消能導流裝置在空冷島的應用

楊金鳳

（國核電力規劃設計研究院，北京 100095）

消能導流裝置在空冷島的應用

楊金鳳

（國核電力規劃設計研究院，北京 100095）

為減少環境風對直接空冷機組換熱性能的不利影響，介紹一種在空冷島擋風墻下延方向加裝電動旋轉網板的消能導流裝置，分析不同風速和風向下空冷島換熱性能的變化規律，采用數值模擬的方法計算得到消能導流裝置旋轉網板在不同風速風向下的開度，對加裝消能導流裝置前后空冷島的各項參數進行計算分析，結果表明加裝消能導流裝置后降低了高風速下風機流量的波動，明顯穩定了機組背壓，并且該裝置比固定開孔率的防風網更能有效的抵御各種風速風向環境風的影響，確保空冷島的換熱效率，為直接空冷機組防風設計提供一定參考。

環境風；消能導流；風速；風向；換熱效率

0　引言

目前，空冷機組采用的防風措施一般是在空冷平臺上設置擋風墻，針對空冷平臺下部的空氣入口處環境風的影響，文獻［1-4］提出在擋風墻下部加裝防風網或導流網并對不同開孔率和高度的防風網對空冷島換熱效率的影響進行了研究，雖然固定高度和開孔率的防風網能夠在環境風速較大時對進入風機的風進行減速，保證風機的正常出力，但不能有效針對所有環境風條件例如在無風和低風速下防風網的存在會影響平臺下部的空氣流動，降低空冷凝汽器的換熱性能。

本文介紹了一種布置于擋風墻［5］下方的由電動旋轉擋風網板組成的消能導流裝置，該裝置通過監測、采集電廠運行過程中風速、風向及運行數據，對空冷凝汽器進行數值模擬［6-8］，指導控制系統實時調節擋風網板角度，改變擋風網陣列整體阻力狀況，從而滿足各風向下穩定平臺風機流量效果，進而達到穩定背壓保證電廠運行安全性和經濟性的目的。

1　物理模型

以哈密電廠兩臺600 MW直接空冷凝汽器為研究對象，空冷平臺標高50 m，擋風墻高度為13.05 m，空冷凝汽器布置在緊靠汽機房A列外側，每臺機組空冷平臺上布置64個空冷單元，8排8列布置，每個空冷單元下面布置1臺軸流風機，空冷冷卻單元尺寸為:平行于A列為11 325 mm，垂直于A列為12 015 mm，A型冷卻單元夾角為60°，消能導流裝置（防風裝置）以十字形布置在空冷平臺下，見圖1。垂直于A列高度為軸流風機風筒下沿至地面，平行于A列高度為軸流風機風筒下沿至7.06 m。每兩臺機組長約200 m、寬約100 m、總高約50 m，風筒下沿至桁架下弦約4～5m、地面至混凝土柱頂約45 m。消能導流裝置的旋轉網板采用非導體復合板材為基礎材料，非導體復合板材的厚度為3 mm，垂直于A列方向自上而下共3組，平行于A列方向自上而下共2組，消能導流裝置的旋轉網板本身具有一定開孔率，自下而上的開孔率為40%-15%，每塊網板高1.1 m，寬3 m，每組網板由12*3（行*列）的單塊網板組成，每組網板配套電動旋轉機構，見圖2。旋轉網板能夠自水平向垂直可做-90°至90°旋轉并固定，垂直于地面時，百葉通風量為0，環境風穿過網板上的孔，此時阻力最大，網板旋轉至平行于地面時，百葉通風量為100%，環境風完全穿過效能導流裝置，此時阻力為零，示意圖見圖3，通過控制網板開合角度以達到風機組最佳工作狀態，達到空冷機組的最大換熱效率［9］。

圖1　空冷島消能導流裝置平面示意

圖2　消能導流裝置立面示意

圖3　消能導流裝置旋轉網板示意

2　計算分析

本文的控制方程采用標準k-ε方程，空冷系統熱力計算采用η-NTU法［10，11］。

計算模型進口采用速度進口邊界條件，壓力出口邊界條件，凝汽器風機用無限薄的圓面代替，采用風扇入口邊界條件，風機的具體參數為:風機直徑為9.754 m，單臺風量為556.7 m3/s，靜壓106.4 Pa，動壓87.41 Pa，按以上參數設定風扇入口邊界。換熱器管束采用多孔介質邊界條件，消能導流裝置處理為多孔跳躍區域。計算區域為500 m（長）×400 m（寬）×300 m（高），空冷平臺高50 m，采用結構化和非結構化網格進行劃分，網格總數167萬。

環境風速作用下，空冷風機進口處形成的負壓卷吸了原本被吸入風機的空氣流，致使風機風量下降，圖4為不同環境風速下風機風量變化曲線，在無風環境下，風機風量為476.8 m3/s，當環境風速為12m/s時，風機風量下降至318.92 m3/s，較之無風環境下的下降幅度達到了20.5%。圖5為不同環境風速下空冷單元的運行背壓值［12，13］，在無風環境下，空冷單元的運行背壓為21.5 kPa，當環境風速為12 m/s時，運行背壓為62.5 kPa，對于直接空冷機組而言，運行背壓在62.5 kPa將使汽輪機末級工作在及其惡劣的環境下，接近停機背壓65 kPa，此時背壓惡化的速率快，很快將停機，這是不允許的。消能導流裝置的網板角度決定了通過裝置的空氣量和流速，合適的網板角度能在風速大時起到阻擋環境風的作用，降低從中穿過的環境風速度，使得邊緣空冷單元入口靜壓力升高，風機流量增大，穩定機組平均風機流量，從而穩定運行背壓。

機組所在地的風玫瑰圖如圖6所示。本節分析給出網板角度的計算方法并選取風向出現次數和頻率較大的兩個風向:E，ESE，ENE通過計算數據獲得消能導流裝置網板角度，其余風向可按此方法計算。

正面通過消能導流網板的風速和網板角度有函數關系:

圖4　不同風速下風機風量變化規律

圖5　不同風速下機組背壓變化規律

圖6　機組所在地風玫瑰圖

Vf是網板前環境風速，VT是通過網板的環境風速，θ是網板角度，C（v）是風速的模型函數，Cf是風向影響因子，對于正向、側向和爐后來風為風速模型常量。

消能導流裝置布置位置成十字型，將空冷島風機劃分為四個區域1，2，3，4，不同風向對風機流量的影響各區域各不同，鑒于風機流量和風速有分段近似比例關系，四個區域的風速加權平均后為機組的平均風速。同時為便于對除正向風外的其余風向進行研究，對風速Vτ進行矢量分解，平行于A列方向為，垂直于A列方向為，機組平均風速可表達為:

根據上述公式計算典型風向和風速下的網板開度，開度參數參見表1～3。

表1　E風向旋轉網板開度參數

表2　ENE風向旋轉網板開度參數

表3　ESE風向旋轉網板開度參數

E風向下采用消能導流裝置前后機組背壓的對比曲線如圖7。

由圖7可以看出，采用網板角度根據風速和風向變化的消能導流裝置后比不設置防風裝置前穩定了機組背壓，在風速小于16 m/s時背壓能穩定在38 kPa以下，風速在16 m/s以上時也能使汽輪機末級葉片工作在較好的工況下。

ESE風向下沒有采用防風措施，采用固定開孔率（15%）的防風網和采用根據風速風向自動調節的消能導流裝置空冷島換熱效率對比如圖8，消能導流裝置對風機流量的提升的各項指標見表4。

圖7　E風向加裝消能導流裝置前后機組背壓對比曲線

表4　消能導流裝置對風機流量的提升效果

圖8　ESE風向三種方式空冷島效率對比

由圖8和表4可以看出，固定開孔率的防風網相對于不設置防風網能夠在風速較大時提高空冷島的換熱效率，但是無風和低風速下還是阻擋了平臺下方的空氣流動，消能導流裝置能夠讓風在低風速下盡量通過，高風速下減弱風速，有針對性的調節不同風速下通過網板的風速，從而穩定機組的平均風機流量，降低了高風速下風機流量的波動，保證了空冷島的換熱效率，在風速大于16 m/s時換熱效率比不設置該裝置時平均提高了0.32，比固定開孔率的防風網平均提高了0.205。

圖9 E風向機組背壓模擬值和實際運行數據對比曲線

圖9為應用模型計算的E風向下機組背壓曲線和電廠實際運行數據背壓曲線的對比圖，由圖9可知，二者趨勢基本吻合，說明數值模擬結果可以較好的反映機組的運行性能，模擬結果和實際運行結果相差不大，驗證了數值算法和模型的科學性。

3　結論

（1）該裝置能有效穩定機組背壓，在風速小于16 m/s時背壓能穩定在38 kPa以下，風速在16 m/s以上時也能使汽輪機末級葉片工作在較好的工況下。

（2）該裝置比不設置防風網和固定開孔率的防風網在各種風速下穩定空冷島換熱效率的效果更顯著，在風速大于16m/s時換熱效率比不設置該裝置時平均提高了0.32，比固定開孔率的防風網平均提高了0.205。

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Application of Windshield Assembled by Electric Rotating Plate on Direct Air Cooled Island

YANG Jinfeng
（State Nuclear Electric Power Planning Design&Research Institute，Beijing 100095，China）

The energy dissipation diversion device installed of electric rotating plate under the windbreak of aircooled island is proposed in view of decreasing unfavorable influence of ambient wind on heat exchange performance of direct air-cooling unit.Analyzed the heat exchange efficiency rule at different wind speed and different wind direction.By numerical modeling calculates the opening of the energy dissipation diversion device at different wind speed and different wind direction and calculates the parameters of air-cooling island before and after installation of the energy dissipation diversion device.Results show that reducing the flow fluctuation of the fan under the high speed，stablization the backpressure of unit obviously.The device can defense the influecnce of ambient wind under different wind speed than the windbreak with fixed opening rate effectively which ensures the heat exchange effiency of air-cooling island and provides certain reference for the air-cooled island wind resist design.

ambient wind；energy dissipation diversion；wind speed；wind direction；heat exchange efficiency

TP23

B DOI：10.3969/j.issn.1672-0792.2016.07.012

2016-03-31。

楊金鳳（1984-），女，工程師，主要從事大型火力發電廠和核電廠熱工自動化設計和研究工作，E-mail:fenny357@163.com。