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电站空冷系统动态特性及性能优化研究

闫景波  
【摘要】:电站空冷技术在我国缺水地区得到了广泛的应用。空冷系统的冷却介质为环境空气,由于环境气象条件经常变化,空冷系统极易受到环境风的影响而性能下降。空冷系统包含有大量的换热设备和工质,这些设备和工质会有蓄热作用。当环境条件变化时,空冷系统各项参数的变化是一个动态的过程。而目前关于空冷系统的研究多为稳态工况的研究,有必要对空冷系统动态特性展开研究,为空冷系统在动态变化过程中的性能优化提供理论指导。此外,由于太阳能、风能等新能源的发展,火电机组承担越来越多的调峰任务,这使得机组经常处于部分负荷状态,有必要对变负荷时机组空冷系统的运行优化和动态特性展开研究。本文首先研究了间接空冷系统空冷散热器的动态特性。分别建立了散热器循环水侧、管壁和空气侧动态换热微分方程,并对微分方程组进行离散求解。研究了散热器迎面风速、循环水流量和循环水入口温度变化时散热的动态响应特性。此外,还研究了散热器空气侧和循环水侧换热面积、换热系数和工质体积对散热器动态特性的影响。研究结果表明:扰动变量变化幅度越大,散热器的动态响应曲线变化幅度也越大。迎面风速和循环水流量较高时,动态响应时间较短。循环水入口温度对散热器动态响应时间没有影响。循环水侧动态响应时间要长于空气侧。空气侧换热面积增加时,空气侧动态响应时间增大,循环水侧不变。循环水侧换热面积变化对散热器动态特性影响不大。换热系数对散热器动态特性的影响规律和换热面积类似。随着循环水侧工质体积增大,空气侧和循环水侧的动态响应时间均增加。其次,本文基于换热器(Macro Heat Exchanger)模型,并将空冷塔侧和凝汽器侧进行耦合建立了间接空冷系统稳态计算模型。分别对凝汽器侧和散热器侧建立了动态换热微分方程组,并利用稳态计算结果作为边界条件,建立了间接空冷系统动态响应数学模型。研究了环境风速变化后具有单塔的间接空冷系统动态响应特性,结果表明环境风速阶跃升高后,凝汽器侧进出口水温和汽轮机背压呈增加趋势,随时间进行增加速度变缓。随着环境风速增加程度变大,间接空冷系统动态响应时间变长。环境风速下降时空冷系统动态响应时间要短于环境风升高时。对于具有双塔的间接空冷塔塔群,风向角不变风速升高时,两个塔的动态特性和单塔类似。当风速不变,风向角变化后,流动性能提高的扇区其出口水温先下降后上升,变化风向后流动性能变差的扇区其出口水温则一直上升。本文研究了环境风下循环水流量重新分配后空冷系统动态特性,并提出了三种不同的循环水调节方案。结果表明不同循环水流量不均匀分配方案下,机组平均净功率均高于循环水均匀分配方案,循环水流量以方案2的形式变化时平均净功率最高,相比循环水均匀分配方案平均净功率可增加0.901 MW。针对环境风对空冷系统的不利影响,提出采用辅助换热改善间接空冷系统流动换热性能。结果表明在风速为8 m/s、12 m/s和16 m/s时,辅助换热器能使空冷系统流动换热性能提升。最后,本文基于散热器(Radiator)模型和风机(Fan)模型,建立了直接空冷系统稳态计算模型。分别对直接空冷凝汽器的排汽侧、管壁和空气侧建立了动态换热微分方程,并以稳态计算结果作为边界条件,建立了直接空冷系统动态响应数学模型。研究了环境风速、环境风变化形式和环境风向变化时直接空冷系统动态特性。结果表明风速变化程度越大,背压变化速率越快,变化程度也越大,动态响应时间越长。环境风速以斜坡函数和指数函数形式增加时,背压变化速率先由慢变快再由快变慢,并且动态响应时间要长于风速阶跃变化。风向变化后,虽然背压变化不大,但是不同区域凝汽器换热量变化幅度很大。本文还研究了变负荷工况下直接空冷系统风机转速优化,以及变负荷过程中空冷系统的动态响应特性。结果表明:在机组负荷较高时,随风机转速升高净功率并没有出现极值。当负荷较低时风机转速会存在一个最佳值。在负荷为30%时,最佳转速下机组净功率可增加1.67 MW。变负荷过程中,风机转速调节时间越早,动态响应时间越短。在变负荷开始时刻,将风机转速阶跃变化为最佳风机转速可以使变负荷过程的平均净功率最高。


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