薛海君，王永新，石磊

(1.雙良節(jié)能系統(tǒng)股份有限公司，江蘇 江陰　214444；2.北京交通大學(xué) 土建學(xué)院，北京　100044)

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間接空冷系統(tǒng)冷端優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件研發(fā)

薛海君1，王永新1，石磊2

(1.雙良節(jié)能系統(tǒng)股份有限公司，江蘇 江陰214444；2.北京交通大學(xué) 土建學(xué)院，北京100044)

為保證間接空冷電廠的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，采用年總費(fèi)用最小法，開(kāi)發(fā)了間接空冷系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，包括熱端、冷端及塔型優(yōu)化軟件的編程思路、組成和框架、研究策略、實(shí)施步驟和計(jì)算方法，并通過(guò)間接空冷工程項(xiàng)目驗(yàn)證了程序的正確性。

工程熱物理；間接空冷系統(tǒng)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；空冷塔；間冷散熱器；冷端

0　引言

間接空冷(以下簡(jiǎn)稱間冷)系統(tǒng)的優(yōu)化對(duì)間冷電廠的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有十分重要的意義。間冷系統(tǒng)的優(yōu)化涉及整個(gè)熱力系統(tǒng)的冷、熱端及塔型等，主要包括汽輪機(jī)機(jī)型、凝汽器形式、間冷散熱器(IDCR)性能、空冷塔塔型及循環(huán)冷卻水管網(wǎng)等[1-4]。

凝汽器可分為表面式和混合式；空冷塔可分為鋼筋混凝土塔、鋼結(jié)構(gòu)外覆鋁板塔及鋼索鋁板塔；散熱器按材質(zhì)不同可分為鋼管鋼翅片、鋁管鋁翅片及鋼管鋁翅片；換熱管按管型不同，分為圓管、橢圓管和扁管。同一管型，當(dāng)基管間的行間距和列間距不同，翅片厚度和間距不同時(shí)，管束的翅化比也有所不同。散熱器按管排數(shù)不同，分為2排、4排和6排管，可以在空冷塔外垂直周向布置或在空冷塔內(nèi)水平布置。根據(jù)流程不同，IDCR水系統(tǒng)可分為單流程和雙流程。汽輪發(fā)電機(jī)組與空冷塔按匹配方式不同，可分為1機(jī)1塔、1機(jī)2塔或2機(jī)1塔。給水泵汽輪機(jī)(又稱小機(jī))排汽可通過(guò)IDCR冷卻或單獨(dú)冷卻。當(dāng)采用排煙冷卻塔時(shí)，可采用煙塔合一或3塔合一的方式。上述設(shè)備、構(gòu)筑物和系統(tǒng)形式排列組合成了多種形式的間冷系統(tǒng)。間冷系統(tǒng)優(yōu)化涉及機(jī)務(wù)、熱動(dòng)、給排水、結(jié)構(gòu)等專業(yè)，系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備多，開(kāi)發(fā)難度大。

間冷系統(tǒng)優(yōu)化和變工況理論研究并不多見(jiàn)[5-6]，主要集中在20世紀(jì)90年代200 MW級(jí)海勒式和哈蒙式機(jī)組引進(jìn)階段，并在優(yōu)化中采取了一些簡(jiǎn)化。近年來(lái)，業(yè)界對(duì)間接空冷系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)水平有了較大提高。對(duì)工程項(xiàng)目進(jìn)行簡(jiǎn)單方案比較和經(jīng)濟(jì)性分析早已不能滿足項(xiàng)目要求，隨著間冷項(xiàng)目的增多和競(jìng)爭(zhēng)加劇，各設(shè)計(jì)單位對(duì)間冷系統(tǒng)的優(yōu)化越來(lái)越重視，相關(guān)軟件的開(kāi)發(fā)迫在眉睫。以下簡(jiǎn)要介紹北京交通大學(xué)與廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的間冷優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件[7]。

1　優(yōu)化思路

間冷系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是個(gè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，要進(jìn)行多方案的比選。優(yōu)化計(jì)算綜合考慮初投資和運(yùn)行費(fèi)用，使空冷系統(tǒng)在壽命期內(nèi)年總費(fèi)用最小。同時(shí)，還要對(duì)工程投資、投資回收率、發(fā)電成本等因素進(jìn)行敏感性分析[8-9]。

汽輪機(jī)低壓缸排汽在凝汽器中被循環(huán)冷卻水冷凝，凝結(jié)水經(jīng)泵送回汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)。冷卻水吸熱，溫度升高，進(jìn)入空冷塔IDCR，被環(huán)境空氣冷卻后，再次回到凝汽器，如此循環(huán)。汽輪機(jī)低壓缸排汽溫度，循環(huán)冷卻水進(jìn)、出塔溫度及空氣進(jìn)、出塔溫度之間的關(guān)系見(jiàn)式(1)～(3)，曲線如圖1所示。

(1)

(2)

(3)

式中：tc為凝汽器壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度，℃；tw1,tw2分別為循環(huán)冷卻水進(jìn)、出塔溫度，℃；Δt為凝汽器端差，℃；ta1,ta2分別為空氣進(jìn)、出塔溫度，℃；tITD為間冷系統(tǒng)初始端差，℃；Δtw為循環(huán)冷卻水溫升，℃。

根據(jù)當(dāng)?shù)氐湫湍隁庀筚Y料，可確定設(shè)計(jì)氣溫和滿發(fā)氣溫[10-11]。汽輪機(jī)機(jī)型不同，末級(jí)葉片的長(zhǎng)度不同，相同機(jī)型汽輪機(jī)設(shè)計(jì)背壓也不同，凝汽器結(jié)構(gòu)形式、IDCR水流程、傳熱系數(shù)、傳熱面積和端差也有所不同。當(dāng)汽輪機(jī)、凝汽器、循環(huán)水參數(shù)固定時(shí)，間冷系統(tǒng)的初始溫差(ITD)設(shè)計(jì)保持不變，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化即為對(duì)固定ITD的優(yōu)化；反之，則設(shè)計(jì)ITD

·12·

隨之改變，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化即為對(duì)設(shè)計(jì)ITD的優(yōu)化。

圖1　溫度關(guān)系曲線

2　軟件特點(diǎn)和組成

軟件適用于不同類型的間冷系統(tǒng)，并與Excel軟件連接，有效提升了其數(shù)據(jù)處理能力，極大地方便了使用者。軟件的開(kāi)發(fā)基于塔外垂直周向布置的鋁管鋁翅片IDCR，通過(guò)改變IDCR的傳熱和阻力特性，完成對(duì)塔外垂直周向布置的鋼管鋁/鋼翅片IDCR和塔內(nèi)水平布置IDCR的研究、優(yōu)化、設(shè)計(jì)及校核計(jì)算，完成間冷塔的塔型優(yōu)化和間冷系統(tǒng)各部分阻力、抽力和阻力平衡的計(jì)算。根據(jù)不同的汽輪機(jī)特性，完成機(jī)組變進(jìn)汽量和出力狀態(tài)下間冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算、變工況計(jì)算及綜合優(yōu)化。

固定ITD的優(yōu)化是根據(jù)冷卻管束性能對(duì)IDCR不同迎面風(fēng)速和空冷塔型進(jìn)行優(yōu)化。設(shè)計(jì)ITD的優(yōu)化涵蓋了固定ITD的優(yōu)化范疇，此外還包括對(duì)汽輪機(jī)和凝汽器參數(shù)的優(yōu)化。優(yōu)化計(jì)算包括間冷系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)、方案設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、全年變工況計(jì)算、經(jīng)濟(jì)性分析和方案優(yōu)選。整個(gè)軟件的基本組成和主要功能模塊如圖2所示，圍繞軟件基本組成詳述軟件的研究策略、關(guān)鍵技術(shù)、實(shí)施步驟及計(jì)算方法。

圖2　間接空冷機(jī)組冷端系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件組成

3　基本設(shè)計(jì)優(yōu)化

根據(jù)計(jì)算或考核工況，一般為汽輪機(jī)額定功率(TRL)或最大連續(xù)功率(TMCR)工況，進(jìn)行熱力計(jì)算及校核計(jì)算。根據(jù)冷卻管束參數(shù)，調(diào)整IDCR迎面風(fēng)速和冷卻三角個(gè)數(shù)，以滿足汽輪機(jī)散熱要求，即可確定IDCR的總計(jì)算散熱面積和迎風(fēng)面積，稱為基本設(shè)計(jì)優(yōu)化。

環(huán)境氣象條件包括大氣壓力、環(huán)境溫度及環(huán)境風(fēng)速，由廠址氣象臺(tái)站提供。根據(jù)國(guó)際公式化委員會(huì)(IFC)制定的IAPWS-IF 1997公式通用計(jì)算模型[12]和Antoine方程[13]確定水和水蒸氣物理參數(shù)，濕蒸汽參數(shù)可通過(guò)汽輪機(jī)排汽參數(shù)擬合公式或數(shù)值模擬[14]確定，根據(jù)汽輪機(jī)額定工況確定機(jī)組排熱量。

各IDCR廠商的散熱器材質(zhì)、管型、布置形式和散熱器水系統(tǒng)流程數(shù)有較大差異[15-16]，IDCR性能參數(shù)來(lái)源于空冷廠商提供的試驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，主要包括IDCR傳熱系數(shù)、空氣側(cè)阻力和水側(cè)阻力特性等。

采用效能-傳熱單元數(shù)(ε-NTU)法進(jìn)行熱力計(jì)算和校核計(jì)算，確定某迎面風(fēng)速下IDCR的總面積和總迎風(fēng)面積[17-18]。

4　方案設(shè)計(jì)優(yōu)化

根據(jù)基本設(shè)計(jì)優(yōu)化的計(jì)算結(jié)果，綜合考慮冷卻管束的長(zhǎng)和高、冷卻三角設(shè)計(jì)方案及面積裕量，結(jié)合間冷塔塔型和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，確定IDCR的布置方案、塔型、水系統(tǒng)設(shè)備選型參數(shù)，此優(yōu)化過(guò)程稱為IDCR方案設(shè)計(jì)優(yōu)化。

不同IDCR供貨廠商所提供的冷卻管束、冷卻元件、冷卻柱和冷卻三角規(guī)格存在較大差異，應(yīng)針對(duì)不同工程選擇合適的冷卻三角及規(guī)格。

4.1IDCR布置和塔型優(yōu)化

空氣動(dòng)力計(jì)算涉及塔型優(yōu)化、空氣側(cè)系統(tǒng)阻力和空冷塔抽力的確定及平衡?？諝鈧?cè)阻力包括x柱阻力、進(jìn)風(fēng)收縮阻力、冷卻三角總阻力(包括百葉窗本體阻力、冷卻三角入口阻力、IDCR本體阻力、冷卻三角射流阻力)、空冷塔入口阻力、出風(fēng)擴(kuò)張阻力以及空冷塔出口形狀阻力、橫向風(fēng)對(duì)空冷塔系統(tǒng)阻力的影響等。

根據(jù)塔型優(yōu)化研究成果和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，結(jié)合熱力計(jì)算和空氣動(dòng)力計(jì)算，可確定IDCR的布置、空冷塔的高度和出口直徑、x柱0 m直徑、進(jìn)風(fēng)口高度和直徑、喉部高度和直徑、殼體曲線等。

4.2水系統(tǒng)設(shè)備選型

循環(huán)冷卻水在間冷系統(tǒng)中流動(dòng)時(shí)，受到沿程阻力和局部阻力，壓力不斷降低。不同工況下，冷卻水管道系統(tǒng)阻力與管道系統(tǒng)形式有關(guān)，如管徑、管束形式、流程數(shù)、流速、水溫及采用開(kāi)式系統(tǒng)或閉式系統(tǒng)等。根據(jù)水力計(jì)算，確定循環(huán)水泵、充水泵、補(bǔ)水泵、膨脹水箱等設(shè)備選型。

5　變工況計(jì)算

針對(duì)某個(gè)設(shè)計(jì)迎面風(fēng)速所對(duì)應(yīng)的IDCR總散熱面積、塔型及設(shè)備選型方案，可進(jìn)行該方案全年的變工況優(yōu)化計(jì)算。即根據(jù)典型年逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)，按照汽輪機(jī)運(yùn)行模式和TMCR變工況特性表，進(jìn)行全年變工況計(jì)算。

變工況計(jì)算包括典型年逐時(shí)氣象參數(shù)、汽輪機(jī)運(yùn)行模式及汽輪機(jī)、凝汽器變工況特性。典型年逐時(shí)氣象參數(shù)及數(shù)據(jù)由氣象部門結(jié)合廠址或周邊氣象站多年逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)研究確定，汽輪機(jī)運(yùn)行模式包括不同環(huán)境溫度下汽輪機(jī)的出力、運(yùn)行小時(shí)數(shù)和利用小時(shí)數(shù)，汽輪機(jī)及凝汽器變工況特性一般由供貨廠商提供。

通過(guò)變工況計(jì)算，確定間冷系統(tǒng)典型年變工況運(yùn)行數(shù)據(jù)及各參數(shù)之間的相互關(guān)系曲線。根據(jù)變工況計(jì)算結(jié)果，可以確定間冷系統(tǒng)全年不同溫度時(shí)段的運(yùn)行優(yōu)化表。

6　經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)變工況運(yùn)行優(yōu)化表，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，確定各方案間冷系統(tǒng)的年總費(fèi)用，包括年固定費(fèi)用和年運(yùn)行費(fèi)用2部分。根據(jù)各方案的優(yōu)化計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，選出年總費(fèi)用最小的方案，即為最優(yōu)方案。

7　實(shí)例分析

通過(guò)實(shí)際間冷工程項(xiàng)目驗(yàn)證程序的正確性。如某2×350 MW間冷工程項(xiàng)目TRL和TMCR考核工況，通過(guò)變工況計(jì)算，得到一系列間冷系統(tǒng)性能曲線，即間冷系統(tǒng)各參數(shù)與環(huán)境溫度之間的關(guān)系曲線，如圖3、圖4所示(TRL工況下100%散熱量為455 MW，空氣干球溫度為33 ℃，大氣壓力為891.9 hPa，水流量為37 970 m3/h，冷卻塔出水溫度≤ 52 ℃，10 m高環(huán)境風(fēng)速為4 m/s；TMCR 工況下100%散熱量為451 MW，空氣干球溫度為15.5 ℃，大氣壓力為900.8 hPa，水流量為37 970 m3/h，冷卻塔出水溫度≤ 33 ℃，10 m高環(huán)境風(fēng)速為4 m/s)。冬季，汽輪機(jī)在阻塞背壓工況下運(yùn)行，雖然空冷塔具有較大的抽力，為防止IDCR凍結(jié)，調(diào)整其百葉窗開(kāi)度，使出塔水溫保持不變；隨著環(huán)境溫度的升高，IDCR迎面風(fēng)速逐漸增大，當(dāng)汽輪機(jī)排汽壓力高于阻塞背壓時(shí)，由于空冷塔抽力的限制，IDCR迎面風(fēng)速略有增加，冷卻塔的出水溫度逐漸升高。

圖3　出塔水溫與環(huán)境溫度的關(guān)系

圖4　IDCR迎面風(fēng)速與環(huán)境溫度的關(guān)系

如圖5、圖6所示，冬季，汽輪機(jī)在阻塞背壓工況下運(yùn)行，隨著環(huán)境溫度的升高，機(jī)組出力、熱耗保持不變；運(yùn)行時(shí)，ITD逐漸升高，IDCR冷卻能力(CPC)，即汽輪機(jī)排熱量與運(yùn)行ITD的比值逐漸減小。汽輪機(jī)在排汽背壓高于阻塞背壓工況下運(yùn)行時(shí)，隨著環(huán)境溫度的升高，機(jī)組出力降低，熱耗增加，汽輪機(jī)排汽量和熱量略有增加，排汽背壓升高，運(yùn)行中ITD逐漸降低后略微升高，CPC逐漸上升后略微降低。

圖5　機(jī)組出力、熱耗與環(huán)境溫度的關(guān)系

圖6　運(yùn)行ITD，CPC與環(huán)境溫度的關(guān)系

8　結(jié)束語(yǔ)

采用年總費(fèi)用最小法，介紹了間接空冷系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件的編程思路、組成、框架、研究策略、實(shí)施步驟及計(jì)算方法。通過(guò)實(shí)際工程對(duì)軟件的優(yōu)化和設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。隨著環(huán)境溫度的升高，冷卻塔出水溫度升高，機(jī)組出力下降，熱耗增加；運(yùn)行ITD逐漸降低，然后略微升高，CPC逐漸升高后略微降低。

[1]丁爾謀.發(fā)電廠空冷技術(shù)[M].北京:水利電力出版社,1992.

[2]KR?GER D G. Air-cooled heat exchangers and cooling tower: thermal-flow performance and designⅠ&Ⅱ[M].Tulsa:Penwell Corporation,2005.

[3]西北電力設(shè)計(jì)院.電力工程水務(wù)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)電力出版社.2005.

[4]齊復(fù)東,賈樹(shù)本,馬義偉.電站凝汽設(shè)備和冷卻系統(tǒng)[M].北京:水利電力出版社,1990.

[5]彭繼業(yè).表面式凝汽器間接空冷系統(tǒng)可靠性及優(yōu)化設(shè)計(jì)探討[J].中國(guó)電力,1996,29(2):18-21.

[6]張春雨,嚴(yán)俊杰,林萬(wàn)超.海勒式間接空冷系統(tǒng)變工況特性理論研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2004,25(1):13-16.

[7]廣東省電力設(shè)計(jì)研究院.間接空冷系統(tǒng)冷端優(yōu)化及塔型優(yōu)化研究與軟件開(kāi)發(fā)研究報(bào)告[R].北京:北京交通大學(xué),2013.

[8]石磊,黃志祥,朱嵩,等.直接空冷系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件研發(fā)及關(guān)鍵技術(shù)[J].汽輪機(jī)技術(shù),2011,53(6):425-428.

[9]火力發(fā)電廠水工設(shè)計(jì)規(guī)范:DL/T 5339—2006[S].

[10]石磊,劉國(guó)銀,薛海君,等.直接空冷系統(tǒng)優(yōu)化及設(shè)計(jì)典型年探討[J].熱力發(fā)電,2010,39(9):1-4.

[11]張新海.電站空冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的確定[C]//中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì).中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)火電分會(huì)空冷專委會(huì)第四屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集：2007.

[12]WANGER W,COOPER J R, DITTMANN A, et al.The IAPWS industrial formulation 1997 for the thermodynamic properties of water and steam[J].Transactions of the ASME,2000,122(1):150-182.

[13]劉暉,張洪濤,肖紅.水飽和蒸汽壓的Antoine方程常數(shù)比較[J].內(nèi)蒙古石油化工,2009,(13):32-34.

[14]石磊,周云山,劉海峰,李星.SPX某直接排汽管道內(nèi)濕蒸汽的數(shù)值研究[J].節(jié)能技術(shù),2007(12):508-511.

[15]石磊,石誠(chéng),李少寧,等.表面式間接空冷散熱器換熱特性的數(shù)值研究[J].動(dòng)力工程,2009,29(5):472-475.

[16]石磊,莫子高,石誠(chéng).小汽機(jī)表面式間接空冷散熱器空冷塔流動(dòng)和傳熱的數(shù)值研究[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011,37(5):760-765.

[17]溫高.發(fā)電廠空冷技術(shù)[M].北京:中國(guó)電力出版社，2008.

[18]馬義偉.空冷器設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1998.

(本文責(zé)編：弋洋)

2016-04-25；

2016-06-17

江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化專項(xiàng)基金(BA2009023)

TK 262

A

1674-1951(2016)07-0011-04

薛海君(1956—)，男，河南新鄉(xiāng)人，高級(jí)工程師，從事流體流動(dòng)和換熱方面的研究(E-mail:2729805887@qq.com)。

王永新(1973—)，男，江蘇江陰人，高級(jí)工程師，從事?lián)Q熱器傳熱特性方面的研究(E-mail:wangyx@shuangliang.com)。

石磊(1973—)，男，河南信陽(yáng)人，高級(jí)工程師，工學(xué)博士，從事復(fù)雜流動(dòng)和傳熱方面的研究(E-mail:lshi@bjtu.edu.cn)。