空冷島加裝擋風網對凝汽器換熱效率的影響

周蘭欣，王曉斐，吳瑞康

(電站設備狀態監測與控制教育部重點實驗室(華北電力大學)，河北省保定市071003)

空冷島加裝擋風網對凝汽器換熱效率的影響

周蘭欣，王曉斐，吳瑞康

(電站設備狀態監測與控制教育部重點實驗室(華北電力大學)，河北省保定市071003)

利用CFD數值模擬Fluent軟件，以某600 MW直接空冷機組為例，模擬環境風對空冷凝汽器換熱效率的影響，提出在空冷島周圍加裝不同形式擋風網的方案。模擬計算結果表明:加裝擋風網后，在大風條件下，熱風回流和“倒灌”現象均減弱，空冷單元空氣流量增加;在環境風速為0～12 m/s的情況下，機組凝汽器平均換熱效率可達到72.52%，比不加擋風網時高24.51%。

直接空冷機組;凝汽器;擋風網;數值模擬;換熱效率

0 引言

直接空冷機組主要安裝在水資源貧乏的“三北”地區，其汽輪機的排汽是直接由環境中的空氣進行冷卻的，換熱效率受環境風的影響很大，尤其是在夏季大風情況下，容易產生熱風回流與“倒灌”現象［1-2］。為了提高空冷凝汽器平均換熱效率，很多學者對空冷島高度、空冷島擋風墻的布置方式進行了優化模擬。文獻［3-4］等研究了空冷平臺高度對空冷凝汽器換熱效率的影響，文獻［5-8］等研究了擋風墻對空冷機組的影響。

本文提出在空冷島周圍加裝擋風網的幾種方案，以600 MW機組為例，模擬擋風網對空冷凝汽器換熱效率的影響。

1 計算模型的建立

1.1 幾何模型及網格劃分

根據某600 MW直接空冷機組的物理模型和物理特點，利用Gambit軟件生成相應的幾何模型和計算網格。整個空冷島由8×7個空冷單元組成;空冷平臺高45 m，總寬80 m，總長70 m;上擋風墻高10 m，鍋爐房尺寸為60 m×35 m×90 m(長×寬×高);汽機房尺寸為60 m×35 m×35 m(長×寬×高);整個計算區域尺寸為500 m×500 m×300 m (長×寬×高)。平面分布如圖1所示。

圖1中的縱橫數字分別表示列和行，空冷島由7行8列空冷單元組成。

在進行網格劃分時，為減少網格數量并且提高網格質量，對整個計算區域采用分塊劃分法，盡可能多地采用結構化網格，對局部關鍵區域進行加密細化。驗證網格獨立性，以風速為6 m/s并且不加擋風網為例，分別采用網格數為179萬，223萬，256萬個的3種網格對模型進行計算。用空冷凝汽器的平均換熱效率作為標準，計算得出相對偏差很小的結果，經過分析采用網格數約為223萬個。

1.2 邊界條件

本模型考慮重力作用，在豎直方向(z方向)設置重力加速度，環境溫度為306 K，壓力為97.4 kPa;風機進口設置為風扇邊界條件，計算區域的進風側設置為速度入口邊界條件，下部設置為墻壁邊界條件，其余均設置為出口邊界條件;空冷凝汽器的上擋風墻以及柱子均設置為墻壁邊界條件。

1.2.1 進口邊界的設置

計算域的進口采用大氣邊界層函數即迪肯(Deaccon)的冪定律:

式中:z0為氣流達到均勻流時的高度，m;u0為z0處來流平均風速，m/s;zi為任意高度值，m;ui為zi高度處的平均風速，m/s;α為地面粗糙系數，地面的粗糙度越大α的值也就越大，本文取0.2。

1.2.2 空冷凝汽器的設置

本文研究風扇進口和凝汽器出口的流場及溫度，不研究空冷單元內部的空氣流動特性，所以將空冷單元簡化，如圖2所示［9-10］。

空冷凝汽器的換熱情況可以利用Fluent軟件中自帶的熱交換模塊進行計算;流動阻力可以利用多孔介質模型進行計算，將流經物理模型空間的流動阻力看作是動量控制方程的附加動量源，源項由粘性損失項和慣性損失項組成。對于簡單的均勻多孔介質其表達式為

式中:Si為動量方程中應附加的源項，μ為粘性系數，Pa·s;v為速度矢量，m/s;1/α為粘性阻力系數，1/m2;C2為慣性阻力系數，1/m。

計算的關系式參考經驗公式為

因為凝汽器是A型布置，每個空冷單元的布置具有對稱性，故模型中凝汽器迎風面積約為實際凝汽器的一半;模型中多孔介質厚度為1 m，所以得到所用模擬凝汽器單位長度阻力壓降與速度之間的關系為

由式(2)、(4)得到凝汽器傳熱面法線方向上的粘性阻力系數和慣性阻力系數。

1.2.3 擋風網的設置

選用Galebreaker公司生產的聚氯乙烯材質的擋風網，厚2 mm，用廠家提供的擋風效率曲線設置合適的參數，利用多孔跳躍(porous-jump，PJ)邊界條件來實現設置擋風網［11-12］。擋風網具有有限的厚度，且壓力變化滿足附加一個內部損失之后的達西定律:

式中Δm為薄膜(即擋風網)厚度，m。

1.3 湍流模型及主控方程

本文模擬對象是不可壓縮定常流動，流體區域的流動滿足三維流動控制方程，數值模擬采用雷諾應力平均N-S方程。

連續性方程:

動量守恒方程:

本構方程:

采用標準k－ε湍流模式:

模型還涉及熱量交換，運用能量方程:

式中:ρ為空氣密度，kg/m3;u為速度，m/s;i，j，k=1，2，3;p為壓力，Pa;μ為流體動力粘性系數，Pa·s;τij為應力張量，Pa;εij為應變率張量，1/s。

2 計算結果分析

定義凝汽器的換熱效率為空氣的吸熱量與凝汽器排熱量之比，如下式表示:

式中:Qa為實際空氣吸熱量，MW;Di為空冷單元空氣質量流量，kg/s;t1i、t2i分別為空冷單元進、出口空氣的平均溫度，℃;Cp為空氣定壓比熱容，kJ/(kg·℃);Qs為所用機組考核工況下凝汽器的排熱量，MW。

在主導風向、不同風速下，通過分析空冷凝汽器的換熱效率的變化，以優化擋風網的結構。

2.1 環境風對空冷凝汽器的影響

圖3表示在0，3，9 m/s 3種不同環境風速下，無擋風網時空冷島周圍的溫度等值線。

從圖3中可以看出，當環境風速v=0 m/s時，散熱器上方出現蒸騰現象。隨著環境風速的增加，蒸騰現象受環境風擴散作用的影響增加，當v≥3 m/s時，蒸騰現象出現的羽流狀熱氣被環境風破壞，出現熱風再循環。隨著環境風速進一步增加，熱風再循環現象加劇，并且出現“倒灌”現象，v=9 m/s時，出現明顯的“倒灌”現象。

2.2 擋風網對空冷凝汽器換熱性能的影響

為了減小環境風對空冷凝汽器換熱效率的影響，在空冷島四周加裝擋風網，減小熱風回流和“倒灌”現象，增加空冷凝汽器空氣流量，提高換熱效率;同時減少被風機吸入的柳絮粉塵量，減少凝汽器外部結垢量，減小外部污垢熱阻，從而提高換熱效率。本文列出了3種擋風網方案，研究它們對空冷凝汽器換熱性能的影響，3種方案安裝方式如圖4所示。

方案一為順著上擋風墻向下延伸至地面加裝45 m高的擋風網;方案二為由上擋風墻下沿向四周水平加裝寬10 m的擋風網，并在水平擋風網邊緣處向下延伸至地面加裝45 m高豎直擋風網;方案三為將方案二中水平方向的檔風網改裝成水平擋板。

2.2.1 加裝擋風網對通風量和風機進口空氣溫度的影響

以環境風速v=9 m/s，加裝開孔率為50%的擋風網為例，圖5為無擋風網和加裝3種不同方案擋風網情況下的空冷單元的空氣流量圖。由圖5可以看出，空冷平臺高45 m，空冷平臺下方有足夠大的空間，所以加裝擋風網后，空冷平臺下方仍有足夠的空氣供凝汽器換熱。并且，由于擋風網的阻力作用，風機入口環境風的橫向速度減小，靜壓增大，使得機組空冷單元空氣流量增加，空氣總流量分別為10 022.21，11 931.77，10 459.74，19 677.72 kg/s。

空冷單元進口空氣溫度示意如圖6所示。從圖6可以看出，加裝擋風網后，熱風回流和“倒灌”現象減弱，特別是按方案三加裝擋風網后，熱風回流和“倒灌”現象消失，無擋風網和加裝3種不同方案擋風網時，風機進口空氣平均溫度分別為310.05，308.27，309.40，306.34 K。

2.2.2 不同環境風速下擋風網對空冷凝汽器換熱效率的影響

圖7是按不同方案加裝開孔率為50%的擋風網時，不同環境風速下空冷凝汽器的換熱效率曲線。從圖7中可以看出，v=0 m/s時，加裝不同方案擋風網后，換熱效率稍有下降，這是因為在加裝擋風網后，空氣流動受擋風網的阻力作用所致。v＞0 m/s時，加裝不同方案的擋風網換熱效率均有所增加，并且風速越大，換熱效率提高越多。方案三的擋風效果最好，在環境風速0～12 m/s情況下，其平均換熱效率為72.52%，比不加擋風網時高24.51%。

2.2.3 開孔率對空冷凝汽器換熱效率的影響

擋風網的開孔率不同，使得空氣流過擋風網時所受阻力不同，通過擋風網的速度也不同，導致風機吸入到空冷單元內的空氣流量、風機進口空氣溫度等不同，從而影響凝汽器的換熱效率。

圖8為不同環境風速時平均換熱效率隨開孔率變化的曲線。

由圖8可以看出擋風網開孔率對擋風效果的影響。在v=0 m/s的情況下，開孔率越大，換熱效率越高。當v=3 m/s時，按方案一、方案二加裝擋風網，空冷凝汽器換熱效率隨開孔率增加先增大后減小，存在最佳開孔率;按方案三加裝擋風網，換熱效率提高最多，并且隨開孔率的增加而增大，當開孔率為70%時，換熱效率為80.63%。當v為6，9，12 m/s時，加裝擋風網后換熱效率均增加，換熱效率隨開孔率的增加先增大后減小，存在最佳開孔率(不同環境風速下，不同方案中的擋風網最佳開孔率不同)。按方案三加裝擋風網提高的換熱效率最多，換熱效率分別為65.32%、65.94%、73.82%，對應的最佳開孔率分別為60%、50%、50%。

3 結論

針對某600 MW空冷機組建立數值計算模型，分析了空冷凝汽器的換熱特性，計算了加裝擋風網前后不同環境風速下空冷凝汽器的換熱效率，由此對擋風網結構進行了優化，得到以下結論:

(1)在空冷島四周加裝擋風網，降低風機入口環境風的橫向流速，削弱熱風回流和“倒灌”現象，在環境風速v=9 m/s時，按方案三加裝開孔率50%的擋風網，空冷單元空氣流量增加9 655.51 kg/s，空冷單元進口空氣平均溫度降低3.7 K。

(2)在不同擋風網方案中，由上擋風墻下沿向四周水平加裝寬10 m的擋風網，并在水平擋風網邊緣處加裝45 m高豎直擋風網的方案(方案三)擋風效果最好，換熱效率比不加擋風網時平均提高24.51%。

(3)擋風網的開孔率是影響擋風效果的一個重要因素，在不同環境風速下，不同方案中擋風網的最佳開孔率不同。

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(編輯:楊大浩)

Influences of Windshield around Air-Cooled Island on Condenser Heat Transfer Efficiency

ZHOU Lanxin，WANG Xiaofei，WU Ruikang
(Key Laboratory of Ministry of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment (North China Electric Power University)，Baoding 071003，Hebei Province，China)

Taking a 600 MW direct air-cooling unit as an example，the influence of environmental wind on the heat transfer efficiency of air-cooled condenser was numerically simulated by using CFD software(Fluent)，and the schemes of different windshields installed around the air cooling platform were put forward.The calculation results show that the installation of windshield can reduce the influence of hot air recirculation and the‘intrusion’phenomenon，as well increase the air flow in air cooling unit and the average heat transfer of condenser，which can be up to 72.52%and 24.51%higher than that without windshield，under 0 m/s-12 m/s environmental wind speed.

direct air-cooling unit;condenser;windshield;numerical simulation;heat transfer efficiency

TM 621

A

1000－7229(2014)01－0088－05

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.01.017［HT］

2013-09-16

2013-10-22

周蘭欣(1956)，男，教授，主要從事直接空冷機組節能研究工作;

王曉斐(1988)，女，碩士研究生，研究方向為直接空冷機組節能，E-mail:qiu_6661@126.com;

吳瑞康(1989)，男，碩士研究生，研究方向為直接空冷機組節能。