不同运行工况下给水加热器端差特性的计算分析.pdf

第 5 4卷 第 4期 2 0 1 2年 8月 汽轮机技术 TURBI NE r ECHN0LOGY Vo 1 ． 5 4 No ． 4 Au g ． 2 01 2 不同运行工况下给水加热器端差 特性的计算分析 杨海生 ， 陈伟刚 ( 1河北省 电力研究院， 石家庄 0 5 0 0 2 1 ； 2华能集 团公司河北分公司， 石家庄 0 5 0 0 5 1 ) 摘要 ： 给水加热器端差性能， 随机组运行工况的变化而变化。对 A S ME加热器性能试验标准中采用的加热器性能 计算方法进行了介绍， 并对利用这种方法进行加热器端差性能的变工况计算进行了说明。针对某一国外机组提供 的加热器变工况特性进行了核算， 计算结果表明， 采用 A S ME标准中提供的方法进行加热器性能变工况计算后得 到的结果 ， 与厂家提供的性能特性能较好的吻合。采用的方法在计算加热器特性时有明显的优势。 关键词 ： 给水加热器 ； 端差 ； 性能特性 ； 变工 况； 分析 分类号 ： T K 2 2 3 ． 3 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 1 - 5 8 8 4 ( 2 0 1 2 ) 0 4 - 0 2 5 0 - 0 3 A n a l y s i s o f F e e d w a t e r H e a t e r s P e r f o r m a n c e C h a r a c t e ri s t i c Un d e r Va r i a b l e L o a d Op e r a t i o n C o n d i t i o n s - YAN G Ha 1 ． s h e n g ． CHE N We i ． g a n g ( 1 He b e i E l e c t r i c P o w e r R e s e a r c h I n s t i t u t e ， S h i j i a z h u a n g 0 5 0 0 2 1 ； 2 H u a n e n g C o r p o r a t i o n G r o u p H e b e i B r a n c h ， S h i j i a z h u a n g 0 5 0 0 5 1 ) Abs t r a c t： The pe rfo r ma n c e o f t h e f e e d wa t e r h e a t e r s v a ries wi t h t h e un i t o p e r a t i o n c o n di t i o n s ． Th e f e e dwa t e r he a t e r p e rf o r ma n c e c a l c u l a t i o n me t h o d a d o p t e d i n t h e AS ME P e rf o rm a n c e Co d e o f C l o s e d F e e d wa t e r He a t e r s wa s i n t r o d u c e d， a n d t h e p r o c e d u r e s t o c alc u l a t e t h e f e e d wa t e r h e a t e r s p e rf o rm a n c e u n d e r v a ria b l e l o a d c o n d i t i o n s b a s e d o n t h e p r e v i o u s me t h o d w a s d e s c r i b e d ．An e x a mp l e w a s g l v e fl f o r o n e f e e d w a t e r h e a t e r o t a n i mp o r t e d u n i t ．I t i s s h o w n t h a t t h e r e s u l t s g o t f r o m t h e AS ME me t h o d a r e r e l a t i v e l y c l o s e t o t h e p e r f o r ma n c e d a t a p r o v i d e d b y t h e ma n u f a c t u r e ．T h e me t h o d s u g g e s t e d h a s o b v i o u s a d v a n t a g e i n t h e c alc u l a t i o n o f t h e f e e d w a t e r h e a t e r s p e r f o rm ml c e c h a r a c t e ri s t i c s ． Ke y wo r ds： f e e dwat e r he at e r； t e r mi na l t e mpe r at ur e d i ffer e nc e； pe r f o r man c e； v a r i ng l oa d c o ndi t i o n； an alys i s 0 前言 给水加热器 ， 作为电厂回热系统中重要设备， 其性能的 好坏直接影响机组运行的经济性。根据文献[ 1 ] ， 对 3 0 0 MW 亚临界机组 ， 末级高加端差增加2 ． 4 ~ C， 则将使机组经济性下 降0 ． 0 4 4 ％， 影响机组热耗值约3 ． 5 2 k J ／ ( k W h ) ， 影响机组 煤耗率约0 ． 1 3 5 k J ／ ( k W h ) 。 电厂给水加热器的性能参数中， 上端差及疏水端差为两 个主要控制指标。国内汽轮机热力系统设计中， 一般并不考 虑给水加热器性能指标的变化， 比较典型的例子是汽轮机供 货商提供的热平衡图中， 各加热器端差性能指标在各种运行 工况下均取固定设计值。另一方面， 给水加热器供货商一般 也不提供加热器端差指标随运行工况的性能变化曲线。 应 当注意到 ， 给水 加热器 的这两 项性能指标是 一个随运 行工况变化的指标。一般来说， 在机组运行负荷高时， 给水 加热器的端差较大； 随着机组运行负荷的降低， 给水加热器 的端差逐渐降低。 因此， 对回热系统的给水加热器端差性能指标的变工况 特性进行研究是十分必要的。掌握其变工况特性后， 实际上 就可确定给水加热器端差性能指标在任意运行工况下的预 期指标， 或端差应达值 ， 有助于对给水加热器的性能进行更 好的监测 。 1 给水加热器端差性能特性的变工况计算 方法 给水加热器的端差性能特性计算， 本质上是在加热器结 构及换热面积等已知情况下， 求解随给水进 口参数、 加热器 进汽参数变化而引起的给水出口温度及加热器疏水温度变 化 的问题。 以三段式给水加热器 为例 ， 由于在过热冷却 区 、 凝结 区 、 疏水冷却区3个换热区域的传热系数及冷热端流体温度存 在显著的差异， 因此必须对给水加热器的3个换热区分别进 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 1 0 --0 8 作者简介 ： 杨海生( 1 9 7 4一) ， 男 ， 河北井陉人 ， 学士 ， 工程硕 士 ， 高级工程师 ， 2 0 0 8年获英 国工程技术学会 ( 1 E T) MI E T会员证 书及英国工程学 会( E C—U K) 注册企业工程师证书 ， 副主任工程师 ， 主要研究方向热力发 电厂节能及经济性分析 、 电厂汽轮 机及系统调试 、 蓄冷 电 力需求侧项 目评价等。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 杨海生等： 不同运行工况下给水加热器端差特性的计算分析 2 5 1 行建模， 并求解其预期性能。3个换热区内的温度分别如图 1所示。 图 1 加热器 内的温度分布示 意( 沿管束长度方 向分布 ) 给水加热器 3个换热区段可以采用 3个逆流式换热器 的换热模型。每个换热区内的换热量可以采用 s一Ⅳ 方 法求解 。 1 ． 1 加 热器性 能计算 的 一 Ⅳ f ／ 方法 s—N T U方法与对数温差法本质上是相同的， 但 由于其 换热量的数学表达式中并不直接出现流体的温度 ， 因此在计 算中求解加热器流体出口温度时更容易。 加热器换热的有效系数 表示为实际换热量与理论最 大换热量的比值。对于给水加热器的三段换热区， 其有效系 数 的含义是不 同的。 对于过热冷却区， 其最大理论换热量出现在当进 口蒸汽 冷却至其出口给水温度时的理想换热工况； 对于疏水冷却 区 ， 其最大理论换热量 出现在 当出口疏水 冷却至其进 口给水 温度时的理想换热工况 ； 而对于凝结区， 其最大理论换热量 出现在当进 口给水加热至其饱和温度时的理想换热工况。 对于逆流式换热器， 存在式( 1 ) ： 1一 e Ⅲ 一 m“ 0 ) 式中， Ⅳ 为换热单元数， N T U= _； C ⋯ 为流体热容 ／ J J L ~ p，rai n ，⋯ r 、 比， 流 体 热 容为 质量流 量与比 热的 乘积， C = ； I／d ~ p，⋯ ( w G) ⋯为换热器较低热容一侧的数值， 在给水加热器中为 蒸汽侧 ， 而( w C p ) 为换热器较高热容一侧 的数值， 在给水 加热器中为给水侧。 换 热单元数 NT U， 是反映换热器结构与实 际运 行工况 的 特性值 ， 对于不同的换热器结构及运行工况， 可以通过查取 经验图表得 到 Ⅳ ， 值。 1 ． 2 给水加热器的性能特性计算 给水加热器性能特性的计算中， 已知量为给水进 口流 量、 给水进口温度、 进汽压力及进汽温度， 而需求解量为给水 出口温度 、 疏水温度及抽汽流量。 Ⅳ 方法计算出每个传热 区的特性如 Ⅳ 及 C ， 再次计 算出s值 ， 并根据传热量及质量能量平衡计算出给水加热内 的温度分布， 获得新的加热器出口温度及疏水温度。再次进 行迭代 ， 直至获得稳定的加热器给水出口温度及疏水温度。 其中， 计算过程需要 U( 传热系数) 及A( 换热面积) 。对 于某给定的给水加热器 ， 换热面积为一确定值。而变工况计 算中的传热系数则需要根据实际运行工况参数进行计算。 传热系数计算中， 一种计算方法是直接采用换热器的换 热计算公式 ， 通常需要较为复杂的计算过程。由于换热公式 的不通用性 ， 选择不同的计算公式可能会得到不同的计算结 果 。 另外一种计算方法是采用文献[ 2 ] A S ME给水加热器性 能试 验规 范中采用的计 算方法。标准 中规定 ， 当试 验条件偏 离性能保证工况时， 将试验工况数据修正至性能保证条件是 困难的。因此， 采用了以下方法 ： ( 1 ) 采用将设计性能修正至 试验条件， 得到试验条件下的预期上端差及下端差值 ； ( 2 ) 将 试验的端差值与计算的预期端差值比较 ， 确定加热器性能是 否达到保证值。 1 ． 3 A S ME标准中提供的试验工况传热系数的计算方法 对于每个加热器分 区， 其 总换 热系数根据下式计 算 ： =丁 ( 2 ) 式中， U为总传热系数； 为壳侧换热热阻； 为壳侧污垢热 阻； r Ⅲ为管壁热阻； 为管侧污垢热阻； r i 为管侧换热热阻； 带角标“ ” ’ 的为试验工况数据， 不带标注的为设计工况数据。 试验工况下 ， 壳侧换热热阻为： ， ， ，、0 6 =r ) ( 3 ) ＼ W s， 试验工况下 ， 管侧换热热阻为： ( ) ( 4 ) 式( 3 ) 及式( 4 ) 中， 为壳侧流量 ； 为管侧流量。 从上述公式来看 ， 由于给水 加热 器 的运行条 件较 好 ， 试 验工况下管侧及壳侧的污垢热阻均直接取设计值 ， 管壁热阻 也取设计值 。 采用 A S M E标准中提供的方法 ， 避免了复杂的传热系数 计算过程， 计算简便， 同时也保留了各加热器供货商自身设 计 的灵活性 。 2 给水加热器性能特性的变工况计算实例 某国外进口6 6 0 MW机组， 在设计阶段汽轮机供货商提 供了不同运行工况下给水加热器的性能变化数据。其 7号 高压加热器 的主要设计数据如下表 1 所示 。 采用本文介绍的方法进行了加热器性能特性的变工况 首先假定某一给水出 口温度及疏水温度 ， 并根据 一 计算 ，计算结果如下表2所示。 表 1 高压 加热器设计数据 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 从计算结果可以看到 ， 随机组运行负荷的降低， 上 、 下端 差均呈现降低的趋势 ， 这与定性分析的结果是一致的。 从计算结果来看 ， 上端差的计算结果在绝大部分计算工 况( 除2 5 ％负荷工况外) 与供货商提供的设计数据有较好的 吻合， 最大偏差0 ． 2 3 ~ C。下端差的计算结果在绝大部分计算 工况( W , 5 o ％及2 5 ％负荷工况偏差较大外) 与供货商提供的 设计数据有较好的吻合。 3 结论 对给水加热器端差性能特性的变工况计算方法进行了 详细阐述。对变工况计算中需要采用的各给水加热器分区 换热系数 ， 采用了 A S ME性能试验标准中提供的计算方法进 行计算。以某 6 6 0 MW进口机组的给水加热器为例进行了计 算， 结果表明， 采用本文的计算方法获得的结果与厂家提供 数据有较好的吻合。 参 考 文 献 [ 1 ] 林万超．火电厂热系统节能理论[ M]．西安 ： 西安交通大学出 版社 ， 1 9 9 4 ． [ 2 ] AS ME ．P T C 1 2 ． 1— 2 0 0 0 P e rf o r m a n c e T e s t C o d e C 1 o s e d F e e d w a t e r He a t e r s [ S ] ． ( 上接第2 4 3页) C 、 蹬 暑 、 键 旧 到 图 9 不同攻角下分离点分布 图 1 0 =1 5 。 图示位置上( = 0 ． 3 5 m) 速度型线分布 ( 2 ) 襟翼的存在提高了升力系数并增大了阻力系数。 在小攻角范围内升阻比略有下降， 在大攻角范围内升阻 比有所增加。襟翼高度越大效果越显著。 ( 3 ) 襟翼增升的主要原因在于： 襟翼后卡门涡街低压 区的存在降低了吸力面上压力， 襟翼前角涡高压区的存 在抬高了压力面上压力 ， 因此总的翼型升力有显著提高。 ( 4 ) 与其它文献不同， 本文计算结果表明襟翼的存在 使得吸力面分离位置提前， 但 由于角涡对翼型表面压力 的影响更为显著， 因此无论分离前后襟翼均起到了增升 的效果。 参 考 文 献 [ 1 ] 申振华 ， 夏商周 ， 桂巧 映， 等．带 G u r n e y 襟 翼翼型 改型的气 动性能的数值研究 [ J ] ．太 阳能学报 ， 2 0 0 7， 2 8 ( 9 ) ： 9 8 8— 9 91 ． [ 2 ] 申振华 ， 于国亮．G u r n e y襟翼 对水平轴风 力机性能影 响 的 实验研究 [ J ] 太 阳能学报 ， 2 0 0 7 ， 2 8 ( 2 ) ： 1 9 6—1 9 9 ． [ 3 ] 陈家权 ， 马鹏 ， 薛娟妮 ， 等．襟 翼对风力机 叶片翼 型气动 特性影响的数值模 拟[ J ] ．风机技术 ， 2 0 0 8， ( 6 ) ： l 4—1 6 ． [ 4 ] J ． J ．Wa n g ， Y ． C ．L i ， K ． 一 S ．C h o i ．G u r n e y F l a p —L i ft E n — h a n c e me n t ， Me c h a n i s m s a n d A p p l i c a t i o n s[ J ] ．Ae r o s p a c e S c i — e n c e s 。 2 0 0 8， 4 4：2 2 —4 7 ． [ 5 ] C o r y S ．J a n g ， J a m e s C ．R o s s ， R u s s e l l M．C u m mi n g s e t c ．N u — me r i c a l I n v e s ti g a t i o n o f a n Airf o i l w i t h a G u r n e y F l a p [ J ] ．A i r - c r a f t D e s i g n ， 1 9 9 8 ， ( 1 ) ： 7 5— 8 8 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m