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论文技巧大全-直接空冷岛余热发电系统设计及可行性研究

2021-04-27 13:45:29

  本项目以垂直轴风力发电机为基础,利用空冷岛热气流进行发电,期望通过本系统来实现机组的节能减排,从而提高机组的经济性。本文从热气流收集、叶片选型、整体布局三部分介绍整个系统,并通过理论分析计算系统的发电量和发电效率。

  随着全世界人口总量的不断增加,人类工业和科学技术的不断发展,全球水资源尤其是淡水资源面临着短缺的危机。所以在发电机组增加的同时,节约水资源和降低能耗也成为我们奋斗的目标、努力的方向。在中国内地尤其是严重缺水的西北地区,直接空冷机组成为大多数电厂的选择。近年来,我们国家在水资源短缺但是煤炭资源特别丰富的内陆地区尤其是西北地区新建了大量的直接空冷机组,这样做,不仅节约了一定的水资源,起到节能作用,解决了一部分发电不足问题,而且收到了一些的经济效益和社会效益。直接空冷机组用生活中随处可见、可再生的空气能够成为汽轮机排出的蒸汽的冷却物质,与以往在传统工业还有人们的生产生活中所用的介质工质水相比,空气作为介质有很多的优点,例如比热容小、导热系数小等。直接空冷机组的冷凝器一般采用翅片管的结构,这种结构的特点是汽轮机排汽在管内进行凝结放热,凝结放热后的冷凝水直接进入凝结水箱,与以往的水冷机组系统相比,直接空冷空冷机组的冷却系统系统具有设备成本低、系统简单和节约水资源等优点[1]。与水冷系统相比,直接空冷系统受背压较高的影响,直接空冷机组的煤耗一般排放的热气流温度较高,直接空冷机组所排出的废气含有的热量是直接空冷机组拥有的独特的的余热能源,因此,怎样能够高效的使用这部分余热对空冷机组提高机组效率,从而提高经济性有着非常重要意义。再者说,垂直轴风机发电技术的发展并逐渐成熟为空冷岛热流发电系统提供了核心支撑。

  1.2国内外研究现状

  从全球范围来看,直接空冷技术从诞生至今已经有六十多年的发展历史,直接空冷系统最早出现于二十世纪三十年代前后,随后紧接着由于世界大战的爆发,直接空冷系统技术的发展遭受到了一定的影响,一直等到十九世纪八十年代以后该技术才在一些发达国家的大机组和大电厂中得到发展和应用并且逐渐的被人们完善。一九三八年,德国的一个用于工业生产的工业电站为了满足工业生产的需求安装了世界上第一台用于凝汽器的直接空冷凝汽器;一九五八年,意大利投运了世界上第一座安装有直接空冷凝汽器的两台三十六MW的公用电站,一九三八年,德国电气公司建成了世界上第一座直接空冷发电机组,虽然容量只有1.5MW,但是确相当于开创了直接空冷系统的新纪元,从此之后开始了直接空冷机组的发展[2]。由于当时成本较高,直接空冷设备投资较大,并且当时有充足的水资源用来冷却蒸汽,环保的要求也相对较低没有现在这么严格,所以在实际的发电中应用很少。当时的很多大电厂都可以直接用直接水冷系统,将废热排入江河湖海。与空冷系统所对应的汽轮机也因为它的排汽压力过高,热量消耗大而被人们所搁置。上个世纪六七十年代,随着全人类科技和工业的迅速发展以及人类生活水准的不断提高,还有自然水源紧缺,大气、土壤、水资源、环境污染日益严重,直接空冷技术在世界上很多发达国家逐步在许多大型火电厂应用。直接空冷机组的冷却系统,也就是我们说用到的空气冷却系统也是越来越受到世界各个发达国家和地区的研究机构和企业的关注。

  在咱们常见的一般的的空冷机组的研究和设计中,所有的建造起来并且投入使用的空冷岛设备,空冷岛所冷却的乏汽余热属于低品位热能,在实际生产中是很难利用起来的。针对空冷岛乏汽的回收,华北电力大学杨勇平教授等在分析空冷机组运行特点的基础上,提出了一种空气一烟气余热联合回收系统,也就是说空冷岛出口的热空气被用来作为锅炉的燃烧用风,进入到空气预热器被热源加热,与此同时在锅炉的尾端部分安装上低温省煤器,我们用这部分热量来加热循环过程中所用到的的凝结水,从而实现节省汽轮机抽汽量的用途[3]。林再江等从空冷单元机组在冬季低温防冻和空冷岛排放热量以及热气流余热利用的角度出发,提出了空冷机组余热回收综合利用系统,采用空冷单元进行合理封堵,解决了直接空冷机组在冬季低温的情况下防冻的问题,在同时也起到了回收和利用空冷岛的余热,提高了机组运行经济性的作用4]。陕西协力动力科技有限公司张全根等发明了一种将空冷岛乏汽余热用于火力发电厂废水零排放处理的工艺[5]。

  现阶段各国都致力于开发和利用新能源,而风力作为一种清洁能源,并且能够大量获取,所以正在得到广泛应用。现有的风力发电技术已经逐步走向成熟了,设备制造业趋于完善,其原理是利用风力推动叶片转动产生的机械能带动发电装置运行从而产生电能。发电风机作为风力发电的主要设备其中的一个也是直接空冷岛余热发电系统的关键核心装置。

  发电风机又称风机,发电风机是一种能够将风能转化为人们在日常生活中可以利用的机械能或者电能和热能的一种机械设备。对于常见的人们所认知的风机的造型来说,我们在设计制造风机的时候既要慎重的思考到它的结构和重量的需要,也要考虑到人们对于美观的需求。在我们的日常生活中,人们经常会把发电风机分为两种类型,一般可以分为水平轴风力机和垂直轴风力机。水平轴风机的主要核心装置在水平方向上,称之为水平轴风力机,而其他的主要设备在垂直方向上的,人们称它为垂直轴风力机[6]。水平轴风力机是目前世界上各个国家和地区都在研究和使用的风机,也是日常生活中我们最常见到的一种风机,同样的水平轴风机也是目前从世界范围来看技术最为成熟的发展的最好的一种风力机。水平轴风机一般有着两片到三片风机叶片,水平轴风机风机有着风能的利用率特别特别大的优良特点。倪受元等在风力机的类型与种类一文中详细的介绍了国内外风机的发展历程及其优缺点。

  第二章发电系统的设计方案

  2.1设计原理

  2.1.1空冷岛基础介绍

  图2、某电厂空冷岛图片

  空冷岛是利用装于下部的垂直轴风机将由汽轮机排出的蒸汽进行冷却的装置,经过冷却后水蒸汽变成水经由凝结水泵送回锅炉。而冷却所使用的冷空气则变为具有一定速度的热空气,存在较大一部分余热。我们能利用热风密度小能上升流动的特性,将流动形成的热风汇集在纵向设置的导风塔内,再利用烟囱效应提高热风风速;从而使形成的高速热风推动设置于导流塔上方的风力发电装置发电。导风塔的加速作用是热风效率随着导流塔高度的升高而增大导流塔高度的减小而减小,因为导风塔直径不变,导风塔出口与导风塔底部的压差增大,拔风能力会加强。因此我们在设计空冷岛余热发电装置的时候,在考虑到环境因素影响下要尽量能将导风塔设置一个合适的高度。导风塔的吸力随着导风塔粗细的减小而增大,所以可以使导风塔内热风的气流流速增加,但是又因为由于导风塔直径的减少特别有可能导致热风气流的流量会减小,导风塔入口处的动能可能是增加还是减少还必须进行进一步计算,正因为这样不能认为导风塔直径越小越好,必须得经过严密的计算才能得出相对来说准确的结论。

  2.1.2实现方法

  本次项目是采用流体的相关知识,利用渐缩喷管这样一种形式将冷却后被蒸汽加热后的热气流收集,经由导流塔后,空冷岛上空附近的热气流会降温并且变为高速气流,变成能够带动风机发电的风能,再由风机将动能转化为电能,输送出去。

  图3空冷岛挡风墙

  2.2主要部件的组成

  整套装置由以下几部分组成,分别包括:挡风墙、热风密封管道、导流塔、可控进风口、发电风机、输电线路。(从下到上)

  挡风墙布置于空冷岛的四周(如图1),材料可以选用不锈钢板或者铝板,主要起到防止热气流像四周扩散的作用,防止余热的不必要损失。

  热风密闭通道用于连接空冷岛与导流塔,将收集起来的热气流送至导流塔入口,由一束束钢管组成。

  导流塔布置于空冷岛的正上方,材料可以参照间接空冷系统中的冷凝塔,使用混凝土浇筑。导流塔主要起热流收集、输送、加速以及控制压差的作用,也是整个系统中比较重要的组成部分。所以导流塔的各项参数设计显得尤为重要,流塔的尺寸以及各项参数将在下文中列出。

  可控进风口布置于导流塔出口发电风机下部,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。

  发电风机位于导流塔出口位置,是整套系统的核心部分,发电风机将加速后气流的动能转化为电能。

  图4导流塔烟囱效应

  第三章、主要部件的选择及参数选择

  3.1导流塔的选择

  3.1.1导流塔类型

  常用的导流塔主要有渐缩喷管型和文丘里管型,喷管型导流塔是一种从下至上逐渐变细的管道,用于对流体进行加速,也可用于流体的冷却,运输等等。导流塔是由进口段与逐渐缩小段构成,当热气流流过管道时渐缩段的大小逐渐减小,流体的压力增大,流速会相对增加很大[7]。喷管型导流塔中发电装置装于出口,热气流风速也在出口达到最大,用料相对较少,但密闭性较差。

  3.1.2导流塔优缺点分析

  我们平常所说的常见的文丘里管是一种中间细两头大的管道,经常被用来测量流体流动的各项参数。文丘里管的整体结构是由四个部分组成的,分别是进口段,渐缩段,喉道,分散段四个部分构成的。当我们用的流体流过文丘里管的时候,文丘里管的中间收缩部分的截面大小逐渐减小,流体压力也会不断地变大,流速不断的增加;在文丘里管的分散部分,伴随着文丘里管横截面直径的增加,流体在文丘里管内的压强连续降低并且流速降低。文丘里管型的导流塔是利用它的渐缩部分用来收集空冷岛上空的热气流,完成加速后的气流随后会带动发电机进行旋转发电,实现空冷岛热流的回收利用。文丘里管型导流塔发电风机装于颈部位置,密闭性较好。

  图5文丘里管

  3.1.3导流塔选型

  本次项目考虑从经济性方面考虑采用渐缩喷管型导流塔风机安装和维修方便,风能利用率高,所以选用渐缩喷管型导流塔。

  对比某家电厂的60MW的直接空冷机组空冷岛相关参数,首先设定好热流的初温及初速度恒定,整个空冷岛的长度为150m,宽度为60m(以600MW的机组为例),假设气流的初速度为6m/s,初温为40℃)。

  3.2风机的选择

  3.2.1风机类型介绍

  风机是这样一种装置,它能够将风能转化为机械能、热能或者电能,从而实现能量的转化,传统的风机发电风机按轴的方向可分为两种,这两种分别是一种我们常见的风力发电中主要用到的水平轴风机,另一种是相对没有水平轴风机技术那么成熟的、小众的垂直轴风机。

  径向型风机又被人们叫做水平轴封机,是现代风力发电的所有种类中最常见的类型,也是从目前全世界范围中看技术最成熟的风机类型。为了使正对着风的那面随时对风,正是如此所以需要安装调向装置。对于空冷岛的以竖直方向为主的热流,水平轴风机显然不太适。

  3.2.2风机选型

  下面我将要重点介绍一下本次项目所适用的垂直轴风机。

  垂直轴风机的叶轮的转动与风向没有太大的关系,所以它不像水平轴风机那样需要安装迎风装置,所以从成本方面讲也有一定的优势

  垂直轴风机从大的方面来分类可分为两个最为主要的类型,第一种类型的垂直轴风机是利用空气的阻力做功,它的主体结构是通过两个半圆柱形构件组合在一起组成的,现在介绍一下它的优点。阻力型的垂直轴风机优点是起动的时候转矩比较大,所以动力充足,垂直轴风机的缺点是由于围绕着风机的叶片会产生不对称的气流,所以进入风机内的气流会对叶片产生侧向的推力[8]。对于我们生活中那些少见的大型的垂直轴风机,由于风机的风轮会受到偏转力还有极限应力的特别的限制,所以应用这种结构形式是比较困难的。还有一种垂直轴风机是利用如同飞机的机翼一样的利用空气向上的升力做功,这一种风机的代表是达里厄风机。虽然现在我们使用的大多是水平轴的风机,但是对于本次项目,由于垂直轴类型的风力机,特别是垂直轴风机中的达里厄型风机时,它有着特别好的流体动力性能,所以可以提高整个系统的发电的效率,而且会在很大程度降低了风机建设的造价,所以近几十年来受到了各国的研究人员和研究机构的广泛的关注。

  与传统的水平轴风机进行比较,达里厄风机存在诸多的优势(1)从叶片的受力分析进行比较,水平轴叶片上受到正面风,所以受到荷载力和离心力,叶片结构与悬臂梁类似,这种结构的特点是有很大的弯矩在叶根根部产生,很多的事故都是叶片根部断裂造成的。垂直轴型风机还有几个特点是,叶片的两头与风力机的轴固在一起非常牢固,叶片的柔软程度也会较好,叶片的刚度也不是由叶片的形状来保证的,而是经过轴的旋转后与叶片自然在实际情况下形成一条没有弯曲方向的应力,叶片只受拉应力,所以叶片的受力会特别的小,制造时用的材料也少,不容易被折断。

  (2)从整个的发电系统的稳定性来分析,水平轴的风机最重要的主体部分放置在很高的塔顶最上面,最为关键的是,水平轴风机的主体部分有一个可全方位旋转的活动联接机构,并且风机的重量已经达到了至少在十几吨至几十吨以上,叶片上的总体载重量也至少达到了几十吨,水平轴风机的关键设备安装位置过高,结构实际上特别不稳定,且位置太高所以导致安装和后期维修特别不方便。垂直轴风力发电机组发电机的重要零件在整个装置的最底部,所以能够导致风机的重心相对较低,这样的一种设计会是装置不仅稳定,而且维修特别方便,发电风机机架是用钢丝锁进行固定的,这样的结构的好处是风机的整个制造成本会大大降低。

  (3)水平轴机组机顶上的机仓部分需要进行全方位无死角的转动,使其达到正对着来风的目的。水平轴风机的调节系统包含有以下几个系统,它们分别是风向检测系统、角度调节发射装置系统、角位移跟踪电力拖动系统,垂直轴风力机的主轴永远向着原来设定好的方向持续不断的转动。

  (4)达里厄垂直轴风机有着其他垂直轴风机没有的优点,例如,达里厄垂直轴风机系统不需要调节距离的系统,而且也不需要使叶片正对着风的调节系统,还不需要任何自动调节控制调速系统或者是特殊设计的不断可以变速的变速发电机[9]。这样做是为了是发电系统在整个的可发电风速范围内之间向电网输出同样频率,同样电压的电功率。达里厄垂直轴风机还不需要发电机的特殊过载、过流保护系统等装置,也不需要不是那么简单而且昂贵的监视装置情况的系统。

  与此同时达里厄风机也存在一些缺点,比如不能自行启动、调速困难、叶片弯曲不易加工等等,这些问题还有待解决。

  3.2.3风机叶片的参数确定:

  现有工程中对发电机叶片的直径由三种模型算法:

  模型1:

  模型1中,Pn代表发电风机的输入功率,η代表发电风机风机的转矩系数,ρ代表了所处位置的空气密度,vn代表了当时当地的空气流速。

  模型2:

  参数同上式。

  模型3:或

  此模型是以工程中实际经验为基础简化得来的风力叶片直径计算公式;对于本文所探讨的项目,采用模型1的计算公式,求得成果精度较高。用模型一的公式来计算,可得,风力发电机叶片直径大约为7m.

  3.3发电系统运行过程

  图6发电系统简图

  经过冷却乏汽轮机排出的蒸汽后空冷岛上的空气经过加速升温后的空气吸收热量温度升高,形成大致方向为竖直向上的热气流,这些热气流经过设置在空冷岛边上的挡风墙的封堵之后,这部分热气流会通过热风密闭管道继续进入导流塔,进入导流塔的热气流流经过渐缩喷管型形状的塔身加速降温后,通过“烟囱效应”,变为满足风机运行的高速流动的气流,再经过设置在烟囱内的可控进风口形成了相对稳定的风。经过加速后的热气流可以带动设置于导流塔顶部出口位置的达里厄风机的发电装置的旋转运行,最后就可以通过电厂架设的电线输送出去。

  第四章、垂直轴风机发电系统的可行性研究

  4.1探讨可行性意义

  本次项目利用空冷岛余热的发电系统的设计是以达里厄风力发电风机为基础,根据渐缩喷管型的导流塔的加速原理,将空冷岛余热气流加速到可被利用的高速气流的系统,所以验证系统能否可以运行也是整个项目中必不可少的一步。

  导流塔作为空冷岛热气流加速的核心装备,热气流在其中的加速变化过程是我们不可忽略的,在设定好初始条件的基础上,我将对气流在导流塔中运行过程进行简单的分析计算,确定出通过可控挡风板时热气流的相关参数,为计算发电功率做准备。

  发电风机是空冷岛余热发电系统的核心装置,发电风机的数量以及在整个系统中的布置方式是计算系统发电量的重要依据,在上文中我们已经确定了发电风机的叶片直径和布置方式,所以风机的设计计算主要以风机数量和发电量为主。

  4.2理论设计计算

  4.2.1导流塔设计分析

  首先设定计算初始条件:

  (1)热气流在导流塔中的运动过程为理想过程,忽略空气和导流塔表面的摩擦。

  (2)忽略重力对热气流的影响

  (3)设定导流塔入口处T1=40℃,P1=0.5MP,Cf1=6m/s,

  热气流在导流塔中的热力过程为可逆绝热过程,所以

  T0=T1+Cf12/2Cp=(40+273)K+(6m/s)2/(2×1005J/(Kg.k))=313.018K=41.018℃

  P0=P1(T0/T1)(K/(K-1))=0.5×(313.018/313)(1.4/(1.4-1))=0.5001MP

  对于初态确定的收缩喷管内的流动,出口截面流速达到音速时流量最大,所以

  P2=P0vcr=0.5001×0.528=0.26MP

  T2=T0vcr(k-1)/k=313.018×0.528(1.4-1)/1.4=34.176℃

  Cf2=C2==8.216m/s

  4.2.2发电风机设计分析

  上述计算得出导流塔出口处流速为8.216m/s,而发电风机的叶片直径为7m,所以依照60MW发电机组来看可设置的风机台数为25×10。250个发电风机。

  发电风机的发电功率P的计算公式为

  公式中CP代表了发电风机对风能的利用系数,ρ代表了当地的空气流体的密度,A为所设计的风力发电机的对风面积,v代表了当地当时的风速。

  在风机类型的选择中求得风机直径为7m,所以扫风面积A=πd2,所以求得A=153.94m2

  根据上述公式和所求数据发电功率P=2238.4W,所有的发电风机的发电功率

  p总=np=2238.4×250=559600W

  所以,总的发电功率为经过理论计算得出,空冷岛余热所产生的热能可以用来发电,能够为电厂所属的企业或者个人的经济效益、发电效益以及环境效益都带来很大的具有优势的好处。

  第五章、结语与展望

  本次项目通过空冷岛余热发电系统的设计,以达到直接空冷机组的热经济性,从而达到节能减排、废热利用的目的。项目设计了发电系统的整体布置方式,余热能量转换的形式,并对系统运行的可行性进行了分析研究。

  第一章首先说明了本次项目的研究背景和发展现状,叙述了空冷岛和风力发电风机的基本情况和现状等等。传统的方式我在第一章中已经做了简单介绍,都是通过直接利用废热进行一些简单的对给水进行加热等等,效率低下。和以往传统的直接回收利用的方式不同的是,本次项目从空冷岛热流入手,通过对空冷岛环境的研究分析比较,以风力发电装置为基础,立轴式发电风机为发电设备,充分利用环境风场,实现废物利用,节能减排,并且为发电企业提高了经济性带来了效益。

  第二章介绍了整个发电系统的设计理念,设备的组成,各设备的安装位置等等。在这一章中对各个组成设备进行了介绍,从它的基本结构到基本分类,以及每种的结构、优缺点和经济性。确定了装置主要部件:挡风墙、导流塔、发电风机三部分。第三章介绍了导流塔和发电风机这两个主要设备的选型和参数的确定,通过对各类型号在结构简易程度、工作效率、安装是否方便、后期维护成本、运行可靠度、成本等六个方面进行比较,确定了渐缩喷管型导流塔加达里厄立轴式风机的组合方式,在总体经济性方面有较大的优势。

  第四章是通过理论分析和相关数据的计算来验证整个系统的可行性,在导流塔中确定空冷岛热流的入口流速、温度,通过喷管的相关计算确定导流塔出口流速;而发电风机方面,利用已经确定好的风机组数,叶片面积等相关参数,确定最终的发电量,来验证系统的经济性。

  在远离湿润的气候的我国大部分的内陆地区,特别是非常贫瘠的西北地区水资源缺乏的现状为直接空冷机组的发展带来了巨大的优势,近些年来,在中国的北方地区的新建的机组大多数都是采用直接空冷的方式进行蒸汽的冷却,本次毕业设计中所提到的与以往传统的余热利用方式相比,相对来说还是与众不同的,采取这种方法的好处是电厂的经济性得到了大的提升,做到了更好的节能减排,还做到了空冷岛的余热利用。