直接空冷系统优化设计软件研发及关键技术
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2
设计及满发气温计算 空气物性计算模块
蒸汽侧阻力计算 空冷单元及管束计算模块
年运行费用计算模块
初投资现值计算模块
年总费用计算模块
热力计算及校核计算模块
翅片管基本参数计算模块
水与水蒸气物性计算模块
汽轮机排热量计算模块
排汽管道系统阻力计算模块
图 1 直接空冷系统优化设计软件的组成
DACC 传热系数计算模块
3
场地要求和厂界噪声的 DACC 布置方案。 4.1 DACC管束规格及空冷单元设计 根据不同迎面风速方案，确定的 DACC 总面积。按照不同管束规格，结合 DACC 平台布 置方案、列数和排数，确定空冷单元数、风机功率、空冷平台的尺寸。 4.2 顺逆流比 综合考虑防冻和 DACC 布置方案，按工程经验确定顺逆流面积比。顺流单元、逆流单元 可分开独立设置，或采用混合单元布置方式。顺流管束和逆流管束的长度相同或不同。 4.3 DACC布置 结合 DACC 管束规格，面积取舍原则趋于保守，与计算散热面积相比，设计散热面积留 有一定的裕量。不同容量机组的布置方式，应结合总换热面积、管束尺寸和顺逆流比确定。 为布置美观，平行于汽机房长度方向尽量与汽机房长度保持一致。一台独立的空冷岛布置后 宜接近正方形。 5. 风机组设备选型[9] 风机组设备的选型是否正确，直接关系到 DACC 系统的全年变工况运行和优化计算的正 确性。由于试验工况不同，厂址气象条件的差异，以及各风机厂商的风机出厂试验工况的不 同，使看似简单的风机静压计算和风机选型比较复杂。风机的设计和选型计算基于厂址气象 条件和设计工况参数，即考虑当地大气压力和环境温度修正。由于环境温度的变化，DACC 的变工况计算中，风机轴功率还要进行修正，即环境温度修正。 风机组设备主要包括轴流风机、齿轮箱和电机。按照配套的顺逆流风机，风机组分为顺 流风机组设备和逆流风机组设备。当顺逆流单元具有相同的管束和尺寸时，顺逆流风机具有 基本相同的风量和风压。当顺逆流单元具有不同的管束和尺寸时，为方便生产、制造、安装 和维护，顺流风机和逆流风机应尽量选用相同的型号，现场安装时仅调整叶片安装角。 风机组设备选型还要兼顾设计要求的厂界噪声标准。 6. 蒸汽侧变工况流动阻力 不同工况下，排汽管道系统压降与排汽管道系统型式、管径、导流叶片的优化设计等因 素有关。管束阻力与翅片管型式、管束长度、顺/逆流方式、下联箱型式等有关。由于水蒸气 处于湿蒸汽区，应对各汽轮机工况下，不同长度的 DACC 管束的阻力特性、直接空冷排汽装 置及排汽管道系统阻力特性进行系统地研究[10~11]。 7. 变工况优化 针对某个设计迎面风速所对应的 DACC 总散热面积及设备选型方案，可进行该方案全年 的变工况优化计算。即根据典型年逐时气象数据，按汽轮机运行模式和 TMCR 变工况特性表， 进行全年变工况计算。采用年总费用最小法进行各方案的经济性比较分析，确定 DACC 最佳 方案。以下以固定 ITD 值的变工况优化计算为例进行说明。 7.1 计算输入条件 7.1.1 典型年逐时气象参数 典型年逐时气象参数及数据需要结合厂址或周边气象站多年逐时气象数据研究确定。典 型年的确定方法有很多种，其中结合电厂预期的机组运行率及负荷率进行统计的气象参数比 较准确[12]。 7.1.2 汽轮机运行模式 汽轮机运行模式，包括不同环境温度下汽轮机的出力、运行小时数、利用小时数。由于 我国各个电力系统负荷的情况，以及各发电厂在系统中所起的作用不同，汽轮机年利用小时 数未作统一规定，由各工程根据具体情况而定。当无汽轮机参考运行模式时，汽轮机各温度 段利用小时数，可通过典型年各温度段自然小时数，以及年利用小时数和全年 8760 小时进行 等比例折算。
直接空冷系统优化设计软件研发及关键技术
石 磊1，黄志祥 2，朱嵩 2，汤东升 2，陈泽韩 2 （1. 北京交通大学 土建学院，北京 100044；2. 广东省电力设计研究院 广州 510663） 摘要：介绍了直接空冷系统优化设计软件的编程思路和框架、研究策略和关键技术、实施步 骤和计算方法。 关键词：工程热物理 直接空冷系统 优化设计软件 关键技术
固定 ITD 值的优化
优化设计方式的选择
基本设计优化
经济性分析
风机组设备选型
方案设计优化
变工况计算
3. 基本设计优化 围绕软件基本组成详述软件的研究策略和关键技术、实施步骤和计算方法。 3.1 设计及满发气温的确定 设计及满发气温的确定离不开厂址典型年的逐时气象参数。目前，直接空冷系统优化设 计典型年多为典型气温年，并在优化设计中，考虑环境风向和风速对 DACC 换热的影响[2]。 通常，汽轮机 TMCR/THA 工况对应于设计气温，夏季 TRL 工况对应于满发气温。设计气温 的确定有 6000 小时数法、+5℃加权平均值法、算术平均法、30%频率法等八种方法[3]。为便 于研究、分析和计算，软件实现了常用的 5 种设计气温和 3 种满发气温的计算。软件还提供 了设计气温的手动输入功能。通过设置任意不满发小时数，软件能确定任意不满发小时数下 满发气温。
a 1.293
273 B 273 ta 101.325
(1)
B Bst，kg/m3； ta 为环境空气温度，℃； B 为当地大气压力，kPa；S 为海 拔高度，m； Bstd 为标准大气压力，kPa。 3.3.2 水和水蒸气物性参数 按国际公式化委员会 （IFC） 制定的 IAPWS-IF97 公式其通用计算模型[4]和 Antoine 方程[5]， 确定水和水蒸气物性参数。 3.3.3 计算（考核）工况参数 按静态设计计算工况，通常为额定工况汽轮机参数和相应环境气象条件。汽轮机参数包 括汽轮机排汽量、排汽背压、排汽干度、排汽焓等。汽轮机低压缸排汽参数、DACC 入口蒸 汽参数、系统 ITD 值、直接空冷凝汽器 ITD 值、凝结水温度、过冷度等的定义和测量位置按 德国 VGB 导则确定[6]。 3.3.4 散热器基本参数计算 DACC 的主要管型为单排管、双排管和三排管。工程中，多采用单排管。各厂商单排管 基管尺寸、翅片厚度、翅片长度、翅化比有细微差异[7]。 3.3.5 DACC特性参数 DACC 性能参数依照空冷厂商提供的试验关联式。DACC 性能基础数据一般通过理论分 析、数值模拟及试验确定。与 DACC 性能密切相关的几个无因次准数包括：雷诺数 Re、努谢 尔特数 Nu、格拉晓夫数 Gr、欧拉数 Eu、普朗特数 Pr 等。DACC 的传热系数、空气侧阻力， 冬季自然通风下 DACC 的性能等的确定，都会涉及以上无因次准数。一般，雷诺数与流动状 态有关；DACC 管束阻力与欧拉数、普朗特数有关；传热系数与雷诺数、普朗特数、努谢尔 特数有关；冬季自然通风下，DACC 的性能与格拉晓夫数、普朗特数有关。 3.3.6 热力计算和校核计算 假定出口空气温度，采用效能-单元数（ɛ-NTU）法进行热力计算和校核计算，确定某迎 面风速下的翅片管总面积或总迎风面积[8]。 4. 方案设计优化 根据基本设计优化确定的 DACC 计算总换热面积，进行 DACC 方案设计优化，确定满足
Key Technologies, Research and Development on Optimal Design Software of Direct Air Cooling System
By SHI Lei, HUANG Zhixiang2, ZHU Song2, TANG Dongsheng2 and CHEN Zehan2 (1. School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, PRC. 2. Guangdong Electric Power Design Institute, Guangdong 510663, PRC) Abstract: The programming thoughts and frame, research strategies and key technologies, implement approaches and calculation methods on optimal design software of direct air cooling system are introduced. Keywords：engineering thermophysics; direct air cooled system; optimal design software; key technology 1. 前言 直接空冷系统的优化设计具有十分重要的意义，主要涉及直接空冷凝汽器（DACC）系统 的传热、流动阻力、布置和噪声。直接空冷系统的优化设计是个技术经济问题，要进行多方 案的比较，一般采用年总费用最小法，综合考虑初投资和运行费用，使空冷系统在寿命期内 总费用最小[1]。据此，本研究开发了直接空冷系统优化设计软件。 软件采用 VB6.0 编程，并与 Microsoft 公司的数据处理软件 EXCEL 实现接口，有效地提 升了 VB 在数据前后处理方面的能力，同时，方便了使用者。软件的开发基于单排管直接空气 凝汽器 （DACC） ， 适用于单排管直接空冷系统的研究、 优化、 设计和校核计算。 通过改变 DACC 的传热系数和空气侧阻力，亦能完成双排管、三排管的研究、优化、设计和校核计算。根据 不同的汽轮机特性，软件能完成固定进汽量、固定机组出力、变进汽量、变机组出力的汽轮 机及 DACC 的综合优化及设计计算。通过对软件算法的优化，大大提高了程序的运算速度， 节省了计算时间。软件具有可视化操作界面，使用简单、方便。 2. 软件框架 为方便工程使用，直接空冷机组冷端系统优化软件由静态设计和优化设计两大部分组成。 静态设计实现在给定的静态设计条件下，如计算或考核工况的环境参数和汽轮机排汽参数等， 通过设置 DACC 的迎面风速，快速确定 DACC 的总迎风面积、总散热面积和管束总数等；静 态设计不涉及 DACC 全年优化的内容。优化设计包括全年直接空冷系统的运行优化和方案优 选。优化设计分为固定初始温差（ITD）值的优化和设计 ITD 值的优化。固定 ITD 值的优化 是在汽轮机选型完成后，对 DACC 不同迎面风速进行优化。设计 ITD 值的优化不但涵盖固定 ITD 值的计算范畴， 还包括不同汽轮机设计背压下汽轮机侧全年优化的内容。 优化设计由设计 及满发气温计算、优化设计方式的选择、基本设计优化、方案设计优化、风机组设备选型、 蒸汽侧阻力计算、变工况计算和经济性分析八个部分组成。其中，基本设计优化模块与静态
DACC 阻力计算模块
DACC 平台布置方案模块
DACC 管束阻力计算模块
3.2
优化设计方式的选择 优化设计方式包括设计 ITD 值的优化和固定 ITD 值的优化。通过复选框选择不同的设计 背压和迎面风速，确定 ITD 值优化的计算工况。 3.3 基本设计优化 根据计算或考核工况条件进行热力计算及校核计算，确定 DACC 总计算散热面积，并根 据初步确定的管束长宽，初步确定总管束数，称为基本设计优化。根据基本设计优化的计算 结果，综合考虑管束长宽、空冷岛平台布置方案、面积裕量、空冷单元设计方案、厂界噪声、 轴流风机及风机组设备选型的优化过程，称为 DACC 方案设计优化。 3.3.1 环境条件和空气物性参数 环境气象条件，包括大气压力、环境温度、环境风速由厂址气象台站提供。采用式（1） 确定空气密度。空气平均密度，即进出 DACC 的空气密度的算术平均值。空气的其他物性参 数按常数计算。
作者简介：石 磊（1973－） ，男，汉，河南信阳市人，工学博士，高级工程师，主要从事电厂空冷系统模 拟和优化研究。E-mail: lshi@ 1
设计具有相同的功能。软件的基本组成和主要功能模块，如图 1 所示。
直接空冷机组冷端 系统优化设计软件
静态设计
优化设计
设计 ITD 值的优化
设计及满发气温计算 空气物性计算模块
蒸汽侧阻力计算 空冷单元及管束计算模块
年运行费用计算模块
初投资现值计算模块
年总费用计算模块
热力计算及校核计算模块
翅片管基本参数计算模块
水与水蒸气物性计算模块
汽轮机排热量计算模块
排汽管道系统阻力计算模块
图 1 直接空冷系统优化设计软件的组成
DACC 传热系数计算模块
3
场地要求和厂界噪声的 DACC 布置方案。 4.1 DACC管束规格及空冷单元设计 根据不同迎面风速方案，确定的 DACC 总面积。按照不同管束规格，结合 DACC 平台布 置方案、列数和排数，确定空冷单元数、风机功率、空冷平台的尺寸。 4.2 顺逆流比 综合考虑防冻和 DACC 布置方案，按工程经验确定顺逆流面积比。顺流单元、逆流单元 可分开独立设置，或采用混合单元布置方式。顺流管束和逆流管束的长度相同或不同。 4.3 DACC布置 结合 DACC 管束规格，面积取舍原则趋于保守，与计算散热面积相比，设计散热面积留 有一定的裕量。不同容量机组的布置方式，应结合总换热面积、管束尺寸和顺逆流比确定。 为布置美观，平行于汽机房长度方向尽量与汽机房长度保持一致。一台独立的空冷岛布置后 宜接近正方形。 5. 风机组设备选型[9] 风机组设备的选型是否正确，直接关系到 DACC 系统的全年变工况运行和优化计算的正 确性。由于试验工况不同，厂址气象条件的差异，以及各风机厂商的风机出厂试验工况的不 同，使看似简单的风机静压计算和风机选型比较复杂。风机的设计和选型计算基于厂址气象 条件和设计工况参数，即考虑当地大气压力和环境温度修正。由于环境温度的变化，DACC 的变工况计算中，风机轴功率还要进行修正，即环境温度修正。 风机组设备主要包括轴流风机、齿轮箱和电机。按照配套的顺逆流风机，风机组分为顺 流风机组设备和逆流风机组设备。当顺逆流单元具有相同的管束和尺寸时，顺逆流风机具有 基本相同的风量和风压。当顺逆流单元具有不同的管束和尺寸时，为方便生产、制造、安装 和维护，顺流风机和逆流风机应尽量选用相同的型号，现场安装时仅调整叶片安装角。 风机组设备选型还要兼顾设计要求的厂界噪声标准。 6. 蒸汽侧变工况流动阻力 不同工况下，排汽管道系统压降与排汽管道系统型式、管径、导流叶片的优化设计等因 素有关。管束阻力与翅片管型式、管束长度、顺/逆流方式、下联箱型式等有关。由于水蒸气 处于湿蒸汽区，应对各汽轮机工况下，不同长度的 DACC 管束的阻力特性、直接空冷排汽装 置及排汽管道系统阻力特性进行系统地研究[10~11]。 7. 变工况优化 针对某个设计迎面风速所对应的 DACC 总散热面积及设备选型方案，可进行该方案全年 的变工况优化计算。即根据典型年逐时气象数据，按汽轮机运行模式和 TMCR 变工况特性表， 进行全年变工况计算。采用年总费用最小法进行各方案的经济性比较分析，确定 DACC 最佳 方案。以下以固定 ITD 值的变工况优化计算为例进行说明。 7.1 计算输入条件 7.1.1 典型年逐时气象参数 典型年逐时气象参数及数据需要结合厂址或周边气象站多年逐时气象数据研究确定。典 型年的确定方法有很多种，其中结合电厂预期的机组运行率及负荷率进行统计的气象参数比 较准确[12]。 7.1.2 汽轮机运行模式 汽轮机运行模式，包括不同环境温度下汽轮机的出力、运行小时数、利用小时数。由于 我国各个电力系统负荷的情况，以及各发电厂在系统中所起的作用不同，汽轮机年利用小时 数未作统一规定，由各工程根据具体情况而定。当无汽轮机参考运行模式时，汽轮机各温度 段利用小时数，可通过典型年各温度段自然小时数，以及年利用小时数和全年 8760 小时进行 等比例折算。
直接空冷系统优化设计软件研发及关键技术
石 磊1，黄志祥 2，朱嵩 2，汤东升 2，陈泽韩 2 （1. 北京交通大学 土建学院，北京 100044；2. 广东省电力设计研究院 广州 510663） 摘要：介绍了直接空冷系统优化设计软件的编程思路和框架、研究策略和关键技术、实施步 骤和计算方法。 关键词：工程热物理 直接空冷系统 优化设计软件 关键技术
固定 ITD 值的优化
优化设计方式的选择
基本设计优化
经济性分析
风机组设备选型
方案设计优化
变工况计算
3. 基本设计优化 围绕软件基本组成详述软件的研究策略和关键技术、实施步骤和计算方法。 3.1 设计及满发气温的确定 设计及满发气温的确定离不开厂址典型年的逐时气象参数。目前，直接空冷系统优化设 计典型年多为典型气温年，并在优化设计中，考虑环境风向和风速对 DACC 换热的影响[2]。 通常，汽轮机 TMCR/THA 工况对应于设计气温，夏季 TRL 工况对应于满发气温。设计气温 的确定有 6000 小时数法、+5℃加权平均值法、算术平均法、30%频率法等八种方法[3]。为便 于研究、分析和计算，软件实现了常用的 5 种设计气温和 3 种满发气温的计算。软件还提供 了设计气温的手动输入功能。通过设置任意不满发小时数，软件能确定任意不满发小时数下 满发气温。
a 1.293
273 B 273 ta 101.325
(1)
B Bst，kg/m3； ta 为环境空气温度，℃； B 为当地大气压力，kPa；S 为海 拔高度，m； Bstd 为标准大气压力，kPa。 3.3.2 水和水蒸气物性参数 按国际公式化委员会 （IFC） 制定的 IAPWS-IF97 公式其通用计算模型[4]和 Antoine 方程[5]， 确定水和水蒸气物性参数。 3.3.3 计算（考核）工况参数 按静态设计计算工况，通常为额定工况汽轮机参数和相应环境气象条件。汽轮机参数包 括汽轮机排汽量、排汽背压、排汽干度、排汽焓等。汽轮机低压缸排汽参数、DACC 入口蒸 汽参数、系统 ITD 值、直接空冷凝汽器 ITD 值、凝结水温度、过冷度等的定义和测量位置按 德国 VGB 导则确定[6]。 3.3.4 散热器基本参数计算 DACC 的主要管型为单排管、双排管和三排管。工程中，多采用单排管。各厂商单排管 基管尺寸、翅片厚度、翅片长度、翅化比有细微差异[7]。 3.3.5 DACC特性参数 DACC 性能参数依照空冷厂商提供的试验关联式。DACC 性能基础数据一般通过理论分 析、数值模拟及试验确定。与 DACC 性能密切相关的几个无因次准数包括：雷诺数 Re、努谢 尔特数 Nu、格拉晓夫数 Gr、欧拉数 Eu、普朗特数 Pr 等。DACC 的传热系数、空气侧阻力， 冬季自然通风下 DACC 的性能等的确定，都会涉及以上无因次准数。一般，雷诺数与流动状 态有关；DACC 管束阻力与欧拉数、普朗特数有关；传热系数与雷诺数、普朗特数、努谢尔 特数有关；冬季自然通风下，DACC 的性能与格拉晓夫数、普朗特数有关。 3.3.6 热力计算和校核计算 假定出口空气温度，采用效能-单元数（ɛ-NTU）法进行热力计算和校核计算，确定某迎 面风速下的翅片管总面积或总迎风面积[8]。 4. 方案设计优化 根据基本设计优化确定的 DACC 计算总换热面积，进行 DACC 方案设计优化，确定满足
Key Technologies, Research and Development on Optimal Design Software of Direct Air Cooling System
By SHI Lei, HUANG Zhixiang2, ZHU Song2, TANG Dongsheng2 and CHEN Zehan2 (1. School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, PRC. 2. Guangdong Electric Power Design Institute, Guangdong 510663, PRC) Abstract: The programming thoughts and frame, research strategies and key technologies, implement approaches and calculation methods on optimal design software of direct air cooling system are introduced. Keywords：engineering thermophysics; direct air cooled system; optimal design software; key technology 1. 前言 直接空冷系统的优化设计具有十分重要的意义，主要涉及直接空冷凝汽器（DACC）系统 的传热、流动阻力、布置和噪声。直接空冷系统的优化设计是个技术经济问题，要进行多方 案的比较，一般采用年总费用最小法，综合考虑初投资和运行费用，使空冷系统在寿命期内 总费用最小[1]。据此，本研究开发了直接空冷系统优化设计软件。 软件采用 VB6.0 编程，并与 Microsoft 公司的数据处理软件 EXCEL 实现接口，有效地提 升了 VB 在数据前后处理方面的能力，同时，方便了使用者。软件的开发基于单排管直接空气 凝汽器 （DACC） ， 适用于单排管直接空冷系统的研究、 优化、 设计和校核计算。 通过改变 DACC 的传热系数和空气侧阻力，亦能完成双排管、三排管的研究、优化、设计和校核计算。根据 不同的汽轮机特性，软件能完成固定进汽量、固定机组出力、变进汽量、变机组出力的汽轮 机及 DACC 的综合优化及设计计算。通过对软件算法的优化，大大提高了程序的运算速度， 节省了计算时间。软件具有可视化操作界面，使用简单、方便。 2. 软件框架 为方便工程使用，直接空冷机组冷端系统优化软件由静态设计和优化设计两大部分组成。 静态设计实现在给定的静态设计条件下，如计算或考核工况的环境参数和汽轮机排汽参数等， 通过设置 DACC 的迎面风速，快速确定 DACC 的总迎风面积、总散热面积和管束总数等；静 态设计不涉及 DACC 全年优化的内容。优化设计包括全年直接空冷系统的运行优化和方案优 选。优化设计分为固定初始温差（ITD）值的优化和设计 ITD 值的优化。固定 ITD 值的优化 是在汽轮机选型完成后，对 DACC 不同迎面风速进行优化。设计 ITD 值的优化不但涵盖固定 ITD 值的计算范畴， 还包括不同汽轮机设计背压下汽轮机侧全年优化的内容。 优化设计由设计 及满发气温计算、优化设计方式的选择、基本设计优化、方案设计优化、风机组设备选型、 蒸汽侧阻力计算、变工况计算和经济性分析八个部分组成。其中，基本设计优化模块与静态
DACC 阻力计算模块
DACC 平台布置方案模块
DACC 管束阻力计算模块
3.2
优化设计方式的选择 优化设计方式包括设计 ITD 值的优化和固定 ITD 值的优化。通过复选框选择不同的设计 背压和迎面风速，确定 ITD 值优化的计算工况。 3.3 基本设计优化 根据计算或考核工况条件进行热力计算及校核计算，确定 DACC 总计算散热面积，并根 据初步确定的管束长宽，初步确定总管束数，称为基本设计优化。根据基本设计优化的计算 结果，综合考虑管束长宽、空冷岛平台布置方案、面积裕量、空冷单元设计方案、厂界噪声、 轴流风机及风机组设备选型的优化过程，称为 DACC 方案设计优化。 3.3.1 环境条件和空气物性参数 环境气象条件，包括大气压力、环境温度、环境风速由厂址气象台站提供。采用式（1） 确定空气密度。空气平均密度，即进出 DACC 的空气密度的算术平均值。空气的其他物性参 数按常数计算。
作者简介：石 磊（1973－） ，男，汉，河南信阳市人，工学博士，高级工程师，主要从事电厂空冷系统模 拟和优化研究。E-mail: lshi@ 1
设计具有相同的功能。软件的基本组成和主要功能模块，如图 1 所示。
直接空冷机组冷端 系统优化设计软件
静态设计
优化设计
设计 ITD 值的优化