直接空冷单元流场特性数值研究

周敬博，陈梅倩

(1.中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所，北京 100081)

(2.北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京 100044)

直接空冷单元流场特性数值研究

周敬博1，陈梅倩2

(1.中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所，北京 100081)

(2.北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京 100044)

通过数值模拟，分析风速、平台宽度、挡风墙高度、挡风墙形状等因素影响下的空冷单元空气流动的变化规律。研究结果表明，环境风速对流场影响较大，随着环境风速的增加，轴流风机的通风量降低，当环境风速为11 m/s时，轴流风机流量为无风时的63%;空冷平台宽度对流动传热特性影响很小;加装挡风墙下延对空冷单元轴流风机吸风量有显著提高。

直接空冷单元;流场;数值模拟;挡风墙

1 概述

我国是水资源短缺的国家，人均水资源为2 400 m3，仅占世界平均水平的1/4，已被联合国列为13个贫水国之一［1］。然而水资源与煤炭资源的分布具有极大的地域不均衡性，这种资源分布特性极大地制约了电力工业的布局，限制了电力工业的发展。采用空冷机组正是解决上述矛盾的有效途径之一。电站空冷技术是以空气取代水作为冷却介质的一种冷却方式，可比常规湿冷机组节约2/3的新鲜水［2］，同时还可避免湿冷塔排出的气雾对环境造成的污染。

目前国内针对直接空冷系统的研究以试验研究和数值模拟为主要手段。随着计算流体力学(CFD)技术的发展，直接空冷系统的数值模拟已成为一种重要的新兴研究方法。在直接空冷凝汽器的换热和流动方面，前人已经取得很大成就。目前，国内外对直接空冷凝汽器的研究主要是应用数值模拟的方法研究横风对单元流动传热特性的影响规律［3～5］。从相关研究结果来看，目前对如何削弱环境横风对空冷凝汽器单元的影响方面的研究还不完善，特别是空冷平台宽度以及挡风墙的高度、形状等影响因素对空冷单元内空气流动传热特性的研究较少。

本文应用数值分析的方法，研究不同的环境风速、平台宽度、挡风墙高度、形状等因素影响下的空冷单元在大空间的三维流动特性，可为空冷凝汽器的设计提供参考。

2 模型与边界条件

直接空冷机组是由空气代替水作为冷却介质的发电机组，其空冷岛由若干个空冷单元组成。每个空冷单元都由互成60°角的“A”字型散热器、顶部蒸汽分配管和底部轴流风机组成。在空冷平台四周布置挡风墙，以减小热风回流，同时在冬季能阻挡寒风直接吹在空冷散热器管束，以防止发生局部管束过冷而冻结［6］。

本文旨在研究空冷单元内空气的流场特性，选取一个蛇形翅片管散热器空冷单元作为研究对象，其结构如图1所示。由于空冷凝汽器暴露在大气环境中，空冷平台高度为50 m，其流动与换热性能受周围环境条件的影响很大，为此建立了一个100×100×100 m3空间环境，如图2所示。

本文对空冷单元计算区域采用分块画网格的方法，先对模型进行初步网格划分，对计算结果进行分析，观察各控制方程的收敛性是否理想，计算结果的流场和温度场趋势是否合理，在此基础上对网格进行加密，直到网格的步长大小对计算结果影响忽略不计时，才最终确立网格大小和分布。网格如图3所示。

直接空冷平台周围的大气运动和空冷散热器热空气的流动可以看作是不可压定常流动，流动区域的控制方程为雷诺平均的 N-S方程［7］。在工程实际中，流体基本处于紊流状态，控制方程采用标准k－ε方程。

计算模型选择标准k－ε双方程湍流模型，壁面函数采用标准壁面函数法。数值计算采用有限体积法，各方程离散均采用二阶迎风格式，压力－速度耦合使用SIMPLE算法。采用FLUENT软件默认的收敛准则，能量项计算残差要求小于10e－6，其余各项的计算残差要求小于10e－3，最终计算结果的稳定性和收敛性都要符合要求。

图1 空冷单元结构图

图2 计算区域示意图

图3 单元网格图

3 计算结果及分析

建立A型直接空冷单元物理数学模型，考虑不同环境风速、空冷平台宽度、挡风墙高度、形状等影响因素对单元内外空气流场温度场的影响。

3.1 不同环境风速对单元流场的影响

建立挡风墙高度为10 m、平台宽度为12 m的空冷单元模型，对X来流方向的环境风速，选取风速分别为2、5、7、9、11 m/s，考察风速对空冷单元空冷凝汽器流动特性的影响。图4所示为不同来流速度下Y=0 m截面的速度矢量图。

图4 Y=0 m截面速度矢量图

由图4可知，从迎风侧散热器流出的空气在上升过程中由于受到来流空气的冲击而被压制，并受顶部蒸汽分配管扰流向前流动。沿着来流方向，在蒸汽分配管的背风侧形成低压区，有小型漩涡形成，而从背风侧散热器流出的空气则被来流空气冲击加速流动。在挡风墙的背风侧，形成低压区，卷入了挡风墙外周围的空气，致使空气回流。由于横风的影响，速度分布在X方向上不具有对称性，A型空间内迎风侧的漩涡随着环境风速的增加而增大。由于此漩涡的影响，在风机平面迎风侧出现逆向流动。

图5 单元通风量与环境风速的关系

由图5可以看出，随着环境风速的增加，风机通风量逐渐减少，迎风侧散热器通风量在环境风速小于6 m/s时上升较缓慢，之后随着环境风速的增加上升较快。背风侧散热器通风量随着环境风速的增大基本上呈线性上升趋势。但背风侧散热器通风量总大于迎风侧散热器通风量。从轴流风机吸风量来看，随着环境风速的提高，轴流风机的通风量逐渐减少。

3.2 平台宽度对单元流场的影响

对横向来风，风速分别为2、5、7、9、11 m/s，挡风墙高度为10 m，对空冷平台宽度 b分别为12、14、16 m时对空冷凝汽器流动特性进行模拟计算。计算得到风机的通风量随环境风速的变化关系如图6所示。

由图6可以看出，随着环境风速的增加，风机通风量逐渐减少，随着平台宽度的增加，风机通风量逐渐减少，且平台宽度越大，通风量随环境风速的增大下降得越快，在风速为11 m/s时，b=16 m的风机通风量比b=12 m时减少了30 kg/s。图7为空冷平台宽度b分别为12、14、16 m时散热器出口温度与环境风速的变化关系。

图6 不同平台宽度下风机通风量随环境风速变化关系

图7 不同平台宽度下进风温度随环境风速变化关系

由图7可以看出，在环境温度不变，风机进风口温度随着环境风速的增加而增加，当环境风速小于7 m/s时，风机进风口温度变化比较缓慢，之后随着环境风速的增加迅速增加。挡风墙与空冷单元距离对风机进风温度的影响不是很大，平台宽度b=16 m时温度上升最快，b=12 m时温度上升得较缓慢，尤其是风速较小时，温度基本不受影响。

3.3 挡风墙高度对单元流场的影响

对X向来风，风速分别为2、5、7、9、11 m/s，平台宽度为14 m，挡风墙高度分别为10、12、14、12 m(往下延伸2 m)时空冷凝汽器流动传热特性进行模拟计算。图8为不同挡风墙高度下风机通风量随环境风速的变化关系。

由图8可以看出，挡风墙往上延伸时，风机通风量随风速的增加下降得较快，不同高度的挡风墙对风机通风量的影响不大。加装挡风墙下延后，风速小于5 m/s时，挡风墙对风机通风量影响也不大，当风速大于5 m/s时，风机通风量下降得较缓慢，在风速为11 m/s时，风机通风量比挡风墙为10 m的风机通风量增加了70 kg/s。

根据空气动力学原理，空气的流动是一种不规则的紊流现象，其流量传输在宏观上表现为扩散现象。当处于扩散中的风场遇到障碍时就会在障碍物周围形成漩涡，在环境风场的作用下，在挡风墙附近上形成漩涡。同时，靠近挡风墙的风机出口附近有一定的负压区，在空冷散热器上部自风场的作用下，部分热空气在扩散过程中就会折向下，这样空冷平台上的热空气在这两种负压作用下被吸入靠近挡风墙的空冷风机，造成吸入空气的温度高于环境温度，从而使空冷散热器的换热性能下降。

通过以上分析可知，挡风墙对影响空冷凝汽器的换热效率有较大影响。随着挡风墙高度的增加，回流热风的行程也得到延长，从而降低了风机入口冷却介质的温度，同时也增加了外围风机入口处的压力，使流过空冷单元的空气流量增大，提高了空冷凝汽器的换热效率。尤其是加装挡风墙下延后，空冷凝汽器的换热效率明显提高，在风速为11 m/s时，加装挡风墙下延后的风机通风量比挡风墙为10 m的风机通风量增加了70 kg/s。

图8 不同挡风墙高度下风机通风量随环境风速变化关系

3.4 挡风墙形状对单元流场的影响

对X向来风，风速分别为2、5、7、9、11 m/s时，空冷平台宽度为14 m时，不同形状挡风墙对空冷凝汽器流动传热特性进行模拟计算。图9为不同形状的挡风墙。为方便表示，图9中的挡风墙形状风别用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表示。

图10为不同挡风墙形状下，风机通风量随环境风速的变化关系。由图10可以看出，随风速的增加，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ形状的挡风墙风机的通风量下降缓慢，而Ⅰ形状的挡风墙风机通风量则下降较快。当风速为7 m/s时，Ⅳ型挡风墙的风机通风量比Ⅰ型挡风墙增加了70 kg/s。通过以上分析可知，挡风墙形状对影响空冷凝汽器的换热效率有较大影响。改变挡风墙下延面的曲率，能延长回流热风的行程，从而降低风机入口冷却介质的温度，同时也增加了外围风机入口处的压力，使流过空冷单元的空气流量增大，提高了空冷凝汽器的换热效率。

图9 四种挡风墙形状示意图

图10 不同挡风墙形状下风机通风量随环境风速变化关系

4 结论

通过数值模拟，对空冷单元模拟结果进行分析，可得如下结论:

(1)环境侧风对空冷单元的流畅特性影响很大，随着环境风速的增大，通风量变小，散热器温度升高，空冷机组经济性降低;当X向风速度11 m/s时，通风量为305.5kg/s，为无风时的63%。

(2)对于单个空冷单元，在所研究的空冷平台宽度的范围内，平台宽度越小对空冷平台的换热效率影响越小。环境风速为11 m/s时，b=16 m的风机通风量比b=12 m的风机通风量减少了30 kg/s。

(3)随着挡风墙高度的增加，回流热风的行程也得到延长，从而降低了风机入口冷却介质的温度，同时也增加了外围风机入口处的压力，使流过空冷单元的空气流量增大，提高了空冷凝汽器的换热效率。尤其是加装挡风墙下延后，空冷凝汽器的换热效率明显提高。在风速为11 m/s时，加装挡风墙下延后的风机通风量比挡风墙为10 m的风机通风量增加了70 kg/s。

(4)挡风墙形状能影响空冷单元的换热效果，下挡风墙的曲面会影响风机的通风量。当风速为7 m/s时，4型挡风墙的风机通风量比1型挡风墙增加了70 kg/s。

［1］ 严俊杰，张春雨，李秀云，等.直接空冷系统变工况特性的理论研究［J］.热能动力工程，2000(15):601～603.

［2］ 周兰欣.600MW直接空冷机组变工况特性的研究［J］.动力工程，2007，27(2):165～168.

［3］ Meyer CJ，Kroger DG.Numerical investigation of the effect of fan performance on forced draught air-cooled heat exchanger plenum chamber aerodynamic behaviour［J］. Applied Thermal Engineering，2004，24(2):359－371.

［4］ 张遐龄，杨旭，李向群，等.火电厂空冷平台换热的数值模拟［J］.水动力学研究与进展，2005(20):874－880.

［5］ 赵文升，王松龄，高月芬，等.直接空冷系统中热风回流现象的数值模拟和分析［J］.动力工程，2007，27(5):487－491.

［6］ 温高.发电厂空冷技术［M］.北京:中国电力出版社，2008.6－8.

［7］ 陶文铨.数值传热学［M］.西安:西安交通大学出版社，2001.

Numerical Study of the Flow Characteristics of Direct Air－cooled Condenser Unit

ZHOU Jing-bo1，CHEN Mei-qian2
(1.Energy Saving and Environmental Protection and Occupational Safety and Health Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China;2.School of Mechanical，Electronical and Control Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China)

By way of CFD，the influence of wind velocity，distance by windbread，windbread height and windbread shape upon the flow and heat transfer of the cooling air was analyzed.It is concluded that crosswind influence the velocity and temperature distribution much.The mass flow rate decrease when the crosswind velocities increase.The mass flow is 63% of which when the wind speed is 11 m/s.The distance by windbread and air-cooled unit influence the velocity and temperature distribution slight.Adding lower windbreak increased the heat transfer efficiency of air-cooled unit significantly.

air-cooled condenser; flow characteristics; numerical simulation; windbread

TK01+8

A

2095－1671(2011)02－0067－05

2010-12-28;

2011-01-25

周敬博(1985—)，男，辽宁辽阳人，研究实习员，硕士，主要从事节能科研、规划工作。