空冷岛加装挡风网对凝汽器换热效率的影响

周兰欣，王晓斐，吴瑞康

(电站设备状态监测与控制教育部重点实验室(华北电力大学)，河北省保定市071003)

空冷岛加装挡风网对凝汽器换热效率的影响

周兰欣，王晓斐，吴瑞康

(电站设备状态监测与控制教育部重点实验室(华北电力大学)，河北省保定市071003)

利用CFD数值模拟Fluent软件，以某600 MW直接空冷机组为例，模拟环境风对空冷凝汽器换热效率的影响，提出在空冷岛周围加装不同形式挡风网的方案。模拟计算结果表明:加装挡风网后，在大风条件下，热风回流和“倒灌”现象均减弱，空冷单元空气流量增加;在环境风速为0～12 m/s的情况下，机组凝汽器平均换热效率可达到72.52%，比不加挡风网时高24.51%。

直接空冷机组;凝汽器;挡风网;数值模拟;换热效率

0 引言

直接空冷机组主要安装在水资源贫乏的“三北”地区，其汽轮机的排汽是直接由环境中的空气进行冷却的，换热效率受环境风的影响很大，尤其是在夏季大风情况下，容易产生热风回流与“倒灌”现象［1-2］。为了提高空冷凝汽器平均换热效率，很多学者对空冷岛高度、空冷岛挡风墙的布置方式进行了优化模拟。文献［3-4］等研究了空冷平台高度对空冷凝汽器换热效率的影响，文献［5-8］等研究了挡风墙对空冷机组的影响。

本文提出在空冷岛周围加装挡风网的几种方案，以600 MW机组为例，模拟挡风网对空冷凝汽器换热效率的影响。

1 计算模型的建立

1.1 几何模型及网格划分

根据某600 MW直接空冷机组的物理模型和物理特点，利用Gambit软件生成相应的几何模型和计算网格。整个空冷岛由8×7个空冷单元组成;空冷平台高45 m，总宽80 m，总长70 m;上挡风墙高10 m，锅炉房尺寸为60 m×35 m×90 m(长×宽×高);汽机房尺寸为60 m×35 m×35 m(长×宽×高);整个计算区域尺寸为500 m×500 m×300 m (长×宽×高)。平面分布如图1所示。

图1中的纵横数字分别表示列和行，空冷岛由7行8列空冷单元组成。

在进行网格划分时，为减少网格数量并且提高网格质量，对整个计算区域采用分块划分法，尽可能多地采用结构化网格，对局部关键区域进行加密细化。验证网格独立性，以风速为6 m/s并且不加挡风网为例，分别采用网格数为179万，223万，256万个的3种网格对模型进行计算。用空冷凝汽器的平均换热效率作为标准，计算得出相对偏差很小的结果，经过分析采用网格数约为223万个。

1.2 边界条件

本模型考虑重力作用，在竖直方向(z方向)设置重力加速度，环境温度为306 K，压力为97.4 kPa;风机进口设置为风扇边界条件，计算区域的进风侧设置为速度入口边界条件，下部设置为墙壁边界条件，其余均设置为出口边界条件;空冷凝汽器的上挡风墙以及柱子均设置为墙壁边界条件。

1.2.1 进口边界的设置

计算域的进口采用大气边界层函数即迪肯(Deaccon)的幂定律:

式中:z0为气流达到均匀流时的高度，m;u0为z0处来流平均风速，m/s;zi为任意高度值，m;ui为zi高度处的平均风速，m/s;α为地面粗糙系数，地面的粗糙度越大α的值也就越大，本文取0.2。

1.2.2 空冷凝汽器的设置

本文研究风扇进口和凝汽器出口的流场及温度，不研究空冷单元内部的空气流动特性，所以将空冷单元简化，如图2所示［9-10］。

空冷凝汽器的换热情况可以利用Fluent软件中自带的热交换模块进行计算;流动阻力可以利用多孔介质模型进行计算，将流经物理模型空间的流动阻力看作是动量控制方程的附加动量源，源项由粘性损失项和惯性损失项组成。对于简单的均匀多孔介质其表达式为

式中:Si为动量方程中应附加的源项，μ为粘性系数，Pa·s;v为速度矢量，m/s;1/α为粘性阻力系数，1/m2;C2为惯性阻力系数，1/m。

计算的关系式参考经验公式为

因为凝汽器是A型布置，每个空冷单元的布置具有对称性，故模型中凝汽器迎风面积约为实际凝汽器的一半;模型中多孔介质厚度为1 m，所以得到所用模拟凝汽器单位长度阻力压降与速度之间的关系为

由式(2)、(4)得到凝汽器传热面法线方向上的粘性阻力系数和惯性阻力系数。

1.2.3 挡风网的设置

选用Galebreaker公司生产的聚氯乙烯材质的挡风网，厚2 mm，用厂家提供的挡风效率曲线设置合适的参数，利用多孔跳跃(porous-jump，PJ)边界条件来实现设置挡风网［11-12］。挡风网具有有限的厚度，且压力变化满足附加一个内部损失之后的达西定律:

式中Δm为薄膜(即挡风网)厚度，m。

1.3 湍流模型及主控方程

本文模拟对象是不可压缩定常流动，流体区域的流动满足三维流动控制方程，数值模拟采用雷诺应力平均N-S方程。

连续性方程:

动量守恒方程:

本构方程:

采用标准k－ε湍流模式:

模型还涉及热量交换，运用能量方程:

式中:ρ为空气密度，kg/m3;u为速度，m/s;i，j，k=1，2，3;p为压力，Pa;μ为流体动力粘性系数，Pa·s;τij为应力张量，Pa;εij为应变率张量，1/s。

2 计算结果分析

定义凝汽器的换热效率为空气的吸热量与凝汽器排热量之比，如下式表示:

式中:Qa为实际空气吸热量，MW;Di为空冷单元空气质量流量，kg/s;t1i、t2i分别为空冷单元进、出口空气的平均温度，℃;Cp为空气定压比热容，kJ/(kg·℃);Qs为所用机组考核工况下凝汽器的排热量，MW。

在主导风向、不同风速下，通过分析空冷凝汽器的换热效率的变化，以优化挡风网的结构。

2.1 环境风对空冷凝汽器的影响

图3表示在0，3，9 m/s 3种不同环境风速下，无挡风网时空冷岛周围的温度等值线。

从图3中可以看出，当环境风速v=0 m/s时，散热器上方出现蒸腾现象。随着环境风速的增加，蒸腾现象受环境风扩散作用的影响增加，当v≥3 m/s时，蒸腾现象出现的羽流状热气被环境风破坏，出现热风再循环。随着环境风速进一步增加，热风再循环现象加剧，并且出现“倒灌”现象，v=9 m/s时，出现明显的“倒灌”现象。

2.2 挡风网对空冷凝汽器换热性能的影响

为了减小环境风对空冷凝汽器换热效率的影响，在空冷岛四周加装挡风网，减小热风回流和“倒灌”现象，增加空冷凝汽器空气流量，提高换热效率;同时减少被风机吸入的柳絮粉尘量，减少凝汽器外部结垢量，减小外部污垢热阻，从而提高换热效率。本文列出了3种挡风网方案，研究它们对空冷凝汽器换热性能的影响，3种方案安装方式如图4所示。

方案一为顺着上挡风墙向下延伸至地面加装45 m高的挡风网;方案二为由上挡风墙下沿向四周水平加装宽10 m的挡风网，并在水平挡风网边缘处向下延伸至地面加装45 m高竖直挡风网;方案三为将方案二中水平方向的档风网改装成水平挡板。

2.2.1 加装挡风网对通风量和风机进口空气温度的影响

以环境风速v=9 m/s，加装开孔率为50%的挡风网为例，图5为无挡风网和加装3种不同方案挡风网情况下的空冷单元的空气流量图。由图5可以看出，空冷平台高45 m，空冷平台下方有足够大的空间，所以加装挡风网后，空冷平台下方仍有足够的空气供凝汽器换热。并且，由于挡风网的阻力作用，风机入口环境风的横向速度减小，静压增大，使得机组空冷单元空气流量增加，空气总流量分别为10 022.21，11 931.77，10 459.74，19 677.72 kg/s。

空冷单元进口空气温度示意如图6所示。从图6可以看出，加装挡风网后，热风回流和“倒灌”现象减弱，特别是按方案三加装挡风网后，热风回流和“倒灌”现象消失，无挡风网和加装3种不同方案挡风网时，风机进口空气平均温度分别为310.05，308.27，309.40，306.34 K。

2.2.2 不同环境风速下挡风网对空冷凝汽器换热效率的影响

图7是按不同方案加装开孔率为50%的挡风网时，不同环境风速下空冷凝汽器的换热效率曲线。从图7中可以看出，v=0 m/s时，加装不同方案挡风网后，换热效率稍有下降，这是因为在加装挡风网后，空气流动受挡风网的阻力作用所致。v＞0 m/s时，加装不同方案的挡风网换热效率均有所增加，并且风速越大，换热效率提高越多。方案三的挡风效果最好，在环境风速0～12 m/s情况下，其平均换热效率为72.52%，比不加挡风网时高24.51%。

2.2.3 开孔率对空冷凝汽器换热效率的影响

挡风网的开孔率不同，使得空气流过挡风网时所受阻力不同，通过挡风网的速度也不同，导致风机吸入到空冷单元内的空气流量、风机进口空气温度等不同，从而影响凝汽器的换热效率。

图8为不同环境风速时平均换热效率随开孔率变化的曲线。

由图8可以看出挡风网开孔率对挡风效果的影响。在v=0 m/s的情况下，开孔率越大，换热效率越高。当v=3 m/s时，按方案一、方案二加装挡风网，空冷凝汽器换热效率随开孔率增加先增大后减小，存在最佳开孔率;按方案三加装挡风网，换热效率提高最多，并且随开孔率的增加而增大，当开孔率为70%时，换热效率为80.63%。当v为6，9，12 m/s时，加装挡风网后换热效率均增加，换热效率随开孔率的增加先增大后减小，存在最佳开孔率(不同环境风速下，不同方案中的挡风网最佳开孔率不同)。按方案三加装挡风网提高的换热效率最多，换热效率分别为65.32%、65.94%、73.82%，对应的最佳开孔率分别为60%、50%、50%。

3 结论

针对某600 MW空冷机组建立数值计算模型，分析了空冷凝汽器的换热特性，计算了加装挡风网前后不同环境风速下空冷凝汽器的换热效率，由此对挡风网结构进行了优化，得到以下结论:

(1)在空冷岛四周加装挡风网，降低风机入口环境风的横向流速，削弱热风回流和“倒灌”现象，在环境风速v=9 m/s时，按方案三加装开孔率50%的挡风网，空冷单元空气流量增加9 655.51 kg/s，空冷单元进口空气平均温度降低3.7 K。

(2)在不同挡风网方案中，由上挡风墙下沿向四周水平加装宽10 m的挡风网，并在水平挡风网边缘处加装45 m高竖直挡风网的方案(方案三)挡风效果最好，换热效率比不加挡风网时平均提高24.51%。

(3)挡风网的开孔率是影响挡风效果的一个重要因素，在不同环境风速下，不同方案中挡风网的最佳开孔率不同。

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(编辑:杨大浩)

Influences of Windshield around Air-Cooled Island on Condenser Heat Transfer Efficiency

ZHOU Lanxin，WANG Xiaofei，WU Ruikang
(Key Laboratory of Ministry of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment (North China Electric Power University)，Baoding 071003，Hebei Province，China)

Taking a 600 MW direct air-cooling unit as an example，the influence of environmental wind on the heat transfer efficiency of air-cooled condenser was numerically simulated by using CFD software(Fluent)，and the schemes of different windshields installed around the air cooling platform were put forward.The calculation results show that the installation of windshield can reduce the influence of hot air recirculation and the‘intrusion’phenomenon，as well increase the air flow in air cooling unit and the average heat transfer of condenser，which can be up to 72.52%and 24.51%higher than that without windshield，under 0 m/s-12 m/s environmental wind speed.

direct air-cooling unit;condenser;windshield;numerical simulation;heat transfer efficiency

TM 621

A

1000－7229(2014)01－0088－05

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.01.017［HT］

2013-09-16

2013-10-22

周兰欣(1956)，男，教授，主要从事直接空冷机组节能研究工作;

王晓斐(1988)，女，硕士研究生，研究方向为直接空冷机组节能，E-mail:qiu_6661@126.com;

吴瑞康(1989)，男，硕士研究生，研究方向为直接空冷机组节能。