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论文写作模式-空冷岛余热风机发电设计与可行性研究

2021-04-20 12:51:57

  通过对目前火电厂形势分析,利用空冷岛所散发出的余热进行发电,从而达到节能减排的目标,提高电厂的热经济性,减少一次能源的浪费。本文对空冷岛的结构进行分析,通过风力发电技术,对乏汽所具有的余热进行利用,根据结构设计、运行过程、相关计算对结果进行可行性分析,为余热利用技术提供相关理论指导和帮助。

  中国是一个拥有巨大资源的国家,储存量丰富,但是据资料显示,中国人均资源占有量并不是很富裕,甚至可以说是资源缺乏。同时,我国的国民所拥有的人均淡水资源十分匮乏,并且水资源分布很不均匀,尤其在北方的内陆地区,人均水资源占有量更是十分稀少[1]。新时代我国火力发电以节能、环保、节水为主题,响应国家号召,在习近平生态文明思想正确方向的坚定指引下,火力发电厂以省煤节电、高效利用、节约能源作为我们当前的发展方针和目的。在当前环境下,火电厂的空冷机组已经成为我国淡水资源匮乏的地区新建火电的主要选择。我国目前的大型火电厂主要是使用直接空冷技术来达到节约水资源、节约能源的总目标,在节省水资源以及减少能源方面取得了比较好的成果。直接空冷技术与间接空冷技术相比直接空冷技术具有更高的综合经济效益,随着电力工业的迅速发展,大容量高参数汽轮发电机组不断增加,不仅会消耗大量的一次能源,而且还会消耗大量的水资源,而我国的人均水资源占有量又非常稀少,我国人均水资源占有量仅为2400m3,占世界平均水平的1/4,位于世界第110位,已被联合国列为13个贫水国之一[1]。此时,直接空冷的优点就逐渐显现出来,空冷机组作为一种新的节水途径,对于一些水资源十分匮乏的西北地区具有良好的发展前景[1]。目前火力发电厂汽轮机尾部排出的乏汽温度很高,经过空冷岛的冷却之后又重新送回锅炉,而乏汽在空冷岛中所散失的热量直接逸散到了大气之中,根据测算这些热量能够占到一次动力总输入的30%以上,造成了很大的浪费,如果将汽轮机最后的这部分乏汽所具有的余热利用并用其来发电,就会大幅减少火电厂的煤耗,提高全厂的经济性。

  本文将对使用直接空气冷却岛产生的余热发电这一技术进行研究探讨,具体从设计原理、装置的组成及选择、相关计算、装置的优点以及运行过程等方面提供理论指导。设计中运用目前风力发电的优势,将这部分余热集中利用起来利用烟囱效应,把收集到的热风进行再次加速,提高能源的利用效率。

  1.1项目背景

  我国目前正处于快速发展阶段,在我国国土面积之上,每时每刻都有大量的能源被消耗。锅炉的热效率低,煤炭等不可再生资源的利用率低,既增加了企业的生产成本,也极大的浪费了资源。现在能源和环境问题引起了全世界的广泛关注,我们更应该充分利用一切可以利用的热量,来提高能源利用率。火力发电厂的空冷岛所散失的热量巨大,我们更应该有效利用。如今,直接空冷系统、采用表面式凝汽器的间接空冷系统(哈蒙系统)以及采用混合式凝汽器的间接空冷系统(海勒系统)是现在主要的三种空冷系统[2][3]。直接空冷系统可以节约水资源,在同等条件下,湿冷机组与直接空冷机组相比,空气冷却系统本身可节省96%以上的水,工厂可节约64%的水,所以在水资源缺少的地方很受推崇。但是,由于冷却水不与空气直接接触,故冷却水温度的降低或蒸汽的凝结都靠空气与水或蒸汽之间的导热或对流换热,故其传热性能较差,而且起作用的是空气干球温度,所以冷却后的温度较湿冷要高,即采用空冷系统的汽轮机排汽压力要比湿冷机组高,热经济性低,这也是目前直接空冷相对湿冷的缺陷,所以本文通过对其余热利用进一步弥补这部分损失。到目前为止,全球已经投入运行的直接空冷机组已超过800台,大概占到空冷机组总容量的60%,其发展趋势以及装机容量越来越大,而且在整个空冷机组中所占的比例也在逐年增加[2]。

  直接空冷系统又被称为空气冷凝系统,蒸汽在汽轮机中膨胀做功之后,会沿着密封管路送至布置在室外的空冷岛,空气通过轴流冷却风机流过空冷岛的散热外表面,空气与管内的蒸汽进行热交换,使蒸汽冷凝成凝结水,再通过泵将凝结水送回电厂的回热系统中重新利用[4]。

  直接空冷岛的系统示意图如图1所示

  1-锅炉2-过热器3-汽轮机4-空冷凝汽器5-凝结水泵6-凝结水精处理装置7-凝结水升压泵8-低压加热器9-除氧器10-给水泵11-高压加热器12-汽轮机排汽管道13-轴流冷却风机14-立式电动机15-凝结水箱16-除铁器17-发电机

  图1-1空冷系统工作过程

  如今直接空冷岛技术的优势包括以下方面:1)系统结构简便,容易设计;2)对于水的浪费可以大大减少;3)轴流冷却风机可以根据需要来调整风量,使得冷却系统更加灵活;4)运行方式相对来说比较容易控制;5)直接空冷的设备一般布置在高空,下面可以放置其他设备,提高了空间利用率,占地面积相对较小。缺点:1)煤耗高;2)冷却风机冷却过程采用的是厂用电,导致发电厂用电率升高,并且风机运行中会有噪声污染;3)空冷岛管道比较长,所以对真空以及密封性的要求很高;4)直接空冷要求设备的背压比较大,电厂中背压增加,就会导致电厂效率降低。5)环境温度的变化对其有一定影响

  汽轮机低压缸排出的乏汽在做完功之后,本身的所含有的?比较少,即能够被再利用的能量,但是其数量很大,所以必须加以利用。随着生态环境的恶化,世界上许多国家都致力于开发和利用新能源,风能作为一种可再生的清洁能源,在欧洲等国风力发电技术已经比较成熟,像丹麦国家的电能,风力发电的比重已经达到30%,美国,印度,中国也都运用风力进行发电。目前风力发电已经逐渐走向成熟,风力发电设备以及结构趋于多样化,正在得到广泛应用,我国风力发电技术的主要引进国外,从引进到应用主要分为三步:第一是学习国外的风力发电新技术,第二是将这些技术进行深入的研究,第三是结合国内的情况进行自主研发并把这些技术进行优化升级[5]。在经历初期不断学习后,我国进入自主研发阶段,我国国产的风力发电设备占比不断提高。来自行业统计数据显示,2007年,在我国新增风电装机中,国产设备占比已达到55.9%,首次超过外资设备。2009年,国产化率已达85%以上,0.15万千瓦、0.2万千瓦机组基本实现国产化,取代进口机组成为国内主流机型[5]。2010年以后,国产陆上0.2万千瓦以上、海上0.4万千瓦等多种机型先后问世,并大批量投入市场。我国陆地主流机型由1.5兆瓦向2~2.5兆瓦发展;适用于海上的3~4兆瓦级风电机组已批量生产,5兆瓦和6兆瓦机型已经并网运行,7兆瓦风电机组也已经有了实验样机,更大功率风电机组研制工作正在稳步推进,这都表明风力发电技术在我国已经逐渐成熟[6]。风力机按其主轴与地面的相对位置,分为水平轴风力机和垂直轴风力机两大类,垂直轴风力发电机结构简单,能够利用任意方向风能[7],所以对于火电厂的能源回收来说是一个比较好的选择,乏汽所含有的热量在冷却为凝结水过程中会产生大量的能源浪费,由于直接空冷岛余热是一种较低品位的能源,所以对其利用还存在很大的潜力。

  图1-2空冷系统的组成

  1.2国内外研究现状

  目前对直接空冷岛余热的回收利用有以下的几种方案,第一种方案是将直接空冷岛产生的热风引用,具体做法是将直接空冷岛在每列之间管束外侧上方的蒸汽管道之间连接封堵,因为蒸汽管道所分流的管束在风扇口的上方呈对称脊形,封堵之后能够防止管束结冻,将热风收集起来用于满足送风机、一次风机所需热风。直接空冷岛封堵后形成热风区,通过引风道通锅炉后,分别用作锅炉风机进风和锅炉采暖用风。这样做的优势是将空冷岛封堵空间的热风直接引入锅炉风机入口,从而提高空预器进口风的温度,替代锅炉一次风机及送风机入口蒸汽暖风器;同时将热风用于锅炉房取暖,减少取暖消耗的蒸汽。因为空预器进口风的温度升高,锅炉排烟温度也就升高,空预器出口低温省煤器回收排烟余热量增多,提高了机组的热经济性[8]。第二种方案是对汽轮机出来的乏汽的热量利用热泵进行回收,热泵通过空冷岛产生的余热进行再次发电。乏汽所产生的余热也可用在城市供暖,不造成热量的浪费,也提高了电厂的热经济性,这种方案也为我们余热利用提供了新的方向,打开了我们的视野。

  第二章整体设计方案

  2.1设计原理

  乏汽经过空冷岛的风机冷却以后,风机所产生的风会形成具有一定热量的热风,我们能够利用热风密度小上升流动的特性,将这一部分热风收集至安装在空冷岛上部的导风塔内,导风塔可以设置成拉法尔喷管的形状,用来加速气流,提高气流到达风力发电机时的流量。在烟囱效应[9](空气沿着有垂直坡度的空间向上升或下降,造成空气加强对流的现象)的作用下,提高热风的风速,从而形成高速气流,进而推动设置在导风喉部的风力筒发电机进行发电。

  拉法尔喷管

  拉法尔喷管又称为缩放喷管,是一种逐渐缩小再扩大形状的管路,形状如图三所示,主要有进口段、渐缩段、喉部、渐扩段组成。在压差作用下,把气流的压力和内能转化成动能。

  此处插入图三

  当气流进入拉法尔喷管时将进入渐缩部分,这一部分流体的流速和流量与温度和截面积成反比,即流体在管道中流过时,截面积越小,温度越小,流速越大,流量越大,这就充分利用了空冷岛中所散失的余热。气流从渐缩部分到达喉部时,流量会达到最大,但是流速可能会继续变化,若到达喉部为当地声速,则到达渐扩部分流速会继续增加形成超音速,反之则会减速。工程上如果气流流速较快通常用马赫数Ma来表示气体的流速,其等于流体流速Cf与当地声速C之比。即

  由工程热力学知识可得:

  (2-1)

  从该等式可以看出,截面面积与管道外形是不是渐缩还是扩大有关。

  气体截面面积的变化规律:

  <1,亚声速流动,<0,截面收缩;

  =1,声速流动,=0,此时对应的截面为喉道;

  >1,超声速流动,>0,截面扩张。

  因此,当流体的流速小于当地声速时,应做成渐缩形状的管道;如果气流从亚音速逐步加速至超音速,导风筒应做成管型(又称拉法尔喷管),首先将其缩小然后放大。本文认为空冷岛周围的风速为10m/s,即马赫数是小于0.3的。

  但是如果将发电机放在最后,必须要保证进口压力要高,就必须提高轴流冷却风机的功率,同时也对一些相应的设备的安装造成了难度,所以发电机设置在喉部比较合理,当气流流过喉部以后,流速降低由于截面积是逐渐扩大,所以压力变小,使得进口与出口保持一定压差,增加了导风塔的拔风能力,提高了效率。

  2.2装置组成部分

  余热发电装置主要由导风筒、风力发电机组、可控进风口、热风密封管道以及附加部分构成。可控进风口能够通过调整进风口的大小从而调整进风量的多少以适应电网的负荷,导风筒内部设计形状为拉法尔喷管,主要作用是用来提高流速和压差,也起到一定的导流作用。

  其中最重要的环节便是风力发电机的选择,风力机是一种将风能转换成机械能、电能或其他形式能的能量转换装置。水平轴风力发电机如今在世界上应用十分广泛,在风力发电中其研制最多,技术最成熟,是一种比较可靠的风力发电设备的选择。风轮机的结构有很多种样式,但是一般的样式为翼型叶片,风轮的叶片数一般为3片,如果要使风能的利用系数变高,那么就得增加风轮的启动力矩。对于系统稳定性来说,其重心主要集中在轮毂周围,重心距离地面很高,结构不稳定,且对装置的安装和维护造成了不小的困难。垂直轴风力发电机正好弥补了这一缺点,其不需要太大风速就可以转动,因此重心不用很高,而且运行比较稳定,给安装和维护带来了极大的便利。经过我们综合分析比较,能够确定垂直轴风力发电机更适合应用于空冷岛余热发电技术。对于中小型的立轴风轮来说,当前的技术已经解决了关于低风速启动以及高风速下自动限速的问题。立式轴风力发电机的叶轮在风速达到2m/s时就可以自行转动,风速下能获得比水平轴风机更高的利用率,并且即使是在高风速下运行噪音也很小。除此之外,当风速超过限制时,立轴风力发电机依然能够保持稳定的功率继续稳定运行。

  风力发电机的输出功率为

  (2-2)

  公式中为风能的利用系数,为空气流体的密度,为风力发电机的有效风扫面积,为局部风速。

  附加装置部分由风速测量仪、发电附加部份、单相风挡板组成。风速测量仪起到测量风速的作用,对风速进行实时监测。发电附加部份主要是由发电机单元及测量、保护和控制装置组成。发电机是安装在导风筒的喉部位置,此位置截面面积达到最小值,流速最大,发电机后接一个稳压电路进行电流输出;所谓测量、保护和控制部分又称二次部分,主要是对发电机电路进行保护,发生故障时及时切断如继电保护装置。单相风挡板安装在两个挡板之间,当气流流过挡板时,会有一部分从侧面流出从而关闭挡板,阻止空气流出。

  2.3运行方式

  乏汽通过密封管道送至空冷岛之后,通过冷却风机进行冷却,冷却后的热风进入上方的可控进风口,进风口可细分为5-7个入口管道,方便用来进行风能的收集,更好的利用余热风能。气流流过进风口会进入导风筒,在导风筒渐缩部分进行加速以后,到达喉部的风力发电装置,气流所具有的能量会带动风力发电机进行转动,发出的电能将会在空冷岛侧方通过电线一部分运输至电网,一部分用于厂用电消耗。

  第三章可行性探究

  3.1探讨可行性意义

  通过对汽轮机乏汽所具有的余热进行分析,发现其中含有大量的低品位热量,本文根据烟囱效应,提高流过乏汽热风的风速,增加进入导风筒的初速度,在导风筒的加速作用下,再次对热风进行加速。乏汽中所具有的余热会在喷管的作用下转化成风速,变成温度低流速快的气流,再进入到风力发电机进行发电。这种技术可以实现余热回收,达到节能减排和减小局部热岛效应的目的。

  本项目的研究主要工作:通过阅读大量文献,对相关的发电原理进行深入学习,了解目前发电行业现状以及所面临的问题,然后初步设计具体的系统结构,确定系统的组成部分,主要包括热风口、导风筒、风力发电机组以及附加部分组成。再对系统的每个部分进行结构建模,并分析在系统中的作用。对系统中从导风筒入口到风力发电机所进行的的传热过程以及工质的理论工作过程和考虑热风在导风塔中各流动损失的实际工作过程。分别计算理论工作过程及实际工作过程的热风风力、发电功率、发电量,从而证明该技术的可行性。

  3.2理论设计计算

  风力机的叶片是风力发电机组中重要的组成部分,叶片的半径决定了发电机在空冷岛上方的布置数量,这也是计算整个空冷岛余热利用发电量的重要依据。我们假定该装置安装在长×宽×高=180×80×50的空冷岛平台上,通过迭代法先假定发电机的输出功率,求出发电机叶片的直径。

  查阅资料后我们对一些数据做初步假定:发电机输出功率P为3000W,风机前的空气密度ρ为1kg/m3,流速v为6m/s。

  依据公式

  (3-1)

  式中:

  Pn——发电机输出功率

  Cp——风能利用系数,取Cp=0.3

  ——风机的转矩系数

  ——空气密度

  Vn——空气流速

  计算整理得出发电机叶片的直径可以定为7m,可以进一步求出风力发电机的转动面积。

  再由公式

  (3-2)

  求出发电机的功率为4987.59W,经计算得出空冷岛上方可安装至少200台风力发电机组,即发电机的总功率为997.52KW。经计算得出,空冷岛余热所产生的热经济性可以为电厂带来不可忽视的经济收益和环境效益。

  3.3得出结论

  通过理论计算得出,空冷岛余热中很大的一部分能量可以再次被利用,该发电技术具有一定的节能效益,在余热利用上指明了一条可行的道路,避免了对余热盲目的进行回收,不仅提高了电厂的经济性,更节约能源,保护环境,同时还能有效的防止热风再循环这一现象,综上所述,空冷岛余热发电装置绝对是集、节能、经济、环保于一身的新型技术。

  第四章结论

  目前,我国火力发电厂的效率在40%-42%左右,电厂在成立到如今不断进行优化,对能源的利用率不断提高,各种设备精度不断提高,但还是有一些能源在电厂运行过程中不断耗散,汽轮机高压蒸汽膨胀做功之后的乏汽就是其中之一,做完功之后的乏汽虽然温度降低,能量减少,但仍具有很大的低品位能量,这些热量会通过管道流到空冷岛,在经过空冷岛下方的风机进行冷却,而冷却过程中所产生热风具有很大的热能,一般都是直接排到大气中,造成了很大的浪费。

  在查阅相关资料后,了解到目前国内外对电厂余热利用的一些方法,本文通过能量转换的方法,将这部分热风所具有的热能和动能转化成风能。风能目前在许多其他国家已经得到广泛的利用,风力发电技术已经逐渐趋于成熟,风力设备也不断得到创新,本文所采用的是垂直轴风力发电机,这种发电机能够接受对方向的风流,也能在风力比较小的情况下进行发电,风能越大,转速也就越快,转化成的电能也就越多,所以为了提高热风的流速,在热风进入风力发电机组之前有一段渐缩形状的导风筒用来提高流速,主要是在压差的作用下把自身所含有的热能转化成动能,也就是风速,更大程度上利用了余热,风力发电机组中的附加部分也为整个系统提供了更加全面的数据分析。计算结果也表明了空冷岛热风中的余热可利用程度占着很大一部分,达到了节能减排的目的,有利于能源的高效利用,对提高火力发电厂的效率起到一定的作用。

  我国电力行业自改革开放以来发展迅速,大容量、高参数的机组不断涌现,在提高能源利用方面不断改进,本文是通过风力发电对余热进行再次利用,同时也为目前余热利用提供了相关的理论指导,指明了一条方向,为我国电力的行业提供一定的发展空间。所以,空冷岛的余热利用具有重要的意义。