曹旖旎，盛 偉

（沈陽(yáng)工程學(xué)院a.能源與動(dòng)力學(xué)院；b.發(fā)展規(guī)劃處，遼寧 沈陽(yáng) 110136）

在我國(guó)極度缺水的華北地區(qū)，火電廠的建設(shè)受制于水源，為了滿足此類(lèi)缺水地區(qū)的電力需求，采用節(jié)水效果明顯的空冷技術(shù)對(duì)火電廠進(jìn)行優(yōu)化。因此，空冷機(jī)組得到了高速發(fā)展。放在45 m 高的空冷平臺(tái)上的空冷凝汽器利用環(huán)境風(fēng)來(lái)冷凝汽輪機(jī)排放的蒸汽［1］。由于放置的地方過(guò)高，使其受環(huán)境風(fēng)的影響非常大。在夏季，風(fēng)速大或溫度高的熱風(fēng)發(fā)生回流和倒灌，將導(dǎo)致機(jī)組的換熱效率下降［2］。對(duì)此，有學(xué)者提出了一種采用地下風(fēng)道進(jìn)風(fēng)的方式，即將空冷平臺(tái)降低至近地面，挖空空冷平臺(tái)的底部，形成巨大的地下風(fēng)室，冷卻空氣從百米外的進(jìn)口處通過(guò)地下風(fēng)道進(jìn)入地下風(fēng)室，然后通過(guò)安置在空冷平臺(tái)上的軸流風(fēng)機(jī)送入凝汽器的翅片管束，冷卻汽輪機(jī)排放的蒸汽，冷卻產(chǎn)生的熱空氣向上排放到環(huán)境中，生成的凝結(jié)水進(jìn)入凝結(jié)水箱［3］。地下風(fēng)道進(jìn)風(fēng)空冷島的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 地下風(fēng)道進(jìn)風(fēng)空冷島的結(jié)構(gòu)

1 地下進(jìn)風(fēng)空冷島的優(yōu)點(diǎn)

1.1 避免了熱風(fēng)回流和倒灌

將空冷平臺(tái)降低后，可以利用擋風(fēng)墻將空冷島距離地面的部分圍住，使空冷平臺(tái)下方變成一個(gè)封閉的空間。當(dāng)風(fēng)從百米外的進(jìn)風(fēng)口經(jīng)過(guò)地下風(fēng)道進(jìn)入地下風(fēng)室時(shí)，空冷凝汽器出口的熱風(fēng)將不能返回到風(fēng)機(jī)入口，這就避免了熱風(fēng)回流［4］。由于添加了下?lián)躏L(fēng)墻，風(fēng)機(jī)入口處幾乎沒(méi)有橫向吹過(guò)的風(fēng)，空氣流動(dòng)穩(wěn)定，風(fēng)機(jī)的迎風(fēng)側(cè)下方不會(huì)產(chǎn)生低壓區(qū)，避免了熱風(fēng)倒灌。

1.2 地下風(fēng)室冬暖夏涼

地下的土壤不會(huì)受外界環(huán)境的影響，溫度近似恒定，并且還有冬暖夏涼的功能。因此，在溫度較高的夏季，空氣經(jīng)過(guò)地下通道后，溫度會(huì)降低，有效地減少了翅片氧化，避免了溫度過(guò)高而使換熱量減少；在寒冷的冬季，土壤會(huì)使環(huán)境風(fēng)的溫度上升，有效地緩解了凝汽器管道的凍結(jié)［5］。

1.3 凈化空氣，回收除鹽水

通過(guò)地下風(fēng)道進(jìn)風(fēng)，可以在進(jìn)風(fēng)的位置加設(shè)空氣濾網(wǎng)，除掉空氣中的一些雜質(zhì)。在高溫的夏季，利用除鹽水進(jìn)行噴霧增濕，在降低空氣溫度的同時(shí)凈化了空氣，使進(jìn)入地下風(fēng)室的空氣清新、干凈，減少了散熱器表面的污穢，提升凝汽器的換熱效果。在地下風(fēng)道和風(fēng)室內(nèi)壁裝不銹鋼板，回收使用后剩余的除鹽水，再將除鹽水凈化處理后可再次使用，節(jié)約了水資源［6］。

2 地下進(jìn)風(fēng)空冷島的模型及計(jì)算方法

2.1 地下進(jìn)風(fēng)空冷島的模型及網(wǎng)格劃分

以600 MW 直接空冷機(jī)組為研究對(duì)象?？绽淦脚_(tái)的橫截面積是70 m×80 m，由56個(gè)空冷單元構(gòu)成，每個(gè)空冷單元都是10 m×10 m×10 m 的小立方體，代表空冷凝汽器。空冷平臺(tái)的下表面距離地面的高度為10 m，建造擋風(fēng)墻。地下風(fēng)室的水平截面積是70 m×80 m，深度是40 m。3 個(gè)風(fēng)道的橫截面積分別為70 m×30 m、70 m×30 m 和80 m×30 m，長(zhǎng)度均是100 m，將其中2個(gè)風(fēng)道設(shè)置成45°的斜風(fēng)道［7］。利用ANSYS軟件中的Space claim 畫(huà)出幾何模型，將風(fēng)向設(shè)置為-X方向，如圖2所示。在Mesh中生成網(wǎng)格，考慮到對(duì)計(jì)算準(zhǔn)確性的要求及計(jì)算機(jī)性能的阻礙，對(duì)56 個(gè)空冷單元、地下風(fēng)道和地下風(fēng)室采用了四面體網(wǎng)格劃分［8］，網(wǎng)格質(zhì)量扭曲度最大為0.80 且數(shù)量很少，較精確，網(wǎng)格數(shù)量約為1.12×105，然后導(dǎo)入到Fluent 中進(jìn)行模擬計(jì)算。網(wǎng)格劃分情況如圖3所示。

圖2 地下進(jìn)風(fēng)空冷島的簡(jiǎn)化模型

圖3 網(wǎng)格劃分

2.2 空冷單元編碼

對(duì)空冷單元編號(hào)，距離汽輪機(jī)房和鍋爐房較遠(yuǎn)的地方設(shè)為第1 行，距離進(jìn)風(fēng)口1 較近的位置設(shè)為第1列，具體的編號(hào)如圖4所示。

圖4 空冷單元的編號(hào)

2.3 控制方程

為了研究地下進(jìn)風(fēng)空冷島風(fēng)道和風(fēng)室內(nèi)空氣的流動(dòng)過(guò)程及每個(gè)空冷機(jī)組的換熱過(guò)程，采用連續(xù)性方程、本構(gòu)方程、動(dòng)量方程、能量守恒方程、標(biāo)準(zhǔn)k-e湍流模式［9］。

連續(xù)性方程：

式中，u和ν是流體的速度；ρ是空氣的密度；i=1，j=2，k=3；μ是流體的動(dòng)力粘性系數(shù)；P是壓力；τij是應(yīng)力張量；εij是應(yīng)變率張量。

2.4 邊界條件的設(shè)置

在Y軸設(shè)置重力加速度，然后將56 個(gè)空冷單元的入口設(shè)置為空氣進(jìn)口邊界（interior），下?lián)躏L(fēng)墻、地下風(fēng)道和地下風(fēng)室的外表面設(shè)置為墻邊界（wall），內(nèi)部設(shè)置為1 個(gè)流域（fluid-air）。每個(gè)空冷單元的入口設(shè)置源項(xiàng)代替1 個(gè)動(dòng)力，56 個(gè)空冷單元出口設(shè)置為壓力出口邊界條件（pressureout），3 個(gè)進(jìn)風(fēng)口設(shè)置為速度進(jìn)口邊界條件（veloc‐ity-in）［11］。

3 模擬計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 空冷單元流量

不同進(jìn)口風(fēng)速下，地下進(jìn)風(fēng)空冷島的空冷單元流量如圖5所示。

圖5 地下進(jìn)風(fēng)空冷島的空冷單元流量

由圖5 可知：當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)，由于地下的阻力作用，地下進(jìn)風(fēng)空冷島的總流量比地上低；當(dāng)進(jìn)口風(fēng)速為3 m/s 時(shí)，距離2#進(jìn)風(fēng)口較近位置的空冷單元流量較低，但也可以達(dá)到270 kg/s 以上，四周受下?lián)躏L(fēng)墻影響，空冷單元流量較中間低；當(dāng)進(jìn)口風(fēng)速大于5 m/s 時(shí)，空冷單元流量從距離2#進(jìn)風(fēng)口較近位置向較遠(yuǎn)位置逐漸增加，這是因?yàn)楸筹L(fēng)側(cè)風(fēng)機(jī)入口壓力升高，空冷單元流量增加，而迎風(fēng)側(cè)壓力降低，空冷單元流量減少，并且隨著風(fēng)速逐漸增加，迎風(fēng)側(cè)受影響的空冷單元越來(lái)越多，但56 個(gè)空冷單元總流量隨風(fēng)速的增加而增加，增加幅度較穩(wěn)定，最大增量約為150 kg/s。

地上進(jìn)風(fēng)空冷島的空冷單元流量如圖6所示。

圖6 地上進(jìn)風(fēng)空冷島的空冷單元流量

由圖6 可知：當(dāng)風(fēng)速為5 m/s 時(shí)，地上進(jìn)風(fēng)空冷島的迎風(fēng)側(cè)前兩行出現(xiàn)了熱風(fēng)回流，導(dǎo)致空冷單元流量較低，甚至出現(xiàn)負(fù)值；當(dāng)風(fēng)速到達(dá)9 m/s 時(shí)，熱風(fēng)倒灌成為影響空冷單元流量的主要原因，前兩行空冷單元流量?jī)H為10 kg/s左右［12］。

地下進(jìn)風(fēng)空冷島與地上進(jìn)風(fēng)空冷島相比，總流量平均提高了9 512.01 kg/s，如圖7所示。

圖7 地上和地下進(jìn)風(fēng)空冷島總流量的變化

3.2 空冷單元出口溫度

圖8 為地上和地下進(jìn)風(fēng)空冷島空冷單元出口溫度的變化曲線。

圖8 地上和地下進(jìn)風(fēng)空冷島空冷單元出口溫度的變化

由圖8 可知：隨著風(fēng)速增大，地下進(jìn)風(fēng)空冷島的空冷單元出口溫度未發(fā)生較大變化，平均溫度在329 K 左右，換熱效果穩(wěn)定；由于熱風(fēng)回流和倒灌，地上進(jìn)風(fēng)空冷島的空冷單元出口溫度隨風(fēng)速增加而下降，換熱效果逐漸變差［13］。

3.3 空冷單元的換熱效率

式中，Qr是56個(gè)空冷單元的實(shí)際吸熱量；Di是空冷單元空氣流量；Δti是空冷單元出入口風(fēng)溫；cp是空氣的定壓比熱容；η是凝汽器的換熱效率。

計(jì)算條件：額定工況下，外界溫度是300 K，空冷機(jī)組的排汽總熱量是770 MW，每個(gè)空冷單元的熱量是13.75 MW，空冷單元的流量是428 kg/s。

地下進(jìn)風(fēng)空冷島空冷單元的換熱效率如圖9所示。

圖9 地下進(jìn)風(fēng)空冷島空冷單元的換熱效率

由圖9 可知：地下進(jìn)風(fēng)空冷島的空冷單元換熱效率的變化與流量的變化基本一致；隨著風(fēng)速增加，空冷單元的換熱效率穩(wěn)定，這是因?yàn)榈叵嘛L(fēng)室是密閉的，阻擋了熱風(fēng)回流和倒灌，風(fēng)機(jī)的入口溫度幾乎不受影響，空冷單元的換熱效率主要由流量決定；隨著-X方向上風(fēng)速的改變，地下進(jìn)風(fēng)空冷島的換熱效率逐漸增加，增加的幅度不大，換熱效率平均達(dá)到75.09%；采用地上進(jìn)風(fēng)方式的直接空冷機(jī)組的空冷島換熱效率隨風(fēng)速增加而下降，且下降幅度很大［16-17］，地下進(jìn)風(fēng)和地上進(jìn)風(fēng)相比，空冷島換熱效率平均提高了29.19%，如圖10所示。

圖10 地上和地下進(jìn)風(fēng)空冷島換熱效率的變化

4 結(jié)論

1）采用地下風(fēng)道進(jìn)風(fēng)的空冷島沒(méi)有出現(xiàn)熱風(fēng)回流和倒灌的情況，空冷單元流量受風(fēng)速影響較小，與地上進(jìn)風(fēng)相比，總流量平均提高了9 502.01 kg/s。

2）采用地下風(fēng)道進(jìn)風(fēng)的空冷島空冷單元出口溫度受風(fēng)速影響較小，溫度一直在329 K左右。

3）空冷單元換熱效率變化與空冷單元流量變化相似，地下進(jìn)風(fēng)的空冷島換熱效率比地上平均提高29.19%。

4）地下風(fēng)道進(jìn)風(fēng)的方法還沒(méi)有進(jìn)行實(shí)施，施工投資較大，需要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性討論。