楊金鳳

（國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100095）

消能導(dǎo)流裝置在空冷島的應(yīng)用

楊金鳳

（國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100095）

為減少環(huán)境風(fēng)對(duì)直接空冷機(jī)組換熱性能的不利影響，介紹一種在空冷島擋風(fēng)墻下延方向加裝電動(dòng)旋轉(zhuǎn)網(wǎng)板的消能導(dǎo)流裝置，分析不同風(fēng)速和風(fēng)向下空冷島換熱性能的變化規(guī)律，采用數(shù)值模擬的方法計(jì)算得到消能導(dǎo)流裝置旋轉(zhuǎn)網(wǎng)板在不同風(fēng)速風(fēng)向下的開(kāi)度，對(duì)加裝消能導(dǎo)流裝置前后空冷島的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明加裝消能導(dǎo)流裝置后降低了高風(fēng)速下風(fēng)機(jī)流量的波動(dòng)，明顯穩(wěn)定了機(jī)組背壓，并且該裝置比固定開(kāi)孔率的防風(fēng)網(wǎng)更能有效的抵御各種風(fēng)速風(fēng)向環(huán)境風(fēng)的影響，確保空冷島的換熱效率，為直接空冷機(jī)組防風(fēng)設(shè)計(jì)提供一定參考。

環(huán)境風(fēng)；消能導(dǎo)流；風(fēng)速；風(fēng)向；換熱效率

0　引言

目前，空冷機(jī)組采用的防風(fēng)措施一般是在空冷平臺(tái)上設(shè)置擋風(fēng)墻，針對(duì)空冷平臺(tái)下部的空氣入口處環(huán)境風(fēng)的影響，文獻(xiàn)［1-4］提出在擋風(fēng)墻下部加裝防風(fēng)網(wǎng)或?qū)Я骶W(wǎng)并對(duì)不同開(kāi)孔率和高度的防風(fēng)網(wǎng)對(duì)空冷島換熱效率的影響進(jìn)行了研究，雖然固定高度和開(kāi)孔率的防風(fēng)網(wǎng)能夠在環(huán)境風(fēng)速較大時(shí)對(duì)進(jìn)入風(fēng)機(jī)的風(fēng)進(jìn)行減速，保證風(fēng)機(jī)的正常出力，但不能有效針對(duì)所有環(huán)境風(fēng)條件例如在無(wú)風(fēng)和低風(fēng)速下防風(fēng)網(wǎng)的存在會(huì)影響平臺(tái)下部的空氣流動(dòng)，降低空冷凝汽器的換熱性能。

本文介紹了一種布置于擋風(fēng)墻［5］下方的由電動(dòng)旋轉(zhuǎn)擋風(fēng)網(wǎng)板組成的消能導(dǎo)流裝置，該裝置通過(guò)監(jiān)測(cè)、采集電廠運(yùn)行過(guò)程中風(fēng)速、風(fēng)向及運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)空冷凝汽器進(jìn)行數(shù)值模擬［6-8］，指導(dǎo)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)擋風(fēng)網(wǎng)板角度，改變擋風(fēng)網(wǎng)陣列整體阻力狀況，從而滿足各風(fēng)向下穩(wěn)定平臺(tái)風(fēng)機(jī)流量效果，進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)定背壓保證電廠運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性的目的。

1　物理模型

以哈密電廠兩臺(tái)600 MW直接空冷凝汽器為研究對(duì)象，空冷平臺(tái)標(biāo)高50 m，擋風(fēng)墻高度為13.05 m，空冷凝汽器布置在緊靠汽機(jī)房A列外側(cè)，每臺(tái)機(jī)組空冷平臺(tái)上布置64個(gè)空冷單元，8排8列布置，每個(gè)空冷單元下面布置1臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)，空冷冷卻單元尺寸為:平行于A列為11 325 mm，垂直于A列為12 015 mm，A型冷卻單元夾角為60°，消能導(dǎo)流裝置（防風(fēng)裝置）以十字形布置在空冷平臺(tái)下，見(jiàn)圖1。垂直于A列高度為軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)筒下沿至地面，平行于A列高度為軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)筒下沿至7.06 m。每?jī)膳_(tái)機(jī)組長(zhǎng)約200 m、寬約100 m、總高約50 m，風(fēng)筒下沿至桁架下弦約4～5m、地面至混凝土柱頂約45 m。消能導(dǎo)流裝置的旋轉(zhuǎn)網(wǎng)板采用非導(dǎo)體復(fù)合板材為基礎(chǔ)材料，非導(dǎo)體復(fù)合板材的厚度為3 mm，垂直于A列方向自上而下共3組，平行于A列方向自上而下共2組，消能導(dǎo)流裝置的旋轉(zhuǎn)網(wǎng)板本身具有一定開(kāi)孔率，自下而上的開(kāi)孔率為40%-15%，每塊網(wǎng)板高1.1 m，寬3 m，每組網(wǎng)板由12*3（行*列）的單塊網(wǎng)板組成，每組網(wǎng)板配套電動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，見(jiàn)圖2。旋轉(zhuǎn)網(wǎng)板能夠自水平向垂直可做-90°至90°旋轉(zhuǎn)并固定，垂直于地面時(shí)，百葉通風(fēng)量為0，環(huán)境風(fēng)穿過(guò)網(wǎng)板上的孔，此時(shí)阻力最大，網(wǎng)板旋轉(zhuǎn)至平行于地面時(shí)，百葉通風(fēng)量為100%，環(huán)境風(fēng)完全穿過(guò)效能導(dǎo)流裝置，此時(shí)阻力為零，示意圖見(jiàn)圖3，通過(guò)控制網(wǎng)板開(kāi)合角度以達(dá)到風(fēng)機(jī)組最佳工作狀態(tài)，達(dá)到空冷機(jī)組的最大換熱效率［9］。

圖1　空冷島消能導(dǎo)流裝置平面示意

圖2　消能導(dǎo)流裝置立面示意

圖3　消能導(dǎo)流裝置旋轉(zhuǎn)網(wǎng)板示意

2　計(jì)算分析

本文的控制方程采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程，空冷系統(tǒng)熱力計(jì)算采用η-NTU法［10，11］。

計(jì)算模型進(jìn)口采用速度進(jìn)口邊界條件，壓力出口邊界條件，凝汽器風(fēng)機(jī)用無(wú)限薄的圓面代替，采用風(fēng)扇入口邊界條件，風(fēng)機(jī)的具體參數(shù)為:風(fēng)機(jī)直徑為9.754 m，單臺(tái)風(fēng)量為556.7 m3/s，靜壓106.4 Pa，動(dòng)壓87.41 Pa，按以上參數(shù)設(shè)定風(fēng)扇入口邊界。換熱器管束采用多孔介質(zhì)邊界條件，消能導(dǎo)流裝置處理為多孔跳躍區(qū)域。計(jì)算區(qū)域?yàn)?00 m（長(zhǎng)）×400 m（寬）×300 m（高），空冷平臺(tái)高50 m，采用結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格總數(shù)167萬(wàn)。

環(huán)境風(fēng)速作用下，空冷風(fēng)機(jī)進(jìn)口處形成的負(fù)壓卷吸了原本被吸入風(fēng)機(jī)的空氣流，致使風(fēng)機(jī)風(fēng)量下降，圖4為不同環(huán)境風(fēng)速下風(fēng)機(jī)風(fēng)量變化曲線，在無(wú)風(fēng)環(huán)境下，風(fēng)機(jī)風(fēng)量為476.8 m3/s，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為12m/s時(shí)，風(fēng)機(jī)風(fēng)量下降至318.92 m3/s，較之無(wú)風(fēng)環(huán)境下的下降幅度達(dá)到了20.5%。圖5為不同環(huán)境風(fēng)速下空冷單元的運(yùn)行背壓值［12，13］，在無(wú)風(fēng)環(huán)境下，空冷單元的運(yùn)行背壓為21.5 kPa，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為12 m/s時(shí)，運(yùn)行背壓為62.5 kPa，對(duì)于直接空冷機(jī)組而言，運(yùn)行背壓在62.5 kPa將使汽輪機(jī)末級(jí)工作在及其惡劣的環(huán)境下，接近停機(jī)背壓65 kPa，此時(shí)背壓惡化的速率快，很快將停機(jī)，這是不允許的。消能導(dǎo)流裝置的網(wǎng)板角度決定了通過(guò)裝置的空氣量和流速，合適的網(wǎng)板角度能在風(fēng)速大時(shí)起到阻擋環(huán)境風(fēng)的作用，降低從中穿過(guò)的環(huán)境風(fēng)速度，使得邊緣空冷單元入口靜壓力升高，風(fēng)機(jī)流量增大，穩(wěn)定機(jī)組平均風(fēng)機(jī)流量，從而穩(wěn)定運(yùn)行背壓。

機(jī)組所在地的風(fēng)玫瑰圖如圖6所示。本節(jié)分析給出網(wǎng)板角度的計(jì)算方法并選取風(fēng)向出現(xiàn)次數(shù)和頻率較大的兩個(gè)風(fēng)向:E，ESE，ENE通過(guò)計(jì)算數(shù)據(jù)獲得消能導(dǎo)流裝置網(wǎng)板角度，其余風(fēng)向可按此方法計(jì)算。

正面通過(guò)消能導(dǎo)流網(wǎng)板的風(fēng)速和網(wǎng)板角度有函數(shù)關(guān)系:

圖4　不同風(fēng)速下風(fēng)機(jī)風(fēng)量變化規(guī)律

圖5　不同風(fēng)速下機(jī)組背壓變化規(guī)律

圖6　機(jī)組所在地風(fēng)玫瑰圖

Vf是網(wǎng)板前環(huán)境風(fēng)速，VT是通過(guò)網(wǎng)板的環(huán)境風(fēng)速，θ是網(wǎng)板角度，C（v）是風(fēng)速的模型函數(shù)，Cf是風(fēng)向影響因子，對(duì)于正向、側(cè)向和爐后來(lái)風(fēng)為風(fēng)速模型常量。

消能導(dǎo)流裝置布置位置成十字型，將空冷島風(fēng)機(jī)劃分為四個(gè)區(qū)域1，2，3，4，不同風(fēng)向?qū)︼L(fēng)機(jī)流量的影響各區(qū)域各不同，鑒于風(fēng)機(jī)流量和風(fēng)速有分段近似比例關(guān)系，四個(gè)區(qū)域的風(fēng)速加權(quán)平均后為機(jī)組的平均風(fēng)速。同時(shí)為便于對(duì)除正向風(fēng)外的其余風(fēng)向進(jìn)行研究，對(duì)風(fēng)速Vτ進(jìn)行矢量分解，平行于A列方向?yàn)?，垂直于A列方向?yàn)?，機(jī)組平均風(fēng)速可表達(dá)為:

根據(jù)上述公式計(jì)算典型風(fēng)向和風(fēng)速下的網(wǎng)板開(kāi)度，開(kāi)度參數(shù)參見(jiàn)表1～3。

表1　E風(fēng)向旋轉(zhuǎn)網(wǎng)板開(kāi)度參數(shù)

表2　ENE風(fēng)向旋轉(zhuǎn)網(wǎng)板開(kāi)度參數(shù)

表3　ESE風(fēng)向旋轉(zhuǎn)網(wǎng)板開(kāi)度參數(shù)

E風(fēng)向下采用消能導(dǎo)流裝置前后機(jī)組背壓的對(duì)比曲線如圖7。

由圖7可以看出，采用網(wǎng)板角度根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)向變化的消能導(dǎo)流裝置后比不設(shè)置防風(fēng)裝置前穩(wěn)定了機(jī)組背壓，在風(fēng)速小于16 m/s時(shí)背壓能穩(wěn)定在38 kPa以下，風(fēng)速在16 m/s以上時(shí)也能使汽輪機(jī)末級(jí)葉片工作在較好的工況下。

ESE風(fēng)向下沒(méi)有采用防風(fēng)措施，采用固定開(kāi)孔率（15%）的防風(fēng)網(wǎng)和采用根據(jù)風(fēng)速風(fēng)向自動(dòng)調(diào)節(jié)的消能導(dǎo)流裝置空冷島換熱效率對(duì)比如圖8，消能導(dǎo)流裝置對(duì)風(fēng)機(jī)流量的提升的各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表4。

圖7　E風(fēng)向加裝消能導(dǎo)流裝置前后機(jī)組背壓對(duì)比曲線

表4　消能導(dǎo)流裝置對(duì)風(fēng)機(jī)流量的提升效果

圖8　ESE風(fēng)向三種方式空冷島效率對(duì)比

由圖8和表4可以看出，固定開(kāi)孔率的防風(fēng)網(wǎng)相對(duì)于不設(shè)置防風(fēng)網(wǎng)能夠在風(fēng)速較大時(shí)提高空冷島的換熱效率，但是無(wú)風(fēng)和低風(fēng)速下還是阻擋了平臺(tái)下方的空氣流動(dòng)，消能導(dǎo)流裝置能夠讓風(fēng)在低風(fēng)速下盡量通過(guò)，高風(fēng)速下減弱風(fēng)速，有針對(duì)性的調(diào)節(jié)不同風(fēng)速下通過(guò)網(wǎng)板的風(fēng)速，從而穩(wěn)定機(jī)組的平均風(fēng)機(jī)流量，降低了高風(fēng)速下風(fēng)機(jī)流量的波動(dòng)，保證了空冷島的換熱效率，在風(fēng)速大于16 m/s時(shí)換熱效率比不設(shè)置該裝置時(shí)平均提高了0.32，比固定開(kāi)孔率的防風(fēng)網(wǎng)平均提高了0.205。

圖9 E風(fēng)向機(jī)組背壓模擬值和實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比曲線

圖9為應(yīng)用模型計(jì)算的E風(fēng)向下機(jī)組背壓曲線和電廠實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)背壓曲線的對(duì)比圖，由圖9可知，二者趨勢(shì)基本吻合，說(shuō)明數(shù)值模擬結(jié)果可以較好的反映機(jī)組的運(yùn)行性能，模擬結(jié)果和實(shí)際運(yùn)行結(jié)果相差不大，驗(yàn)證了數(shù)值算法和模型的科學(xué)性。

3　結(jié)論

（1）該裝置能有效穩(wěn)定機(jī)組背壓，在風(fēng)速小于16 m/s時(shí)背壓能穩(wěn)定在38 kPa以下，風(fēng)速在16 m/s以上時(shí)也能使汽輪機(jī)末級(jí)葉片工作在較好的工況下。

（2）該裝置比不設(shè)置防風(fēng)網(wǎng)和固定開(kāi)孔率的防風(fēng)網(wǎng)在各種風(fēng)速下穩(wěn)定空冷島換熱效率的效果更顯著，在風(fēng)速大于16m/s時(shí)換熱效率比不設(shè)置該裝置時(shí)平均提高了0.32，比固定開(kāi)孔率的防風(fēng)網(wǎng)平均提高了0.205。

［1］ 楊建國(guó)，劉達(dá)，張兆營(yíng)，等.加裝導(dǎo)流網(wǎng)以改善橫向風(fēng)對(duì)直接空冷凝汽器的影響［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32（2）:1-8.

［2］ 丁常富，丁振宇，侯乃明，等.直接空冷凝汽器加裝防風(fēng)網(wǎng)的數(shù)值模擬［J］.動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2009，29（10）:956-959.

［3］ 陳海平，吳勝利，王璟，等.加裝防風(fēng)網(wǎng)的空冷島換熱性能研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31（S1）:131-136.

［4］ 鄭偉，陳海平，張才.防風(fēng)網(wǎng)對(duì)直接空冷機(jī)組的防風(fēng)效果分析［J］.東北電力技術(shù)，2012，33（9）: 37-39.

［5］ 王建平，吳鵬，王宏明，等.600MW直接空冷凝汽器加裝下?lián)躏L(fēng)墻的數(shù)值研究［J］.電力科學(xué)與工程，2012，28（3）:51-55.

［6］ 周蘭欣，周書(shū)昌，李海宏，等.自然風(fēng)速對(duì)空冷機(jī)組風(fēng)機(jī)運(yùn)行影響的數(shù)值模擬［J］.電力科學(xué)與工程，2011，27（1）:44-48.

［7］ 付萬(wàn)兵.直接空冷凝汽器單元內(nèi)三維流場(chǎng)的數(shù)值模擬［J］.電力科學(xué)與工程，2013，29（1）:63 -68.

［8］ 周蘭欣，惠雪松，王統(tǒng)彬，等.直接空冷凝汽器單元內(nèi)綜合應(yīng)用導(dǎo)流板和噴霧增濕的數(shù)值模擬［J］.華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，40（3）: 74-79.

［9］ 高建強(qiáng)，王艷.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的直接空冷凝汽器換熱性能預(yù)測(cè)［J］.動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2013，33（6）:443-447.

［10］ 李高潮，朱寶田，陳勝利，等.空冷機(jī)組直接空冷系統(tǒng)變工況特性的計(jì)算分析［J］.熱力發(fā)電，2008，37（10）:80-82.

［11］ 曾強(qiáng)，王智剛.空冷島擋風(fēng)墻最佳高度的數(shù)值模擬［J］.熱力發(fā)電，2011，40（10）:21-24.

［12］ 何鈞，劉寶玲，鄢波.超臨界600MW直接空冷機(jī)組背壓控制策略的優(yōu)化［J］.熱力發(fā)電，2013，42（7）:18-21.

［13］ 何緯峰，戴義平，馬慶中，等.環(huán)境風(fēng)影響下直接空冷單元背壓預(yù)測(cè)研究［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，45（1）:15-20.

Application of Windshield Assembled by Electric Rotating Plate on Direct Air Cooled Island

YANG Jinfeng
（State Nuclear Electric Power Planning Design&Research Institute，Beijing 100095，China）

The energy dissipation diversion device installed of electric rotating plate under the windbreak of aircooled island is proposed in view of decreasing unfavorable influence of ambient wind on heat exchange performance of direct air-cooling unit.Analyzed the heat exchange efficiency rule at different wind speed and different wind direction.By numerical modeling calculates the opening of the energy dissipation diversion device at different wind speed and different wind direction and calculates the parameters of air-cooling island before and after installation of the energy dissipation diversion device.Results show that reducing the flow fluctuation of the fan under the high speed，stablization the backpressure of unit obviously.The device can defense the influecnce of ambient wind under different wind speed than the windbreak with fixed opening rate effectively which ensures the heat exchange effiency of air-cooling island and provides certain reference for the air-cooled island wind resist design.

ambient wind；energy dissipation diversion；wind speed；wind direction；heat exchange efficiency

TP23

B DOI：10.3969/j.issn.1672-0792.2016.07.012

2016-03-31。

楊金鳳（1984-），女，工程師，主要從事大型火力發(fā)電廠和核電廠熱工自動(dòng)化設(shè)計(jì)和研究工作，E-mail:fenny357@163.com。