空冷島兩風道地下進風數值分析

周蘭欣，王喆，王曉斐，楊新健

(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)

空冷島兩風道地下進風數值分析

周蘭欣，王喆，王曉斐，楊新健

(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)

直接空冷凝汽器在高空中受環境風的影響，容易出現熱風回流和倒灌等問題，影響機組的安全與經濟運行，為此提出了空冷島地下進風方式。以某600 MW直接空冷機組為例，建立空冷島地下進風的物理模型，利用Fluent軟件，采用Simple算法和標準k-ε模型，對采用兩風道地下進風布置方式的空冷島周圍空氣流場和溫度場進行數值模擬；計算了地上、地下進風的空冷島通風量，分析了在主導風向下風速對直接空冷凝汽器換熱效率及壓力的影響。計算結果表明：在有環境風的條件下，空冷島地下進風方式的凝汽器工作性能優于地上進風，在任何風速下都沒有出現熱風回流和倒灌；在同等條件下，當環境風速大于4 m/s時，地下進風的通風量較地上進風大，換熱效率較地上進風高，當風速超過8 m/s后，凝汽器壓力比地上進風低7～11 kPa。

空冷島；地下進風；數值計算；通風量；換熱效率

0 引 言

直接空冷凝汽器用空氣作為冷卻介質來冷凝汽輪機排汽，通常布置于標高40多 m的空冷平臺上，其凝汽器真空受環境風溫、風速、空氣潔凈程度影響大[1]。尤其在夏季高溫或因大風引起熱風回流和倒灌的情況下，使空冷汽輪機背壓急劇升高，乃至機組掉閘[2]。

已有學者針對環境影響下的空冷島運行特性及其結構優化做了相關研究工作。楊立軍[3]通過計算流體動力學(computational fluid dynamics，CFD)模擬，獲得了不同風速、風向下的空氣速度場和溫度場，并且通過計算得到了空冷島的迎面風速以及熱風回流率。何緯峰[4]研究了環境風速對空冷單元通風量的影響，分析了凝汽器換熱量隨環境風速及風溫的變化規律，對空冷單元在加裝擋風墻前、后的運行性能做了對比分析。Meyer[5]提出了在空冷平臺四周設置水平擋板的方法，以減小環境風對空冷凝汽器換熱性能的影響。周蘭欣[6-8]分析了不同環境風速時，擋風墻高度和空冷平臺高度對空冷凝汽器換熱效率的影響；提出了在空冷島上加裝下擋風墻的設想，分析了在空冷島不同位置加裝不同形狀的下擋風墻對空冷換熱效率的影響。

與上述研究內容不同，本文提出空冷島采用兩風道地下進風的方式，即將空冷平臺高度由目前的40多 m降低到接近地面布置，周圍空氣通過地下通道進入風室，然后向上流過空冷凝汽器翅片管束，對汽輪機排汽進行冷卻，以期減小環境風對空冷凝汽器性能的影響。

1 物理模型及計算方法

1.1 幾何模型及網格劃分

以某600 MW直接空冷機組為例，空冷平臺橫截面為70 m×80 m，其下表面距離地面高度為10 m。地下風室截面尺寸與空冷平臺相同，其深度為d。主導風向(xy角平分線方向)兩側的地下風道深度與風室相同，2個風道的寬度分別為80，70 m。汽機房的結構尺寸為40 m×80 m×40 m，鍋爐房尺寸為40 m×80 m×80 m，地面以上部分計算域尺寸為600 m×600 m×300 m。空冷島結構如圖1所示。

圖1 空冷島地下進風結構示意圖

利用Gambit軟件生成幾何模型并進行網格劃分[9]。考慮到模擬計算精度的要求以及計算機硬件性能的限制，對整個計算區域網格采用分塊劃分的方法，廠房、換熱單元及其上方局部區域采用六面體網格進行劃分，其余部分采用非結構化網格，如圖2。最后，通過了網格無關性驗證。

圖2 模型網格劃分

1.2 主控方程及邊界條件

空冷島周圍的大氣運動被認為是不可壓縮定常流動，流體區域的控制方程為雷諾平均的N-S方程[10-12]。

連續性方程：

(1)

動量守恒方程：

(2)

本構方程：

(3)

(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為速度向量；i，j，k=1，2，3；μ為流體動力粘性系數；p為壓力；εij為應變率張量；τij為應力張量。

整個流動計算區域的進口采用大氣邊界層函數計算[13]。

vi=v0(zi/z0)a

(7)

式中：z0為氣流達到均勻流時的高度；v0為z0處來流平均風速；zi為任意高度；vi為zi處平均風速；a為地面粗糙系數，粗糙度越大，a越大。根據電廠的地形地貌，取a=0.2及z0=10，該條件利用Fluent自帶的udf(自定義函數)邊界條件編程加載。

每個空冷換熱單元采用風扇(fan)入口和熱交換核心(heat exchanger)，廠房、擋風墻、柱子及地下風道、風室壁面均采用墻(wall)邊界條件，地下風道入口面設為內部面(interior)，計算域在主導風向的進口面采用速度入口(velocity-inlet)邊界條件，其余面采用壓力出口(pressure-outlet)邊界條件[14]。

2 計算結果及分析

2.1 空冷凝汽器運行特性

空冷凝汽器工作性能受其通風量及環境空氣溫度影響很大[15-16]。某600 MW直接空冷機組，在銘牌功率(turbine rated load，TRL)工況下凝汽器熱負荷為773 MW，環境風溫及凝汽器通風量對其壓力的影響如圖3所示，圖中ta1為空冷凝汽器的入口風溫。

圖3 凝汽器特性曲線

2.2 空冷島通風量

2.2.1 風道通流面積對通風量的影響

空冷島地下進風的通風量隨風道通流面積變化。風道-1和風道-2的寬度分別為80，70 m，地下風道深度每增加5 m，兩風道總通流面積增加750 m2。建立不同風道深度的空冷島地下進風結構模型，并逐一進行數值模擬，得出無環境風條件下，兩風道地下進風的空冷島總通風量隨風道深度的變化曲線，如圖4所示。

由圖4可看出：在初始階段，通風量隨通流面積的增大而明顯提高，風道深度由5 m到20 m，深度每增加5 m，通風量分別提高約5 500，4 100，3 200 kg/s；當風道深度由20 m增加到35 m，通風量隨通流面積而增加的趨勢變緩，深度每增加5 m，通風量提高1 600～1 700 kg/s。當地下風道深度為40 m(風道通流面積6 000 m2)時，空冷島總通風量約為25 900 kg/s，基本接近27 160 kg/s的空冷風機設計通風量。

圖4 通風量隨風道深度的變化曲線

2.2.2 環境風速對通風量的影響

在主導風向下，風速對空冷島地上進風(45 m標高)和地下進風(d=40 m)這2種布置方式通風量的影響如圖5所示。

圖5 風速對通風量的影響

由圖5可知：隨著環境風速的提高，空冷島通風量逐漸降低；當環境風速低于4 m/s時，由于空氣在地下風道流動會受到阻力的作用，空冷島地下進風的通風量小于地上進風；當風速超過4 m/s時，空冷島地下進風的通風量將大于地上進風，且當風速超過8 m/s后，地上進風、地下進風方式的通風量相差 3 400～3 600 kg/s。

2.2.3 空冷單元通風量

在環境風的影響下，空冷平臺上不同位置的空冷單元通風量不同。在主導風向、不同風速下，地上進風、地下進風進風方式的空冷單元通風量分布如圖6所示，圖中橫坐標為空冷單元橫排序號，S1～S7表示每列有7個空冷單元，縱坐標表示空氣流量，單位為kg/s。

圖6 空冷單元通風量分布

由圖6可知：(1)在無風的情況下，位于空冷島邊緣的四排風機通風量略低于中間部分，且地上進風的空冷單元平均通風量為498 kg/s，略高于地下進風的平均通風量463 kg/s。隨著環境風速的增大，在空氣流動慣性的作用下，位于空冷島背風側的空冷單元入口處空氣壓力升高，通風量變大，而迎風側風機空氣流量有所減少。(2)地上進風的空冷島迎風側邊緣兩排風機通風量隨環境風速的增加而迅速減小，當風速為8 m/s時，兩排邊緣風機的平均通風量僅為72 kg/s，當風速達到12 m/s時，迎風側個別空冷單元出現倒灌現象。而地下進風的迎風側兩排邊緣風機流量雖然有所減少，但沒有出現倒灌現象，當風速超過8 m/s時，各空冷單元依然保持200 kg/s以上的通風量。

2.3 空冷島周圍溫度場

環境風會影響凝汽器出口熱空氣擴散，從而影響空冷島周圍空氣溫度分布。主導風向下，x=40 m截面上的溫度分布如圖7所示。

根據空氣動力學原理，熱空氣在流動過程中與周圍空氣相互摻混，熱量向環境空氣擴散[17]。由圖7可以看出：在無環境風的條件下，從空冷單元出來的熱空氣呈羽流狀向上擴散，如圖7(a)；當有環境風時，熱空氣的向上升騰過程受到影響，其流動方向發生偏轉，如圖7(b)；隨著環境風速的增大，熱空氣向環境風的方向偏斜明顯，同時其紊流擴散運動增強，熱量更快地被環境空氣帶走，空冷島上方的高溫區域減小，如圖7(c)、7(d)。由于進風口距離空冷平臺較遠，空冷單元出口熱空氣不會影響到地下風道進風，運行中沒有出現熱風回流的現象。

2.4 凝汽器換熱效率

額定工況下的汽輪機排汽量及排汽壓力已知，據此可求得空冷單元的標準散熱量，由空冷單元通風量及空氣溫升，可算得空冷單元的實際換熱量。空冷單元實際換熱量除以標準換熱量，所得到的無量綱數定義為換熱效率，以此表示空冷凝汽器的換熱效果[18]。環境溫度30 ℃，不同環境風速下的凝汽器換熱效率如圖8所示。

由圖8可看出：在環境風的影響下，凝汽器換熱效率逐漸降低。當環境風速低于2 m/s時，地上進風的凝汽器換熱效率約為0.87，地下進風的換熱效率略低一些，約為0.81；當環境風速為4 m/s時，地上進風、地下進風方式下的凝汽器換熱效率基本相同，約為0.79；當風速超過4 m/s后，地下進風的凝汽器換熱效率將高于地上進風；當風速超過8 m/s后，采取地下進風方式的凝汽器換熱效率較地上進風高約15%。

2.5 凝汽器壓力

環境溫度30 ℃，凝汽器熱負荷773 MW，空冷島在不同進風方式下的凝汽器壓力如圖9所示。

圖7 空冷島周圍空氣溫度場

由圖9可知：當環境風速低于4 m/s時，采取地下進風方式的凝汽器壓力略高于地上進風；當風速達到4 m/s時，地下進風、地上進風方式的凝汽器壓力基本相同，約為27.7 kPa；當風速超過4 m/s后，地上進風的凝汽器壓力會明顯高于地下進風，且隨著風速的增加，凝汽器壓力迅速提高；當風速達到8 m/s時，地上進風的凝汽器壓力會超過35 kPa的警戒線，而地下進風的凝汽器壓力可維持在30.8 kPa；當風速超過8 m/s后，采取地下進風方式的凝汽器壓力比地上進風低7～11 kPa。

圖8 空冷凝汽器換熱效率

圖9 空冷凝汽器壓力

3 結 論

(1)空冷島地下進風方式下，總通風量隨地下風道通流面積的增大而增大，無風條件下，40 m深的地下風道總通風量約為25 900 kg/s，基本接近空冷島設計通風量；隨著環境風速的增大，空冷島通風量逐漸減小，當風速超過4 m/s時，地下進風的空冷島通風量高于地上進風。

(2)在環境風影響下，迎風側空冷單元通風量有所減小，背風側單元通風量有所增加，但在任何風速下，采取地下進風的空冷島都沒有出現“倒灌”現象；隨著環境風速的增大，空冷島外部熱空氣的高溫區域范圍逐漸減小。

(3)在環境溫度30 ℃，風速大于4 m/s條件下，地下進風的凝汽器換熱效率高于地上進風；當風速超過8 m/s后，地下進風的凝汽器換熱效率較地上進風高約15%，凝汽器壓力低7～11 kPa。

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(編輯：蔣毅恒)

NumericalAnalysisofAirCoolingIslandwithTwo-DuctUndergroundVentilation

ZHOU Lanxin, WANG Zhe, WANG Xiaofei, YANG Xinjian

( 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 condenser arranged high in the sky, the hot air recirculation and intrusion phenomenon easily occurred, which would affect the security and economics of the unit. Therefore, this paper proposed underground ventilation mode for air cooling island. The physical model of air cooling island with underground ventilation in a 600 MW direct air-cooling unit was established. The air flow filed and temperature filed of air cooling island with two-duct underground ventilation was numerically simulated with using Simple algorithm and standardk-ε model in Fluent. Then, the ventilation rate of air cooling condenser with underground ventilation or overground ventilation was calculated, and the impact of wind speed on the heat transfer efficiency and pressure of condenser under dominant wind direction was analyzed. The calculation results show that, under the influence of environment wind, the condenser performance of air cooling island with underground ventilation is better than that with overground ventilation, and there is not hot air recirculation and intrusion phenomenon in any wind speed. When environmental wind speed is over 4 m/s, under the same conditions, the ventilation rate of air cooling island with underground ventilation is greater than that with overground ventilation, and the heat transfer efficiency is higher. When environmental wind speed exceeds 8 m/s, the condenser pressure of air cooling island with underground ventilation is about 7～11 kPa lower than that with overground ventilation.

air cooling island; underground ventilation; numerical calculation; ventilation rate; heat transfer efficiency

TK 264

： A

： 1000-7229(2014)06-0127-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.06.024

2013- 12- 05

：2013- 12- 30

周蘭欣(1956)，男，教授，主要從事直接空冷機組節能研究；

王喆(1987)，男，碩士研究生，研究方向為直接空冷機組結構優化研究，E-mail: wangzhe226@163.com；

王曉斐(1988)，女，碩士研究生，研究方向為直接空冷機組節能；

楊新健(1988)，男，碩士研究生，主要從事汽輪機末級排汽系統優化研究。