環(huán)境風對火電廠直接空冷系統(tǒng)熱回流影響的研究

王玲花，黃 鑫，喬文濤，張 楊

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環(huán)境風對火電廠直接空冷系統(tǒng)熱回流影響的研究

王玲花1，黃 鑫2，喬文濤3，張 楊1

（1. 華北水利水電大學電力學院，鄭州 450000；2. 四川省紫坪鋪開發(fā)有限責任公司，成都 610000；3. 黃河勘測規(guī)劃設計有限公司，鄭州 450003）

本文利用Fluent軟件對某火電廠2×1000MW機組直接空冷系統(tǒng)流場進行數(shù)值計算，研究了熱回流率隨環(huán)境風向和風速的變化規(guī)律以及擋風墻高度對熱回流率的影響。計算結(jié)果表明：直接空冷系統(tǒng)的散熱性能對周圍風環(huán)境很敏感，特別是從鍋爐房和間接空冷塔方向來流時，大風對空冷島的散熱效果影響較大；其他風向下，隨著來流風速增加，熱回流率先增大后減小；適當增加擋風墻高度，可以有效降低熱回流率。

火電廠；環(huán)境風；直接空冷系統(tǒng)；熱回流率；數(shù)值模擬

0 前言

近年來，大容量、高參數(shù)的大型汽輪機組不斷應用于新建的火電廠中，這類機組在燃用大量煤炭的同時，又耗用了大量的水資源。由于我國受到煤和水分布不均的制約，在一些“富煤缺水”地區(qū)往往無法興建大型火電廠。為此，機組空氣冷卻系統(tǒng)（簡稱空冷系統(tǒng)）便應運而生，它包括直接空冷系統(tǒng)和間接空冷系統(tǒng)。直接空冷技術(shù)由于其基建投資省、占地面積少、防凍手段多、靈活可靠，明顯優(yōu)越于間接空冷技術(shù)。但直接空冷凝汽器暴露在空氣中，其散熱效果受環(huán)境因素影響較大。如果直接空冷凝汽器布置不當或在環(huán)境風影響下，空冷散熱器排出的熱空氣會重新回到空冷島底部，形成熱回流。熱回流對直接空冷凝汽器的散熱效果影響很大，會導致汽輪機背壓升高，嚴重時甚至造成機組停機，危及整個電廠的運行。對此，國內(nèi)外學者進行了一系列研究[1-12]。

為解決工程實際問題，本文針對國內(nèi)某火電廠2×1000MW直接空冷系統(tǒng)進行數(shù)值研究。該電廠既有直接空冷機組又有間接空冷機組，間接空冷塔的存在對直接空冷島的散熱效果有何影響不是十分清楚，流場情況比較復雜，因此需要深入探討其流場流動規(guī)律，為工程實際提供合理建議。

1 熱回流產(chǎn)生的機理

火電廠直接空冷系統(tǒng)對汽輪機乏汽的冷卻，是一個在環(huán)境風作用下進行強迫對流換熱的過程。在無風情況下，軸流風機從空冷島底部抽吸冷空氣進入直接空冷凝汽器進行換熱，排出的熱氣流呈羽流狀向上散發(fā)到大氣中。當大風從不利風向吹過空冷島時，氣流在鍋爐房、汽機房、擋風墻等建筑物邊緣發(fā)生分離，產(chǎn)生包含有大小不一旋渦的渦流區(qū)，從空冷凝汽器排出的熱空氣受到上升熱浮力、來流慣性力和旋渦紊動剪切的共同作用，另外，由于風機的抽吸作用，空冷島底部會形成低壓區(qū)，空冷平臺上方和下方形成壓差。在上述因素的共同影響下，本來呈羽流狀上升的熱氣流會被壓彎，一部分熱氣流會重新回到風機進口，形成熱回流。

2 模型及計算方法

2.1 物理模型及網(wǎng)格

對于該電廠的直接空冷系統(tǒng)，由于空冷島周圍流場不僅與當?shù)貧庀髼l件有關(guān)，還與電廠主要建筑物的大小、形狀和位置有關(guān)，因此，本文主要對電廠較高建筑物（包括鍋爐房、汽機房、空冷島、兩座間接空冷塔）進行建模，其實體模型如圖1所示。本模型中空冷島平臺高50m，寬97.8m，長224m，平臺四周設置2m寬的過道，空冷凝汽器散熱面積2224833m2，凝汽管束長10m；每臺機組配置軸流風機80臺，單臺風機直徑9.754m，靜壓113Pa，額定流量552m3/s，由此可得風機進風速度為7.39m/s。

1-空冷島；2、3-間接空冷塔；4、5-鍋爐房；6-汽輪機房

計算域尺寸2480×2300×800m，從鍋爐房指向空冷島為X軸正方向，從空冷島指向間接空冷塔2為Y軸正方向，豎直向上為Z軸正方向。利用Gambit軟件進行網(wǎng)格劃分，在風向為+X方向、風速7m/s、環(huán)境溫度30℃的工況下通過初步試算，選擇三套網(wǎng)格方案（290萬、341萬、449萬個網(wǎng)格）分別進行流場計算。計算結(jié)果表明，三套網(wǎng)格所得風機入口處的平均溫度相差不大。為了進一步節(jié)約計算機內(nèi)存資源和提高計算速度，選用341萬網(wǎng)格進行后續(xù)計算。

2.2 計算方程及邊界條件

2.2.1 計算方程

由于空冷島周圍空氣流速較小，計算選擇不可壓縮理想氣體，雷諾時均控制方程。本文所用計算方程如下[13]：

連續(xù)方程為

動量方程為

+=－

+[+]=

[(+)]++－（4）

++=[(+)]+－（5）

2.2.2 邊界條件

本計算是在環(huán)境溫度為30℃的情況下，考慮不同風速、不同風向?qū)绽湎到y(tǒng)熱回流的影響，如圖2所示。計算域入口設為速度入口，與之相對的為壓力出口，上頂面與側(cè)面為對稱邊界。計算域入口風速大小采用迪肯的冪定律描述：=，式中，=10m；為處的風速；為任意高度；為處的風速；為地面粗糙系數(shù)，根據(jù)電廠實際地形，取=0.16，該條件用Fluent自帶的UDF編程加載。

1-空冷島； 2、3-間接空冷塔；4、5-鍋爐房；6-汽輪機房；7-全年風頻；8-夏季風頻

本計算中風機和凝汽管束按無限薄面處理，均采用速度入口邊界條件[8]，風機風向豎直向上。空冷凝汽器出口風速設為線性分布，靠近乏汽管道速度小，遠離乏汽管道速度大，方向垂直于側(cè)面，如圖3所示，由流量守恒計算得空冷凝汽器出口的最大風速0max=4.71m/s，該條件用Fluent自帶的UDF編程加載。凝汽器出口空氣溫度根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，設為61.8℃。其他建筑物表面設置為壁面邊界條件。數(shù)值計算方法采用SIMPLE算法，迎風格式采用默認的二階格式。

1-風機孔；2-凝氣管束；3-乏汽管道；4-空冷平臺；5-冷空氣；6-熱空氣

2.3 熱回流率的定義

為定量分析熱回流，本文定義熱回流率如下：

式中，T為風機入口處平均溫度；T為環(huán)境溫度；0為空冷凝汽器出口溫度。

3 計算結(jié)果分析

3.1 風速大小及風向?qū)峄亓髀实挠绊?/p>

每隔45°取一個風向，對風速為3m/s、5m/s、7m/s、9m/s、15m/s共40種工況分別計算，繪制得到不同風速、不同風向下的熱回流率變化曲線，如圖4所示，圖中橫坐標為風向角，縱坐標為熱回流率。

從圖4中可看出，在同一來流速度下，風向角為0°~90°與270°~360°時，熱回流率明顯高于其他風向，熱回流現(xiàn)象較嚴重；為90°~270°時，熱回流率較小。

從圖4還可看出，在0°、270°風向角下，隨著風速的增加，熱回流率逐漸增加，這是由于在兩種風向角下，氣流分別流過上游側(cè)的鍋爐房和間接空冷塔時，在其頂部發(fā)生分離，產(chǎn)生大小不一的旋渦，導致下游側(cè)空冷島的熱流場被干擾，風速越大，旋渦擾動能力越強，就有更多的熱空氣被卷吸到空冷島底部，熱回流率也就越大。在45°、315°風向角下，風速在3m/s~5m/s范圍變化時，風速增加，熱回流率增加；當風速大于5m/s時，隨著風速的增加，熱回流率反而減小，這是因為風速過大時，來流慣性力遠大于空氣的熱浮力，冷空氣直接倒灌至空冷島底部，從而使熱回流率略有下降。在90°風向角下，隨著風速增加，熱回流率逐漸減小，這是因為，在此風向角下，下游的間接空冷塔對空冷島排出的熱空氣擴散有一定的阻礙作用，來流風速越大，這種阻礙作用越小，因此熱回流率也越小。

從圖4中對比90°和270°風向角下的熱回流率可以發(fā)現(xiàn)，當風速增加時，后者明顯要高于前者。

在0°風向角、風速3m/s工況下，鍋爐房4中截面的溫度及流線分布如圖5所示。由圖可看出，空冷島靠近鍋爐房的一側(cè)，熱回流較明顯，遠離鍋爐房的一側(cè)，熱回流相對較弱；來流在鍋爐房頂部發(fā)生分離，并在鍋爐房和汽機房的下游分別形成了兩個旋渦，在空冷島遠離鍋爐房的一側(cè)，氣流流經(jīng)擋風墻時發(fā)生分離，在空冷島下游形成了巨大的旋渦結(jié)構(gòu)。

圖4 風速大小及風向與熱回流率的關(guān)系

圖5 鍋爐房4中截面溫度及流線分布溫圖

3.2 擋風墻高度對熱回流率的影響

本電廠擋風墻設計高度為15m，計算時在此基礎上適當增加擋風墻高度（如增加1m、2m、3m、4m、5m），以分析擋風墻高度對熱回流率的影響程度。

在0°風向、風速7m/s的工況下進行計算，熱回流率隨擋風墻高度的變化規(guī)律如圖6所示。由圖可看出，隨著擋風墻高度的增加，熱回流率逐漸降低，但下降趨勢漸緩，特別是增加到18m后，再增加擋風墻高度，熱回流率的下降較小。由此得出，擋風墻高度在設計高度的基礎上適當增加2~3m，熱回流率下降較明顯，隨著擋風墻高度進一步增加，熱回流率下降不明顯。對比分析擋風墻高度為=15m、17m時的鍋爐房5中截面的溫度及流線分布圖規(guī)律（如圖7、8所示），發(fā)現(xiàn)擋風墻高度增加后，空冷島底部的高溫區(qū)減小，空冷島兩側(cè)的旋渦結(jié)構(gòu)上移，旋渦的剪切作用以及邊緣風機的抽吸作用減弱，減少了回到空冷島底部的熱空氣，熱回流率降低。

圖6 熱回流率與擋風墻高度的變化關(guān)系

圖7 擋風墻高度h=15m

圖8 擋風墻高度h=17m

4 結(jié)論

通過對該火電廠2×1000MW直接空冷系統(tǒng)空冷島周圍熱態(tài)流場進行數(shù)值計算研究，得出：

（1）找出了環(huán)境風速和風向?qū)χ苯涌绽鋶u熱回流率的影響，發(fā)現(xiàn)來流速度相同，風向角為0°~90°與270°~360°時，熱回流現(xiàn)象比其他風向嚴重；風向角為0°、270°時，隨著風速的增加，熱回流率增加，風向角為45°、315°時，隨著風速的增加，熱回流率先增大后減小，在90°風向角下，隨著風速增加，熱回流率逐漸減小。

（2）擋風墻高度增加2~3m可有效降低熱回流率，提高直接空冷凝汽器的散熱效率，隨著擋風墻高度的進一步增加，其降低熱回流率的效果不明顯。

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Study on the Effect of Environmental Wind on Thermal Recirculation Under Tower of Direct Air Cooled System in Thermal Power Plant

WANG Linghua1, HUANG Xin2, QIAO Wentao3, ZHANG Yang1

(1. Institute of Electric Power, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450000, China; 2. Sichuan Zipingpu Development Limited Liability Company, Chengdu610000, China; 3. Yellow River Engineering Consulting Co., Ltd., Zhengzhou 450003, China)

This paper uses Fluent to calculate the Flow field of a 2×1000MW direct air-cooled system in a thermal power plant, and researches the variation of thermal recirculation ratio with environmental wind speed and direction, as well as the height of wind wall’s influence to thermal recirculation ratio. The results show that, the heat radiation of direct air-cooled system is very sensitive to wind environment, especially from the direction of indirect air-cooled tower and boiler room, the effect of wind on heat radiation of air-cooled island is large. In the other directions, with the increase of flow, thermal recirculation ratio first increases and then decreases. Through increasing height of wind wall, thermal recirculation ratio can be reduced obviously.

thermal power plant; environmental wind; direct air-cooled system; thermal recirculation ratio; numerical simulation

TM621

A

1000-3983(2017)04-0076-05

2016-10-10

王玲花（1965-），博士，1987年本科畢業(yè)于華北水利水電學院水電站動力設備專業(yè)，1993年碩士畢業(yè)于河海大學流體機械及流體動力工程專業(yè)，2007年博士畢業(yè)于河海大學水利水電工程專業(yè)，研究方向為能源與動力工程，教授。