直接空冷凝汽器流場及性能優(yōu)化數(shù)值模擬

王 淼，黃 騫，曹文廣，李水清

(1.清華大學 能源與動工程系，北京 100084；2.清華大學 熱科學與動力工程教育部重點實驗室，北京 100084)

0 引 言

直接空冷凝汽器是燃煤電廠中主要的汽輪機乏汽冷卻設(shè)備之一，特別在水資源匱乏的內(nèi)陸地區(qū)應(yīng)用更廣泛。原理是凝汽器底部風機驅(qū)動環(huán)境空氣作為冷端媒介與凝汽器換熱管束內(nèi)部熱蒸氣進行對流換熱。世界上首臺1.5 MW直接空冷機組起源于20世紀30年代末的德國魯爾礦區(qū)[1]。我國對直接空冷技術(shù)的應(yīng)用研究起步較晚，直至20世紀60年代才首次完成國內(nèi)直接空冷系統(tǒng)試驗[2]。近年來，國內(nèi)外直接空冷技術(shù)發(fā)展迅速，已在大容量火電機組獲得廣泛應(yīng)用，如南非馬廷巴電廠6×665 MW機組示范工程、巴林890 MW機組示范工程、我國寧夏靈武2×1 000 MW機組示范工程以及目前世界上單機組容量最大的我國新疆2×1 100 MW機組示范工程等[1,3-4]。

由于直接空冷凝汽器利用環(huán)境空氣作為冷端媒介，因此環(huán)境風速與溫度等因素對直接空冷凝汽器換熱性能和機組運行穩(wěn)定性的影響不可忽視。國內(nèi)外研究者對環(huán)境風影響下的空冷系統(tǒng)運行開展了大量研究工作，CONRADIE等[5]、MEYER[6]、VAN ROOYEN等[7]利用數(shù)值模擬方法研究了環(huán)境風對空冷系統(tǒng)的影響，發(fā)現(xiàn)環(huán)境風會惡化邊緣風機的工作性能，降低空冷系統(tǒng)軸流風機的進風量。張利君等[8]、周蘭欣等[9-10]、楊立軍等[11-12]以直接空冷機組為研究對象，研究了不同環(huán)境風速和風溫對空冷機組換熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)空冷機組的空氣流量偏差率隨環(huán)境風速的增大而增大，換熱效率隨環(huán)境溫度的上升而下降，導致機組熱耗增加，運行成本增大。

在當前空冷機組運行中，環(huán)境因素對直接空冷系統(tǒng)造成顯著不利影響：氣溫升高，機組背壓過高，同時遇到大風天氣，更加劇運行安全隱患；而在低溫環(huán)境下，機組出力降低，凝汽器對流換熱過快，熱蒸氣未完全到達換熱管束底部凝結(jié)水箱時提前凍結(jié)[13]。在“雙碳”背景下，清潔能源的需求不斷增加，對現(xiàn)役火電機組靈活性運行[14-15]和深度調(diào)峰能力[16-17]提出了更高要求，也對直接空冷系統(tǒng)運行技術(shù)優(yōu)化提出了新的挑戰(zhàn)[18]。目前，針對上述問題，研究者采用相應(yīng)措施，包括在風機底部加長防護網(wǎng)結(jié)構(gòu)[19-21]或加裝消旋導葉柵緩解環(huán)境風對空冷凝汽器的不利影響[22]；調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速可改善環(huán)境溫度對凝汽器換熱的影響[23]，具有優(yōu)化流場、并在特定工況下防止運行劣化的潛力，但這類措施無法適應(yīng)機組運行的多變工況，部分工況下會增大流動阻力，增加風機電耗。因此，在已有工程應(yīng)用及理論認知的基礎(chǔ)上，研究開發(fā)適用于不同極端條件下的空冷凝汽器具有重要意義。鑒于冷卻塔內(nèi)流場結(jié)構(gòu)對換熱過程的關(guān)鍵作用，通過增設(shè)導流結(jié)構(gòu)進行流場優(yōu)化具有可行性，并在燃煤機組濕式冷卻塔底部位置得到廣泛應(yīng)用[24-25]。

綜上所述，筆者擬采用三維流場CFD方法，針對某電廠600 MW機組直接空冷凝器三角腔體開展流場優(yōu)化研究，分析不同環(huán)境風速和溫度對直接空冷單元流動換熱特性的影響；提出采用腔內(nèi)可調(diào)角度調(diào)節(jié)板進行流場優(yōu)化的技術(shù)方案，通過增加三角腔體內(nèi)阻力，減輕低溫下凝汽器翅片管束底部結(jié)凍的現(xiàn)象。

1 直接空冷凝汽器物理模型與計算方法

1.1 物理模型及網(wǎng)格劃分

以頂角呈60°的等腰“∧”型直接空冷凝汽器為研究對象。凝汽器距地面45 m，凝汽器尺寸為11.1 m×11.2 m×13.5 m，其內(nèi)部換熱管束簡化為矩形扁平管，尺寸為11.2 m×10.0 m×0.219 m(圖1(a))。同時，為改善空冷凝汽器內(nèi)部空氣流場，研究凝汽器三角腔內(nèi)加裝“羽翼型”實心板/多孔板對空氣流場的影響，其中單板尺寸為11.1 m×3.0 m。多孔板孔隙率為30%，孔型為方形(圖1(b))。該羽翼裝置的夾角θ可調(diào)，考察θ為60°、120°、180°和240°四種工況。

圖1 計算域結(jié)構(gòu)、多孔板和網(wǎng)格劃分Fig.1 Computing domain structure,porous plate and mesh partitioning

整個計算域尺寸約為凝汽器尺寸的6倍。將風機簡化為平面，翅片管簡化為長方體，略去了凝汽器內(nèi)部支架、凝汽器平臺距地面間的立柱等[18]。凝汽器模擬的設(shè)計工況主要參數(shù)見表1。

表1 凝汽器的主要模擬工況參數(shù)Table 1 Main simulation parameters of condenser

利用ICEM軟件對幾何模型進行組合式結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，單個凝汽器外部計算域的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分如圖1(c)所示。圖2為單個凝汽器熱蒸氣管道及換熱管束的網(wǎng)格劃分，包括無板、夾角60°實心板和夾角60°多孔板3種情形(其他角度類似)。

圖2 三角腔內(nèi)無板、夾角60°實心板和夾角60°多孔板網(wǎng)格Fig.2 Triangular cavity of no plate,solid plate of 60 degree angle and multi-orifice of 60 degree angle

此外，進行單個三角腔內(nèi)流場優(yōu)化研究前，為初步判斷環(huán)境風速對單列直接空冷單元不利位置的影響，沿環(huán)境風方向研究單列排布的凝汽器(8個)運行特性，其物理模型與網(wǎng)格劃分如圖3所示，其中逆向環(huán)境風來流方向的凝汽器編號依次為1～8。

圖3 單列凝汽器計算域及網(wǎng)格Fig.3 Computing domain and grid of single row condenser

1.2 計算方法及邊界

采用標準k-ε湍流模型描述計算域內(nèi)空氣的受迫流動。假設(shè)空氣在計算域中為不可壓定常流動，并忽略空冷凝汽器內(nèi)的輻射換熱，忽略管外污垢熱阻，其控制方程[26]如下：

連續(xù)性方程[27]：

(1)

動量方程[27]：

(2)

能量方程[27]：

(3)

湍動能方程[27]：

(4)

湍動能耗散方程[27]：

(5)

(6)

式中，ρ為空氣密度，kg/m3；u為流體速度，m/s；ueff為有效黏度，Pa·s；p為流體壓力，Pa；Si為動量源項；T為溫度，K；λeff為有效導熱系數(shù)，W/(m·K)；cp為空氣定壓比熱，J/(kg·K)；ST為黏性耗散項；κ為流體湍動能，J；u為流體動力黏度，Pa·s；δk為關(guān)于k的湍流普朗特數(shù)；ε為湍流耗散率，kg/(m·s)；ut為湍流動力黏度，Pa·s；δε為關(guān)于ε的普朗特數(shù)；c1ε、c2ε、cu為模型常量，分別取1.44、1.92、0.09[23]。

對于圖1(c)及圖3的計算域，邊界條件設(shè)置如下：進風面和出風面分別設(shè)為速度入口邊界和自由出口邊界，計算域的底面設(shè)為壁面(凝汽器外圍防護結(jié)構(gòu)也設(shè)置為壁面)。其他面設(shè)為對稱面(圖3)；此外，自然風速設(shè)為冪函數(shù)形式[27]，以用戶自定義函數(shù)形式加載到速度入口邊界：

uv=u10(zv/10)0.2，

(7)

式中，uv為zv高度處平均風速，m/s；u10為10 m處平均風速，m/s；zv為任意高度，m。

冷源邊界條件基于環(huán)境溫度在材料屬性模型和速度入口邊界進行設(shè)置，熱源邊界條件熱蒸氣溫度在散熱器模型進行溫度設(shè)置。

直接空冷凝汽器的換熱管束區(qū)采用多孔介質(zhì)模型與散熱器模型假設(shè)。多孔介質(zhì)模型中動量源項由黏性損失和慣性損失組成，散熱器模型中對流換熱系數(shù)與法向速度關(guān)系表達式[23]為

(8)

(9)

其中，Δp為流體壓降，Pa；l為翅片管束厚度，m；a為滲透率，m2；vi為沿i方向的速度分量，m/s；c2為慣性阻力系數(shù)；v為散熱器法向速度，m/s；h為對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；hn為多項式系數(shù)；n為整數(shù)，可取1,2,3,…,N。基于慣性系數(shù)法得到c2為22.84，1/a為2 661 283，另外2個方向的系數(shù)設(shè)為c2與1/a的500倍。

軸流風機入口處采用風機模型，模型中風機壓升與風機法向速度的關(guān)系為

(10)

其中，Δpf為壓升，Pa；fn為多項式系數(shù)；vf為風機法向速度，m/s。根據(jù)風機性能曲線靜壓與流量的關(guān)系，獲得多項式系數(shù)f1=296.99，f2=-47.388，f3=1.872 6。

1.3 網(wǎng)格無關(guān)性及模型有效性驗證

模型計算時網(wǎng)格數(shù)目過高增加運算的時間成本，網(wǎng)格數(shù)目過低計算結(jié)果精確不足，因此對凝汽器網(wǎng)格密度進行敏感性分析。按網(wǎng)格數(shù)目疏密程度，劃分了37萬、62萬、86萬和172萬個4組凝汽器模型，得到4組模型的換熱量分別為438.6、438.9、439.0 和439.1 m3/s，可知增加網(wǎng)格數(shù)目能提升模型計算精度，但網(wǎng)格數(shù)目增加到172萬，與86萬相比換熱量基本不變，因此，凝汽器選取了86萬網(wǎng)格數(shù)目進行后續(xù)模擬計算。

對模型進行有效性驗證，以空冷凝汽器單元的換熱量和熱負荷作為有效性驗證參數(shù)，將模擬結(jié)果與電廠設(shè)計工況數(shù)據(jù)進行比較(表2)，得到模型相對誤差小于5%，誤差在允許范圍內(nèi)，說明模型具有可靠性。

表2 模型有效性驗證Table 2 Validation of model

2 凝汽器對流換熱性能分析

直接空冷凝汽器性能受環(huán)境因素影響較大，確定環(huán)境因素對凝汽器換熱管束外表面溫度、空氣質(zhì)量流率和換熱量的影響規(guī)律，調(diào)節(jié)凝汽器三角腔體內(nèi)“羽翼板”角度，優(yōu)化不利工況下凝汽器換熱不均，對實際工程具有重要意義。

2.1 環(huán)境風速對凝汽器換熱性能影響

研究單列(由8個空冷凝汽器單元組成)空冷凝汽器換熱特性。環(huán)境溫度20 ℃時，模擬不同環(huán)境風速(3、6和9 m/s)的影響。各空冷單元在不同環(huán)境風速下的空氣質(zhì)量流率如圖4所示。環(huán)境風速從3 m/s增至9 m/s時，單列空冷凝汽器總平均空氣流量從4 040 kg/s降至3 450 kg/s；空氣進口方向第1個位置的空冷凝汽器平均空氣流量受環(huán)境風速影響最大(即降幅最大)：環(huán)境風速為3 m/s時，迎風單元的平均空氣流量下降約100 kg/s，增至9 m/s時，降幅達到234 kg/s。不同環(huán)境風速下單列凝汽器計算域內(nèi)的溫度云圖如圖5所示。可見風速從3 m/s增至9 m/s時，凝汽器頂部排出的熱空氣羽流發(fā)生更嚴重的傾斜現(xiàn)象，說明風速增加，破壞原有無風/低風速時的蒸騰現(xiàn)象，惡化凝汽器換熱性能。

圖4 不同風速下單列凝汽器各單元平均空氣流量Fig.4 Mean air flow of each cell of single row condenser at different wind speeds

圖5 單列凝汽器溫度云圖Fig.5 Temperature field distribution of single row condenser

以單個空冷凝汽器單元為研究對象，比較三角腔體內(nèi)無板、加裝60°實心板和加裝60°多孔板3種布置形式下(圖2)，凝汽器換熱性能隨環(huán)境風速的變化。空冷凝汽器單元的換熱量隨雷諾數(shù)Re的變化如圖6所示，其中定義換熱量變化率Q為

(11)

式中，Qi為凝汽器加裝實心板或多孔板的換熱量，MW；Q0為凝汽器未加裝板的換熱量，MW。

由圖6可知，在所計算工況下Q>0，表明在三角腔體內(nèi)加裝實心板或多孔板對空冷凝汽器換熱性能有所改善。同時，隨Re增加，凝汽器加裝實心板或多孔板布置的換熱量均下降。環(huán)境風速4 m/s下凝汽器三角腔體內(nèi)無板、加裝實心板和加裝多孔板的速度流線云圖如圖7所示。由圖7可知，三角腔體內(nèi)無板的凝汽器在腔體底部有明顯渦旋，不利于凝汽器換熱；而加裝實心板、多孔板的凝汽器三角腔體內(nèi)空氣繞流現(xiàn)象明顯較少，但與加裝多孔板的凝汽器流場均勻換熱相比，加裝實心板的凝汽器在多孔板的上方仍有小范圍空氣擾動，空氣流動速度較慢，局部換熱較弱，因此，多孔板在3種布置形式的整流效果、換熱等方面性能更優(yōu)。

圖6 加裝導板的空冷凝汽器單元換熱量Fig.6 Heat exchange capacity of air condenser unit with guide plate

圖7 空冷凝汽器單元速度流線云圖Fig.7 Velocity field distribution of single row condenser

2.2 環(huán)境溫度對凝汽器換熱性能影響

環(huán)境風速3m/s、環(huán)境溫度-20～40 ℃時，對比了三角腔體內(nèi)無板、加裝實心板和加裝多孔板(夾角θ=60°)3種布置形式下，凝汽器換熱管束外表面溫度和平均空氣流量的變化，具體如圖8所示。可知隨環(huán)境溫度升高，3種布置形式的整體變化趨勢基本一致，即凝汽器換熱管束外表面溫度升高，且環(huán)境溫度每提高10 ℃，空冷凝汽器單元的換熱管束外表面溫度平均上升約1.42%，而空氣質(zhì)量流率稍有下降。此外，實心板的凝汽器換熱管束外表面溫度最高、空氣質(zhì)量流率最低；多孔板的凝汽器換熱管束外表面溫度最低、空氣質(zhì)量流率最高。說明環(huán)境溫度對空冷凝汽器單元出口空氣溫度的影響較顯著。

圖8 凝汽器外表面溫度和空氣質(zhì)量流率隨環(huán)境溫度的變化Fig.8 Change of condenser surface temperature and air mass flow rate with ambient temperature

環(huán)境溫度在-20～0 ℃時，三角腔體內(nèi)無板、加裝實心板和多孔板的凝汽器換熱管束外表面溫度云圖如圖9所示。可知隨環(huán)境溫度升高，凝汽器換熱管束外表面平均溫度從306 K增加到312 K。在相同環(huán)境溫度(-20 ℃)下，加裝實心板凝汽器換熱管束外表面最高溫度區(qū)域面積最大，而加裝多孔板凝汽器換熱管束外表面最高溫度區(qū)域面積最小。說明低溫環(huán)境相同邊界條件下，較其他2種布置形式，加裝多孔板凝汽器仍有更大的換熱潛力，有利于惡劣環(huán)境溫度下提升凝汽器流場換熱性能。

圖9 凝汽器表面溫度云圖Fig.9 Temperature field distribution of condenser surface

2.3 腔內(nèi)板間夾角對凝汽器換熱性能影響

目前電廠針對冬季空冷凝汽器換熱管束底部易凍結(jié)的現(xiàn)象，常降低風機轉(zhuǎn)速，以降低對流換熱量，增加真空吸力。通過調(diào)節(jié)實心板間夾角，研究低溫環(huán)境對凝汽器換熱及機組性能的影響。

凝汽器三角腔體加裝不同夾角(60°、120°、180°和240°)實心板時，腔體內(nèi)靜壓隨環(huán)境溫度(-20～20 ℃)變化情況如圖10所示。可知相同夾角時，隨環(huán)境溫度從-20 ℃升至20 ℃，三角腔體內(nèi)靜壓平均下降25 Pa左右；在相同環(huán)境溫度下，實心板間夾角從60°展開至240°，三角腔體內(nèi)靜壓平均增加約153 Pa。說明低溫環(huán)境下，通過在凝汽器三角腔體內(nèi)加裝實心板，并調(diào)節(jié)板間夾角至240°，可增加腔體內(nèi)靜壓，減緩空氣流動速度，降低凝汽器對流換熱，有效緩解冬季凝汽器翅片管束底部凍結(jié)現(xiàn)象。

圖10 三角腔體內(nèi)實心板不同夾角的靜壓隨環(huán)境溫度變化Fig.10 Change of static pressure at different angles of solid plate in triangular cavity with ambient temperature

環(huán)境溫度-20 ℃下，凝汽器三角腔體內(nèi)實心板間夾角不同(60°、120°、180°和240°)時的溫度云圖如圖11所示。可知實心板間夾角60°時高溫區(qū)域面積最小，空氣換熱更好，促進凝汽器翅片管束對流換熱；實心板間夾角240°時高溫區(qū)域面積最大，空氣換熱較差，減弱凝汽器翅片管束對流換熱。因此，通過調(diào)節(jié)凝汽器三角腔體內(nèi)實心板間夾角θ，在低溫環(huán)境可有效降低凝汽器翅片管束間對流換熱，對電廠冬季工程運行中換熱管束防凍具有一定意義。

圖11 三角腔體內(nèi)實心板不同夾角的溫度云圖Fig.11 Temperature field distribution of solid plate at different angles in triangular cavity

3 結(jié) 論

1)環(huán)境風速從3 m/s增加到9 m/s，單列空冷凝汽器(8個單元組成)的總空氣流量下降約590 kg/s；與同列其他凝汽器單元相比，空氣進口方向第1個位置的空冷凝汽器平均空氣流量受環(huán)境風速影響最大(即降幅最大)。

2)環(huán)境風速在2～10 m/s，加裝實心板、多孔板的空冷凝汽器單元相較普通空冷凝汽器單元具有更高換熱量，這主要是實心板或多孔板對腔體內(nèi)流動渦旋的整流作用所導致。

3)環(huán)境溫度每升高10 ℃，3種形式的凝汽器換熱管束外表面平均溫度均有提升；但相同溫度下，加裝實心板的凝汽器外表面溫度最高，加裝多孔板的凝汽器外表面溫度最低。

4)環(huán)境風速較高、環(huán)境溫度較低，通過調(diào)整實心板夾角至較大(240°)，可增大三角腔體內(nèi)靜壓和空氣阻力，降低空氣流速和凝汽器對流換熱量，緩解不利環(huán)境因素引起的凝汽器翅片管束底部凍結(jié)現(xiàn)象。