黃 鶴，查伯宇，洪文鵬

(1．國家電投集團(tuán)貴州金元股份有限公司，貴州貴陽550081;東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，吉林吉林132012)

空冷凝汽器是一種利用環(huán)境空氣來冷卻汽輪機(jī)排汽的裝置．相比于常規(guī)水冷機(jī)組，空冷機(jī)組的優(yōu)越性在于可以大大減少冷端水資源的消耗．在水資源日益緊張的大前提下，如何節(jié)水成為我國火力發(fā)電事業(yè)的一項(xiàng)迫在眉睫的研究課題［1］．

空冷島由多個(gè)排列組合的空冷單元組成．空冷單元由底部軸流風(fēng)機(jī)抽取下方環(huán)境空氣與上方凝汽器管束進(jìn)行換熱，完成工質(zhì)循環(huán)．空冷凝汽器單元的流場特性直接影響空冷凝汽器的效率．由于空冷單元軸流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口是圓形，而空冷單元的底部水平投影形狀是四邊形，導(dǎo)致空冷單元A字架結(jié)構(gòu)的兩片散熱管束底端不能很好的被冷卻，散熱管束表面底角不能被充分冷卻，降低凝汽器傳熱效率．

目前，國內(nèi)外對空冷凝汽器已有研究，如楊立軍等［2～3］、周蘭欣等［4］對空冷單元的流場均勻性及傳熱優(yōu)化進(jìn)行了模擬研究;J．R．Bredell等［6～7］、Meyer［8］探究了空冷島的熱風(fēng)回流和環(huán)境風(fēng)等問題，但在分析空冷單元內(nèi)部導(dǎo)流板布置方式的優(yōu)化方面研究較少，故本文在前人研究的基礎(chǔ)上，從空冷單元內(nèi)部考慮，研究導(dǎo)流板布置方式，為實(shí)際運(yùn)行優(yōu)化提供理論參考．

1 物理模型

1.1 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

本文以某600 MW空冷機(jī)組的一個(gè)空冷單元為研究對象，以風(fēng)機(jī)平面圓心為原點(diǎn)建立如圖1所示的物理模型．空冷凝汽器單元的尺寸為 11．9 m×9．03 m×0．219 m，計(jì)算域?yàn)?11．4 m×11．4 m×30 m，采用整體劃分網(wǎng)格的方式，應(yīng)用四面體網(wǎng)格，無導(dǎo)流板時(shí)網(wǎng)格數(shù)為79．4萬，加裝導(dǎo)流板時(shí)網(wǎng)格數(shù)量為86．9萬，導(dǎo)流板的尺寸為 11．4 m×1．5 m．

1.2 模型介紹及邊界條件

本文應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型，基于兩個(gè)運(yùn)輸方程的模型解出k和ε．默認(rèn)的k－ε模型，系數(shù)由經(jīng)驗(yàn)公式給出，且只對高Re的湍流有效，包含粘性熱、浮力、壓縮性選項(xiàng)．標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型應(yīng)用范圍廣，計(jì)算量適中，有較多數(shù)據(jù)積累和比較高的精度．但對于大曲率和壓力梯度較強(qiáng)等復(fù)雜流動模擬效果欠佳．一般工程計(jì)算都使用該模型，其收斂性和計(jì)算精度能滿足一般的工程計(jì)算需求，故本文選用該湍流模型進(jìn)行模擬計(jì)算［9～12］．

對風(fēng)機(jī)的設(shè)定可以理解為一個(gè)壓升平面，根據(jù)實(shí)際風(fēng)機(jī)運(yùn)行曲線查得壓升數(shù)值為68 Pa，空冷單元的風(fēng)機(jī)入口設(shè)置為質(zhì)量流量入口，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)計(jì)算得出質(zhì)量流量為530 kg/s，空冷單元頂部設(shè)置為壓力出口邊界條件，散熱器和翅片部分采用多孔介質(zhì)模型，翅片管束的孔隙率根據(jù)尺寸計(jì)算得出，取0．567，蒸汽在翅片管內(nèi)凝結(jié)和與管外冷卻空氣換熱的過程假設(shè)為存在一個(gè)能量源項(xiàng)，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況計(jì)算得出該熱源項(xiàng)為302 856．3 W/m3，冷卻空氣溫度取夏季運(yùn)行工況風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度303 K．

圖1 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

1.2 控制方程

流體流動受到一系列物理守恒定律的控制，包括質(zhì)量、動量、能量以及組分等守恒定律，所謂控制方程就是對這些守恒定律的數(shù)學(xué)描述．當(dāng)流體流動為湍流時(shí)，考慮標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型，還要附加上關(guān)于湍動能k和耗散率ε的湍流運(yùn)輸方程．對于空冷系統(tǒng)，周圍環(huán)境風(fēng)速小，環(huán)境空氣壓力變化可忽略，所以其周圍大氣流動視作不可壓縮定常流動．忽略流動受到浮力影響，可用如下控制方程描述:連續(xù)性方程

動量方程

能量方程

Boussinesq渦粘假設(shè)

標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型

其中

2 結(jié)果與分析

2.1 未加裝導(dǎo)流板時(shí)的情況

未加裝導(dǎo)流板時(shí)散熱管束表面溫度分布，和z=0平面速度分布，如圖2所示．通過觀察分析z=0截面的流場可得知，空冷單元內(nèi)部空氣的速度分布比較均勻，散熱管束的迎面風(fēng)速較低，最高不超過5 m/s，不易于凝汽器換熱;且凝汽器出口平面的兩端底角存在超過355 K的高溫區(qū)，散熱管束表面平均溫度為334．53 K，且大部分區(qū)域溫度都在325 K－330 K之間．該模擬結(jié)果與其他相關(guān)文獻(xiàn)得出結(jié)果幾近相同，驗(yàn)證了模型和參數(shù)的準(zhǔn)確性．

圖2 未加裝導(dǎo)流板時(shí)散熱管束表面溫度云圖及z=0平面速度云圖

2.2 加裝導(dǎo)流板的研究

加裝導(dǎo)流板的空冷單元結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3所示．導(dǎo)流板均勻排列在空冷單元風(fēng)機(jī)出口處．網(wǎng)格劃分方式與上節(jié)相同，整體用四面體網(wǎng)格;導(dǎo)流板以風(fēng)機(jī)出口平面z軸方向?yàn)閷ΨQ軸在其兩側(cè)均勻布置．

2．2．1 加裝導(dǎo)流板角度的研究

首先對導(dǎo)流板的傾斜角度進(jìn)行研究，由于導(dǎo)流板的作用是引導(dǎo)冷卻空氣更好的吹向散熱管束，因此導(dǎo)流板的不同布置角度也影響空冷凝汽器的換熱效果．此處先模擬計(jì)算加裝兩塊導(dǎo)流板的情況．首先對導(dǎo)流板的不同傾角進(jìn)行模擬研究，導(dǎo)流板與豎直方向的夾角分別取值為 20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°．圖4為不同角度的導(dǎo)流板對應(yīng)z=0平面速度云圖凝汽器出口平面的溫度云圖．

圖3 空冷單元加裝導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 導(dǎo)流板安裝角度不同的情況下散熱管束出口平面溫度云圖和z=0平面速度云圖

從z=0界面速度分布云圖中可以看出，冷卻空氣在導(dǎo)流板的引導(dǎo)下吹向散熱管束，迎面風(fēng)速明顯提高，空冷單元內(nèi)部流場均勻性提高;從散熱管束平面溫度云圖可以得出，散熱管束表面底角大于350 K的高溫區(qū)域消失;隨著傾角的增大散熱管束的迎面風(fēng)速不斷增大，當(dāng)傾角為30°時(shí)風(fēng)速達(dá)到5．5 m/s以上，且分布更加均勻，換熱器表面溫度最低．但隨著導(dǎo)流板傾角繼續(xù)增大，導(dǎo)流板背面會產(chǎn)生一個(gè)低速區(qū)，散熱管束上半部分迎面風(fēng)速減小，不利于強(qiáng)化流動傳熱，當(dāng)導(dǎo)流板與豎直方向夾角達(dá)到50°時(shí)，散熱管束上半部分區(qū)域迎面風(fēng)速只有3 m/s，且散熱管束平面溫度均勻度較差，中部區(qū)域冷卻不充分．在30°傾角的情況下，散熱器出口平面中溫區(qū)域的面積最小，整個(gè)散熱器出口平面的平均溫度333．20 K．故本文認(rèn)為導(dǎo)流板與豎直方向夾角為30°時(shí)，導(dǎo)流效果最好．

加裝導(dǎo)流板可以使散熱管束平面的冷卻空氣迎面速度增加，并增強(qiáng)換熱，空冷單元凝汽器出口平面的溫度降低，換熱不充分的兩個(gè)底角得到改善．接下來探究導(dǎo)流板安裝數(shù)量的多少對空冷單元換熱效果的影響．

2．2．2 加裝導(dǎo)流板數(shù)量的研究

當(dāng)加裝兩塊導(dǎo)流板且導(dǎo)流板與豎直方向呈30°時(shí)，導(dǎo)流板的導(dǎo)流效果最好．但空冷單元的換熱效率亦與導(dǎo)流板的數(shù)量有關(guān)系，需進(jìn)一步研究．

在風(fēng)機(jī)出口處加裝不同數(shù)量的導(dǎo)流板，可以使空冷單元的換熱效率得到明顯的改善，本文安裝導(dǎo)流板數(shù)量分別為2塊、4塊、6塊、8塊、10塊，以中心棧橋?yàn)檩S線左右對稱均勻布置，間距為1 m．

圖5 導(dǎo)流板安裝數(shù)量不同的情況下散熱管束出口平面溫度云圖和z=0平面速度云圖

導(dǎo)流板數(shù)量分別為4塊、6塊、8塊、10塊時(shí)，散熱管束表面溫度分布、z=0平面速度分布，如圖5所示．結(jié)果表明，隨著導(dǎo)流板數(shù)量的增加，散熱器出口平面底角的高溫區(qū)域面積減少，平均溫度大幅降低．當(dāng)導(dǎo)流板數(shù)量增加到4塊時(shí)，大于340 K的高溫區(qū)域已經(jīng)基本消失了;導(dǎo)流板數(shù)量增加到8塊時(shí)，凝汽器出口平面平均溫度降到最低，為332．04 K，最高溫度降低到336．3 K;空冷單元內(nèi)部流場均勻，散熱管束迎面風(fēng)速超過6 m/s，換熱效果最佳;當(dāng)導(dǎo)流板安裝數(shù)量為10塊時(shí)，散熱管束迎面風(fēng)速與安裝8塊的情況相差不大，且在6 m/s左右，散熱管束表面平均溫度為332．21 K．

散熱管束表面溫度分布柱狀圖，如圖6所示．可以清晰的看出不同數(shù)量的導(dǎo)流板對空冷單元換熱的改善效果的差異，散熱管束表面溫度集中在325 K－335 K和小于325 K的范圍內(nèi)，當(dāng)安裝8塊導(dǎo)流板時(shí)，散熱管束表面平均溫度332．21 K，較未加裝導(dǎo)流板時(shí)減小了2．49 K，導(dǎo)流效果明顯．

3 結(jié) 論

(1)空冷單元內(nèi)部流場不均勻，散熱管束表面底角冷卻不充分，導(dǎo)致凝汽器換熱效率差．通過改變空冷單元內(nèi)部導(dǎo)流板的布置方式，可改善其內(nèi)部冷卻空氣的流場，提高空冷凝汽器的傳熱性能．

(2)導(dǎo)流板的不同安裝角度對于空冷單元內(nèi)部流場和傳熱特性的改善效果是不同的．當(dāng)導(dǎo)流板與豎直中心線呈30°角時(shí)，導(dǎo)流板對空氣的引導(dǎo)效果最佳，散熱管束迎面風(fēng)速最大，散熱器得到充分冷卻．

(3)導(dǎo)流板的安裝數(shù)量也影響著對空冷單元的優(yōu)化效果．隨著導(dǎo)流板安裝數(shù)量的增加，凝汽器出口平面的最高溫度和平均溫度都會降低．當(dāng)安裝8塊導(dǎo)流板時(shí)，散熱管束得到充分冷卻;當(dāng)安裝10塊導(dǎo)流板時(shí)，改善效果與8塊導(dǎo)流板幾乎相同，且處于布置方式等綜合考慮，本文認(rèn)為安裝8塊導(dǎo)流板即為最優(yōu)方案．

參考文獻(xiàn)

圖6 散熱管束表面溫度分布情況

［1］ 席新銘．電站直接空冷系統(tǒng)對機(jī)組經(jīng)濟(jì)性影響的研究［D］．北京:華北電力大學(xué)，2007，16:1－2．

［2］ 楊立軍，杜小澤，楊勇平，等．火電站直接空冷凝汽器積灰檢測［J］．熱能動力工程，2007，22(3):172－175．

［3］ 楊立軍，郭躍年，杜小澤，等．環(huán)境影響下的直接空冷系統(tǒng)運(yùn)行特性研究［J］．現(xiàn)代電力，2005，22(6):39－42．

［4］ 周蘭欣，李建波，李衛(wèi)華，等．直接空冷機(jī)組凝汽器加裝下?lián)躏L(fēng)墻的數(shù)值模擬［J］．動力工程，2008，28(5):744－747．

［5］ 杜小澤，金衍勝，姜劍波，等．火電站直接空冷凝汽器傳熱性能實(shí)驗(yàn)研究［J］．工程熱物理學(xué)報(bào)，2009，30(1):99－101．

［6］ J．R．Bredell，D．G．Krger，G．D．Thiart．Numerical investigation of fan performance in a forced draft air－cooled steam condenser［J］．Applied Thermal Engineering，2006，26(8):846－852．

［7］ J．R．Bredell，D．G．Krger，G．D．Thiart．Numerical investigation of fan performance in a forced draft air－cooled steam condenser［J］．MScEng Thesis，2005，32(15):163－168．

［8］ C．J．Meyer．Numerical Investigation of the effect of inlet flow distortions on forced draught air－cooled heat exchanger performance［J］．Applied Thermal Engineering，2005，25(11):1634－1649．

［9］ K．Duvenhage，J．A．Vermeul．C．J．Meyer，et al．Flow distortions at the fan inlet of forced－draught Air－cooled heat exehangers［J］．Applied Thermal Engineering，1996，16(8/9)741－752．

［10］ P．J．Hotchkiss，C．J．Meyer，T．W．von Backstrom．Numerical investigation into the effect of cross－flow on the performance of axial flow fans in forced draught air－cooled heat exchangers［J］．Applied Thermal Engineering，2006，26(10):200－208．

［11］ C．A．Salta，D．G．Krger．Effect of inlet flow distortions on fan performance in forced draft air－cooled heat exchangers［J］．Heat Recovery Systems ＆ Chp，1995，15(6):555－561．

［12］ C．J．Meyer，D．G．Krger．Air－cooled heat exchanger inlet flow losses［J］．Applied Thermal Engineering，2001，21(7):771－786．

［13］ Van Staden，P．Martin，Pretorius Leon．Numerical modeling of the effect of ambient conditions on large Power station air cooled steam condensers［C］．American Society of Mechanical Engineer，F(xiàn)ED，1995．

［14］ K．Duvenhage，D．G．Krger．The influence of wind on the performance of forced draught air－cooled heat exchangers［J］．Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1996，62(1):259－277．

［15］ Blankinship，Steve，Georgia．Power’s new cooling tower design reduces environmental impact［J］．Power Engineering，2001，9(16):11．

［16］ Wanli Zhao，Peiqing Li．Effect of wind on recirculation of direct air－cooled condenser for a large power plant［C］．USA:Asia－Pacific Power＆Energy Engineering Conference，2009．

［17］ M．T．F．Owen，D．G．Krger．The effect of screens on air－cooled steam condenser performance under windy conditions［J］．Applied Thermal Engineering，2010，30(16):2610－2615．

［18］ J．A．van Rooyen，D．G．Krger．Performance Trend of an Air－Cooled Steam Condenser Under Windy Conditions［J］．Journal of Engineering for Gas Turbine and Power，2008，130(2):023006．

［19］王秀英．淺談在我國發(fā)展大型直接空冷機(jī)組的意義［C］．上海:世界工程師大會電力和能源分會場論文集，2004．

［20］高清林．直接空冷機(jī)組存在的問題及其對策初探［J］．能源研究與信息2007，23(4):210－216．

［21］白建云．環(huán)境風(fēng)對直接空冷機(jī)組的影響及控制策略研究［J］．電力學(xué)報(bào)，2008，23(1):34－37．