馮 祥，安恩科，張瀏駿

(同濟大學 機械與能源工程學院，上海 201804)

0 引言

隨著世界范圍內水資源的日益匱乏以及環(huán)境問題的日益突出，傳統(tǒng)濕冷火電機組面臨嚴峻考驗［1］。我國的北方地區(qū)“富煤缺水”，煤炭資源轉化為電能困難。由于空冷機組比常規(guī)濕冷機組節(jié)約65%以上的耗水，因而近年來被廣泛應用于國內外的大型火電建設中。在空冷系統(tǒng)中，汽輪機排出的乏汽由空冷凝汽器進行冷凝，空氣作為冷卻介質，通過軸流風機鼓風冷卻，環(huán)境風場的變化會顯著影響到直接空冷系統(tǒng)的運行特性［2］。

關于空冷系統(tǒng)受環(huán)境風影響問題，國外已經(jīng)開展了一些研究工作，最早研究氣候條件對直接空冷系統(tǒng)影響的是Martin P.van Staden［3］，他采用數(shù)值方法模擬了環(huán)境風對Matimba電站直接空冷系統(tǒng)的影響，并得到了空冷系統(tǒng)周圍的速度場和溫度場。北京大學的顧志福等人對某電廠直接空冷系統(tǒng)進行了風洞模擬實驗，通過試驗給出了不同風速和風向對空冷系統(tǒng)總回流率的影響規(guī)律［4～6］。結果表明，空冷系統(tǒng)的總回流率對風速和風向頗為敏感，并且來流沿正對主廠房附近的方向吹過空冷平臺時總回流率較大。趙文升等對直接空冷系統(tǒng)中的熱風回流現(xiàn)象進行了數(shù)值模擬研究，分析了熱風回流產生的原因以及對空冷機組產生的影響［7］。杜小澤等對空冷島在不同環(huán)境風條件下的流動傳熱特性進行了數(shù)值模擬，結果表明爐后來風為最不利風向，熱風回流最為嚴重［8］。本文在前人研究的基礎上，結合某2×300 MW空冷機組空冷島和其他建筑的平面布局，重點研究了不同爐后風速下空冷系統(tǒng)的換熱特性，可為空冷系統(tǒng)的優(yōu)化運行提供理論參考。

1 空冷島物理模型及網(wǎng)格劃分

2×300 MW直接空冷機組空冷島和主要建筑物如鍋爐房、汽機房等的平面布局如圖1(a)所示，直接空冷島由5(行)×12(列)共60個直接空冷單元組成，安裝在35 m高的平臺上，尺寸為138.3 m ×57.2 m×12.6 m，擋風墻高度為12.6 m，由于需要考慮環(huán)境因素的影響，尤其是風速、風向等對空冷島冷卻空氣流場、溫度場的影響，因此該物理模型需要把比空冷島等主要建筑物更大的區(qū)域作為數(shù)值模擬的對象，在對空冷島和其他建筑物進行合理簡化處理前提下，整個數(shù)值模擬的計算區(qū)域如圖1(b)所示。為保證計算精度，盡量減小計算區(qū)域，設定整個計算區(qū)域尺寸長、寬、高分別為600 m、500 m、300 m。由于支撐柱占空冷島下方區(qū)域較小空間，忽略其對流場產生的影響。

圖1 直接空冷電站空冷島及主廠房示意圖和數(shù)值模擬計算域示意圖

本文采取分塊劃分網(wǎng)格方法，將計算區(qū)域分為多個子區(qū)域，空冷島區(qū)域采用非結構化網(wǎng)格劃分，其余計算區(qū)域采用結構化網(wǎng)格，保證計算精度的同時也減小了計算量。當網(wǎng)格數(shù)量達到180 W后，數(shù)值計算網(wǎng)格數(shù)量已達網(wǎng)格無關性要求，最后計算的網(wǎng)格單元數(shù)取定為300 W。

2 空冷島數(shù)學模型

空冷系統(tǒng)換熱特性數(shù)值模擬的是一個復雜流動換熱過程，采用SIMPLE算法，選取標準k－ε湍流模型，控制方程包含:連續(xù)性方程、能量方程、動量方程、湍動能方程、湍動能耗散方程。采用多孔介質模型處理空氣和翅片管束之間的換熱過程，多孔介質模型將流經(jīng)模型空間的流動阻力看作動量控制方程的源項，包括粘性損失項和慣性損失項，根據(jù)已知參數(shù)計算出粘性、慣性阻力系數(shù)以及孔隙率。

計算區(qū)域迎風面設置為速度入口邊界條件，選用指數(shù)風速廓線分布規(guī)律，由于一般氣象站都會觀測10 m高度位置的風速，因此迎風面上的速度分布由下式確定

式中 u10——表示距離地面10 m高處的風速;

z——所求位置高度。

冪指數(shù)a為地面粗糙度和氣溫層穩(wěn)定度的函數(shù)，在本模擬中取為0.2，此邊界條件利用UDF編程加載。在迎風面相對的面上，取為出流邊界條件，計算區(qū)域其他面取為對稱邊界條件，地面設置為定壁溫邊界條件。汽機房、鍋爐房壁面根據(jù)熱負荷給定等熱流邊界條件?？绽鋶u區(qū)域底面設置為風機條件，靜壓根據(jù)風機性能曲線設定。通過風機的靜壓變化Δp可表示為風機軸向流速的多項式函數(shù)

式中 fn——多項式系數(shù);

υ——風機平面法向的當?shù)亓黧w速度。

根據(jù)風機特性曲線擬合得到的靜壓變化Δp與風機軸向流速υ間的關系:

3 評價標準

熱風回流現(xiàn)象是指空冷凝汽器排出的熱空氣又重新返回到風機吸入口而導致直接空冷凝器入口空氣溫度升高的現(xiàn)象，通常用熱風回流率加以描述。熱風回流率可用如下公式表示［9］

式中 Ti——風機入口處平均溫度/℃;

T0——環(huán)境溫度/℃，(本文中環(huán)境溫度T0= 34℃);

T——空冷凝汽器出口溫度/℃。

可以看出，當凝汽器沒有任何熱空氣回流時，凝汽器入口處空氣溫度Ti等于環(huán)境溫度T0，此時回流率為0，空冷凝汽器換熱效果最佳;當凝汽器入口空氣溫度Ti等于空冷凝汽器出口溫度T時，表明凝汽器加熱過的熱空氣完全回到了風機入口處，此時空冷凝汽器已無換熱能力，熱風回流率為1。

4 計算結果與分析

本文模擬了爐后風速分別取0 m/s、2 m/s、4 m/ s、6m/s、8 m/s、10 m/s、12 m/s、14 m/s八個工況下空冷島系統(tǒng)的換熱特性。

爐后風速與空冷島空氣流量的關系如圖2所示，可以看出，隨著爐后風速的增加，整個空冷島的空氣流量不斷減小。這是因為爐后風來流受鍋爐房和汽機房等建筑物遮擋，來流經(jīng)擋風墻的作用，沖向空冷島平臺下方，在風機入口形成漩渦，影響了風機的正常工作，導致風機入口進風量減小，且這種影響隨著風速的增大而愈加明顯。圖3為風速為8 m/s時，直接空冷島的各空冷單元風機空氣流量分布，可以看出，空冷島兩端區(qū)域空冷單元風機的空氣流量受爐后風影響最為明顯，中間區(qū)域受到的影響則較小，空冷島風場上游區(qū)域空冷單元空氣流量明顯減小，且分布不均勻，風場下游區(qū)域流量分布則較為均勻。

圖2 爐后風速與空冷島空氣流量的關系

圖3 8 m/s時空冷島各單元風機空氣流量

爐后風速與空冷島熱風回流率的關系如圖4所示，可以看出，隨著爐后風速的增加，空冷島的熱風回流率先不斷增大，主要原因是風速的增加使空冷島熱空氣向上的擴散受到限制而向下回流，熱風回流率也隨之增加，風速為10 m/s左右時，熱風回流率達到峰值，此后隨著風速的增加，熱風回流率隨之減小。這是因為更高的風速擁有更高的動壓，可以把空冷島出口的熱空氣沿風向方向帶走，而不會被軸流風機重新吸回空冷島的進口進行換熱。圖5為8 m/s時空冷島各單元的熱風回流率分布情況，可以看出爐后風影響下，靠近汽機房的空冷島風場上游區(qū)域熱風回流率較高，換熱性能較差;而遠離汽機房的空冷島風場下游區(qū)域熱風回流率相對較低，換熱性能良好。

圖4 爐后風速與空冷島熱風回流率的關系

圖5 8 m/s時空冷島各單元的熱風回流率

爐后風速與空冷島換熱量的關系如圖6所示，可以看出隨著爐后風速的增加，空冷島的換熱量先不斷減小，這是由于風速增加導致空氣流量減小和熱風回流率增加，當風速約為10 m/s時，換熱量達到最小。在10 m/s之后，換熱量又隨著風速的增加而增加，這是因為在更高爐后風速下，隨著風速的增加，風機空氣流量雖然仍在不斷減小，但熱風回流率卻也隨之降低，且熱風回流率對換熱量的影響比風機空氣流量大。

圖6 爐后風速與空冷島空氣換熱量的關系

5 結論

本文對某2×300 MW直接空冷電站空冷系統(tǒng)流動換熱特性進行了數(shù)值模擬，針對不同爐后風速，對空冷島的入口空氣流量、熱風回流率以及換熱量進行了計算分析。計算表明:空冷島入口空氣流量隨著爐后風速增加而不斷減小;空冷島兩端空冷單元受爐后風影響，空氣流量減小最為明顯，風場上游空冷單元入口空氣流量減小也較為明顯，風場下游空冷單元所受影響相對較小;隨著爐后風速增加，熱風回流率先增加而后減小，且在爐后風影響下，空冷島各單元熱風回流現(xiàn)象表現(xiàn)出明顯的區(qū)域特性，風場上游區(qū)域熱風回流率高，而風場下游區(qū)域熱風回流率則相對較低;空冷島換熱量受空氣流量和熱風回流率的綜合影響，表現(xiàn)為隨著爐后風速的增加，換熱量先減小而后增加。

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［9］劉達.環(huán)境風對直接空冷凝汽器換熱影響的研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學，2011.