李　嵐，　馬　歡，　司風(fēng)琪，　章義發(fā)，　?？灯?/p>

(1．東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，能源熱轉(zhuǎn)換及過(guò)程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210096； 2．安徽淮南平圩發(fā)電有限責(zé)任公司，安徽淮南 232089； 3．中電神頭發(fā)電有限責(zé)任公司，山西朔州 036800)

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SCAL型間接空冷塔動(dòng)態(tài)特性研究

李嵐1，馬歡1，司風(fēng)琪1，章義發(fā)2，祝康平3

(1．東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，能源熱轉(zhuǎn)換及過(guò)程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210096； 2．安徽淮南平圩發(fā)電有限責(zé)任公司，安徽淮南 232089； 3．中電神頭發(fā)電有限責(zé)任公司，山西朔州 036800)

以某600 MW機(jī)組大型SCAL型間接空冷塔為對(duì)象，建立了空冷塔的動(dòng)態(tài)特性數(shù)學(xué)模型，并采用Euler算法完成了模型求解，進(jìn)而分析了循環(huán)冷卻水進(jìn)口水溫、循環(huán)水質(zhì)量流量、環(huán)境溫度和環(huán)境風(fēng)速等擾動(dòng)發(fā)生時(shí)空冷塔焓溫通道的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，得到了空冷塔的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，并將模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析.結(jié)果表明：模擬結(jié)果能夠正確反映冷卻塔的動(dòng)態(tài)特性，誤差在3%之內(nèi)，可為間接空冷系統(tǒng)的運(yùn)行控制提供理論指導(dǎo).

間接空冷塔； 動(dòng)態(tài)模型； 擾動(dòng)； 響應(yīng)

間接空冷系統(tǒng)利用封閉的熱交換器來(lái)冷卻循環(huán)水，可有效避免因蒸發(fā)、風(fēng)吹等因素所帶來(lái)的汽水損耗，在我國(guó)北方缺水地區(qū)有很大的應(yīng)用前景[1]，目前在大型火電機(jī)組中也得到越來(lái)越多的應(yīng)用.由于大型火電機(jī)組的循環(huán)水流量可達(dá)幾萬(wàn)噸以上，采用間接空冷系統(tǒng)時(shí)需要很大的換熱面積，其換熱器結(jié)構(gòu)十分龐大，是一個(gè)典型的復(fù)雜非線性對(duì)象.換熱器的運(yùn)行工況與機(jī)組的凝汽設(shè)備直接相關(guān)，從而直接影響機(jī)組的安全性與經(jīng)濟(jì)性.

間接空冷系統(tǒng)對(duì)外界環(huán)境條件比較敏感，研究者們已經(jīng)開展了不少研究，如宮婷婷[2]通過(guò)模擬和試驗(yàn)研究了側(cè)風(fēng)對(duì)間接空冷塔熱力性能的影響，并提出加裝導(dǎo)風(fēng)板以改善換熱條件；Wang等[3]通過(guò)數(shù)值研究分析了不同頂角的冷卻三角的流動(dòng)換熱性能，并指出空冷塔換熱性能隨著A型角的減小而變好；忻煒等[4]通過(guò)對(duì)間接空冷塔內(nèi)外空氣流動(dòng)和傳熱性能進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了環(huán)境風(fēng)速對(duì)空冷塔換熱性能以及機(jī)組背壓的穩(wěn)態(tài)影響；安貴成等[5-6]則從多個(gè)不同的角度分析研究了間接空冷系統(tǒng)產(chǎn)生管道結(jié)冰的原因，提出了各種有效的改進(jìn)措施.現(xiàn)有研究主要集中于空冷塔的靜態(tài)運(yùn)行特性方面，對(duì)于動(dòng)態(tài)特性研究較少.由于目前越來(lái)越多的空冷機(jī)組需要承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)，機(jī)組負(fù)荷連續(xù)變化，并且系統(tǒng)易受到環(huán)境風(fēng)速和風(fēng)向的影響，因此，很有必要對(duì)空冷系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性開展有針對(duì)性的研究，以保證系統(tǒng)的連續(xù)可靠運(yùn)行.

筆者以某600 MW機(jī)組SCAL(Surface Condenser Aluminum Exchanger)型間接空冷系統(tǒng)為研究對(duì)象，建立了動(dòng)態(tài)特性方程，并采用Euler算法完成模型求解，進(jìn)而分析循環(huán)冷卻水進(jìn)口水溫、循環(huán)冷卻水質(zhì)量流量、環(huán)境溫度和環(huán)境風(fēng)速等擾動(dòng)發(fā)生時(shí)空冷塔焓溫通道的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，得到了空冷塔的動(dòng)態(tài)特性參數(shù).通過(guò)計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，表明所建模型的有效性，可為機(jī)組變工況調(diào)控提供指導(dǎo).

1　SCAL型間接空冷系統(tǒng)

SCAL型間接空冷系統(tǒng)是一種改進(jìn)型的哈蒙式間接空冷系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)見圖1.系統(tǒng)主要由表面式凝汽器、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、福哥型鋁管鋁片散熱器和空冷塔組成[7-8]，與傳統(tǒng)哈蒙式間接空冷系統(tǒng)不同，該系統(tǒng)散熱器管束垂直布置在塔外.

圖1　SCAL型間接空冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

Fig.1Structure diagram of an SCAL indirect air-cooling system

SCAL型間接空冷系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，循環(huán)冷卻水流經(jīng)表面式凝汽器與汽輪機(jī)乏汽進(jìn)行一次表面換熱，循環(huán)冷卻水吸收乏汽放熱后，在循環(huán)水泵的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入空冷塔周圍的散熱器內(nèi)，經(jīng)空氣冷卻后再次返回表面式凝汽器，如此循環(huán)往復(fù).在穩(wěn)定狀態(tài)下，循環(huán)冷卻水從表面式凝汽器吸收的熱量與其在空冷散熱器中釋放的熱量平衡.但是在發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，穩(wěn)態(tài)被破壞，各個(gè)參數(shù)都將發(fā)生變化，整個(gè)系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中.循環(huán)冷卻水進(jìn)入散熱器中與空氣換熱時(shí)，由于熱阻集中在空氣側(cè)，因此空氣側(cè)的變化，如環(huán)境溫度的升降、陣風(fēng)等都會(huì)對(duì)換熱產(chǎn)生較大的影響，如果外界擾動(dòng)過(guò)大，還可能導(dǎo)致機(jī)組無(wú)法安全運(yùn)行.

具體研究對(duì)象為某600 MW機(jī)組SCAL型間接空冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)的空冷散熱器分為10個(gè)扇段(見圖2)，每個(gè)扇段包含36～40個(gè)冷卻三角，每個(gè)冷卻三角有2片換熱管束，管束的高度為12.65 m，而且每片管束包含187根雙流程橢圓管，整個(gè)空冷塔總共有約149 600根換熱單管.

圖2　空冷塔循環(huán)冷卻水流程示意圖

2　系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性模型

2.1模型的簡(jiǎn)化

空冷散熱器為管式表面換熱器，包含多根串并聯(lián)管，管內(nèi)為熱介質(zhì)水，管外為冷介質(zhì)空氣，在管內(nèi)冷卻水向管外空氣散熱過(guò)程中，管壁金屬具有一定的蓄熱能力.圖3為單元換熱管段(以下簡(jiǎn)稱單元管段)的簡(jiǎn)化物理模型，以此為基本單元，對(duì)整個(gè)空冷塔模型進(jìn)行如下簡(jiǎn)化假設(shè)[9-10]：

(1) 并聯(lián)換熱管可用一根等效的換熱管來(lái)代表，其介質(zhì)通流面積為并聯(lián)各管的通流面積之和，長(zhǎng)度與并聯(lián)管道一致；

(2) 考慮到同一冷卻單元內(nèi)，部分前后連接管段流體參數(shù)變化甚微，認(rèn)為參數(shù)基本相同，可適當(dāng)合并為單根換熱管道.

(3) 管內(nèi)熱循環(huán)冷卻水對(duì)金屬管壁和金屬管壁對(duì)管外空氣都只考慮徑向傳熱，且管壁四周的徑向傳熱強(qiáng)度是均勻的；

(4) 沿管段長(zhǎng)度方向流體無(wú)導(dǎo)熱和其他換熱，換熱只在徑向進(jìn)行；

(5) 管壁徑向?qū)嵯禂?shù)無(wú)限大，即金屬管壁外層和內(nèi)層之間無(wú)溫差，管壁溫度只沿著管段長(zhǎng)度方向變化；

(6) 管內(nèi)循環(huán)冷卻水在沿管段長(zhǎng)度方向的任意截面上溫度、流速和流量均勻分布，忽略邊界層影響；

(7) 工質(zhì)沿流動(dòng)方向的壓降較工質(zhì)工作壓力小得多，因此認(rèn)為管段內(nèi)壓力近似均勻，僅考慮焓溫通道變化；

(8) 單元管段內(nèi)外傳熱系數(shù)沿管段長(zhǎng)度方向均不發(fā)生變化；

(9) 單元管段傳熱強(qiáng)度、管壁溫度和流體溫度等所有參數(shù)假設(shè)均勻分布；

(10) 管道內(nèi)循環(huán)冷卻水沿管段長(zhǎng)度方向?yàn)橐辉鲃?dòng)，不考慮內(nèi)部環(huán)流.

圖3　單元換熱管段的簡(jiǎn)化物理模型

將空冷塔按照扇段和冷卻三角單元分塊分段建立模型，并聯(lián)管簡(jiǎn)化處理為單管，串聯(lián)管按照前后連接關(guān)系，前一管段的出口參數(shù)即為下一管段的進(jìn)口參數(shù)，得到空冷塔簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4　空冷塔簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖

2.2基本方程

對(duì)空冷散熱器管段焓溫通道分段建立以出口參數(shù)為集總參數(shù)的動(dòng)態(tài)模型[11-12]，包括管段的介質(zhì)連續(xù)性方程、熱平衡方程、金屬蓄熱方程以及管內(nèi)熱循環(huán)冷卻水向管壁金屬放熱等，見式(1)～式(4).

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：Q1為所研究管段的管壁金屬對(duì)管外空氣的總放熱量，W；Q2為該管段管內(nèi)熱循環(huán)冷卻水向管壁金屬釋放的總熱量，W；qm1、qm2分別為進(jìn)、出該管段的循環(huán)冷卻水質(zhì)量流量，kg/s；t1、t2、tj分別為管段的進(jìn)、出口水溫和管壁溫度，℃；V為管段內(nèi)的水容積，m3；mj為管壁金屬總質(zhì)量，kg；K2為取決于管道內(nèi)傳熱系數(shù)h及傳熱面積A2的系數(shù)；ρ1、ρ2分別為管段進(jìn)、出口的流體密度，kg/m3;τ為動(dòng)態(tài)變化時(shí)間，s;cj為管壁金屬的比熱容，J/(kg·K);H1、H2分別為進(jìn)、出口單位質(zhì)量循環(huán)水焓值，J/kg;n為與h有關(guān)的指數(shù).

在空冷塔中，由于管內(nèi)循環(huán)冷卻水溫升一般在15 K內(nèi)，可認(rèn)為其密度基本不變，則管段的循環(huán)冷卻水質(zhì)量流量qm1=qm2=qm.

管道內(nèi)為強(qiáng)制對(duì)流，可用式(5)所示Dittus-Boelter公式求解傳熱系數(shù)h[13]:

(5)

其中，m為普朗特?cái)?shù)的指數(shù)，冷卻流體時(shí)m=0.3，加熱流體時(shí)m=0.4.

由式(4)和式(5)可得n=0.8,并且

(6)

換熱量Q1與管段的外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)相關(guān)，受外界空氣流過(guò)換熱管表面的速度的影響，而管外空氣流速取決于整個(gè)空冷塔的流場(chǎng)分布，因此Q1主要取決于外界空氣的流動(dòng)狀態(tài)，而管內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化對(duì)其影響相對(duì)較小，可通過(guò)對(duì)空冷塔的數(shù)值模擬來(lái)獲得對(duì)應(yīng)工況下的流場(chǎng)分布，從而獲得穩(wěn)態(tài)換熱量Q1[14]，并對(duì)動(dòng)態(tài)模型中換熱量進(jìn)行一定的補(bǔ)償修正[11].

2.3模型求解

空冷塔系統(tǒng)單元模型可表示為：

(7)

式中：τ0、τ分別為初始時(shí)刻和當(dāng)前時(shí)刻；y0、y分別為初始時(shí)刻和τ時(shí)刻的出口水溫(或管壁溫度).

選用Euler法進(jìn)行數(shù)值求解，在單個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)區(qū)間[τi，τi+1]內(nèi)，對(duì)式(7)中的微分方程兩端進(jìn)行積分，可得到式(8)，通過(guò)化簡(jiǎn)整理得到式(9)，即為Euler公式.

(8)

(9)

式中：Δτ=τi+1-τi，為時(shí)間步長(zhǎng)；yi、yi+1分別為τi、τi+1時(shí)刻精確解的近似值.

在此基礎(chǔ)上得到改進(jìn)的Euler公式，如式(10)所示，該公式具有2階的求解精度[15].

(10)

圖5給出了具體動(dòng)態(tài)模型的求解流程圖.該模型以穩(wěn)態(tài)為初始狀態(tài)，擾動(dòng)發(fā)生后，逐步求解，記錄每一時(shí)間步長(zhǎng)下的狀態(tài)參數(shù)，直至滿足一定誤差e，則認(rèn)為計(jì)算收斂，就可得到擾動(dòng)后的各位置輸出參數(shù)隨時(shí)間的響應(yīng)曲線，以及達(dá)到新穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間.

圖5　動(dòng)態(tài)模型求解流程圖

3　動(dòng)態(tài)特性分析

3.1進(jìn)口水溫?cái)_動(dòng)

當(dāng)環(huán)境溫度為14.5 ℃、環(huán)境風(fēng)速為4 m/s時(shí)，空冷塔進(jìn)口水溫在7 s內(nèi)從40 ℃逐步階躍到45 ℃，即升高5 K，通過(guò)動(dòng)態(tài)模型得到空冷塔出口水溫的變化曲線(見圖6).為表示擾動(dòng)發(fā)生后系統(tǒng)的響應(yīng)變化程度，以下空冷塔出口水溫產(chǎn)生的響應(yīng)變化均以溫升表示，溫升為正表示空冷塔出口水溫較擾動(dòng)前升高；溫升為負(fù)表示空冷塔出口水溫較擾動(dòng)前降低.

由圖6可以看出，空冷塔出口水溫隨進(jìn)口水溫的升高而升高.循環(huán)水泵為2臺(tái)時(shí)，在擾動(dòng)發(fā)生后初始時(shí)段約300 s內(nèi)，空冷塔出口水溫未發(fā)生變化，可知出口水溫響應(yīng)存在一定的滯后性.隨著時(shí)間的推移，出口水溫的上升由快變慢，在1 100 s左右達(dá)到新穩(wěn)態(tài).而且穩(wěn)定后出口水溫的上升幅度要小于進(jìn)口水溫的上升幅度.這是因?yàn)槠渌麠l件一定時(shí)，換熱量基本保持不變，進(jìn)口水溫升高，空冷塔出口水溫隨之升高.但同時(shí)進(jìn)口水溫的升高也引起空冷塔換熱溫差的增大，傳熱強(qiáng)度增加，使空冷塔出口水溫的上升幅度有所減緩.空冷塔出口水溫的變化是這兩者耦合作用的結(jié)果.

圖6　進(jìn)口水溫?cái)_動(dòng)下空冷塔出口水溫的響應(yīng)曲線

對(duì)比2臺(tái)泵和3臺(tái)泵的響應(yīng)曲線可以看出，3臺(tái)泵的延遲時(shí)間短，響應(yīng)速度快，達(dá)到新穩(wěn)態(tài)的時(shí)間短.這是由于3臺(tái)泵循環(huán)冷卻水質(zhì)量流量較大，擾動(dòng)從塔進(jìn)口到達(dá)出口的時(shí)間較短，即3臺(tái)泵時(shí)空冷塔的時(shí)間常數(shù)較小.

3.2換熱量擾動(dòng)

引起換熱量擾動(dòng)的因素有環(huán)境風(fēng)速和環(huán)境溫度.當(dāng)環(huán)境風(fēng)速突然變化時(shí)，空氣側(cè)的傳熱系數(shù)隨之變化，引起空冷塔換熱量改變.而環(huán)境溫度降低時(shí)，會(huì)直接引起換熱過(guò)程的溫差增大，使換熱增強(qiáng).

3.2.1環(huán)境溫度擾動(dòng)

當(dāng)空冷塔進(jìn)口水溫為40 ℃、環(huán)境風(fēng)速為4 m/s、環(huán)境溫度由14.5 ℃下降為10 ℃時(shí)，總換熱量增加，空冷塔出口水溫的變化見圖7.

由圖7可以看出，空冷塔出口水溫隨環(huán)境溫度的降低而降低.在其他條件一定，循環(huán)水泵為2臺(tái)時(shí)，環(huán)境溫度的降低增大了傳熱溫差，引起換熱量增加，導(dǎo)致循環(huán)冷卻水向外界空氣放熱增加，空冷塔出口水溫降低.但隨著空冷塔出口水溫的降低，空冷塔內(nèi)循環(huán)冷卻水平均傳熱溫度降低，換熱過(guò)程的溫差減小，降低了傳熱強(qiáng)度，從而減緩了空冷塔出口水溫的降低幅度.在擾動(dòng)發(fā)生后空冷塔出口水溫的降低幅度由快變慢，經(jīng)過(guò)約700 s達(dá)到新穩(wěn)態(tài).

圖7　環(huán)境溫度降低時(shí)空冷塔出口水溫的響應(yīng)曲線

對(duì)比2臺(tái)泵和3臺(tái)泵的響應(yīng)曲線可以看出，由于3臺(tái)泵的循環(huán)冷卻水質(zhì)量流量較大，因此其響應(yīng)速率快，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間短，換熱量增加所引起的空冷塔出口水溫降低幅度小.

3.2.2環(huán)境風(fēng)速擾動(dòng)

當(dāng)空冷塔進(jìn)口水溫為40 ℃、環(huán)境溫度為14.5 ℃、環(huán)境風(fēng)速由4 m/s增大到8 m/s時(shí)，空冷塔的出口水溫變化見圖8.

圖8　環(huán)境風(fēng)速增大時(shí)空冷塔出口水溫的響應(yīng)曲線

環(huán)境風(fēng)速變化對(duì)空冷塔產(chǎn)生的影響與環(huán)境溫度變化相同，均屬于換熱量擾動(dòng)的影響.由圖8可以看出，在一定范圍內(nèi)，空冷塔出口水溫隨環(huán)境風(fēng)速的增大而升高.因?yàn)榄h(huán)境風(fēng)速的增大使空冷塔整體進(jìn)風(fēng)量減少，換熱量減少，循環(huán)冷卻水質(zhì)量流量保持不變，循環(huán)冷卻水進(jìn)出口溫差減小，空冷塔出口水溫升高.對(duì)比2臺(tái)泵與3臺(tái)泵的變化曲線可以看出，2臺(tái)泵的出口水溫變化慢，上升幅度小，這是由于環(huán)境風(fēng)速變化所引起的換熱變化較小，即環(huán)境風(fēng)速變化產(chǎn)生的換熱量擾動(dòng)小.

根據(jù)風(fēng)向可以將扇段分為迎風(fēng)面、背風(fēng)面與側(cè)風(fēng)面3種類型，環(huán)境風(fēng)速變化對(duì)這3種扇段的影響也明顯不同.3臺(tái)泵下環(huán)境風(fēng)速由4 m/s增大到8 m/s時(shí)，不同位置扇段出口水溫的響應(yīng)曲線見圖9.由圖9可知，迎風(fēng)面扇段的出口水溫下降，背風(fēng)面扇段出口水溫變化不大，而側(cè)風(fēng)面扇段的出口水溫升高，且上升幅度較大.這是由于環(huán)境風(fēng)速增大時(shí)，不同位置的扇段進(jìn)風(fēng)量變化趨勢(shì)并不相同[14].迎風(fēng)面扇段的進(jìn)風(fēng)量增加，強(qiáng)化冷卻散熱，使迎風(fēng)面扇段出口水溫下降；背風(fēng)面扇段進(jìn)風(fēng)量變化小，散熱量微增，背風(fēng)面扇段出口水溫略有下降；而側(cè)風(fēng)面扇段進(jìn)風(fēng)量大幅減少，冷卻散熱效果變差，側(cè)風(fēng)面扇段出口水溫有較大幅度的升高.

圖93臺(tái)泵下環(huán)境風(fēng)速增大時(shí)不同位置扇段出口水溫的響應(yīng)曲線

Fig.9Response of outlet water temperature at different sectors to increase of wind speed with three pumps in operation

因此，當(dāng)冬季風(fēng)速增大時(shí)，由于側(cè)風(fēng)面扇段的換熱程度大大減弱，最終使空冷塔的整體換熱量有所減小，空冷塔出口水溫升高(即凝汽器進(jìn)口水溫升高)，引起凝汽器的背壓升高，不利于機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行.同時(shí)，環(huán)境風(fēng)速的增大又會(huì)引起迎風(fēng)面扇段的出口水溫下降較大，產(chǎn)生結(jié)冰危險(xiǎn)，不利于機(jī)組安全性.

3.3循環(huán)冷卻水質(zhì)量流量擾動(dòng)

當(dāng)外界環(huán)境條件與進(jìn)口水溫均保持不變，循環(huán)水泵由3臺(tái)減少為2臺(tái)時(shí)，循環(huán)冷卻水質(zhì)量流量由69 710 t/h減至47 600 t/h，空冷塔出口水溫動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線見圖10.由圖10可以看出，空冷塔出口水溫隨循環(huán)冷卻水質(zhì)量流量的減少而下降.進(jìn)口水溫保持42 ℃不變時(shí)，循環(huán)冷卻水質(zhì)量流量減少使一定換熱量下空冷塔進(jìn)、出口水的溫差增大，進(jìn)口水溫一定，則空冷塔出口水溫降低.與此同時(shí)循環(huán)冷卻水質(zhì)量流量的減少引起管道內(nèi)流速的降低，管道內(nèi)傳熱系數(shù)有所減小，削弱了空冷塔的換熱，使空冷塔出口水溫的降低趨勢(shì)趨于緩和.在擾動(dòng)發(fā)生后空冷塔出口水溫響應(yīng)速率開始較大，而后逐漸減小，經(jīng)過(guò)約600 s達(dá)到新穩(wěn)態(tài).

對(duì)比進(jìn)口水溫為33 ℃和42 ℃時(shí)的曲線變化可以看出，在進(jìn)口水溫較高時(shí)，空冷塔出口水溫響應(yīng)快，降低幅度較大，這是因?yàn)樵?2 ℃進(jìn)口水溫下，外界環(huán)境條件保持不變，循環(huán)冷卻水質(zhì)量流量減少引起的換熱量的相對(duì)減小幅度較小，進(jìn)、出口溫差的增大相對(duì)較大，則空冷塔出口水溫的降低幅度較大.

圖10循環(huán)水泵由3臺(tái)減為2臺(tái)時(shí)空冷塔出口水溫的響應(yīng)曲線

Fig.10Response of outlet water temperature to reduction of circulating water flow

4　模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所建模型的正確性和對(duì)不同工況的適應(yīng)性，從所研究機(jī)組的廠級(jí)監(jiān)控信息(SIS)系統(tǒng)中采集了近10個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)并選取40個(gè)符合研究條件且覆蓋范圍較廣的不同工況進(jìn)行模擬仿真，得到的計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)基本一致，驗(yàn)證了模型的正確性及工況適應(yīng)性.

表1給出了3種典型擾動(dòng)下的工況參數(shù)，將模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果見圖11.

表1　現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)擾動(dòng)工況

圖11(a)為工況1對(duì)應(yīng)的響應(yīng)曲線，其他條件一定，進(jìn)口水溫在1 200 s內(nèi)由36.5 ℃升高至39 ℃，空冷塔出口水溫在一定延遲后逐步上升至新穩(wěn)態(tài)，模型計(jì)算最大誤差為2.06%.由于實(shí)際運(yùn)行中環(huán)境風(fēng)速無(wú)法在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持不變，這里選取的環(huán)境風(fēng)速基本維持在2.4 m/s，但仍不穩(wěn)定，因此現(xiàn)場(chǎng)響應(yīng)曲線仍有所波動(dòng).圖11(b)為工況2對(duì)應(yīng)的響應(yīng)曲線，其他條件一定，環(huán)境溫度由13.6 ℃降低為12.7 ℃，環(huán)境風(fēng)速由1.6 m/s增大到3.3 m/s，在這2個(gè)因素的共同作用下，空冷塔出口水溫逐漸降低至新穩(wěn)態(tài)，模型計(jì)算誤差為1.49%.圖11(c)為工況3對(duì)應(yīng)的響應(yīng)曲線，其他條件一定，循環(huán)水泵由2臺(tái)增加到3臺(tái)，空冷塔出口水溫逐步升高.除了受到環(huán)境風(fēng)速波動(dòng)的影響，實(shí)際循環(huán)冷卻水質(zhì)量流量增加時(shí)也會(huì)引起進(jìn)口水溫的下降，造成現(xiàn)場(chǎng)響應(yīng)曲線波動(dòng)，模型計(jì)算最大誤差為2.15%.可見，模型的計(jì)算結(jié)果基本反映了空冷塔不同擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性，且誤差不超過(guò)3%.

(a) 進(jìn)口水溫?cái)_動(dòng)下空冷塔出口水溫的響應(yīng)曲線

(b) 換熱量增加時(shí)空冷塔出口水溫的響應(yīng)曲線

(c) 循環(huán)冷卻水質(zhì)量流量增加時(shí)空冷塔出口水溫的響應(yīng)曲線

Fig.11Comparison between model results and site data under different disturbances

5　結(jié)　論

以某600 MW機(jī)組SCAL型間接空冷系統(tǒng)為例，建立了空冷塔動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型，以空冷塔進(jìn)口水溫、散熱量和循環(huán)冷卻水質(zhì)量流量為擾動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真.仿真結(jié)果表明空冷塔出口水溫隨進(jìn)口水溫的升高而升高，且存在一定滯后性；環(huán)境溫度越低，空冷塔出口水溫越低；一定范圍內(nèi)，空冷塔出口水溫隨環(huán)境風(fēng)速的增大而升高，側(cè)風(fēng)面扇段出口水溫升高，迎風(fēng)面扇段出口水溫有所下降；循環(huán)冷卻水質(zhì)量流量減少也使空冷塔出口水溫下降，并增大其他擾動(dòng)下的響應(yīng)時(shí)間.

因空冷塔與凝汽器直接相關(guān)，不同因素對(duì)空冷塔動(dòng)態(tài)特性的影響也將對(duì)凝汽器的背壓產(chǎn)生影響，因此空冷塔動(dòng)態(tài)特性的研究將為進(jìn)一步研究機(jī)組冷端動(dòng)態(tài)特性提供基礎(chǔ)，而對(duì)扇段出口水溫特性的研究也為擾動(dòng)發(fā)生時(shí)判斷空冷塔扇段是否存在結(jié)冰危險(xiǎn)提供了有效的參考依據(jù).

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Study on Dynamic Characteristics of an SCAL Indirect Air-cooled Tower

LILan1,MAHuan1,SIFengqi1,ZHANGYifa2,ZHUKangping3

(1.Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control, Ministry of Education, School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China; 2. Pingwei Power Generation Co., Ltd., Huainan 232089, Anhui Province, China; 3. CPI Shentou Power Generation Co., Ltd., Shuozhou 036800, Shanxi Province, China)

Taking the large SCAL indirect air-cooled tower in a 600 MW unit as an object of study, a mathematical model was established for dynamic characteristics of the tower, which was solved using Euler algorithm, so as to analyze the dynamic response of enthalpy-temperature channel to the disturbance of following factors, such as the inlet water temperature and flow rate of circulating water, the environmental temperature and the wind speed, etc. The calculated dynamic characteristics were compared with actual operation data. Results show that the dynamic characteristics obtained with above model agree well with actual measurements, with an error less than 3%, which therefore may serve as a reference for operation control of indirect air-cooling systems.

indirect air-cooled tower; dynamic model; disturbance; response

A學(xué)科分類號(hào)：470.10

2014-04-15

2014-06-05

李嵐(1988-)，女，陜西寶雞人，碩士研究生，主要從事間接空冷系統(tǒng)方面的研究.

司風(fēng)琪(通信作者)，男，教授，電話(Tel.)：13705179462；E-mail：fqsi@seu.edu.cn.

1674-7607(2015)02-0153-07

TK264.1