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自然通风干式冷却系统的设计及运行优化研究

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  • 【题名】:自然通风干式冷却系统的设计及运行优化研究
  • 【年份】:2019
  • 【作者】:卫慧敏
  • 【关键词】:自然通风干式冷却  (火积)分析方法  设计及运行优化  自然通风联合冷却
  • 【摘要】:冷端释热系统是包括燃煤发电系统在内的热力循环的必要组成部分。在有足够补充水的地区,通过气水接触的自然通风式蒸发冷却(湿式冷却)系统因其高效的冷却方式得到大规模应用。然而,在水资源匮乏的中国北方,补充水价格相对昂贵,湿式冷却的经济性大幅下降,气水不接触的自然通风干式冷却系统备受青睐。自然通风干式冷却系统采用环境空气作为冷却介质,依靠换热设备前后空气的密度差驱动空气流动,并以空气和循环水不接触的对流换热为主要散热方式,这使得其换热网络体积庞大,工程造价较高;另一方面,自然通风干式冷却系统的性能易受到环境气象条件变化的影响,主要表现在高温和环境风作用下的性能下降,以及低温面临的冻结风险。而现有的自然通风干式冷却系统的设计计算方法和运行调节策略因换热网络的复杂性较为粗放,具体表现在:建模计算时将换热管束假定为定壁温边界条件,带来了计算误差;对运行调节策略引起的热负荷波动以及运行泵功变化两种不同品位能量缺乏统一的评价指标;设计方法和运行策略主要基于试验得到的可行域,并依托尝试或智能算法进行遍历,缺乏全局优化方法。针对以上问题,本文分别从理论模型、评价指标以及优化方法三个层次开展研究:首先,理论模型上,针对当前自然通风干式冷却系统模拟方法上的误差,在充分考虑换热器内流体在流向上的温度变化的基础上,提出一种对换热器进行数值计算的新效能。对比试验结果发现,在换热器迎面风速下为3m/s时,采用新效能的数值模拟结果计算准确率可提高3%。其次在评价指标上,针对燃煤电站这一特殊的发电做功系统,基于循环水、蒸汽回路的质量能量守恒和抽汽参数的弗留格尔公式,利用科学计算商业软件MATLAB建立热力系统模型。通过将冷端与热力系统进行耦合计算,把传热强化引起的热负荷浮动转化为固定发电负荷下煤耗的变化,进而基于煤耗、功耗的折算得到系统的供电煤耗作为优化指标,实现了换热量和功耗这两种不同品位的能量比较计算。优化方法上,基于炽分析方法,推导得到自然通风干式冷却系统的(火积)平衡方程,替代了其局部换热网络的热平衡方程,减少了中间温度变量,为优化提供了更简洁的热量侧数学描述。结合其流动控制方程和结构约束,以发电系统额定负荷下的供电煤耗最小为优化目标,采用拉格朗日乘子法,建立固定热负荷下自然通风干式冷却系统的全局优化设计运行的数学描述。进而基于新效能模拟得到自然通风干式冷却系统进口空气分布情况,以该参数作为求解优化模型的边界条件,得到对应优化目标的运行设计参数。最后以山西北部某660 MW超临界燃煤电站的自然通风干式冷却系统为研究对象,进行上述设计运行优化:针对自然通风干式冷却系统的优化设计问题,本文基于(火积)分析的视角和热力学第一定律分别提出了对应自然通风干式冷却系统的设计优化数学模型。对两者优化结果,发现基于能量平衡法的优化结果和基于(火积)平衡法的优化结果非常接近,产生误差的原因源于约束平衡方程带来的收敛阈值。而采用(火积)分析方法构建的(火积)耗散平衡控制方程可以有效减少中间变量,简化了求解难度。设计优化结果对应的年均摊运行费用大幅度下降,其优化选型结果主要式减小了冷却塔的尺寸,增加换热器管束的换热面积。针对环境风的不利影响,本文结合(火积)理论和传热流动控制方程,分别提出了夏季和冬季的优化控制策略。从冷端角度节煤量高达1.2g/(kWh),同时有效保证了机组的经济性和安全性。针对夏季负荷需求和节水的矛盾,结合传统干式冷却和湿式冷却方案,本文提出了两种自然通风联合冷却方案和相应的数值计算方法。对比传统冷却方案,发现联合冷却方案具有显著的节水和节能性,并且可以避免湿冷出口水雾的形成,减少污染的产生。其经济性取决于当地水煤价格,以2018年当地煤水价格为基准,联合冷却系统可节约运行成本700元/运行小时。
  • 【会议名称】:博士
  • 【类别名称】:杜小泽
  • 【载体】:华北电力大学(北京)
  • 【会议地点】:2019
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