火電機組直接空冷島頂部防凍百葉窗仿真計算

師進文,王子豪,李高潮,鄒洋,趙強強,薛楊波,鄒琳,王躍社

(1. 西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室,710049,西安;2. 西安熱工研究院有限公司節能減排技術中心,710054,西安)

我國北方地區富煤缺水,直接空冷島(以下簡稱空冷島)因其水資源依賴性低與換熱性能良好的優勢在我國北方火電機組中得到了廣泛應用。但是,由于北方冬季易出現嚴寒、大風等極端天氣,空冷島極易因過度散熱而出現散熱管束的凍結開裂,進而影響機組的安全運行。所以,對空冷島的冬季防凍運行開展研究是非常必要的。

近年來,許多學者對空冷島開展了廣泛而深入的研究。針對環境側風影響:李景明等[1]分析了環境風對空冷島周圍熱環境的作用;何緯峰等[2-3]與孔新博[4]研究了環境風對空冷島換熱性能及背壓的影響;馮鵬遠[5]研究了環境側風對空冷島風機群空氣流量的影響。針對空冷島內外流場:梁濤等[6]與鄭春波[7]研究了環境風對空冷島內部流動傳熱特性的影響;趙晉輝[8]與晉若男[9]對空冷島的流動傳熱性能開展了優化工作。針對空冷島防凍運行:陳鵬等[10]與Deng等[11]利用數值模擬方法對空冷島開展了凍結風險與防凍策略的研究;陳磊等[12]基于模擬結果提出了一種高效的防凍控制邏輯;Feng等[13]通過尋找最佳背壓來增強空冷島的防凍能力。針對空冷島凍結機理:馬富中[14]與折子平[15]結合空冷島實際運行資料,對空冷島的凍結原因進行了詳細分析;Zhao等[16]分析了多種參數對散熱管束內壁溫度的影響,并給出了相應的優化建議。針對散熱管束凍結特性:周曉慧等[17]與王豐力[18]主要對散熱管束的防凍特性進行了實驗研究;王偉佳等[19]與戴靜[20]主要通過建立散熱管束局部模型來分析其在低溫時的傳熱特性。

綜上所述可知,空冷島出現散熱管束凍結開裂事故的主要原因是冬季環境氣溫過低,此時空冷島散熱管束的外側壁溫較低,當散熱管束內存在不凝氣體或空冷島整體蒸汽量較低時會出現管內結霜現象[21],并逐漸發展成凍結事故。另外,北方冬季同時易出現大風天氣,此時環境側風撞擊在空冷島的擋風墻上并從上下兩側繞流,經由空冷島風機入口及空冷島上方直接沖擊在散熱管束上,進而導致空冷島散熱管束散熱量驟增,凝結水在管內過度散熱而凍結。針對上述空冷島的凍結原因,有學者提出了相應的防凍運行策略與防凍裝置。范志愿[22]利用直接空冷系統的防凍數學模型分析了迎面風速、環境溫度等條件對空冷島的影響,并對空冷島內的管路進行了重新設計,利用羅茨真空泵等設備降低了空冷島真空泄露的風險。楊宏斌等[23]提出了一種應用于空冷島底部軸流風機入口處的自動封堵裝置,通過控制風機入口處的空氣流量來減少空冷單元的換熱量,進而降低空冷島發生凍結事故的風險。趙亮[24]通過在風機入口上方設置可拆卸擋板、調節真空閥開度、控制不同空冷單元蒸汽流量等方法,提升了空冷島的防凍能力。

然而,在嚴寒與大風天氣同時出現時,即使應用了風機入口封堵等措施,空冷島依然會出現散熱管束凍結的情況,此時就需要人工在空冷單元散熱管束外側覆蓋保溫毯,以進一步增強空冷單元的密封性。然而,覆蓋保溫毯較為耗時,且靈活性較差,一旦氣溫回升或風速降低,就需要及時撤下保溫毯,否則機組背壓會因散熱不良而升高。

針對空冷島嚴寒大風天氣難以進行防凍工作這一問題,本文提出了一種安裝在空冷島頂部蒸汽分配管之間的防凍百葉窗裝置,該裝置可通過控制百葉窗的開度來靈活調節經由空冷島上方進入空冷單元的空氣流量。在冬季時關閉百葉窗可起到與覆蓋保溫毯相似的防凍效果;在夏季打開百葉窗時的空氣阻力較小,不會影響空冷島的峰值性能。由此,可以實現在嚴寒大風條件下更加靈活可靠地進行防凍運行工作。

1 幾何建模與網格劃分

本文研究對象為國內某采用直接空氣冷卻的660 MW超臨界空冷電廠,共有4臺機組,每臺機空冷島配置56個空冷單元,4臺機空冷島一字排列。空冷島空冷單元底部距地面高度為50 m,空冷島頂部距地面高度為63.05 m。單機空冷島設計蒸汽流量為682.5 kg/s,設計空氣流量為71 257.6 m3/s。選取處于冬季主導風向上風口的空冷島進行研究,另一座空冷島處于下風口,基本不會對選取的空冷島產生影響,故本文僅對位于上風口的空冷島進行建模與仿真分析。

1.1 空冷島及防凍裝置的幾何建模

根據從電廠收集的相關資料,首先建立了空冷島的整體幾何模型,如圖1所示。模型包含了蒸汽分配管、空冷散熱單元、擋風墻、鋼桁架結構、混凝土支柱等空冷島的主要結構,同時將與空冷島相鄰的主廠房也添加到了模型中,來模擬主廠房對空冷島流動換熱特性的影響。

圖1 空冷島幾何模型Fig.1 Geometric model of air-cooling island

圖2為防凍百葉窗的安裝示意,其安裝在空冷島頂部的蒸汽分配管之間,在關閉時可通過阻擋頂部空氣倒流進入空冷島,進而在冬季起到防凍的作用。

圖2 安裝防凍百葉窗后的空冷島局部幾何模型Fig.2 Local geometric model of air-cooling island after installing anti-freezing shutters

1.2 計算域及網格劃分

空冷島的整體計算域及局部計算域如圖3、圖4所示。空冷島整體計算域用于研究防凍百葉窗在冬季工況下的防凍效果,計算域尺寸為1.0 km×1.0 km×0.6 km。空冷島周圍留出一定范圍的空曠區域,用于減少湍流脈動以及壓力出口附近壓力波反彈對計算收斂性與精確性的負面影響。電廠廠址地區冬季的主導風向為東風,故空冷島整體計算的風向選取為東風。

圖3 空冷島整體計算域示意Fig.3 Schematic diagram of overall computing domain

圖4 空冷島局部計算域示意Fig.4 Schematic diagram of local computing domain

空冷島局部計算域用于研究常規工況下百葉窗全開時是否會影響空冷島的散熱能力,計算域尺寸為11 m×12 m×73 m。該模型截取了百葉窗兩側各一半的空冷單元,并將空冷單元截面及其兩側的面設置為對稱邊界,來模擬周圍空冷單元對模型中空冷單元的影響。

上述計算域使用Fluent軟件中的meshing模式來進行網格劃分,并采用多面體網格(polyhedral mesh)作為計算域的基本離散單元。相比于四面體網格,多面體網格具有網格質量高、網格數目少的優點,并且其對復雜幾何體的適應性較好。表1與表2為空冷島整體與局部計算域的網格無關性驗證結果,驗證計算的邊界條件選取為電廠空冷島設計工況,即汽輪機最大連續出力工況(TMCR工況)。可以看出:當網格數目大于等于800萬時,空冷島整體換熱量的波動穩定在1%以內;在網格數目大于等于120萬時,空冷單元局部換熱量的波動穩定在0.1%以內。所以,空冷島整體與局部計算域的網格數目分別確定為800萬、120萬。

表1 整體計算域網格無關性驗證

表2 局部計算域網格無關性驗證

2 仿真計算方法

2.1 控制方程

質量守恒方程為

(1)

動量方程為

(2)

能量方程為

(3)

式中:ρ為空氣密度,kg/m3;t為時間,s;vx、vy、vz為速度分量,m/s;v為速度矢量,m/s;η為空氣動力黏度,Pa·s;T為空氣溫度,K;λ為空氣導熱系數,W/(m·K);cp為空氣比定壓熱容,J/(kg·K);Sm為質量源項;Svx、Svy、Svz為動量源項;ST為能量源項。

2.2 數值算法

針對上述微分形式的控制方程,采用二階迎風格式進行離散化處理。在仿真計算的過程中,采用Fluent提供的Coupled算法來求解離散的控制方程。該算法將動量方程與基于壓力的連續性方程組成耦合方程組,然后同時求解兩個方程。相較于傳統的分離求解算法,該算法能夠大幅提升仿真計算解的收斂速度與穩定性[25],不過由于需要求解動量-連續性方程的耦合方程組,Coupled算法需要額外占用約50%～100%的內存空間。

2.3 邊界條件處理

為了模擬實際情況中環境側風的特征,對空冷島整體模型的入口邊界應用風速廓線函數,將模型入口的空氣流速定義為隨豎直高度變化的函數,來模擬環境側風沿豎直方向的速度分布,公式為

(4)

式中:u為高度z處的風速,m/s;u10為10 m高度處的風速,m/s;z為距離地面的高度,m;n為風速廓線指數(取值為0.16[26])。

對于空冷島空冷單元內的散熱管束,使用Fluent軟件中的換熱器邊界(Radiator)來模擬。該邊界可通過定義阻力系數、傳熱系數與傳熱溫度來模擬實際散熱管束的幾何特征與傳熱特性。模型中阻力系數kLoss和傳熱系數h的公式為

(5)

(6)

3 結果與討論

3.1 模型驗證

表3為TMCR工況下模型計算值與設計值的對比。可以看出,整體模型誤差為0.4%,局部模型誤差為1.81%,兩種模型具有較好的計算精確度。

表3 TMCR工況計算結果驗證

3.2 空冷島頂部百葉窗防凍性能分析

由電廠廠址所在地區的氣象資料可知,電廠冬季環境氣溫最低值在-20 ℃左右,冬季主導風向為東風,且環境風速最大值約為20 m/s。同時,電廠在冬季大風條件下會封堵風機入口,以緩解散熱管束凍結。根據空冷島的實際運行狀態,本文中冬季工況計算的邊界條件如表4所示,除去冬季的環境條件,默認空冷島風機入口為封閉狀態,以分析頂部百葉窗與封堵風機入口措施聯動時的防凍效果。

表4 防凍性能計算邊界條件

百葉窗全開和全關情況下空冷島的總換熱量分別為658.9和311.6 MW。百葉窗全關后,空冷島的總換熱量下降了52.7%,表明空冷島頂部百葉窗具有顯著的防凍作用。

百葉窗不同狀態下的空冷島流線與速度云圖如圖圖5所示。可以看出,當百葉窗全開時,大風條件下環境側風會從空冷島上方倒流沖擊在空冷單元上,并形成強烈的渦流,不斷將散熱管束的熱量向外界環境傳遞。當關閉空冷島頂部百葉窗時,空冷島各空冷單元內部的空氣流速顯著降低,空冷單元內外的渦流也受到抑制,計算結果表明空冷島頂部百葉窗可顯著削弱環境側風對空冷單元的沖擊,進而起到防止散熱管束凍結的作用。圖6為空冷島的溫度云圖。可以看出,在關閉空冷島頂部百葉窗之后,空冷島各空冷單元內部的空氣溫度顯著升高,升高幅度約為5 ℃。計算結果表明,頂部百葉窗可通過提升空冷單元內部的空氣溫度,降低傳熱溫差,進而減少空冷單元散熱管束的散熱量,起到保溫防凍的作用。

(a)百葉窗全開

(b)百葉窗全關

(a)百葉窗全開

(b)百葉窗全關

3.3 空冷島頂部百葉窗常規工況影響分析

表5為空冷島常規工況計算的邊界條件,此時無環境風,且空冷單元底部的軸流風機全部工頻運行。

表5 常規工況計算邊界條件

未安裝百葉窗與百葉窗全開時,空氣流量分別為549.55、537.33 kg/s,換熱量分別為11.82、11.67 MW。可以看出,與未安裝百葉窗相比,百葉窗全開時空冷單元的空氣流量和換熱量損失非常小,空氣流量損失約為2.2%,換熱量損失在1.2%左右。計算結果表明空冷島頂部百葉窗在全開時基本不會對空冷島的換熱性能產生顯著影響,在環境氣溫較高的季節無需拆除百葉窗,只需要將百葉窗全部打開即可。

空冷單元的流場及速度云圖如圖7所示。可以看出,在空冷島頂部安裝百葉窗并全部開啟之后,空冷單元內外的流場與速度場基本沒有變化,證明百葉窗全開時對空冷單元的影響基本可以忽略不計。

圖8為空冷單元附近的溫度云圖。可以看出,在增設開啟狀態的百葉窗之后,空冷單元內外的空氣溫度變化不大,僅在百葉窗附近的溫度場有輕微差異,空冷單元內部的空氣溫度基本未受影響。由此進一步證明了開啟空冷島頂部百葉窗不會對空冷島的換熱性能產生明顯的影響。

(a)未安裝百葉窗

(b)百葉窗全開

(a)未安裝百葉窗

(b)百葉窗全開

4 結 論

(1)空冷島頂部安裝百葉窗對冬季防凍具有明顯的改善作用。在環境風速20 m/s、環境氣溫-20 ℃時,關閉全部的頂部百葉窗可以使空冷島的總散熱量降低52.7%,防凍效果明顯。

(2)在常規運行工況下,空冷島頂部百葉窗全開時百葉窗對空冷島的換熱性能影響基本可以忽略不計;在無環境風、環境氣溫15 ℃時,全開的百葉窗僅會對空冷島造成1.2%～2.2%的性能損失。

(3)在冬季大風條件下,僅封閉風機入口不足以使空冷島完全擺脫凍結的風險,外界冷空氣仍可從空冷島上方倒流進入空冷單元;應用頂部防凍百葉窗并將其全部關閉時,空冷島內部的空氣流速顯著降低、渦流強度明顯減小,空冷島頂部百葉窗可以有效阻止外界冷空氣從頂部進入空冷島內部,改善空冷島過度散熱問題。

(4)空冷島頂部百葉窗關閉時可阻隔外界空氣,全開時豎直方向空氣阻力極小,在冬季可增強空冷島防凍能力,在夏季又基本不會削弱空冷島的散熱性能,是一種靈活有效的空冷島防凍措施。