系数, 由试验得出;h″1、h″2、h″m分别为与t1、t2、tm= (t1+t2) /2 对应的饱和湿空气焓, J/kg;h1、h2、hm分别为湿空气进口、出口及平均比焓, J/kg。则依据图2算法可得到t2。

由式 (7) 可见, t2与循环水温差、循环水流量和环境参数有关。

图2 t2的迭代计算Fig.2 Iterative calculation of the water temperature at outlet of the tower

图2 t2的迭代计算Fig.2 Iterative calculation of the water temperature at outlet of the tower 

 

根据上述公式和已知主蒸汽流量、汽轮机及其湿式冷却系统各设备结构、环境和循环水流量等, 即可计算出tcw及其对应的湿式凝汽器压力pcw。

2.2 直接空冷凝汽器

直接空冷凝汽器的热力计算一般采用传热单元数法 (η-NTU) [5]。已知直接空冷凝汽器结构参数、环境参数和直接空冷凝汽器压力可求得直接空冷凝汽器的蒸汽流量Dcd1[6-7]。

式中:Kcd为空冷岛总传热系数, W/ (m2·℃) ;Acd为空冷岛传热总面积, m2;Ay为空冷岛迎风面积, m2;υy为迎面风速, m/s;ρa为冷热空气的平均密度;c'p为干空气定压比热容, J/ (kg·℃) ;η为换热器效率, %;Δta为空气温升, ℃;Dcd1为排入直接空冷凝汽器的蒸汽量, kg/s;hcd为排入直接空冷凝汽器的蒸汽焓, J/kg;h′cd为直接空冷凝汽器的凝结水焓, J/kg;ta为环境干球温度, ℃;tc为直接空冷凝汽装置进口蒸汽温度, ℃。

比较Dcd1与Dcd, 如果

计算公式

则Dcd为所求值。否则, 重新假设Dcd进行计算直至满足式 (11) 。

3 模型验证

以某300 MW分建式干湿联合冷却机组为例, 其干冷凝汽器为直接空冷凝汽器, 包含20个顺流凝汽器单元以及5个逆流凝汽器单元。采用热浸I型椭圆翅片管束, 每个管束含134根管, 其椭圆基管尺寸为71.8mm×20.8mm×1.5mm, 管长为9.7m, 翅片尺寸为94mm×46.7mm×0.4mm, 翅片间距为5、3、3mm;散热面积为492 810m2, 迎风面积为5 128m2;主排汽管直径为5.5m, 管长12.4m, 排汽侧总压降为1.65kPa。湿冷凝汽器冷却面积为3 700m2, 管束材料为TP316L, 管束规格 (直径 ×壁厚) 为22mm×0.7 mm, 冷却管总数量为9 553根。湿式冷却系统冷却塔为机械通风、逆流式、钢混结构冷却塔, 每台机组配置2个单元, 单塔平面基础尺寸为19m×18m, 塔总阻力为81.03Pa, 冷却塔风机直径为9 750mm。对该机组的干湿联合系统进行试验, 所采用的原始计算参数见表1, 将上述模型计算结果与试验结果进行比对 (表2) , 以验证模型的正确性。

表1 干湿联合系统主要热力参数Table 1 Major thermal dynamic parameters of the wet-dry joint cooling system   

表1 干湿联合系统主要热力参数Table 1 Major thermal dynamic parameters of the wet-dry joint cooling system

表2 模型计算值与试验值[8]对比Table 2 Comparison between the calculated value and the experimental value in reference[8]   

表2 模型计算值与试验值[8]对比Table 2 Comparison between the calculated value and the experimental value in reference[8]

由表2可见, 工况1中湿式凝汽器循环水进、出口温度的计算值和试验值偏差较大, 工况2中汽轮机背压的计算值和试验值偏差较大。这是由于建模时湿式冷却塔并未考虑冷却塔周围的建筑和环境风的影响, 直接空冷凝汽器未考虑环境风的影响。

4 实例

利用上述计算模型在循环水流量为16 468.1t/h, 环境湿度为75%, 空冷岛迎面风速为2.7m/s, 主蒸汽流量分别为700、900t/h工况下, 对干湿联合系统运行时汽轮机排汽压力和净发电功率[9] (考虑了循环水泵、湿冷凝结水泵和冷却水塔风机的运行能耗) 随环境干球温度的变化进行计算, 其结果见图3~图6。

图3 主蒸汽流量700t/h时汽轮机排汽压力随环境干球温度的变化Fig.3 Effect of ambient temperature on back pressure of the steam turbine when the main steam flow was 700t/h

图3 主蒸汽流量700t/h时汽轮机排汽压力随环境干球温度的变化Fig.3 Effect of ambient temperature on back pressure of the steam turbine when the main steam flow was 700t/h   下载原图

 

由图3可见, 主蒸汽流量为700t/h时, 干湿联合冷却系统的汽轮机排汽压力低于直接空气冷却系统。当环境干球温度较低时, 两者的排汽压力相差不大, 但随着环境干球温度的升高, 直接空气冷却系统的汽轮机排汽压力急剧升高, 而干湿联合冷却系统受环境干球温度的影响相对较小, 汽轮机排汽压力上升缓慢。

图4 主蒸汽流量900t/h时汽轮机排汽压力随环境干球温度的变化Fig.4 Effect of ambient temperature on back pressure of the steam turbine when the main steam flow was 900t/h

图4 主蒸汽流量900t/h时汽轮机排汽压力随环境干球温度的变化Fig.4 Effect of ambient temperature on back pressure of the steam turbine when the main steam flow was 900t/h   下载原图

 

由图4可见, 当主蒸汽流量为900t/h时, 汽轮机排汽压力随环境干球温度上升的趋势较700t/h时更显著。当环境干球温度为35℃时, 干湿联合冷却系统的汽轮机排汽压力比直接空气冷却系统的汽轮机排汽压力低23kPa。因此, 干湿联合冷却系统可解决该机组直接空气冷却系统环境干球温度高时的高背压问题。

图5 主蒸汽流量700t/h时汽轮机净发电功率随环境干球温度的变化Fig.5 Effect of ambient temperature on net power of the steam turbine when the main steam flow was 700t/h

图5 主蒸汽流量700t/h时汽轮机净发电功率随环境干球温度的变化Fig.5 Effect of ambient temperature on net power of the steam turbine when the main steam flow was 700t/h   下载原图

 

由图5可见, 主蒸汽流量为700t/h, 环境干球温度低于10 ℃时, 直接空气冷却系统较经济, 这是由于湿式冷却系统停运时, 机组减少了湿式冷却系统中循环水泵、湿冷凝结水泵和冷却水塔风机的运行能耗, 关闭湿冷塔可以降低厂用电的消耗。

图6 主蒸汽流量900t/h时汽轮机净发电功率随环境干球温度的变化Fig.6 Effect of ambient temperature on net power of the steam turbine when the main steam flow was 900t/h

图6 主蒸汽流量900t/h时汽轮机净发电功率随环境干球温度的变化Fig.6 Effect of ambient temperature on net power of the steam turbine when the main steam flow was 900t/h   

由图6可见, 主蒸汽流量为900t/h, 环境干球温度低于5℃时, 直接空气冷却系统较经济, 这是由于环境干球温度低于5 ℃时, 干湿联合冷却系统和直接空冷系统的净发电功率相差甚微, 然而干湿联合冷却系统的投运加大了整个机组的运行和维修成本, 所以环境干球温度低于5℃时, 应该停运湿式冷却系统。

蒸汽流量计ZY-LUGB系列,是利用液体振动原理而开发的一种新型流量计,广泛应用在石油、化工、冶金、造纸等行业流体的计量。该流量计无可动部件,可靠性强、精度高、寿命长,可在很宽的流量范围内精确测量液体的瞬时流量和累计流量。其不受介质温度、压力、粘度及组分的影响,同时不堵、不卡、不易结垢、耐高温、高压,安全防爆,适用于恶劣环境。电磁流量计电磁流量计原理电磁流量计DN65电磁流量计价格电磁流量计厂家江苏电磁流量计电磁流量计江苏电磁流量计LDE智能电磁流量计污水流量计测污水的流量计用什么流量计测污水流量计分一体化显示和远传显示,并可输出脉冲信号或电流信号与微机联网。 
 蒸汽流量计主要特点:
1.结构简单而牢固,无可动部件,可靠性高,长期运行十分可靠。
2.安装简单,维护十分方便。
3.检测传感器不直接接触被测介质,性能稳定,寿命长。
4.输出是与流量成正比的脉冲信号,无零点飘移,精度高。
5.测量范围宽,量程比可达1:10。
6.压力损失较小,运行费用低,更具节能意义。
7.在一定的雷诺数范围内,输出信号频蒸汽流量计蒸汽流量计LUGB蒸汽流量计价格蒸汽流量计厂家测蒸汽什么流量计测蒸汽的流量计江苏蒸汽流量计蒸汽流量计江苏率不受流体物理性质和组分变化的影响,仪表系数仅与旋涡发生体的形状和尺寸有关,测量流体体积流量时无需补偿,调换配件后一般无需重新标定仪表系数。
8.应用范围广:蒸汽(饱和蒸蒸汽),气体(空气、氧气、氮气、煤气、天燃气、气体、氢气、液化石油气、过氧化氢、烟道气、甲烷、丁烷、氯气、燃气、沼气、二氧化碳、氮气、乙炔、光气、氧气、压缩空气、氩气、甲苯、苯、二甲苯、硫化氢、二氧化硫、氨气)、蒸汽、液体和水等)、液体(水、高温水、油、食品液、化学液等)、液体,气体的流量均可测量。 
 蒸汽流量计技术参数:

采用标准
Q/320831AHH003-2004 JB/T6807-93
测量介质:
气体、液体、蒸气
口径规格
法兰卡装式口径选择
25,32,40,50,65,80,100,125,150,200,250,300
法兰连接式口径选择
25,32,40,50,65,80,100,125,150,200,250,300
插入式口径选择
300,400,500,600,800,1000
流量测量范围
正常测量流速范围
雷诺数1.5×104~4×106;气体550m/s;液体0.5~7m/s
正常测量流速范围
液体、气体、流量测量范围见表2,蒸汽流量范围见表3
测量精度
1.0级或1.5级
被测介质温度
常温–25℃~100℃
高温–25℃~150℃  -25℃~250℃
输出信号
4~20mA,传输距离为1000m(负载电阻≤750)、485通讯、频率输出
仪表使用环境
 温度:-25℃~+55℃ 湿度:5~90%
材质
不锈钢,铝合金
电源
 DC24V或锂电池3.6V
防爆等级
Exd ⅡBT4
防护等级
  IP65

 蒸汽流量计选型:

代号
通径
流量范围㎡/h
LUGB-25
DN25
1~12(液体)
10~100(气体)
 
LUGB-32
DN32
1.5~23(液体)
15~150(气体)
LUGB-40
DN40
2.4~32(液体)
22.6~150(气体)
LUGB-50
DN50
4~50(液体)
35~350(气体)
LUGB-65
DN65
6.3~184(液体)
60~600(气体)
LUGB-80
DN80
10~130(液体)
90~900(气体)
注:1.蒸汽流量请查看表3
LUGB-100
DN100
20~200(液体)
140~1400(气体)
     2.DN250~DN600可按客户要求订货
LUGB-125
DN125
31~310(液体)
220~1450(气体)
     3.DN300以上口径推荐使用插入式涡街流量计可定制
LUGB-150
DN150
45~450(液体)
300~3000(气体)
LUGB-200
DN200
80~800(液体)
550~5500(气体)
 
LUGB-250
DN250
150~1500(液体)
880~8800(气体)
LUGB-300
DN300
200~2000(液体)
1300~13000(气体)
LUGB-300
DN300
100~1500(液体)
1560~15600(气体)
LUGB-400
DN400
180~3000(液体)
2750~27000(气体)
LUGB-500
DN500
300~4500(液体)
4300~43000(气体)
LUGB-600
DN600
450~6500(液体)
6100~61000(气体)
LUGB-800
DN800
750~10000(液体)
11000~110000(气体)
LUGB-1000
DN1000
1200~1700(液体)
17000~170000(气体)
 
代号
功能1
N
无温压补偿
Y
有温压补偿
 
代号
输出型号
F1
4-20mA输出(二线制)
F2
4-20mA输出(三线制)
F3
RS485通讯接口
F4
频率输出
 
代号
被测介质
J1
液体
J2
气体
J3
蒸汽
 
代号
连接方式
L1
法兰卡装式
L2
法兰连接式
L3
插入式
 
代号
功能2
E1
1.0级
E2
1.5级
T1
常温
T2
高温
T3
蒸汽
P1
1.6MPa
P2
2.5MPa
P3
4.0MPa
D1
内部3.6V供电
D2
DC24V供电
B1
不锈钢
B2
碳钢

 

5 结论

(1) 干湿联合冷却系统较直接空气冷却系统受环境干球温度的影响明显减弱。在环境干球温度较高时, 干湿联合冷却系统较直接空冷系统运行稳定性、安全性和经济性均得到较大的提高, 且具有夏季出力不受限制的优点。

(2) 对于300 MW机组, 在主蒸汽流量为700t/h, 环境干球温度高于10 ℃时, 采用干湿联合冷却系统较为经济;而当主蒸汽流量为900t/h, 环境干球温度低于5 ℃时, 关闭湿式冷却系统较为经济。


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