直接空冷機組單風道地下進風數(shù)值分析

齊陽陽，吳紅杰，劉輝

(電站設備狀態(tài)檢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)

直接空冷機組單風道地下進風數(shù)值分析

齊陽陽，吳紅杰，劉輝

(電站設備狀態(tài)檢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)

地上進風直接空冷機組受環(huán)境風影響，邊緣風機出現(xiàn)熱風回流和“倒灌”現(xiàn)象，使機組換熱效率降低、凝汽器壓力升高，為此提出了單風道地下進風的冷卻方式。利用數(shù)值模擬Fluent軟件，對某600 MW機組空冷島外部流場進行了數(shù)值模擬，分析地下進風方式下風機通風量、機組換熱效率和凝汽器壓力受環(huán)境風影響情況，并與地上進風方式相比較。實驗結果表明，采用地下進風方式極大地提高了凝汽器的換熱效率，使凝汽器壓力維持在較低且平穩(wěn)的狀態(tài)，保證機組安全經(jīng)濟運行。

直接空冷機組；地下進風；空氣流場；環(huán)境風；數(shù)值模擬

0 引 言

我國水資源日益緊缺，近年來直接空冷技術受到了越來越多的關注。直接空冷技術具有節(jié)水、環(huán)保、設備布置簡單，抗腐蝕性強、廠址選擇自由，使用年限長等諸多優(yōu)點，具有廣泛的發(fā)展前景。目前，直接空冷機組凝汽器多布置于標高40多 m的空冷平臺上，因為進風口高位布置，受環(huán)境條件影響大，容易出現(xiàn)熱風回流、“倒灌”現(xiàn)象，凝汽器翅片表面不清潔，凝結水含氧量高和冬季設備凍結[1-2]等問題，凝汽器換熱效果變差，嚴重影響機組安全、經(jīng)濟運行。

為了緩和以上矛盾，許多學者進行了大量的實驗研究。文獻[3-4]得到了環(huán)境風速、空冷平臺高度、擋風墻高度與空冷島熱風回流率的關系；文獻[5]通過對空冷島流動傳熱情況的數(shù)值模擬，提出了增加空冷平臺最外圈風機功率以改善空冷平臺傳熱效果的建議；文獻[6-9]分析了不同風速時，擋風圍墻高度和空冷平臺高度對空冷凝汽器換熱效率的影響，得出最佳擋風墻墻高度范圍；文獻[10]表明在空冷單元擋風墻下端安裝空氣導流裝置(導流板)，可以改變空冷單元下方空氣流場、溫度場，提高空冷凝汽器的傳熱性能；文獻[11]提出了在空冷平臺邊緣增加水平擋板的方法，以減小環(huán)境風對空冷凝汽器換熱特性的影響。

以上研究都是在地上進風直接空冷機組的基礎上進行優(yōu)化，以降低環(huán)境風產(chǎn)生的熱風回流、“倒灌”等現(xiàn)象對凝汽器換熱的影響。本文提出地下通道進風方式，將空冷平臺低位放置，高出地面的平臺四周用擋風墻與外界環(huán)境隔開，空氣只通過地下通道進入凝汽器進行熱交換。

1 模型的建立及計算方法

1.1 幾何模型的建立及網(wǎng)格的劃分

以某600 MW直接空冷凝汽器為例，采用地下通道進風，如圖1所示。整個空冷凝汽器由7×8個空冷單元組成，上擋風墻高度為10 m，空冷平臺下沿距地面8 m，16根鋼筋水泥支柱直徑均為4 m。地下通道長為100 m，橫截面均為80 m×45 m，地下風室為80 m×70 m×45 m，鍋爐房為80 m×35 m×90 m，汽機房為80 m×35 m×35 m。整個計算區(qū)域為600 m×600 m×200 m。

利用Gambit軟件生成相應的幾何模型及計算網(wǎng)格。為減少網(wǎng)格數(shù)量，采用分塊劃分方法，采用結構化和非結構化網(wǎng)格進行劃分，通過采用不同的網(wǎng)格劃分檢驗了網(wǎng)格無關性，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

1.2 湍流模型及主控方程

該模擬對象為三維不可壓湍流流動過程，所用控制方程如下。

圖2 計算區(qū)域網(wǎng)格劃分

連續(xù)性方程：

(1)

本構方程：

(2)

(3)

動量方程：

(4)

采用標準k-ε湍流模式：

(5)

能量方程：

(6)

式中：ρ為空氣密度；u為流體速度向量；i，j，k=1，2，3；μ為流體動力粘性系數(shù)；p為壓力；εij為應變率張量；τij為應力張量。

1.3 邊界條件

本模型數(shù)值方向為z軸，在z軸設定重力加速度。計算區(qū)域按環(huán)境風的主導風向設置2個速度入口(velocity-inlet)邊界，如圖2中紅色面，計算區(qū)域外邊界其余面均為壓力出口(pressure-outlet)邊界；風機進口處的邊界條件設置為風扇(fan)邊界；地下通道進風口設為內(nèi)部面(interior)；空冷凝汽器的柱子、空冷島擋風墻墻體、地下風室、地下通道壁面以及地面的邊界條件均采用墻壁(wall)邊界。

1.3.1 風速邊界的設定

模擬環(huán)境進口采用大氣邊界層函數(shù)即迪肯(Deacon)的冪定律

vi=v0(zi/z0)a

(7)

式中：z0為氣流達到均勻流時的高度；v0為z0高度處來流平均風速；zi為任意高度值；vi為zi高度處的平均風速；α為地面粗糙系數(shù)，地面的粗糙度越大α值也就越大，文中取0.2，該條件利用自定義邊界條件編程加載。

1.3.2 多孔區(qū)域邊界條件的設定

本模型散熱器采用多孔介質(zhì)[12-13]模型，就是在動量方程中增加1個代表動量的源項來模擬出多孔介質(zhì)的作用。源項由粘性損失項和慣性損失項組成，其表達式為

(8)

式中：sj為動量方程中應附加的源項；μ為粘性系數(shù)；vj為j方向的速度；vmag為速度；1/α為粘性阻力系數(shù)；C2為慣性阻力系數(shù)。

根據(jù)實際測試的翅片阻力特性數(shù)據(jù)擬合得到阻力壓降與散熱器法向速度之間的關系

Δp=2.4543u2+13.368u

(9)

考慮到空冷單元模型通流面積約為實際凝汽器迎風面積的一半，多孔介質(zhì)模型厚度為10 m，得到散熱器模型單位長度阻力壓降與速度之間的關系為

(10)

由式(8)、(10)可求得多孔介質(zhì)模型通流方向的粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)分別為35 179和0.313。

1.4 定義風向

地下進風方式的主導風向為垂直于汽機房，如圖3所示。

圖3 空冷島風向示意圖

2 計算結果及分析

2.1 換熱量及換熱效率定義

以某600 MW直接空冷機組為例進行換熱計算，計算條件為：在額定工況下，當環(huán)境溫度為33 ℃，壓力為97.4 kPa時，機組56個空冷單元的排汽熱量Q為785 MW，每個空冷單元熱負荷為14.02 MW，風機風量為437 m3/s。

空冷凝汽器換熱效率定義為實際換熱量Qr除以機組額定工況下的熱負荷Q所得到的無量綱數(shù)，其中空冷島實際換熱量[14]的計算公式為

(11)

式中：Di為空冷凝汽器空氣流量，kg/s；Δti為凝汽器空氣進出口溫差， ℃；Cp為空氣定壓比熱容，kJ/(kg ℃)。

2.2 地上進風和地下進風方式對凝汽器換熱的影響

分析地下進風和目前常用的地上45 m標高空冷島進風這2種進風方式對凝汽器換熱的影響。

2.2.1 通風量的比較

在全年的主導風向下，地上進風和地下進風方式的通風量如圖4所示，空氣流量如圖5、6所示(圖中橫坐標為空冷單元橫排序號)。

圖4 地上進風和地下進風方式下風機風量的變化

從圖4可看出，由于地下進風流動阻力大，當環(huán)境風速小于3 m/s時，地下進風量小于地上進風量。之后隨著環(huán)境風速的增加，地下進風方式始終保持較高且平穩(wěn)的通風量，這主要是由于風道內(nèi)通風量穩(wěn)定，受外界環(huán)境風速影響較小，如圖5(b)、6(b)所示；而地上進風的迎風面前兩排空冷單元出現(xiàn)局部熱風回流和“倒灌”現(xiàn)象，如圖5(a)、6(a)所示，成為影響通風量的主要因素。當環(huán)境風速為9 m/s時，地下進風通風量比地上進風多7 844 kg/s，經(jīng)計算，地下進風量比地上進風平均提高30.71%。

2.2.2 換熱效率的比較

地上進風和地下進風方式下凝汽器換熱效率隨風速變化情況如圖7所示。由圖7可看出，地上進風方式下空冷凝汽器換熱效率隨風速的增加逐漸降低[15-17]；而地下進風方式幾乎不受外界環(huán)境風的影響，且換熱效率一直很高，平均換熱效率為63.35%。

圖5 環(huán)境風速為5 m/s時，地上進風和地下進風方式下的空氣流量

圖6 環(huán)境風速為9 m/s時，地上進風和地下進風方式下的空氣流量

圖7 地上進風和地下進風方式下平均換熱效率的比較

2.2.3 凝汽器壓力的比較

地上進風和地下進風方式下凝汽器壓力隨風速變化情況如圖8所示。由圖8可看出，地上進風方式下凝汽器壓力隨風速的增加逐漸升高[17]，在環(huán)境風速約6 m/s時，其壓力將超過所允許的極限值35 kPa，而地下進風方式下風速則一直平穩(wěn)，這主要是由于地下通道進風方式通風量穩(wěn)定。環(huán)境風速為6，9 m/s時，地下進風的凝汽器壓力比地上進風分別低5.49，22.65 kPa，并隨著風速增大其差別繼續(xù)增大，平均低9.76 kPa。

圖8 地上進風和地下進風方式下凝汽器壓力的比較

3 結 論

(1)空冷凝汽器外部流場受環(huán)境風變化的影響很小，不存在回流和“倒灌”現(xiàn)象，且風機通風量較穩(wěn)定，比地上進風平均提高30.71 %。

(2)地下風室空氣流場穩(wěn)定，平均換熱效率為63.35%。

(3)凝汽器壓力受環(huán)境風變化影響不大，地下進風方式下凝汽器壓力比地上進風下平均降低9.76 kPa。

[1]石誠，王智. 某電廠空冷系統(tǒng)的優(yōu)選分析[J]. 電力建設，2008, 29(8): 84-86.

[2]王佩璋. 我國600 MW 火電機組直接空冷技術的開發(fā)研究[J]. 電力建設, 2002, 23(7): 5-8.

[3]Liu P Q，Duan HS，Zhao W L.Numerical investigation of hot air recirculation of air-cooled condensers at a large power plant[J].Applied Thermal Engineering，2009(29)：1927-1934.

[4]劉沛清，趙萬里，徐則林.火電廠直接空冷系統(tǒng)風洞熱效應模擬實驗研究[J].熱能動力工程，2008，23(3)：241-243.

[5]張遐齡，楊旭，李向群，等.火電廠空冷平臺換熱的數(shù)值模擬[J].水動力學研究與進展，2005，20 (S1)：874-879.

[6]周蘭欣，李建波，李衛(wèi)華，等.600 MW機組空冷島外部流場的數(shù)值模擬與結構優(yōu)化[J].中國電機工程學報，2009，29(17)：38-42.

[7]周蘭欣，白中華，張淑俠，等. 空冷平臺外部流場的數(shù)值模擬[J]. 動力工程，2008，28(3)：386-389.

[8]周蘭欣，崔皓程，魏春枝.空冷平臺間距對空冷凝汽器換熱效果的影響[J].動力工程，2009，29(8)：765-768.

[9]周蘭欣，白中華，李衛(wèi)華.直接空冷機組空冷島結構優(yōu)化研究[J].汽輪機技術，2008，50(2):：95-97.

[10]賈寶榮，楊立軍，杜小澤，等.導流裝置對直接空冷單元流動傳熱特性的影響[J].中國電機工程學報，2009，29(8)：14-19.

[11]Meyer C J，Kroge D G.Numerical investigation of the effect of fanperformance on forced draught air-cooledheat exchanger plenum chamber aerodynamic behaviour[J].Applied Thermal Engineering，2004(24)：359-371.

[12]丁常富，丁振宇，侯乃明，等.直接空冷凝汽器加裝防風網(wǎng)的數(shù)值模擬[J].動力工程，2009，29(10)：956-959.

[13]賈寶榮，楊立軍，杜小澤，等.不同風向條件下空冷島運行特性的數(shù)值模擬[J].現(xiàn)代電力，2009，26(3)：71-75.

[14]周文平，唐勝利.空冷凝汽器單元流場的耦合計算[J].動力工程，2007，27(5)：766-770.

[15]孔瓏，杜廣生，趙蘭水.流體力學[M].北京：高等教育出版社，2004: 79-82.

[16]高沛，張學鐳. 環(huán)境風影響直接空冷凝汽器換熱的研究綜述[J]. 電力建設, 2013, 34(7): 81-84.

[17]高沛，張學鐳.環(huán)境風對直接空冷凝汽器性能的影響及主導因素分析[J].中國電力，2013，46(11)：113-118.

[18]丁振宇，陳巍，田永興，等.環(huán)境風對直接空冷島換熱的影響[J].汽輪機技術，2011，53(3) ：195-198.

(編輯：蔣毅恒)

NumericalAnalysisofDirectAir-CoolingUnitwithSingleDuctUndergroundVentilation

QI Yangyang, WU Hongjie, LIU Hui

(Key Laboratory of Ministry of Education of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment, North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China)

Due to the influence of environmental wind on direct air-cooling unit with overground ventilation, the hot air recirculation and intrusion phenomenon occurred on the edge fan, which would cause the decrease of unit’s heat transfer efficiency and the increase of condenser pressure. Therefore, this paper proposed a cooling mode with single duct underground ventilation. The external flow field of air cooling island in a 600 MW unit was numerically simulated with using Fluent software. Then, the influence of environmental wind on fan ventilation, unit’s heat transfer efficiency and condenser pressure was analyzed under underground ventilation mode, and compared with that under overground ventilation mode. The experimental results show that the underground ventilation mode can greatly improve the heat exchanger efficiency of condenser, and make the condenser pressure maintain at low and stable state, which can ensure the safe and economic operation of units.

direct air-cooling unit; underground ventilation; air flow field; environmental wind; numerical simulation

TK 262

： A

： 1000-7229(2014)05-0094-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.05.016

2013- 11- 01

：2013- 12- 21

齊陽陽(1987)，男，碩士研究生，研究方向為直接空冷機組節(jié)能；

吳紅杰(1985)，女，碩士研究生，研究方向為直接空冷機組結構優(yōu)化，E-mail：hbwaygirl@163.com；

劉輝(1987)，男，碩士研究生，研究方向為電廠熱力學分析。