周蘭欣，王曉斐，王喆，吳瑞康

(電站設備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點實驗室(華北電力大學)，河北省保定市 071003)

空冷島加裝擋風墻的數(shù)值模擬

周蘭欣，王曉斐，王喆，吳瑞康

(電站設備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點實驗室(華北電力大學)，河北省保定市 071003)

在大風情況下，空冷凝汽器換熱效率由于熱風回流和“倒灌”現(xiàn)象的共同作用而降低。為了改善環(huán)境風對空冷凝汽器的影響，提出了在空冷島背風側(主導風向下)加裝擋風墻的方案。以某600 MW直接空冷機組為例，利用計算流體動力學(computational fluid dynamics，CFD)軟件對空冷島外部流場進行數(shù)值模擬，分析主導風向、主導風向相反風向情況下，不同風速時擋風墻對空冷凝汽器換熱效率的影響。結果表明：在主導風向下，加裝擋風墻使空冷單元空氣流量大幅度增加，空冷凝汽器換熱效率提高；在主導風向相反風向下，加裝擋風墻造成空冷島背風側出現(xiàn)熱風回流，空冷凝汽器換熱效率降低，在背風側水平擋板邊緣處豎直加裝一定高度的擋風墻可以改善熱風回流現(xiàn)象。

空冷島；熱風回流；倒灌；擋風墻；數(shù)值模擬

0 引 言

直接空冷機組的排汽由空氣直接冷凝，不需要水作為中間冷卻介質(zhì)，節(jié)水效果明顯，所以很多水資源匱乏的國家和地區(qū)都在大力發(fā)展直接空冷技術。但是，直接空冷機組的空冷凝汽器直接布置在露天環(huán)境中，所以其換熱效率受環(huán)境風影響很大，特別是在夏季大風情況下，空冷凝汽器換熱效率急劇下降[1-3]。文獻[4-5]分析了空冷島上擋風墻和空冷平臺高度與空冷凝汽器的關系；文獻[6]研究了擋風墻形狀對直接空冷風機群流體動力學特性的影響；文獻[7-8]分析了防風網(wǎng)對空冷凝汽器換熱效果的影響；文獻[9-10]分析了在不同位置，加裝不同高度、不同曲率擋風墻對空冷凝汽器平均換熱效率的影響；文獻[11]分析了加裝導流板對空冷單元空氣流場和溫度場的影響；文獻[12]研究了直接空冷凝汽器中，單排扁平管外側的流動和換熱隨凝汽器進口風速和氣溫的變化規(guī)律。

為了減小夏季大風情況下熱風回流和“倒灌”現(xiàn)象對空冷凝汽器換熱效率的影響，本文提出在空冷島背風側(主導風向下)加裝擋風墻方案。以某600 MW機組為例，分別模擬主導風向、主導風向相反風向這2種情況下，環(huán)境風速變化時，擋風墻對空冷島外部流場、溫度場和空冷凝汽器換熱效率的影響，為空冷機組的優(yōu)化設計和運行提供理論參考依據(jù)。

1 物理模型及計算方法

1.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

根據(jù)某600 MW直接空冷機組的幾何模型和物理特點，利用Gambit軟件生成相應的幾何模型和計算網(wǎng)格。模型計算區(qū)域(長×寬×高)為500 m×500 m×300 m，其中整個空冷島由8×7個空冷單元組成?？绽淦脚_高45 m，總寬80 m，總長70 m，上擋風墻高10 m，鍋爐房尺寸(長×寬×高)為60 m×35 m×90 m，汽機房尺寸(長×寬×高)為60 m×35 m×35 m。在主導風向下，空冷平臺背風側緊挨空冷平臺下沿豎直向下加裝無開孔的實心擋風墻至地面，迎風面緊挨空冷平臺下沿水平加裝水平擋板，幾何模型如圖1所示(定義x軸負方向為0°，y軸正方向為90°，主導風向為45°)。

圖1 幾何模型

在進行網(wǎng)格劃分時，為減少網(wǎng)格數(shù)量并且提高網(wǎng)格質(zhì)量，對整個計算區(qū)域采用分塊劃分法，盡可能多地采用結構化網(wǎng)格，并對局部關鍵區(qū)域進行加密細化。最后經(jīng)過網(wǎng)格無關性驗證，得到網(wǎng)格數(shù)約為220萬個。

1.2 數(shù)值計算方法

本模型考慮重力的作用，在豎直方向(z方向)設置重力加速度，環(huán)境壓力為97.4 kPa，溫度為33 ℃。

1.2.1 邊界條件的設置

計算域的進風側設置為速度入口，采用大氣邊界層函數(shù)即迪肯(Deaccon)的冪定律：

vi=v0(zi/z0)a

(1)

式中：z0為氣流達到均勻流時的高度；v0為z0處來流平均風速；zi為任意高度值；vi為zi高度處的平均風速；α為地面粗糙系數(shù)，地面的粗糙度越大，α的值也就越大，本文取z0=10和α=0.2[8]。

風機進口設置為風扇邊界條件；空冷凝汽器設置為多孔介質(zhì)模型，將流經(jīng)物理模型空間的流動阻力看作是動量控制方程的附加動量源，空冷凝汽器的換熱情況可以利用Fluent軟件中自帶的熱交換模塊進行計算[10,13-15]；下部設置為墻壁邊界條件，其余均設置為出口邊界條件；空冷凝汽器的擋風墻以及柱子均設置為墻壁邊界條件。

1.2.2 湍流模型及主控方程

由于環(huán)境風速遠小于當?shù)芈曀俚?/3，所以空冷平臺周圍的大氣運動可以認為是不可壓縮定常流動。流體區(qū)域的流動應滿足三維流動控制方程，數(shù)值模擬則采用雷諾應力平均N-S方程。

連續(xù)性方程：

(2)

動量守恒方程：

(3)

本構方程：

(4)

(5)

采用標準k-ε湍流模式：

(6)

模型還涉及熱量交換，運用能量方程：

(7)

式中：ρ為空氣密度；u為速度向量；i，j，k=1，2，3；μ為流體動力粘性系數(shù)；p為壓力；εij為應變率張量；τij為應力張量。

2 計算結果分析

考核工況下機組凝汽器的排汽熱量已知，定義為標準換熱量。將空氣實際吸熱量除以標準換熱量所得到的無量綱數(shù)定義為換熱效率，即η=Qa/Qs×100%。式中：Qa為實際空氣吸熱量，MW；Qs為所用機組考核工況下凝汽器的排熱量，MW。

通過模擬計算加裝45 m高擋風墻、10 m寬水平擋板，以及加裝45 m高擋風墻、0 m寬水平擋板(即無水平擋板)時空冷凝汽器的換熱效率，對比分析這2種方案的擋風墻對空冷凝汽器的影響。

2.1 主導風向下?lián)躏L墻對空冷凝汽器的影響

2.1.1 加裝擋風墻對空冷島周圍溫度場和速度場的影響

以風速9 m/s為例，模擬加裝擋風墻前、后空冷島周圍的溫度場和速度場，分析擋風墻對空冷凝汽器的影響。圖2分別是無擋風墻和加裝擋風墻時，空冷島周圍的溫度等值線圖，溫度單位為K。由圖2可看出：在沒有加裝擋風墻時，空冷島的蒸騰現(xiàn)象被破壞，迎風兩側出現(xiàn)“倒灌”現(xiàn)象；加裝擋風墻后，“倒灌”現(xiàn)象消失，空冷單元風機入口處溫度整體降低，空冷凝汽器換熱效率提高。

圖2 空冷島周圍空氣溫度等值線

圖3分別是無擋風墻和加裝擋風墻情況下，空冷島周圍空氣速度等值線圖，速度單位為m/s。從圖3可看出，分別加裝擋風墻后，空冷單元風機入口處空氣流速均降低，靜壓增加，使得風機抽到空冷單元內(nèi)的空氣速度增加，空冷單元流量增加。

圖3 空冷島周圍空氣速度等值線

空冷單元空氣流量分布圖如圖4所示，圖中每個柱子代表1個空冷單元，橫坐標表示每排有8個空冷單元，縱坐標表示每列有7個空冷單元。從圖4可看出：加裝擋風墻后，整個空冷島空氣流量增大，這是由于加裝擋風墻后，環(huán)境風受擋風墻阻擋，滯留在空冷平臺下方，降低了風機入口處空氣的流速，空氣被風機抽取向上流動；加裝水平擋板后，迎風側前2排空冷單元空氣流量增加，這是因為加裝水平擋板后，降低了環(huán)境風對迎風側空冷單元風機入口的橫向沖刷，提高了風機的抽氣效率；加裝擋風墻(有水平擋板)、擋風墻(無水平擋板)后，空氣流量分別比不加擋風墻時增加了16 272.32，13 011.18 kg/s。

2.1.2 加裝擋風墻對空冷凝汽器換熱效率的影響

根據(jù)數(shù)值計算的結果，得到在主導風向不同風速下，空冷島加裝擋風墻前后空冷凝汽器換熱效率隨風速大小的變化曲線，如圖5所示。

由圖5可看出：無擋風墻時，凝汽器換熱效率隨環(huán)境風速的增加而降低；加裝擋風墻后，空冷凝汽器的換熱效率提高，隨著環(huán)境風速的增加而增加，并且含有水平擋板的擋風墻結構比不含水平擋板的好，提高的換熱效率更多。結合廠址水文氣象條件可知，主導風向下夏季平均風速為5.5 m/s，此時加裝擋風墻(有水平擋板)、擋風墻(無水平擋板)后空冷凝汽器換熱效率分別比不加擋風墻時提高了44.90%，35.48%。

圖4 空冷單元空氣流量

圖5 空冷凝汽器換熱效率隨環(huán)境風速的變化曲線

2.2 主導風向相反風向下?lián)躏L墻對空冷凝汽器的影響

在主導風向下，按圖1加裝擋風墻可以提高空冷凝汽器的換熱效率；但是在其他風向下，加裝擋風墻對凝汽器也有影響?，F(xiàn)計算分析在主導風向相反風向(即225°風向)下，擋風墻對空冷單元空氣流量和空冷凝汽器的影響。

2.2.1 加裝擋風墻對空冷單元的影響

以環(huán)境風速3 m/s為例，分析加裝擋風墻對空冷單元空氣流量和空冷單元進口溫度的影響，結果如圖6、7所示。

從圖6中可看出：無擋風墻時，迎風側空冷單元流量較少，加裝擋風墻后，由于擋風墻的阻擋作用，空冷島迎風面兩側的前2排空冷單元空氣流量增加。特別是加裝水平擋板后，空冷平臺下方被擋風墻圍繞的空間增大、空氣量增加，并且水平擋板緩解了環(huán)境風對空冷島邊緣處空冷單元風機入口的沖刷，所以空冷島背風側空冷單元空氣流量較無水平擋板時有所增加。但是加裝擋風墻后，由于擋風墻將空冷平臺下方的空間包圍，空冷平臺下方的空氣流動受限，使得流過空冷平臺下方的空氣量減少，所以空冷島中間區(qū)域的空冷單元空氣流量降低。

從圖7可看出：無擋風墻時，空冷單元風機入口空氣溫度普遍比較低，平均溫度為306.93 K，空冷凝汽器換熱效果比較好；加裝擋風墻后，由于擋風墻圍繞空冷平臺下方，使風機抽取空氣時，空冷平臺下方空氣量不夠，所以參與凝汽器換熱的空氣，經(jīng)過回流又重新被風機抽取進入空冷單元進行熱交換，從而導致空冷單元風機入口處空氣溫度偏高，加裝擋風墻(有水平擋板)和擋風墻(無水平擋板)后，風機入口處空氣溫度平均分別為313.26，314.05 K，使凝汽器換熱效率降低。

圖6 空冷單元空氣流量

圖7 空冷單元進口空氣溫度

所以，在主導風向相反風向下，風速為3 m/s時，加裝擋風墻(無水平擋板)后，空冷單元空氣流量降低，加裝水平擋板后，空冷單元空氣流量較加裝擋風墻(無水平擋板)后稍有增加；但是加裝擋風墻后會使空冷島背風側出現(xiàn)熱風回流現(xiàn)象，使得凝汽器換熱效率較不加擋風墻時有所降低。在大風情況下，空冷島背風側甚至會出現(xiàn)“倒灌”現(xiàn)象與熱風回流共同影響空冷凝汽器的換熱情況，更加惡化凝汽器的換熱效果。

2.2.2 加裝擋風墻對空冷凝汽器換熱效率的影響

通過模擬計算得出在主導風向相反風向下，空冷單元空氣流量隨環(huán)境風速的變化如圖8(a)所示，凝汽器換熱效率隨環(huán)境風速的變化如圖8(b)所示。

從圖8可看出：加裝擋風墻(有水平擋板)后，雖然整個空冷島空冷單元空氣流量有所增加，但是空冷凝汽器換熱效率卻降低了；加裝擋風墻(無水平擋板)后，整個空冷島空冷單元空氣流量和空冷凝汽器換熱效率均有所下降。這是因為加裝擋風墻后，雖然空冷島中間區(qū)域的空冷單元空氣流量稍有下降，但是迎風側空冷單元空氣流量增加，并且加裝水平擋板增加了背風側空冷單元空氣流量；但是加裝擋風墻后，空冷島背風側出現(xiàn)熱風回流現(xiàn)象，所以凝汽器換熱效率不但沒有增加，反而降低了。結合廠址水文氣象條件可知，主導風向相反風向下夏季平均風速為4.5 m/s，此時加裝擋風墻(有水平擋板)、擋風墻(無水平擋板)分別比不加擋風墻前的換熱效率降低了5.75%,12.19%。

為了改善主導風向相反風向情況下，擋風墻對空冷凝汽器換熱效率的影響，可以在背風側水平擋板邊緣處豎直加裝一定高度的擋風墻[9-10]，減少熱風回流量。

圖8 空冷單元空氣流量、凝汽器換熱效率隨環(huán)境風速的變化曲線

3 結 論

(1)不加擋風墻時，在大風情況下空冷島出現(xiàn)熱風回流和“倒灌”現(xiàn)象，嚴重影響凝汽器的換熱效率。

(2)在主導風向下，加裝擋風墻后，熱風回流和“倒灌”現(xiàn)象消失，有效改善了空冷島周圍的空氣流場和空冷凝汽器的換熱效率；在夏季平均風速5.5 m/s時，加裝擋風墻(有水平擋板)、擋風墻(無水平擋板)后，凝汽器平均換熱效率分別比不加擋風墻時提高了44.90%,35.48%。

(3)在主導風向相反風向下，加裝擋風墻后，由于熱風回流現(xiàn)象，換熱效率比不加擋風墻時有所降低；在夏季平均風速4.5 m/s時，加裝擋風墻(有擋風墻)、擋風墻(無水平擋板)后，凝汽器平均換熱效率分別比不加擋風墻時降低了了5.75%,12.19%。

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(編輯：蔣毅恒)

NumericalSimulationofAirCoolingIslandwithWindbreak

ZHOU Lanxin, WANG Xiaofei, WANG Zhe, WU Ruikang

(Key Lab of Ministry of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment,North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China)

Under the condition of strong wind, the combination of hot air recirculation and ‘intrusion’ phenomenon results in the reduction of heat transfer efficiency of air cooling condenser. In order to improve the impact of environmental wind on air cooling condenser, this paper proposed the scheme that installed the windbreak on the leeward side of air cooling island (in the dominant wind direction). Taking a 600 MW direct air cooling unit as an example, the external flow field of air cooling island was numerically simulated with using CFD (computational fluid dynamics) software. The impact of windbreak on heat transfer efficiency of air cooling condenser with different wind speed in the dominant wind direction or the opposite direction was analyzed. The calculation results show that, in the dominant wind direction, the air flow of air cooling unit with windbreak significantly increases, and the heat transfer efficiency of air cooling condenser is improved; in the opposite direction, the installation of windbreak make the hot air recirculation occur on the leeward side of air cooling island and the heat transfer efficiency of air cooling condenser decrease, and the windbreak with certain height installed at horizontal baffle edges on leeward sid can improve the phenomenon of hot air recirculation.

air cooling island; hot air recirculation; intrusion; windbreak; numerical simulation

TK 264.1+1

： A

： 1000-7229(2014)05-0088-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.05.015

2013- 11- 01

：2013- 12- 25

周蘭欣(1956)，男，教授，主要從事直接空冷機組節(jié)能研究工作；

王曉斐(1988)，女，碩士研究生，研究方向為直接空冷機組節(jié)能，E-mail：qiu_6661@126.com；

王喆(1987)，男，碩士研究生，研究方向為直接空冷機組結構優(yōu)化；

吳瑞康(1989)，男，碩士研究生，研究方向為直接空冷節(jié)能。