火電廠汽輪機房局部機械通風數值模擬及優化

張弘，黃亞繼，盛幫明，陸云，劉明濤，王靚

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火電廠汽輪機房局部機械通風數值模擬及優化

張弘1，黃亞繼1，盛幫明2，陸云2，劉明濤2，王靚1

(1. 東南大學能源熱轉換及其過程測控教育部重點實驗室，江蘇南京，210096；2. 中國能建江蘇省電力設計院有限公司，江蘇南京，211102)

為了改善汽輪機房通風效果，保障人員舒適工作和設備安全運行，通過數值模擬研究江蘇某2×1 000 MW機組汽輪機房內空氣溫度場和速度場的分布情況并驗證模擬結果準確性，引入新型局部機械通風進行優化改進，研究機械通風流量及角度對溫度場的影響。研究結果表明：當底層通風流量達6 m3/s、運轉層通風流量達10 m3/s以上時，可以將人員主要活動區溫度降至設計要求范圍內；對于底層通風口，通風角度在0°~10°范圍內，機械通風會將廠房內熱空氣排擠向自然進風口附近，抑制底層自然進風，該情況在實際工程中需要避免；當角度大于20°時抑制作用消失，但通風角度過大會使得廠房東側溫度升高，綜合考慮通風角度選擇20°較為合理。

汽輪機房；數值模擬；局部機械通風；優化改進

作為大型工業廠房，火力發電廠汽輪機房內部包含多種高溫發熱設備，且熱源呈離散化分布；同時各類型號的管路設計緊湊、錯綜復雜，增加了空氣流動阻力。因此，如果汽輪機房布局和通風設計不合理，極易產生局部高溫、空氣流通不暢等不理想區域[1]，從而導致內部工作環境惡劣，不利于人員進行巡檢和維護，更有可能影響設備安全運行，威脅人員生命安全。綜上，合理設計汽輪機房結構布局，選擇最佳通風調節方式具有積極而重要的意義[2]。目前，汽輪機房所采用的通風方式主要有：自然進風、自然排風；自然進風、機械排風；機械進風、自然排風；機械進風、機械排風；以及局部自然、機械相結合的送風等方式[3?4]。從成本和能耗上分析，自然、局部、機械通風的成本依次增加；而從通風效果上看，采用機械通風一般比自然通風效果好。因此需要根據實際情況合理選擇不同的通風方式，從而達到控制成本、優化通風的效果。隨著計算流體力學的發展，采用數值模擬方法來研究工業廠房及建筑內流體運動和傳熱得到廣泛應用。例如AFLAKI等[5]討論了炎熱天氣下自然通風存在的問題，并研究了通風井、窗戶與墻壁面積比、建筑朝向對自然通風效果的影響；ARGHAND等[6]研究了3種不同的空氣分配系統對敞開式辦公室的影響，并改變熱負荷及送風量觀察其對3種通風方式的影響；謝良珊等[7]分別比較了風壓單獨作用、熱壓單獨作用、二者共同作用、自然進風機械排風4種工況下的通風效果；余宇峰[8]探究了汽機房在春夏季節下機械通風所需要的通風量變化規律；陳金華等[9]利用相似理論和數值模擬研究了進口不同送風溫度對廠房內平均溫度和最高溫度的影響；陳勇等[10]通過改變進風面積、風壓、開孔位置研究其對室內通風量的影響效果。以往文獻主要側重于籠統地調整進出口通風形式、通風面積、送風量、送風溫度等因素來優化通風，但由于改進均較為宏觀，并未對廠房內部區域結構和空氣流動形態有明顯調整，雖然對靠近進排風口區域的空氣流動會有增益效果，但當廠房的大空間將新風的改進效果稀釋后，在遠離進排風口的汽輪機房內部空氣流動依然可能存在問題，原本局部通風不理想區域的改進效果并不明顯。而本文主要側重于對人員主要活動區域和局部不理想區域進行重點優化改進，因為人員主要活動區域的舒適度直接影響工作人員正常作業，是檢驗通風效果好壞的重要指標，更具有迫切性和必要性；而對于局部不理想區域，宏觀上的改進措施效果較弱，需要更具有針對性的改善方法。本文通過引入新型局部通風方式，并對比和調整相關參數不僅使得改進更合理、明顯、具有針對性，還兼顧節能和改造成本，對工程實際具有積極指導意義。

1 工程簡介

本文研究對象為江蘇某2×1 000 MW超超臨界機組，汽輪機房的長×寬×高為200 m(軸)×41 m(軸)×43 m(軸)。廠房共分3層，即底層(=0 m)、夾層(=8.6 m)和運轉層(=17 m)，C排為北側外墻，A排為南側外墻，B排為人員檢修通道。1號和3號高壓加熱器位于運轉層以上(=25 m)，2號高壓加熱器和5號低壓加熱器位于運轉層(=17 m)，6號，7號和8號低壓加熱器位于夾層(=8.6 m)，除氧器位于室外(=34.5 m)。已有的通風方式為自然進風、自然排風，新風從底層大門或百葉窗進入，在風壓和熱壓[11?12]的共同作用下經過天井、各層間格柵、孔洞間隙流向上方，最終通過屋頂天窗排出，過程中吸收并帶走廠房內多余熱量。具體廠房結構布置如圖1所示。

1—進風天井及百葉窗；2—汽輪機；3—小汽輪機；4—凝汽器；5—1號高加和3號高加；6—2號高加和5號低加；7—6號低加；8—7號和8號低加；9—除氧器；10—屋頂排風口。

2 模型建立及邊界條件設定

2.1 物理模型建立及簡化

根據汽輪機房設計圖紙中所繪制的結構及設備尺寸位置，建立相應的物理模型。由于汽輪機房內結構復雜、設備眾多，為了便于模型建立及網格劃分，對模型進行以下簡化：

1) 本研究對象為兩機一控，認為汽輪機房以集控室中截面呈鏡面對稱，只建立一臺機組的物理模型以簡化不必要的計算量；并定義中截面與底層C排的交點為坐標原點。

2) 汽輪機房內各熱源的外表面形狀近似為規則物體，如標準的圓柱體、立方體等。

3) 由于除氧器及相關管道位于室外，建模時不考慮該部分設備。

4) 由于現場測量過程中機組負荷無明顯變化，認為各熱力設備處于穩定工作狀態，多次多點測量的表面平均溫度即為其表面溫度。

5) 忽略表面溫度與環境溫度之差在2 ℃以內、直徑小于0.5 m的細小管路，若有局部細小管路集中部分，等效為相應直徑的大管路。

由于B排為工作人員主要檢修通道及活動區域，該位置附近溫度場及速度場分布的合理性顯得尤為重要；而在模擬中發現底層和運轉層B排溫度分布不理想，因此在原汽輪機房結構基礎上，分別在底層(=0 m)、運轉層(=17 m)B排附近增加直徑為0.9 m的機械通風口，具體位置如圖2所示。為了減少機械送風能耗和改造成本，更充分利用每一股新風，擴大其影響范圍和降溫效果，并防止B排附近熱力設備對新風的阻擋，經過多次嘗試后確定底層通風口布置4個，中心點坐標分別為(39.5，0.5，14)，(52.5，0.5，14)，(60，0.5，14)，(75，0.5，14)；運轉層通風口布置3個，中心點坐標分別為(34.5，17.5，12)，(50，17.5，12)，(65，17.5，12)。新風送向C排，并定義通風角度為送風方向與C排墻面垂線方向之間夾角，沿垂線順時針方向為正。

2.2 數學模型

1) 汽輪機房內空氣的流動及傳熱滿足連續性方程、動量方程、能量方程，見文獻[13?15]。

2) 經計算雷諾數介于287 500~555 000之間，流體處于湍流狀態，湍流模型選擇標準?模型。

3) 空氣流速遠小于聲速，馬赫數＜1，認為空氣為不可壓縮的黏性流體。

4) 由于汽輪機房內部含有多個熱源，輻射模型選擇DO模型。

5) 通風量平衡方程：

其中：gate為底層大門進風量，kg/s；window為窗戶進風量，kg/s；leak為各層漏風量，漏進為正，漏出為負，kg/s；machinery為機械進風量，kg/s；out為屋頂排風量，kg/s。

6) 通風熱平衡方程：

(2)

其中：in和out分別為自然通風進、出口空氣焓，J/kg；和分別為機械通風進、出口空氣焓，J/kg；和分別為漏風進、出口空氣焓，J/kg；con為汽輪機房內熱力設備對流散熱量，W；rad為熱力設備輻射散熱量，W；solar為太陽輻射熱量，W；wall為墻壁散熱量，對廠房內散熱為正，對外散熱為負，W。

(a) 底層(Y=0 m)；(b) 運轉層(Y=17 m)

2.3 邊界條件

使用熱線風速儀、紅外熱像儀對空氣溫度、流速、熱力設備表面溫度等物理量進行實地測量(如圖3所示)，測量時間為夏季炎熱時期，室外環境溫度32 ℃，多次多點測量取平均值作為最終邊界條件設定值，具體情況如下：

1) 自然進風口如大門、百葉窗、運轉層窗戶為速度入口邊界條件，速度為實測值，溫度為室外溫度。

2) 屋頂排風口為表壓0 Pa的壓力出口邊界條件。

3) 中截面為對稱面邊界條件。

4) 各熱源、管道、樓板、墻壁為無滑移壁面定溫邊界條件，具體數值如表1所示。

表1 主要熱源溫度邊界條件參數(環境溫度為32 ℃)

圖3 汽輪機低壓缸及發電機表面溫度(紅外熱像儀拍攝)

3 模擬結果及分析

3.1 模擬結果準確性驗證

在實地測量過程中，各層均選取了多個具有代表性的位置，如高溫區域附近、人員活動頻繁區域附近、各層格柵開口附近等，作為特征點用來檢驗模擬結果的準確性。本文所研究的溫度場及速度場位置均為相應樓層地板以上1.5 m處。特征點①~⑩具體選取位置及地理坐標方位如圖4所示。

特征點溫度和速度的實驗及模擬結果如圖5所示。從圖5可以看出：實驗和模擬的結果基本吻合，溫度誤差都控制在1 ℃以內，速度誤差控制在0.1 m/s以內，驗證了模型的準確性和計算的正確性。但其中底層天井和轉角附近的誤差較高，這是因為在實地測量過程中，由于外部時常有陣風出現，導致天井進風口的空氣流速有所波動，進風流量不穩定；并且進風面積較大，使得進口平均風速的測量誤差較大。

3.2 模擬結果分析

從圖4(a)可以看出：由于底層北側集中了多個高溫熱力設備及管道(如前置泵的表面溫度為86.3 ℃)，對流輻射散熱量巨大，在廠房北側中部形成了局部高溫區域；同時，由于自然進風空氣動力不足，而且廠房南北跨度較大，從大門和百葉窗進入廠房的空氣只能影響入口附近，對于較遠的B排和C排影響效果有限，因此，廠房高溫區域相應的空氣流動較為緩慢，形成局部高溫流動死區，不利于人員在此作業。由圖5可知：在B排人員檢修區域的局部溫度高達36 ℃以上，無法滿足《火力發電廠采暖通風與空氣調節設計技術規程》(以下簡稱《規程》)[16]中所要求的：在環境溫度為32 ℃時，工作區域溫度不得超過35 ℃。

從圖4還可以看出：下層空氣可以經過天井和層間開設的鏤空格柵流向上層，增大附近空氣流動，并且使得周圍溫度有所降低，因此，在滿足其他結構要求的情況下，適當增大格柵面積有助于提升汽輪機房內空氣流動及降低溫度。

從圖4(e)和4(f)可以看出：由于本文模擬工況為運轉層玻璃全部打開的情況(為了驗證在最大通風量的情況下運轉層溫度場是否能滿足《規程》要求)，因此A排空氣流通效果較好，溫度較低，但在小汽輪機北側B排和C排中部，由于各熱力設備的阻擋，空氣流動效果有限，圖5中的⑧號測點也反映了存在局部溫度高于35 ℃的區域；然而實際情況中考慮到空氣質量及短路風流[17]等問題，只會打開其中一部分，因此運轉層溫度將會有所升高，空氣流通效果將會較大幅度降低。

(a) Y=1.5 m溫度場；(b) Y=1.5 m速度場；(c) Y=10.1 m溫度場；(d) Y=10.1 m速度場；(e) Y=18.5 m溫度場；(f) Y=18.5 m速度場

1—實驗值；2—模擬值。

4 優化改進

4.1 局部機械通風方式

根據以上分析可以確定本研究對象所采用的自然通風方式在夏季炎熱時期已經無法達到《規程》中所要求的通風效果，因此本文引入新型局部機械通風方式(已申請發明專利并已公示)進行優化改進，具體通風口的布置位置在圖2中已經標明。優化目標是使得B排溫度在所研究的工況下達到《規程》所要求的35℃以下。

新型局部機械通風方式的基本工作原理為：夏季炎熱時期，開啟風機正吹，將外界溫度相對較低的空氣(若環境溫度過高則需要對新風進行冷卻)引入廠房，增大空氣流動速度，降低高溫區域溫度；冬季寒冷時期，開啟風機反吹，將汽輪機房內上部熱空氣引入底層，防止冷風滲透，減少低溫區域，增加熱空氣循環次數。

4.2 機械通風流量對溫度場的影響

在本文研究的夏季炎熱工況下，將局部機械通風口的出口溫度設定為環境溫度32 ℃，不同機械通風流量下，底層和運轉層B排溫度分布情況如圖6所示。

從圖6可以看出：對于底層，通風流量6 m3/s基本可以使得工作區域的溫度控制在35 ℃以內，且流量越大溫度最高值越小；而隨著通風流量的繼續增加，大部分區域的通風效果繼續增強，但在靠近自然進風口位置，過多的機械新風會將汽輪機房內的熱空氣排擠至自然進風口(=0 m)附近，對自然進風產生抑制作用，導致圖中水平方向=20~40 m范圍內機械送風的溫度比自然進風的溫度高；且通風流量越高，熱空氣被排擠向自然進風口的距離越大，該現象是實際工程中所不希望發生的。對于運轉層，隨著通風流量的增大，溫度降低，考慮節能需求，通風流量10 m3/s基本能滿足《規程》要求。

4.3 機械通風角度對溫度場的影響

為了消除底層機械通風對自然進風可能產生的抑制作用，改變底層機械通風角度，研究不同通風角度對底層B排溫度場分布的影響，具體溫度場分布情況如圖7所示。

(a) 底層(Y=1.5 m)；(b) 運轉層(Y=18.5 m)

從圖7可以看出：當通風流量為2 m3/s時，由于流量太低，新風在流動過程中很容易因為設備及管道的阻擋而喪失流動能力，因此B排溫度場隨通風角度的變化趨勢并不明顯，改進效果有限；當通風流量繼續增大時(由6 m3/s變化至14 m3/s)，隨著通風角度的逐漸增大，B排最高溫度均逐漸降低，因此在0°~40°范圍內，通風角度越大，底層B排最高溫度越低。

對比通風流量分別為6，10，14 m3/s時的溫度場變化可以發現，當通風角度為0°和10°時，均會導致汽輪機房內熱空氣被擠向自然進風口附近，抑制自然進風效果，使得=20~40 m范圍內的溫度比原通風方案的溫度高；當通風角度繼續增大至40°時，機械通風對自然進風的抑制作用逐漸消退，=20~40 m范圍內的溫度與原通風方案基本相同，都處于較低水平，因此實際工程中盡量保證通風角度大于20°。

機械通風流量/(m3?s?1)：(a) 2；(b) 6；(c) 10；(d) 14

進一步觀察任意某通風流量下=80~100 m范圍內的溫度隨角度的變化情況可以看出，隨著通風角度的增大，該范圍內溫度也相應升高，這是因為角度越大，新風沿軸正方向上的速度分量越大，更易將高溫區域的熱空氣推向汽輪機房東側(=100 m)，導致該區域溫度更高，因此在保證不影響自然進風的前提下，選擇20°的通風角度更合適。當通風角度相同時，隨著機械通風流量的增大，=80~100 m范圍內的溫度逐漸降低，這是因為機械通風流量越大，新風具有更好的延續性，衰減過程更長，降溫范圍更廣闊，因此在減少能耗和保證最高溫度滿足《規程》要求的前提下，選擇6~10 m3/s的機械通風流量較為合適。

5 結論

1) 通過模擬結果與實地測量的特征點相應參數進行對比，確定模擬結果準確性；通過對結果分析發現，原有的汽輪機房自然通風方案存在局部高溫流動死區、通風效果無法滿足《火力發電廠采暖通風與空氣調節設計技術規程》的要求等問題。

2) 引入新型局部機械通風方式，模擬后發現當底層通風流量達到6 m3/s以上、運轉層達到10 m3/s以上時，能使各層B排人員工作區的最高溫度降到《規程》要求范圍內，提高人員工作環境舒適度；但隨著底層通風流量增大，會將汽輪機房內熱空氣排擠向自然進風口，從而抑制自然進風，增大進風口附近空氣溫度，因此需要調整通風角度。

3) 當機械通風角度從0°變化到40°的范圍內，通風角度越大，底層B排最高溫度越低，但會導致汽輪機房東側(=100 m)附近空氣溫度越高。

4) 當機械通風角度處于0°~10°范圍內時，底層機械通風對自然進風會產生抑制作用，導致自然進風口附近空氣溫度升高；當通風角度大于20°時，抑制作用消失，自然進風口附近空氣溫度處于較低水平。

5) 由于通風角度低于20°可能會抑制自然進風，過高會使廠房東側溫度升高，因此機械通風角度選擇20°較為合適；同時通風流量越大，廠房東側空氣溫度越低，在既保證降低能耗又能滿足《規程》要求的情況下，機械通風流量選擇6~10 m3/s較為合適。

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(編輯 趙俊)

Numerical simulation and optimization on local mechanical ventilation in steam turbine room of thermal power plant

ZHANG Hong1, HUANG Yaji1, SHENG Bangming2, LU Yun2, LIU Mingtao2, WANG Liang1

(1. Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education,Southeast University, Nanjing 210096, China;2. Jiangsu Power Design Institute Co., Ltd., China Energy Engineering Group, Nanjing 211102, China)

In order to improve the ventilation effect and guarantee the comfort of staffs and the security of equipments, numerical simulation was employed to research the distribution of temperature and velocity field of the air in one of the 2×1 000 MW power unit steam turbine room and the accuracy of simulation results were verified. The new local mechanical ventilation was introduced into optimization. The effect of changing mechanical ventilation flow rate and degree on temperature field was studied. The results show that the temperature of operation region can be reduced to the requirement when the ventilation flow rates are more than 6 m3/s and 10 m3/s respectively in the ground floor and operation floor. The situation should be avoided because mechanical ventilation would restrain natural ventilation by pushing the hot air towards the entrance when the ventilation degree is 0°?10°. When the degree is larger than 20°, the restrain effect disappears but the temperature rises in the east area, and so the ventilation degree should be set at 20°.

steam turbine room; numerical simulation; local mechanical ventilation; optimization

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.06.033

TK 284.8

A

1672?7207(2017)06?1659?08

2016?07?18；

2016?10?29

國家自然科學基金資助項目(11190015)(Project (11190015) supported by the National Natural Science Foundation of China)

黃亞繼，博士，教授，博士生導師，從事電廠節能環保研究；E-mail：heyyj@seu.edu.cn