Airpak模拟用于汽轮机房通风设计及优化

徐菱虹， 刘云霞， 胡 璋

(华中科技大学 环境科学与工程学院， 湖北 武汉 430074)

目前国内大力兴建火力发电厂，因能源利用成本低，设计建设时缺乏节能意识，因此存在严重的建筑能耗问题。汽轮机房通风系统因散热量大、通风散热意义重大，设计时常侧重于通风安全性，而较少考虑节能，因此也是火电厂建设中能源耗费严重的典型。合理的设计方案不仅要满足通风散热要求，还要尽量节约能源。

近年来，随CFD技术的成熟，国内外学者对大空间建筑通风做了大量模拟研究[1～3]，接近真实测试数据的模拟研究结果对实际工程有重大指导意义。本文以面向HVAC领域的Airpak软件为模拟仿真工具，对一实际火电厂工程的汽轮机房通风系统进行模拟研究，分析其通风效果，并在此基础上进行节能改善，通过模拟验证，设计出理想的节能通风系统。

1 汽轮机房通风设计

本文选取的研究对象为一个实际的大型火电厂工程设计项目——2×300 MW热电联产工程，地处河南安阳，夏季通风设计温度为32℃。原工程设计中通风系统为下部百叶窗自然进风，上部屋顶通风机排风的自然进风、机械排风方式。汽轮机房各层的楼板均为栅格楼板，通风设计示意图见图1。

1、2—防爆屋顶风机，3—汽轮机组，4—除氧器；图1 通风设计示意图

设备总散热量为6950 kW；总散湿量为2200 kg/h。工程设计中，设计人员计算出排除汽轮机房室内余热(余湿)所需通风量为301×104kg/h (267×104m3/h)；排除除氧间室内余热(余湿)所需要的通风量为64.5×104kg/h(57.5×104m3/h)。汽轮机房屋顶布置32台No.15防爆屋顶风机，其型号为：DWT No.15，a=17°，风量：85000 m3/h，配电机YB2-160L-8，n=720 rpm，N=5.5 kW。除氧间屋顶布置10台No.14防爆屋顶风机，其型号为：DWT No.14，a=20°，风量：60000 m3/h，配电机YB2-160L-8，n=560 rpm，N=4 kW。风机运行总功率为216 kW。

根据《火力发电厂及变电所供暖通风空调设计手册》中给出的通风量估算值[4]，此2×300 MW工程的汽轮机房通风量为200×104kg/h;除氧间的风量估算值为56×104kg/h。可见，在此工程设计中，设计人员过多考虑通风安全，通风换气量计算值偏大。

2 数学模型及边界条件

Airpak软件是Fluent软件下特别面向HVAC领域的专业人工环境系统分析软件，近年来大量应用于工程流场的研究，大量实例验证了其模拟计算结果的准确性[5～7]，可用于进行通风系统的专业分析。

AirPak提供4种湍流模型：混合长度模型、Indoor零方程模型、标准k-ε模型、RNGk-ε模型。

Chen等人从在普朗特Prandtl的混合长度模型的动力学湍流粘度表达式中提出了一个简单的代数方程式来表示湍流黏度，将湍流黏度看作当地时均速度和长度尺度的函数[5]，即

μt=0.03874ρυl

(1)

式中：υ为当地时均速度；长度尺度l被定义为与最近壁面的距离。

Indoor零方程模型是为模拟室内空气流动而发展来的，为暖通空调气流组织的研究提供了一个简单而又可靠的湍流模型。它计算收敛速度快、收敛稳定性好，对预测室内气流组织的效果很理想，适用于自然流动、机械流动、混合流动以及置换通风。本文研究的是强热源工业厂房的通风问题，考虑到室内置换式通风及计算的经济性，故选择Indoor零方程湍流模型。

3 夏季通风设计工况模拟计算分析

3.1 几何模型

本文所研究的火力发电厂，主厂房按2×300 MW机组布置，在老厂房扩建端扩建，横向按汽机房、除氧间、煤仓间和锅炉房顺序排列，汽轮发电机组纵向布置。汽机房采用大平台布置，运转层标高12.6 m，中间层标高6.3 m，除氧间标高22 m，除氧间跨距9 m。主厂房柱距9 m，共18档，外加一个伸缩缝和距老厂房扩建端距离，主厂房总长度为169.5 m，汽机房、除氧间屋顶标高33 m。对建筑内部不影响通风的结构进行简化，建立简化模型如图2所示。

2014-2016年，门诊中成药销售金额分别为348.04、305.17和288.23万元，分别占门诊药品销售总金额的42.28%、36.22%和36.98%。中成药均为口服或外用品种，口服中成药的金额占比最高，未使用中药注射剂。2014-2016年不同给药途径中成药销售金额见表1。

图2 汽轮机房通风系统几何模型

3.2 求解参数设定及求解控制

结合Airpak软件中各数学模型特点，运算Airpak时离散求解的相关参数设置如下：

(1)湍流模型：Indoor零方程模型；

(2)松弛因子：压力为0.3；动量为0.7；温度为1.0；速度为1.0；k为0.5；ε为0.5；

(3)收敛准则：连续性方程变量为1×10-3；能量变量为1×10-6；各速度分量变量为1×10-3。

采用稳态算法，开启默认的S2S辐射模型运算，并开启了室内空气质量/室内舒适性控制可计算解决流场(流速和压力)和温度问题。设置环境温度为32℃，室内初始温度为环境温度，室内初始风速为0，设置默认流体为空气。

3.3 夏季通风设计工况模拟分析

在数值模拟计算结果中，直观反映出通风效果的指标就是工作区温度场、速度场，以及排风区的温度场、速度场、空气年龄。

设置进风口模型Vent：各进风百叶开启角度一致，则设置进风速度一致。原工程设计中实际设计风速为2.889 m/s，在建模的过程中预先考虑流量因素的影响，故设计进风口平均风速设置为1.83 m/s。汽轮机房进风量分配与汽轮机房各层的进风面积分配比一致，即为底层49.5%，中间层21%，运转层29.5%。

设置排风口模型Fan：汽轮机房屋顶布置32台No.15防爆屋顶风机，全开启，设置为定流量排风，排风速率为23.17 m3/s；除氧间屋顶布置10台No.14防爆屋顶风机，全开启，设置为定流量排风，排风速率为16.0 m3/s。

图3 Y=1.5 m截面(底层工作区)温度矢量图

图4 Y=14.1 m截面(运转层工作平台)温度矢量图

图5 Z=-24 m截面(汽轮机房屋顶风机中心截面)温度矢量图

图6 X=72 m截面(汽轮机房某屋顶风机中心截面)温度矢量图

模拟运算结果如图3～6。以上模拟结果图近似真实且直观地显示了通风效果：

(2)汽轮机房内同截面上的温度场并不均匀，在汽轮机房上空，远离屋顶风机的外门侧温度明显高出近风机侧的下空，在上空屋角处存在着热量聚集问题。

4 通风设计改善及节能设计模拟

原通风系统模拟计算结果表明，原设计中通风量偏大，有一定节能空间。因此，可以考虑减少通风量，关闭某些风机，实现节能。经过多次试验，得出如下改进设计方案的效果最理想。

关闭6台No.15防爆屋顶风机，其它风机仍正常运行。因设备散热造成的热负荷造成热气流上升，因而，上部进风口风速大时通风效果较好。调整进风风速，使汽轮机房各层窗口的进风分配比例为：底层40%，中间层20%，运转层40%。模拟计算结果如图7～10。

综上模拟结果图可知，此节能改进设计是成功的，在通风设计室外温度32℃的条件下，比原工程设计减少运行了6台No.15防爆屋顶风机，

图7 改进后Y=1.5 m截面(底层工作区)温度矢量图

图8 改进后Y=14.1 m截面(运转层工作平台)温度矢量图

图9 改进后Z=-24 m截面(汽轮机房屋顶风机中心截面)温度矢量图

图10 改进后X=72 m截面温度矢量图

工作区温度仍然在设计要求温度35℃范围内，排风温度也能满足设计要求温度40℃，通风效果仍能完全满足通风散热设计要求，且温度场较均匀，不存在气流死角导致的热量聚集问题。而此时，风机运行总能耗降为183 kW，比原工程设计工况的216 kW节能33 kW，节能率达到15.3%。

5 结论及展望

利用Airpak软件对原工程设计的夏季通风系统进行验证，从反映通风散热效果的指标的温度场，得出原设计存在能耗严重、气流组织不均匀的结果。从改善通风气流组织效果和节能两方面出发，对汽轮机房的通风设计做改善，得到夏季通风系统运行节能33 kW(节能率为15.3%)的满意设计工况，同时解决了气流组织不均匀的问题。

采用CFD技术模拟计算大空间建筑物的通风系统还处于起步阶段，需要研究工作者进一步的努力，实现CFD模拟研究能简单而准确地反映真实的目标，以便于在实际工程设计中能推广应用CFD技术以指导设计、优化设计。本文采用了面向HVAC的专业CFD软件Airpak，建模简单而计算准确，但还存在一些问题有待进一步研究，主要问题有：

(1)因风压易变而难以准确计算，本研究中只考虑了热压的作用，而忽略了外界风压对通风系统的影响，若能在模拟中较准确地考虑风压和热压的共同影响，模拟结果将会更准确。

(2)Airpak提供的湍流模型各有适用流场，且各有优缺点，需探索更适合于大空间建筑物通风系统的湍流模型。

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