基于热泵技术的发电厂凝汽器空冷区的强化传热研究

摘要

凝汽器真空度低，会严重影响了机组的经济运行，导致机组出力不足，厂用电率上升，供电煤耗率增加。凝汽器空冷区的作用是将主凝结区未凝结下来的蒸汽继续冷却凝结，同时冷却混合的空气以减小抽气设备的负荷，达到好的抽气效果，从而有利于维持凝汽器的真空。电厂凝汽器在实际运行过程中，尤其是夏季，室外气温高，导致循环冷却水的冷却能力下降。此时凝汽器空冷区冷却效果也变差，与空冷区相连的真空泵抽气口抽走的汽气混合物中含有大量的未凝结的蒸汽。导致真空泵的抽气负荷增加，抽气设备无法将漏入凝汽器的空气及时抽走，凝汽器内蒸汽的凝结因为空气的存在热阻增加，传热系数降低和真空降低。如果强化空冷区的传热，将抽气设备抽出的汽气混合物中的蒸汽尽可能多地冷凝下来，同时冷却抽走的空气，将大大减轻抽气设备的负荷，增加抽气的效果，从而更有利于保证凝汽器的真空。热泵用于凝汽器空冷区强化传热，研究热泵引入后对凝汽器真空的影响，热泵在真空下冷凝含大量不凝气体的水蒸汽的规律，热泵与凝汽器的相互作用规律等，为拓展热泵的新应用，具有重大的工程实践意义。 鉴于此，本文从模型实验、数值计算、数值模拟和经济性分析等几个方面着手，研究了热泵用于凝汽器主凝结区的规律以及热泵用于凝汽器空冷区作用规律。还研究了“双相变”传热条件下热泵蒸发器管束的总的传热系数，含大量不凝气体的蒸汽在蒸发器水平管束上膜状凝结的数学模型，用于凝汽器空冷区的热泵的数学模型。进行的主要工作如下: (1)搭建了热泵用于凝汽器空冷区强化传热的模型实验台。整个研究共搭建了两个实验台:一个是整个空冷区全部强化的实验台，另一个是空冷区部分强化的实验台（与循环冷却水共同作用的）。先研究空冷区全部强化下的凝汽器的特性及二者联合工作的特性，再此基础上，研究热泵蒸发器管束与循环冷却水管束共同作用下的凝汽器与热泵的联合运行的特性和规律。 (2)由于热泵的蒸发器是和凝汽器结合在一起的，蒸发器管束内是氟利昂R22的吸热蒸发，蒸发器外，如用于凝汽器主凝结区，就是纯蒸汽在水平蒸发器管束上的膜状凝结;如果用于凝汽器空冷区，就是含大量不凝气体的蒸汽在水平蒸发器管束上的膜状凝结。不管是何种情况，都是“双相变”传热问题，因此，该传热问题的总的传热系数的确定是十分重要的内容。本文给出了此问题的计算公式，该公式的确定是热泵蒸发器的数学模拟的前提。 (3)建立了热泵四大部件:压缩机，冷凝器，膨胀阀，蒸发器的稳态的数学模型。热泵稳态仿真的结果与实验的结果进行了比较，二者符合较好。热泵稳态仿真模型的建立为下一步热泵的优化奠定了基础。 (4)以一台300MW机组为例来分析项目经济性。计算了整个项目的总投资，包括热泵系统的投资和凝汽器改造的投资。计算了热泵的年运行费用以及省煤带来的年收益。计算了整个项目的投资回收期。经济性分析表明:热泵用于凝汽器空冷区强化传热改造具有投资小，投资回收期短，收益高的优点，适合推广应用。 (5)热泵用于凝汽器主凝结区的部分区域的传热强化实验表明:热泵用于主凝结区中后部的组合最佳。讨论了循环冷却水温度和流量变化下不同急冷区组合对凝汽器以及热泵性能的影响。分析了热泵冷却水温度和流量变化时不同急冷区组合对凝汽器和热泵的影响。讨论了对热泵COP影响、对凝汽器压力及传热系数影响几个方面。 (6)进行了热泵用于凝汽器空冷区的部分区域的传热强化实验。分析了循环冷却水温度和流量变化下，以及热泵冷却水温度和流量变化对热泵和凝汽器的影响。对比了无急冷区介入，三个急冷区全介入，中后两个急冷区介入的三种情况。分析了热泵COP，凝汽器压力和传热系数，真空泵抽出参数几个方面。 综上所述，热泵用于凝汽器空冷区强化传热，技术上可行，经济性合理。可以为凝汽器改造提供实际指导，并为进一步研究奠定了基础，所得结论具有较强的理论意义和工程实用价值。

目录

声明

摘要

符号说明

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．2 提高凝汽器真空技术的研究

1．2．1 采用新型管材来强化凝汽器传热

1．2．2 改善抽气设备性能

1．2．3 管束的布置的影响

1．3 含不凝气体的蒸汽凝结的研究

1．4 热泵用于电厂热回收及囊化传热的研究

1．5 热泵模拟的研究

1．6 凝汽器模拟的研究

1．7 本文主要研究内容

第2章 热泵强化凝结换热实验台的设计与测试参数可靠性分析

2．1 实验台设计的思路

2．2 热泵强化凝结实验台的搭建

2．2．1 实验系统组成

2．2．2 实验流程及监测参数

2．3 实验数据处理及计算方法

2．3．1 压力传感器测量值(mV)与压力值的对应关系

2．3．2 涡轮流量计及涡街流量计测量值(mA)与对应值(m3／h)的关系式

2．3．3 热泵性能系数COP及热泵蒸发器吸热量的确定

2．3．4 有热泵介入和无热泵介入情况下的凝汽器传热系数的确定

2．3．5 真空泵吸入口处汽-气混合物中饱和蒸汽的含量的确定

2．3．6 凝汽器入口处空气与负压蒸汽质量流量比的确定

2．4 测量不确定度分析方法

2．5 本章小结

第3章 凝汽器主凝结区部分区域凝结换热强化实验研究

3．1 引言

3．2 循环冷却水水温变化下不同急冷区组合对热泵和凝汽器影响分析

3．2．1 不同循环冷却水水温对热泵COP影响

3．2．2 不同循环冷却水水温对凝汽器压力(绝压)的影响

3．2．3 不同循环冷却水水温对凝汽器内传热系数的影响

3．3 循环冷却水流量变化下不同急冷区组合对热泵和凝汽器影响分析

3．3．1 不同循环冷却水流量对热泵COP的影响

3．3．2 不同循环冷却水流量对凝汽器压力(绝压)的影响

3．3．3 不同循环冷却水流量对凝汽器传热系数的影响

3．4 热泵冷却水流量变化下不同急冷区组合对热泵和凝汽器影响分析

3．4．1 不同热泵冷凝器冷却水流量对热泵COP的影响

3．4．2 不同冷凝器冷却水流量对凝汽器压力(绝压)的影响

3．4．3 不同冷凝器冷却水流量对凝汽器传热系数的影响

3．5 热泵冷却水水温变化对不同急冷区组合对热泵和凝汽器影响分析

3．5．1 不同热泵冷却水水温对热泵COP影响

3．5．2 不同热泵冷凝器冷却水水温对凝汽器内压力(绝压)的影响

3．5．3 不同热泵冷却水水温对凝汽器内传热系数的影响

3．6 本章小结

第4章 热泵用于凝汽器空冷区凝结换热强化实验研究

4．1 引言

4．2 热泵冷却水流量变化下不同急冷区组合对热泵和凝汽器影响分析

4．2．1 不同热泵冷凝器冷却水流量对热泵COP的影响

4．2．2 不同冷凝器冷却水流量对凝汽器压力(绝压)的影响

4．2．3 不同冷凝器冷却水流量对凝汽器传热系数的影响

4．2．4 不同冷凝器冷却水流量对真空泵抽出参数的影响

4．3 热泵冷却水水温变化对不同急冷区组合对热泵和凝汽器影响分析

4．3．1 不同热泵冷却水水温对热泵COP影响

4．3．2 不同热泵冷凝器冷却水水沮对凝汽器内压力(绝压)的影响

4．3．3 不同热泵冷却水水温对凝汽毒内传热系数的影响

4．3．4 不同冷凝器冷却水温度对真空泵抽出参数的影响

4．4 凝汽器空冷区全部管束为热泵蒸发器管束时的实验研究

4．4．1 冷却水流量变化对热泵和凝汽器的影响

4．4．2 冷却水入口温度变化对热泵和凝汽器的影响

4．4．3 漏入空气量变化对热泵和凝汽器的影响

4．5 本章小结

第5章 “双相变”下的凝汽器传热系数及含不凝气体水蒸汽水平管外凝结数学模型

5．1 引言

5．2 热泵强化空冷区冷凝的“双相变”传热的凝汽器平均传热系数

5．2．1 凝汽器平均传热系数的确定

5．2．2 含不凝气体水蒸气在水平管束上的对流换热系数h1的确定

5．2．3 蒸发器管内对流换热系数h2的确定

5．3 含不凝气体蒸汽在水平管上凝结的数学模型

5．4 本章小结

第6章 强化空冷区冷凝的热泵系统的稳态仿真与实验验证

6．1 引言

6．2 热泵压缩机的稳态数学模型

6．3 热泵冷凝器的稳态数学模型

6．4 热泵蒸发器的稳态数学模型

6．5 热泵膨胀阀的稳态数学模型

6．6 热泵稳态仿真与实验验证

6．7 本章小结

第7章 强化空冷区冷凝的热泵系统的经济性分析

7．1 引言

7．2 系统的初投资

7．2．1 空冷区冷凝负荷的估算

7．2．2 热泵的费用估算

7．2．3 凝汽器改造的费用

7．2．4 整个系统改造总的费用

7．3 热泵的运行费

7．4 真空度提高带来节煤的收益

7．5 凝汽器空冷区改造的投资回收期

7．6 本章小结

第8章 全文总结与建议

8．1 主要结论

8．2 创新点

8．3 展望与建议

参考文献

致谢

攻读博士学位期间主要成果

ENGLISH DISSERTATION

PAPER Ⅰ：Experimental research on a heat pump water heater using low pressure steam as heat source

PAPER Ⅱ：Analysis on Chilled Water Spraying through Extraction Opening in Condenser to Enhance Extraction Effect of Vacuum Pump