高寒地区电站空冷系统防冻的热负荷能力匹配原则及应用研究

Dry cooling system in the power plants at extremely cold regions faces a serious freezing challenge in winter. The heat load capability models of exhaust steam from turbine in air-cooled condensers and circulating water in air-cooled heat exchangers will be developed, in which the water freezing point is taken as the reference point. The freezing mechanism in the inclined flat tube and vertical circular or elliptical tube will be clarified. On the basis of the necessary condition of freezing, the principle of the heat load capability matching in anti-freezing for dry cooling system is proposed, by which the theoretical maximum allowed heat rejections of various air-cooled condenser cells and air-cooled heat exchanger cooling deltas are determined. The modeling and solution methods of multi-scale transportation phenomena will be developed based on the flow and heat transfer characteristics of the small-scale components. The coupling model of ambient wind, fans cluster and heat transfer surface for direct dry cooling system, and the coupling model of ambient wind, dry cooling tower and heat transfer surface for indirect dry cooling system are built to predict the thermo-hydraulic performances of dry cooling system at ambient winds. The actual heat rejection of dry cooling system after the flow rate regulation of the fans cluster for direct dry cooling system, or the opening range adjustment of the jalousies for indirect dry cooling system, or the heat transfer area decrease of dry cooling system at extremely cold ambient conditions will be calculated and analyzed. The flow rate control of cooling air and the heat transfer area decrease of dry cooling system will be proposed by matching the actual heat rejection to the theoretical maximum allowed heat rejection for anti-freezing. It is of benefit to the anti-freezing and energy-efficient operation of dry cooling system in the power plants at extremely cold regions.

高寒地区电站空冷机组冬季运行时面临空冷系统冻结的严峻考验。以水冰点为参考点，建立空冷凝汽器内汽轮机排汽和空冷散热器内循环水的热负荷能力模型，揭示倾斜扁平管和垂直圆管/椭圆管内冻结的原因和机理。以冻结形成的临界条件为依据，提出空冷系统防冻的热负荷能力匹配原则，确定不同空冷凝汽器单元或空冷散热器冷却三角的理论最大允许散热量。开发基于小尺度组元流动传热性能的多尺度输运过程的建模和求解方法，构建直接空冷系统风力-风机群-传热表面，以及间接空冷系统风力-空冷塔-传热表面耦合模型，实现对环境风场作用下空冷系统热力性能的数值模拟。对直接空冷系统风机群流量调节，以及间接空冷系统百叶窗开度调整、水侧流程优化组织，甚至在极端高寒环境下空冷系统传热面积递减之后的空冷系统实际散热量进行模拟分析，以匹配防冻散热量，最终获得冷却空气流量调控和空冷系统传热面积递减策略，指导高寒地区电站空冷系统的防冻经济运行。

高寒地区电站空冷机组冬季运行时面临空冷系统冻结的严峻考验，研究翅片管束冻结成因并提出应对策略，对于空冷系统冬季安全高效运行具有重要意义。以水冰点为参考点，建立了空冷凝汽器内汽轮机排汽和空冷散热器内循环水的热负荷能力模型，以冻结形成的临界条件为依据，提出了空冷系统防冻的热负荷能力匹配原则，确定了不同空冷凝汽器单元或空冷散热器冷却三角的理论最大允许散热量。开发了基于小尺度组元流动传热性能的多尺度输运过程的建模和求解方法，构建了直接空冷系统风力-风机群-传热表面，以及间接空冷系统风力-空冷塔-传热表面耦合模型，实现了对环境风场作用下空冷系统热力性能的数值模拟。利用该数值模拟方法，获得了空冷系统防冻影响因素的调控规律，确定了空冷机组冬季低温运行的防冻应对策略。. 针对机械通风直接空冷系统，当环境温度持续降低时，通过合理增加排汽流量，使蒸汽侧防冻热负荷能力增加，可降低翅片管束冻结风险。当排汽流量大于汽轮机安全流量，可以降低排汽背压，提高机组的经济性。调小风机转速或者停运空冷风机，是有效、快速且易控的预防空冷凝汽器冻结的一个重要方法。环境温度越低，排汽背压越小，排汽干度越小，风机防冻保护风量越小。. 对于自然通风间接空冷系统，通过合理增加易冻结扇区循环水流量，减小安全扇区循环水流量，即通过循环水流量重新分配，增大迎风侧散热扇区水侧防冻热负荷，可有效降低冻结风险。针对不同风速，适当调整循环水流量分配方案，即风速增大时，迎风侧扇区循环水流量占比增大，侧风以及后侧扇区循环水流量占比减小。在空气侧，通过降低百叶窗开度，减小空冷塔进风流量，可以降低空气侧热负荷。在保证防冻前提下，针对散热量较低的侧方以及后侧方扇区，开度相应调高，并且适当分配循环水流量，以实现经济性运行。根据不同空冷散热器扇区热力性能的数值模拟结果，选择散热量由大及小的原则作为空冷散热器传热面积递减的策略，即优先关停散热量大的空冷散热器扇区，以满足间接空冷系统防冻热负荷能力匹配原则的要求。. 高寒地区空冷系统防冻热负荷能力匹配原则及其应用，为我国空冷电站冬季低温运行提供了理论依据和防冻应对策略，也为多尺度工程热物理输运问题的解决提供了新的思路和方法。