两者 的表面板式冷却器压力均为大气压

　　2009.10中国 昆明 2009 年清洁高效燃煤发电技术协作网年会 华能石洞口电市宝山区盛石路270 要：虹吸是液态分子间引力与位能差所造成的，即利用水柱压力差，使水上升到高处后再流至低处。我发电机铁芯以空气冷却，以长江为水源的循环水依次经过循泵和空冷泵增压，在发电机空冷器中吸热后回到虹吸井，即空冷 系统串联于循环水的虹吸流动中。开展节能工作的过程中，设想并实现了仅以虹吸流动的流量替代原空冷泵增压运行 方式，维持发电机空冷效果。 关键词：虹吸 发电机空冷 真空大气等压面 节能 节能设想1.1 系统简介 下图为我发电机空冷系统示意图，已知空 冷泵出水管起于0m，空冷器出水管处标高为 9m。 1.2 提出节能设想 对于我的发电机空气冷却系统，若将空冷 泵停用，能否仅靠循泵扬程维持冷却水的虹吸流 动？下文将对此设想展开讨论。 2.虹吸原理简述 2.1 虹吸现象 在大气压力 的作用下，液体不需要任何设 HsHd PL PR 大气压P0大气压P0 能通过高于进口液面的管道连续流向低处的现 H3P3 0m 大气压P0 虹吸井 2(大气压等压面)H2 长江9m October 2009 2009 Collaboration Network Annual Meeting Kunming,China Efficient Coal-fired Power Generation Technology 2009.10 2009年清洁高效燃煤发电技术协作网年会 中国 昆明 上图为虹吸管模型，假设管内的水为理想流体，即不可压缩且无粘性的流体，不考虑流动损 状态一：在虹吸管开始工作前，先使管内充满水，此时管内的水尚未流动，接着分析图中过 流断面1－1 处液面的受力情况。根据流体静力学 基本方程，过流断面 －1左侧的受力： ；同理，过流断面1－1 右侧的 受力： 则过流断面1－1 处的液体在不平衡力的作用下 打破静止状态开始加速沿管道向出水口流动。板式冷却器 状态三：当管内的水达到某一速度后便达到 动态平衡，保持该速度稳定流动：运动流体中各 质点的运动参数均不随时间变化，只随空间位置 不同而变化的流动。因此可对水箱液面0－0 1－1列稳定流动能量方程——伯努利方程： 。式（1－1）由式（1－1）可知：只要管内保持稳定流动， 不管 取正值还是零， 必然成立。而只 要真空不被破坏，液体就可以在不借用任何外力 的情况下，板式冷却器连续不断地从低向高流动，抽吸水箱 中的水向外排出，这便是虹吸现象。虹吸管 点与吸水处的垂直距离差 就是虹吸高度。 2.2虹吸建立和破坏的条件 若出水处和吸水处的表面压力均为大气压 ，根据上一小结的论述可推论建立虹吸现象的 条件：（1）、管道中必须充满水；（2）、出水处标 高低于吸水处。 破坏虹吸的条件：当过流断面1－1（管道点）处的压力低于流动液体温度所对应的饱和 压力时，液体产生汽化，使该处的压力升高，导 致真空逐渐降低，终破坏虹吸流动。 虹吸运行方式可行性分析及计算为便于讨论，将循环水设想为理想流体，即 不可压缩且无粘性的流体，不考虑其流动损失。 则循环水在管道中的流动可视为稳定流动，满足 稳定流动的连续性方程： vS =常量，S为流体所 经管道的截面积。若不考虑管径的差异和水的密 度的细微变化，则 ＝常量，循环水在管道内2009 Collaboration Network Annual Meeting October2009 Efficient Coal-fired Power Generation Technology Kunming, China 2009.10 中国 昆明 2009 年清洁高效燃煤发电技术协作网年会 的流动可被视为匀速流动，通过各个截面的速度相等： 。式（2－1）由于循泵叶角和循泵运行台数可调，我循 进水管压力在区间[10kpa，50kpa]范围内波动。 正常工况下，机组 200MW 0运行时循环水进水管道的表压力 P1=25kpa（图示位置），则 该位置压力 kpa 。式（2－2）3.1 确定大气压等压面 水在管道内克服重力向上流动，由过流断面 1－1 ＝常量，若动能保持不变，伴随着位能的增加，压力势能必然减小。由于循环 水进水管的表压力P1=25kpa，不妨假设存在一个 过流断面 2－2，在位能与压力势能的交换过程 中，该处压力等于大气压。在该假设情况下，对 过流断面 －2列伯努利方程： 。式（3－1）将式（2－1）、（2－2）、（2－3）代入式（3 由我实际管道布置可知，空冷器进水管上升段标高由0m 至9m，计算值2.5m 属于该范围。 因此，证明假设为真，同时得到以下结论：空冷 器入水管道上升段确实存在一个过流断面2－2， 其相对压力为零，即压力等于大气压 。式（2－3）3.2 确定具备虹吸建立的条件 确定了大气压等压面2－2的标高为2.5m后， 可将该断面视为吸水处，虹吸井为出水处，两者 的表面压力均为大气压 。接着，以空冷泵增压 方式赶尽管道内空气，使管道内充满水后停用空 冷泵。此时，系统已满足建立虹吸的两个条件： （1）管道中必须充满水；（2）出水处标高低于吸 由此可见，所讨论的虹吸冷却系统与上文虹吸原理中所介绍的模型基本相同，以同方法可使 虹吸建立得证，此处不再赘述。 3.3 确定虹吸流动点线列伯努利方程： 。式（3－2）我空冷系统管道处为 ，虹吸 October2009 2009 Collaboration Network Annual Meeting Kunming,China Efficient Coal-fired Power Generation Technology 2009.10 2009年清洁高效燃煤发电技术协作网年会 中国 昆明 2009 Collaboration Network Annual Meeting October2009 Efficient Coal-fired Power Generation Technology Kunming, China 高度 。式（2－4）将式（2－1）、（2－3）、（2－4）代入式（3 ，可计算出压力 kpagH ，换算成线kpa。 结论：根据计算，在空冷泵停用后，仅以循 泵扬程仍可在空冷器点产生真空，建立虹吸 流动，且线 误差估计 以上计算皆基于理想状态，虹吸冷却方式实 际投用过程中， （1）、流动损失对计算真空值的影响：若计 入循环水经过管道和空冷泵泵体的流动损失 。显然，计入流动损失将导致计算出的大气压等压面标高降 代入式（3－2）后使终的实际线）、管径差异对计算真空值的影响：若考虑管径差异，真空表所安装的位置管径较空冷器 入水管管径小 ，根据连续性方程vS 。则计算出的压力kpa ，换算后的线）、流体的可压缩性对计算线的水，压力每增加一个标准大气压，体 积仅比原体积缩小 0.005％，降低温度将使水的 可压缩性更小。因此，循环水压缩性所造成的计 算误差可以不考虑。 不难发现，流动损失和管径尺寸差将导致计 算结果产生误差，且两项叠加减小了断面 3－3 的计算真空值，实际运行时的线.虹吸运行方式投运前的准备 4.1 设备改动情况 （1）、板式冷却器为了便于观察空冷器虹吸情况，在空 冷器出水管上新加装了2 只线）、为了减少流动阻力，将空冷泵 出口逆止门抽掉。 （3）、为了便于对空冷器赶空气，在空冷器 发电机进风温度 发电机进风温度 发电机进风温度 发电机进风温 2009.10中国 昆明 2009 年清洁高效燃煤发电技术协作网年会 4.2热工逻辑改动情况 为了防止运行中空冷器虹吸破坏造成空冷器断 水，增加发电机进风温度高联动开空冷泵及声 光报警逻辑回路。其逻辑图如下： 5.虹吸运行方式实际投运情况 5.1 实际投运情况 该运行方式自2008 年11 月下旬先后在我 机组实施，以空冷泵增压方式启动，建立系统的同时赶尽管道内空气，当管道内充满水后 停用空冷泵，仅以单循泵扬程可维持发电机空冷 系统的虹吸流动，运行情况稳定，节能设想成立。 5.2 误差情况：在空冷器出水管上新加装了 线kpa（图示位置，新加装），大于 理论计算值－65kpa，与误差估计符合。 5.3 实际投运中的不稳定工况 （1）、虹吸流动的真空保持过低，降低了冷 却流量。例如：发电机空冷器/出水总门开度小或 者循环水进水二次滤网堵塞导致冷却器侧水压高 时，虹吸容易破坏。分析原因如下：此时冷却水 进水压力较高，而流速较低，冷却水量小。当其 吸热量增大，致使空冷器内有些铜管中的水过早 汽化，产生汽泡，这些汽泡又由于水流速低不能 及时被带走，在出口管的点处越积越多后使 虹吸破坏。 措施：在实际运行中尽量保持冷却水有一定 的流速，合理的流量，密切监视冷却水温升，防 止虹吸断流。 （2）、虹吸流动的真空保持过高，增大了液 体汽化可能性。例如：循泵叶角调小或者潮位降 低导致冷却器侧进水压力低时，大气压等压面会 下移，真空会自动增高来维持虹吸流动。当线kpa 时，板式冷却器其饱和温度约为61，实际运行 October 2009 2009 Collaboration Network Annual Meeting Kunming,China Efficient Coal-fired Power Generation Technology 2009.10 2009年清洁高效燃煤发电技术协作网年会 中国 昆明 过程中，冷却器出水温度不能达到该温度；上升 至－90kpa 时，其对应饱和温度降至47.7；若 真空继续上升，饱和温度仍旧继续降低，一旦跌 至冷却器出水温度，液体汽化破坏虹吸。 措施：在实际运行中调整好循环水压力，限 制真空不过高，防止虹吸破坏。 （3）、但与原一台空冷泵常运行冷却方式相 比，发电机进风温度较难调整控制。 案例一：2009 机组负荷260MW，AGC，发电机空冷器共8 组进出水门开足， 进出水总门、空冷器5～8进出水总 门开足，空冷器出水总门40%左右，发电机汽侧 进风温度14，励侧进风温度15。由于天气潮湿， 巡检发现空冷器结露严重，立即调节关小空冷器 出水总门至20%，提高发电机汽、励两侧进风温 度，汽侧进风温度缓慢上升至19 左右温度，但励 侧进风温度缓慢上升至20C 以上后，上升趋势 加快，温度迅速上升至30 以上，判断为虹吸破坏， 立即启动空冷泵A后励侧温度下降至20C左右。 案例二：2009 机组负荷260MW，AGC，空冷器1、6、8 组进水门关闭，空 米层）50%,发电机汽、励两侧进风温度均在35左右，空冷泵3A 运行。 因天气转 冷，相对比较干燥，将发电机空冷器第 组进水门关闭，其余各分组均开足投入，空冷器 温度下降至19.3左右稳定,励侧稳定下降 从上述两个案例可以看出，利用循环水虹吸原理对发电机空气进行冷却后，发电机进风温 度较难调节。当空冷器结露需提高发电机进风温 度时，通常的做法为减少空冷器冷却水量，即关 小空冷器出水总门，板式冷却器但此法极易引起虹吸破坏造 成空冷器断水。根据伯努利方程所述，在沿流线 运动过程中，单位体积流体的总能量守恒，即 压力能+位能+动能=常数。当空冷器出水总门 关小时，空冷器中循环水的压力能增加，而位 能不变，则动能减少，即流速减慢。空冷器中 循环水的流速减慢、流量减少后，不能完全将 2009 Collaboration Network Annual Meeting October2009 Efficient Coal-fired Power Generation Technology Kunming, China 2009.10 中国 昆明 2009 年清洁高效燃煤发电技术协作网年会 循环水中析出的空气带走，析出的空气上升积聚在空冷器水管处 米左右，板式冷却器终气泡会使液面断开，虹吸破坏。可见，当空冷器结露 需提高空冷器进风温度时，不能通过关小空冷 器出水总门来减少循环水流量的方法，空冷器 出水总门始终需保持 50%以上的开度来保证 空冷器水管中有足够的通流量。 措施：根据发电机进风温度（不低于 20 组进出水总门开足、空冷器5～8组进出水 总门开足，空冷器出水总门（0 米层）50%开度以 上。该方法基本能维持发电机汽、励两侧进风温 度在20C 以上，气候潮湿期间空冷器结露现象 有明显好转。 6.节能效益 按一台机组计算：原空冷泵一台常运行方式 下，功率因数和额定电流分别按0.87 和140 安培 kwhUI 80cos 8760小时，那么空冷泵的年耗电量约为 702254.16kwh。 现空冷泵增压冷却方式仅作为虹吸冷却方式 的备用，若虹吸方式运行稳定，则一年能够节约 量702254.16kwh。 按空冷泵年停用时间365 天和0.3 元/kwh 价计算，该项节能改造所产生的实际经济效益为702254.160.3＝210676.25 台机组一年的节能经济效益：210676.254＝842705 致谢对给予指导和帮助的运行部主任朱震和运行部汽机专工 叶秋平表示诚挚的感谢。 孙玉民电热力系统与辅助设备中国电力出版设 2000 工程流体力学水利出版社 1984 王国清汽轮机设备运行技术问答 中国电力电力出版社 2004 收稿日期：2009 臻（1983年）.男..本科.助理工程师.热能与动力工程 October 2009 2009 Collaboration Network Annual Meeting Kunming,China Efficient Coal-fired Power Generation Technology
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