空冷技术研究(2015年度)(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者:杨凤明,刘万里,尹继英,王吉特

出版社:北京理工大学出版社

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空冷技术研究(2015年度)

空冷技术研究(2015年度)试读:

前言

本书以哈尔滨空调股份有限公司的工程项目及科研项目为实例,内容涵盖空冷系统设计的各专业问题,国内外先进的空冷技术、环保技术,以及新能源发展情况等。

本书共包括10章:第1章,空冷钢结构各种支撑平台综合性分析;第2章,间冷管束性能分析研究;第3章,变频电动机特性工程实例研究分析;第4章,电厂管道汽锤在CAESAR中的应用;第5章,空冷大管道噪声ANSYS分析;第6章,湿式电除尘初步分析;第7章,非晶材料初步分析;第8章,干雾抑尘和旋转清堵机技术分析;第9章,火力发电厂烟气脱汞技术分析;第10章,新能源发展现状与展望。此外,本书还附有火力发电厂空冷岛钢结构安装及验收标准(哈尔滨空调股份有限公司企业标准)。

本书由国家能源电站空冷系统研发中心、哈尔滨空调股份有限公司负责编写。本书在4位主编的指导、统筹下,在全体编委的辛勤工作下,得以顺利完成。哈尔滨空调股份有限公司北京空冷技术研发中心(国家能源电站空冷系统研发中心北京空冷技术研发中心)全体成员在编辑过程中付出了大量辛勤工作,在此一并感谢。

由于时间仓促,加之作者水平有限,书中难免存在不足和疏漏之处,敬请广大读者批评指正,同时欢迎相关技术人员进行交流学习。第1章空冷钢结构各种支撑平台综合性分析1.1 前言

进入21世纪以来,随着人类对电能的依赖程度日益增加,对大型火力发电厂的需求变得更为迫切。然而,火力发电厂的大量建设不仅对大气和水资源等会造成极大的污染,而且传统的火力发电厂水冷机组会消耗大量的水资源,而我国是一个水资源严重短缺且分布严重不均的国家。火力发电厂直接空气冷却技术的发展和应用,为在严重缺水的煤矿和电力负荷中心区域建设大型火力发电厂既开辟了一条节水、经济、安全、可靠的途径,也保护了水资源。1.2 直接空冷凝汽器工作原理

直接空冷凝汽器系统的工作原理是,从汽轮机中排出的乏汽在空冷凝汽器中被空气冷却后凝结成水,而排汽与空气之间的热交换是在表面式空冷凝汽器内完成的。在直接空冷换热过程中,利用散热器翅片管外侧流过的冷空气,可将从凝汽器中处于真空状态下的汽轮机中排出的热介质饱和蒸汽冷凝,所凝结成的水经处理后被送回锅炉。为了提高冷却效率,一般在管束下面装有风扇机组进行强制通风或将管束建在自然通风塔内。在现有运行的机组中,强制通风方式由于其可调控性能较好等优点而被广泛应用。由于特点突出,世界各国都在开展直接空冷凝汽器的技术研究并逐步推广其应用。1.3 直接空冷构筑物结构设计条件

直接空冷凝汽器系统是利用环境中的冷空气将进入翅片管的饱和蒸汽冷却。其结构设计的目的是按照工艺要求,将翅片管束及相关设备固定于指定的高度和位置,并保证在自重荷载、风荷载、地震等作用下稳定运行。根据当地温度、湿度、年平均风速、电厂装机容量,直接空气冷凝气器构筑物平台的高度在20~60m,且平台桁架(梁)的跨度在9~13m。

由于直接空冷构筑物上部的A型架、风机桥架等是根据工艺要求布置的,一旦工艺被确定后结构设计的可变化性就大大降低,因此,影响结构工程量的主要因素集中在支撑柱系统和平台桁架(梁)系统中。直接空冷结构平立面布置应力求规则,在平面上应使结构形心与结构设备重心重合,以减少结构的偏心作用。1.4 各种结构体系比较

直接空冷凝汽器系统由于采用大直径轴流风机,其结构跨度一般都较大(基本在12m左右,而特大结构则采用24m跨度),因此,其上部平台大多采用大跨度钢结构桁架支撑(个别工程采用混凝土梁),而下部结构则根据工艺要求可以采用钢柱支撑系统及混凝土柱支撑系统。

当换热面积被确定后直接空冷管束也随之确定。因此,对于直接空冷结构而言,其A型架、挡风墙、风机桥架的布置也随之确定。其工程量的变化对项目整体而言可被忽略不计。本次仅研究当下部支撑结构(包括柱子、支撑、梁)采用不同材料(混凝土、钢结构)时结构工程量的变化。1.4.1 小机组工程量分析(1)首先采用全钢结构设计思路进行分析。在进行结构计算时采用钢结构设计软件3D3S 9.0。按照布置图给定的尺寸进行结构建模,并输入相应的恒荷载、活荷载、地震荷载、风荷载及荷载组合进行结构分析计算。通过调整构件的截面、支撑系统的方式,以及平台桁架的高度等最终得到满足《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)要求12的稳定结构。结构第一平动周期T=0.86,第一转动周期T=0.46,满足结构周期比0.9的要求;位移比、层间受剪承载力比、刚重比、刚度比、剪重比等参数均满足相关规范的要求。通过统计可知,下部钢结构(支撑柱系统和平台桁架)需要的钢结构工程量为240t左右。其中,钢柱子15根,钢桁架22榀,钢支撑10跨。结构布置如图1-1所示。图1-1 钢结构布置(a)直接空冷构筑物平面图;(b)直接空冷构筑物立面图(2)下部支撑结构采用全混凝土。在进行结构计算时采用中国建筑科学研究院的结构设计软件PKPM。按照布置图给定的尺寸进行结构建模,并输入相应的恒荷载、活荷载、地震荷载、风荷载及荷载组合进行结构分析计算。通过调整柱子、混凝土梁的截面等最终得到满足《混凝土设计规范》(GB 50010)要求的稳定结构。结构第一平12动周期T=1.15,第一转动周期T=0.95,满足结构周期比0.9的要求;位移比、层间受剪承载力比、刚重比、刚度比、剪重比、轴压比等参数均满足《混凝土设计规范》(GB 50010)及《建筑抗震设计规范》(GB 50011)的要求。通过对下部混凝土结构(支撑柱系统和平3台桁架)工程量进行统计知:柱需要混凝土72m,梁需要混凝土333225m,大开空楼板需要混凝土30m,总计需要混凝土327m。

通过以上两个方案的比较不难看出,对小机组而言采用全钢结构比采用全混凝土结构所使用的原材料成本要增加很多。因两个方案的总体工程量都不是很大,总的工期相差不是很多,故推荐采用全混凝土结构体系(见图1-2)。图1-2 全混凝土结构体系1.4.2 大机组工程量分析

大机组与前述小机组构筑物在上部结构上区别不大,只是ACC单元数增加较多,ACC平台标高增加到40~50m,且其上部荷载基本与前述小机组类似。(1)按照全混凝土结构(柱子、梁、大开孔楼板)并采用中国建筑科学研究院的结构设计软件PKPM 2005进行结构计算。最终需333要的工程量为:柱子11 247m,梁5 767.6m,楼板609.5m。按照《混凝土设计规范》(GB 50010)的要求,按框架结构的伸缩缝布置后如图1-3所示。图1-3 全混凝土结构布置(2)考虑采用全钢结构(钢柱、钢桁架、钢次梁)并采用同济大学钢结构设计软件3D3S 9.0进行结构计算。由于本构筑物柱子高度达到50m,钢柱采用大尺寸的矩形截面。通过初步分析发现,其用钢量巨大,对工程总体投资非常不经济,因此对大机组不建议采用此种方案。(3)通过仔细讨论并查阅相关资料,确定采用大直径混凝土管柱加大跨度钢桁架的形式。此种方案很好地利用了钢筋混凝土结构的抗压性能和大跨度钢桁架的抗弯性能。本方案结构布置如图1-4所示。图1-4 大直径混凝土管柱加大跨度钢桁架结构布置(4)通过对比分析可知,对于大型空冷岛采用全钢结构或全混凝土结构都不是最经济合理的结构形式。充分利用混凝土抗压能力和钢结构抗拉能力的大直径混凝土圆管加大跨度钢桁架的结构形式能更好地满足工程需要。1.5 结 论

通过以上两个项目的简单分析并结合国内外目前已经完成的项目情况,对于ACC平台高度小于15m、ACC单元数小于10个的小机组直接空冷构筑物,如果工期比较宽松且有很方便的场地进行混凝土结构施工,则下部支撑体系采用混凝土结构。其经济性比钢结构要好。对于ACC平台高度大于40m且单元数比较多的大机组直接空冷构筑物,建议采用底部大直径混凝土圆管柱与大跨度钢桁架结合的形式。介于两者之间的直接空冷构筑物最好采用全钢结构的形式。第2章间冷管束性能分析研究2.1 概述

本文通过流动数值模拟,对间冷管束的换热性能进行计算分析,以初步评估该型管束的传热系数、流动阻力等特性。此外,通过前期建模也得到了该型管束翅片的重量、(与空气接触的)散热面积等几何信息。2.2 模 型

该型管束翅片(见图2-1)被紧密套在基管上。一片管束共有多层翅片。翅片采用高低桥的设计方式,如图2-2所示。图2-1 新型的6排管管束的翅片(单层)图2-2 翅片上的高低桥布置方式2.2.1 用于流动与传热的计算模型

翅片的结构具有重复性。为减小计算量,计算模型取为整个结构不能重复的最小单元,如图2-3所示。图2-3 用于计算的翅片部分的最小模块

空气从翅片周围的空间流过。图2-4给出了流动模拟需要考察的区域。图2-4 用于流动模拟的流场区域

图2-5给出了模拟区域的细部。本次计算不仅要反映空气的流动(对流传热、流动阻力),而且给出了铝翅片的导热。因此,计算模型还含有固体的铝翅片区域。图2-5 模拟计算区域的细部2.2.2 计算区域边界条件的设置

对模型进行网格划分后需要指定模型的边界条件。图2-6给出了计算指定的边界条件的示意。空气从入口流入,从出口流出;将左、右边界设定为对称边界条件;上、下表面为周期性边界条件;翅片与基管的接触面为传热边界,以温度恒定的形式给出。图2-6 计算区域边界条件的示意2.3 计算结果

计算中以翅片和基管的接触面为传热边界,温度恒定。热量首先从该传热面以热传导的形式传递到翅片与空气的分界面,然后传递进入空气。来流空气的温度为正常平均温度。热量传入空气将以空气的导热、对流传热、辐射传热这3种方式进行。2.3.1 计算得到的一些定性规律

翅片与空气接触的外表面的温度分布

图2-7~图2-10给出了4种迎面风速不同情况下翅片与空气接触的外表面的温度分布。1图2-7 迎面风速为V时翅片与空气接触的外表面的温度分布2图2-8 迎面风速为V时翅片与空气接触的外表面的温度分布3图2-9 迎面风速为V时翅片与空气接触的外表面的温度分布4图2-10 迎面风速为V时翅片与空气接触的外表面的温度分布

可见,从基管的外表面开始的热量首先通过导热在铝翅片内进行传导。铝翅片上的温度分布并不均匀。越靠近冷的来流的部位,温度越低。综合这几种情况,翅片上的最低温度随迎面风速的增大而降低。2.3.2 空气流域中截面的温度分布

图2-11~图2-14给出了4种迎面风速情况下计算区域中截面的空气部分的温度分布。1图2-11 迎面风速为V时计算区域中截面的空气部分的温度分布2图2-12 迎面风速为V时计算区域中截面的空气部分的温度分布2图2-13 迎面风速为V时计算区域中截面的空气部分的温度分布4图2-14 迎面风速为V时计算区域中截面的空气部分的温度分布

可见,空气在流过翅片区域时,总是从入口处的平均温度逐渐吸热升温,但随着迎面风速的增加出口处的空气温度是下降的。

另外,从图2-11~图2-14中可见,该型翅片管的换热是比较充分的。2.3.3 空气流域中的流线

图2-15给出了迎面风不同情况下的空气流过翅片的流线。可见,基管背风侧的尾涡较小,由尾涡导致的换热性能的降低并不明显。图2-15 迎面风速不同时空气流过翅片的流线(以空气速度为流线着色)2.4 结 论

本文通过流动数值模拟考察了某新型管束的换热性能,给出了该型管束的换热量、阻力的拟合情况,为工程设计提供了理论依据。第3章变频电动机特性工程实例研究分析3.1 项目研究背景

随着火电厂中大容量、高参数汽轮机组的增加,超临界甚至超超临界机组的应用,水资源短缺的状况日益严重。直接空冷技术由于节水效果显著,得到了迅速发展,特别是在“富煤缺水”地区。从国家大力提倡发展空冷电厂之日至今,空冷电厂已逐步形成规模,且以大容量空冷机组为主。

直接空冷机组普遍采用大量轴流风机对空冷岛冷却单元进行冷却,同时采用变频器驱动的电动机系统。因其节能效果显著、调节方便、维护简单、可实现网络化等特点,应用越来越广泛;但是变频设备大量使用了晶闸管、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等非线性电力电子元件,变频器从电网中吸取能量的方式都不是连续的正弦波,从而导致电动机运行在不同程度的谐波电压和谐波电流中,使电动机在非正弦电压和非正弦电流下运行。

研究表明,电动机在变频器产生的谐波环境下会引起电动机额外的效率下降及温升;引起电动机的绕组绝缘的损坏,绝缘强度降低,寿命缩短;引起电动机额外的噪声及震动;引起额外的电动机轴电流等。现场实际运行的电动机也时常出现电机温升过高、电机寿命降低、噪声超标、轴承烧坏等现象。因此,对电动机在谐波环境下的研究很重要,对电动机设计选型提出指导意见。

本研究项目,基于理论上的研究数据,对实践具有一定的指导意义,日后如需进一步研究,需借助实验室的专业测量工具进行现场测量,再与理论计算比较,使该科研成果更具说服力,有效指导今后的设计。3.2 空冷系统用变频器概述

近年来,随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展,交流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一,而电气传动技术面临一场历史革命,即交流调速取代直流调速,以及计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程,以提高产品质量,改善环境,推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起、制动性能,高效率、高功率因数和节电效果,广泛的适用范围,以及其他许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式,在电站直接空冷行业的应用也日趋成熟。

空冷岛中采用的变频器普遍属于交—直—交变频器。交—直—交变频器有明显的中间直流环节,工作时,首先把来自电网的交流电变换为直流电,经过中间直流环节之后,再通过逆变器变换为电压、频率均可调的交流电,故又被称为间接式变频器。

本项目采用一款电力系统电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC对空冷电气系统各点谐波进行模拟仿真,并对各点参数进行分析。软件模型如图3-1所示。图3-1 PSCAD/EMTDC软件模型

得到的电流波形如图3-2所示。图3-2 电流波形

从图3-2可以看出,变频器供电下的电机谐波环境十分恶劣,完全运行在非正弦波的条件下。3.3 空冷用变频电动机的运行分析3.3.1 变频电机的损耗及其影响

变频器以非正弦波供电时电动机内除由基波电压和电流产生的损耗外,还会产生一些附加损耗。这些附加损耗取决于电动机的转速、电压和电流,变频器输出电压波形,以及电动机的设计和大小。如果没有串联电感和滤波器,这些附加损耗将达到基本损耗的10%~20%,即占电动机额定输出功率的1%~2%。

电压源变频器施加电压至所连接的电动机。由于输出切换,接近理想形状的平均电压由一个斜率且幅值接近恒定的准方波电压平均而来。由于该脉冲电压的幅值和频率恒定,电动机损耗几乎与电流、转速和磁通无关,类似于空载损耗。电动机磁路饱和对附加损耗的影响很小。

图3-3所示为一台50Hz正弦波和5.5Hz电压源变频器(PWM)供电的37kW、50Hz电动机在空载和满载时的损耗。图3-3 电动机在空载和满载时的损耗A—满载,PWM供电;B—满载,正弦波供电;C—空载,PWM供电;D—空载,正弦波供电3.3.2 噪声、振动和振荡转矩

变频器及其作用产生3个直接影响噪声发射的变量,即:(1)转速从接近零到超过基速变化。这将影响轴承和润滑、通风和其他任何受温度变化影响的特性。(2)电动机电源频率和谐波分量首先是对其定子铁芯中产生的电磁噪声影响很大;其次是对轴承噪声影响很大。(3)由电动机气隙磁场中的不同频率的波相互作用而引起的扭转振荡。3.3.3 电机绝缘介电应力

当电动机由变频器供电时,其绝缘结构承受的介电应力要高于由正弦波电源供电时承受的介电应力。电压源变频器产生不同宽度和频率的固定振幅电压矩形脉冲。变频器输出脉冲的电压振幅不会超出直线总线电压,它取决于整流电源电压或制动电压水平或功率因数修正调整电压。现代变频器输出电压上升时间在50~400ns。为了减小输出半导体的开关损耗,应尽可能缩短上升时间。变频器经电缆向电动机供电,使电动机端子上产生重复的电压突增,如超过电动机耐受重复电压强度,则势必降低其绝缘寿命。

电动机端子处电压突增与变频器输出脉冲电压上升时间、接线电缆长度及电动机阻抗有关。这些电压突增是因阻抗不匹配而由电缆与电机端子界面的反射波产生的。该现象完全可以用输出电压谐波在传输线上的行波理论做解释。当电缆长度增加时,脉冲突起通常增加至最大值,然后下降。同时,电动机端子处的脉冲电压上升时间增长。对于较短上升时间脉冲且电缆长度超过50m时,电动机端子处电压上升时间主要取决于电缆特性而非变频器输出的上升时间。3.3.4 轴承电流

电动机端子处的高频共模电压产生共模电流。其中,一部分会流过电动机或传动设备的轴承。该共模电流还可通过变压器效应产生跨越轴承的电压。这些效应的产生是由于使用了快速开关的半导体器件,并且由于不同的影响,会在各种容量的电动机中产生与轴承有关的问题。判定哪种机理更突出的最重要因素是电动机的大小,以及电动机的基座和轴是如何接地的。电气安装意味着适当的电缆类型和接地导体的适当结合,而电气屏蔽、额定的变频器输出电压,以及变频器输出电压和电压上升速率也起着很重要的作用。轴承电流的来源是跨越轴承的电压。共有3种类型的轴承电流:循环电流、转轴电流和电容性放电电流。电流的示意情况见图3-4。图3-4 轴承电流示意3.4 变频电机的使用原则3.4.1 由电压源变频器供电产生附加损耗的解决方法(1)设计转子时减小肌肤效应。(2)转子槽开口。(3)避免转子铁心叠片的片间短路。(4)采用更薄的定子、转子铁心叠片,以减少涡流损耗。(5)减少串联电抗器或滤波器中的涡流损耗。3.4.2 电机温升的解决方法(1)对电动机采用独立风机冷却。(2)提高耐热等级。(3)选用更大容量的电动机。(4)优化变频器输出波形。3.4.3 降低电压应力的方法(1)改变电动机和变频器之间的电缆长度或使电缆接地可降低电动机端子处的浪涌电压幅值。(2)改用高介电损耗的电缆(如丁基橡胶或油绝缘纸)。用铁氧体屏蔽的特殊类型电动机电缆比较有效,可减小电压振荡并改进磁兼容(EMC)质量。(3)安装输出电抗器可与电缆电容一起增加行波的上升时间。(4)在变频器和接入电动机的电缆之间接入输出du/dt滤波器。3.4.4 防治高频轴电流的方法(1)使用绝缘轴承。(2)用滤波器降低共模电压。(3)对可能被轴承电流损坏的负载或其他设备采用非导电联轴器。

以上分析为工程设计提供了充分的理论依据。第4章电厂管道汽锤在CAESAR中的应用4.1 研究背景

在输送流体的管道中,当突然关闭管道上设置的阀门时,由流动参数在较短时间内的较大改变而引发的流体压力随时间的波动现象将给管网系统带来水锤作用。

水锤发生时:首先管道内流体的压力将出现波动。其极大值一般会高于管道正常运行压力的10%,而管道往往是基于设计压力选用的。如果压力波动的极大值高于选用管道的最大压力,那么在水锤发生时,管道局部的强度不够,可能出现管道爆裂。此外,水锤在管段上产生的动态冲击力,最终又将通过管道的支吊架吸收。如果在设置支吊架时忽视了该动态冲击的影响,则可能导致支吊架的局部失效。

火力发电厂的四大管道也同样面临水锤作用带来的危害。以主蒸汽管道为例,其中流过的介质为过热蒸汽,运行压力为25.5MPa,设计温度为576℃,流速约50m/s。当汽机甩负荷时,要求主汽阀在极短时间(0.15s)内关闭。主汽阀的迅速关闭迫使高温、高压且高速流动的蒸汽在极短时间内改变流动状态,从而使得管道内蒸汽的压力出现波动。压力波动达到设计压力的10%时即可达到2.5MPa。可见,该压力波动的值是很大的。动态的水锤冲击力也会给基于静态管网设计的支吊架带来较大考验。为区别于普通的介质为水的水锤,本文将电厂高参数蒸汽管道内发生的水锤称为汽锤。4.2 研究内容

通过对某项目主蒸汽管道的计算及校核,本文给出对汽锤计算与支吊架校核的一般方法:(1)通过流场计算软件CFX对主蒸汽管道的汽锤进行流动模拟;(2)通过管道应力计算软件CAESAR对管道的支吊架设置进行校核及优化。4.3 主蒸汽管道汽锤的流动模拟

本章将对某给定项目的主蒸汽管道进行三维建模,利用CFX计算关阀时间为0.15s情况下的汽锤压力及动态冲击力的结果。4.3.1 流动计算前处理

主蒸汽管道模型如图4-1所示。图4-1 主蒸汽管道模型

对模型进行网格划分时,为降低网格数量,在直管段采用结构化网格,而在三通位置采用非结构化网格。结果如图4-2和图4-3所示。图4-2 局部区域网格划分

试读结束[说明:试读内容隐藏了图片]

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