直接空冷机组单风道地下进风数值分析

齐阳阳，吴红杰，刘辉

(电站设备状态检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)

直接空冷机组单风道地下进风数值分析

齐阳阳，吴红杰，刘辉

(电站设备状态检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)

地上进风直接空冷机组受环境风影响，边缘风机出现热风回流和“倒灌”现象，使机组换热效率降低、凝汽器压力升高，为此提出了单风道地下进风的冷却方式。利用数值模拟Fluent软件，对某600 MW机组空冷岛外部流场进行了数值模拟，分析地下进风方式下风机通风量、机组换热效率和凝汽器压力受环境风影响情况，并与地上进风方式相比较。实验结果表明，采用地下进风方式极大地提高了凝汽器的换热效率，使凝汽器压力维持在较低且平稳的状态，保证机组安全经济运行。

直接空冷机组；地下进风；空气流场；环境风；数值模拟

0 引 言

我国水资源日益紧缺，近年来直接空冷技术受到了越来越多的关注。直接空冷技术具有节水、环保、设备布置简单，抗腐蚀性强、厂址选择自由，使用年限长等诸多优点，具有广泛的发展前景。目前，直接空冷机组凝汽器多布置于标高40多 m的空冷平台上，因为进风口高位布置，受环境条件影响大，容易出现热风回流、“倒灌”现象，凝汽器翅片表面不清洁，凝结水含氧量高和冬季设备冻结[1-2]等问题，凝汽器换热效果变差，严重影响机组安全、经济运行。

为了缓和以上矛盾，许多学者进行了大量的实验研究。文献[3-4]得到了环境风速、空冷平台高度、挡风墙高度与空冷岛热风回流率的关系；文献[5]通过对空冷岛流动传热情况的数值模拟，提出了增加空冷平台最外圈风机功率以改善空冷平台传热效果的建议；文献[6-9]分析了不同风速时，挡风围墙高度和空冷平台高度对空冷凝汽器换热效率的影响，得出最佳挡风墙墙高度范围；文献[10]表明在空冷单元挡风墙下端安装空气导流装置(导流板)，可以改变空冷单元下方空气流场、温度场，提高空冷凝汽器的传热性能；文献[11]提出了在空冷平台边缘增加水平挡板的方法，以减小环境风对空冷凝汽器换热特性的影响。

以上研究都是在地上进风直接空冷机组的基础上进行优化，以降低环境风产生的热风回流、“倒灌”等现象对凝汽器换热的影响。本文提出地下通道进风方式，将空冷平台低位放置，高出地面的平台四周用挡风墙与外界环境隔开，空气只通过地下通道进入凝汽器进行热交换。

1 模型的建立及计算方法

1.1 几何模型的建立及网格的划分

以某600 MW直接空冷凝汽器为例，采用地下通道进风，如图1所示。整个空冷凝汽器由7×8个空冷单元组成，上挡风墙高度为10 m，空冷平台下沿距地面8 m，16根钢筋水泥支柱直径均为4 m。地下通道长为100 m，横截面均为80 m×45 m，地下风室为80 m×70 m×45 m，锅炉房为80 m×35 m×90 m，汽机房为80 m×35 m×35 m。整个计算区域为600 m×600 m×200 m。

利用Gambit软件生成相应的几何模型及计算网格。为减少网格数量，采用分块划分方法，采用结构化和非结构化网格进行划分，通过采用不同的网格划分检验了网格无关性，网格划分如图2所示。

1.2 湍流模型及主控方程

该模拟对象为三维不可压湍流流动过程，所用控制方程如下。

图2 计算区域网格划分

连续性方程：

(1)

本构方程：

(2)

(3)

动量方程：

(4)

采用标准k-ε湍流模式：

(5)

能量方程：

(6)

式中：ρ为空气密度；u为流体速度向量；i，j，k=1，2，3；μ为流体动力粘性系数；p为压力；εij为应变率张量；τij为应力张量。

1.3 边界条件

本模型数值方向为z轴，在z轴设定重力加速度。计算区域按环境风的主导风向设置2个速度入口(velocity-inlet)边界，如图2中红色面，计算区域外边界其余面均为压力出口(pressure-outlet)边界；风机进口处的边界条件设置为风扇(fan)边界；地下通道进风口设为内部面(interior)；空冷凝汽器的柱子、空冷岛挡风墙墙体、地下风室、地下通道壁面以及地面的边界条件均采用墙壁(wall)边界。

1.3.1 风速边界的设定

模拟环境进口采用大气边界层函数即迪肯(Deacon)的幂定律

vi=v0(zi/z0)a

(7)

式中：z0为气流达到均匀流时的高度；v0为z0高度处来流平均风速；zi为任意高度值；vi为zi高度处的平均风速；α为地面粗糙系数，地面的粗糙度越大α值也就越大，文中取0.2，该条件利用自定义边界条件编程加载。

1.3.2 多孔区域边界条件的设定

本模型散热器采用多孔介质[12-13]模型，就是在动量方程中增加1个代表动量的源项来模拟出多孔介质的作用。源项由粘性损失项和惯性损失项组成，其表达式为

(8)

式中：sj为动量方程中应附加的源项；μ为粘性系数；vj为j方向的速度；vmag为速度；1/α为粘性阻力系数；C2为惯性阻力系数。

根据实际测试的翅片阻力特性数据拟合得到阻力压降与散热器法向速度之间的关系

Δp=2.4543u2+13.368u

(9)

考虑到空冷单元模型通流面积约为实际凝汽器迎风面积的一半，多孔介质模型厚度为10 m，得到散热器模型单位长度阻力压降与速度之间的关系为

(10)

由式(8)、(10)可求得多孔介质模型通流方向的粘性阻力系数和惯性阻力系数分别为35 179和0.313。

1.4 定义风向

地下进风方式的主导风向为垂直于汽机房，如图3所示。

图3 空冷岛风向示意图

2 计算结果及分析

2.1 换热量及换热效率定义

以某600 MW直接空冷机组为例进行换热计算，计算条件为：在额定工况下，当环境温度为33 ℃，压力为97.4 kPa时，机组56个空冷单元的排汽热量Q为785 MW，每个空冷单元热负荷为14.02 MW，风机风量为437 m3/s。

空冷凝汽器换热效率定义为实际换热量Qr除以机组额定工况下的热负荷Q所得到的无量纲数，其中空冷岛实际换热量[14]的计算公式为

(11)

式中：Di为空冷凝汽器空气流量，kg/s；Δti为凝汽器空气进出口温差， ℃；Cp为空气定压比热容，kJ/(kg ℃)。

2.2 地上进风和地下进风方式对凝汽器换热的影响

分析地下进风和目前常用的地上45 m标高空冷岛进风这2种进风方式对凝汽器换热的影响。

2.2.1 通风量的比较

在全年的主导风向下，地上进风和地下进风方式的通风量如图4所示，空气流量如图5、6所示(图中横坐标为空冷单元横排序号)。

图4 地上进风和地下进风方式下风机风量的变化

从图4可看出，由于地下进风流动阻力大，当环境风速小于3 m/s时，地下进风量小于地上进风量。之后随着环境风速的增加，地下进风方式始终保持较高且平稳的通风量，这主要是由于风道内通风量稳定，受外界环境风速影响较小，如图5(b)、6(b)所示；而地上进风的迎风面前两排空冷单元出现局部热风回流和“倒灌”现象，如图5(a)、6(a)所示，成为影响通风量的主要因素。当环境风速为9 m/s时，地下进风通风量比地上进风多7 844 kg/s，经计算，地下进风量比地上进风平均提高30.71%。

2.2.2 换热效率的比较

地上进风和地下进风方式下凝汽器换热效率随风速变化情况如图7所示。由图7可看出，地上进风方式下空冷凝汽器换热效率随风速的增加逐渐降低[15-17]；而地下进风方式几乎不受外界环境风的影响，且换热效率一直很高，平均换热效率为63.35%。

图5 环境风速为5 m/s时，地上进风和地下进风方式下的空气流量

图6 环境风速为9 m/s时，地上进风和地下进风方式下的空气流量

图7 地上进风和地下进风方式下平均换热效率的比较

2.2.3 凝汽器压力的比较

地上进风和地下进风方式下凝汽器压力随风速变化情况如图8所示。由图8可看出，地上进风方式下凝汽器压力随风速的增加逐渐升高[17]，在环境风速约6 m/s时，其压力将超过所允许的极限值35 kPa，而地下进风方式下风速则一直平稳，这主要是由于地下通道进风方式通风量稳定。环境风速为6，9 m/s时，地下进风的凝汽器压力比地上进风分别低5.49，22.65 kPa，并随着风速增大其差别继续增大，平均低9.76 kPa。

图8 地上进风和地下进风方式下凝汽器压力的比较

3 结 论

(1)空冷凝汽器外部流场受环境风变化的影响很小，不存在回流和“倒灌”现象，且风机通风量较稳定，比地上进风平均提高30.71 %。

(2)地下风室空气流场稳定，平均换热效率为63.35%。

(3)凝汽器压力受环境风变化影响不大，地下进风方式下凝汽器压力比地上进风下平均降低9.76 kPa。

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(编辑：蒋毅恒)

NumericalAnalysisofDirectAir-CoolingUnitwithSingleDuctUndergroundVentilation

QI Yangyang, WU Hongjie, LIU Hui

(Key Laboratory of Ministry of Education of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment, North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China)

Due to the influence of environmental wind on direct air-cooling unit with overground ventilation, the hot air recirculation and intrusion phenomenon occurred on the edge fan, which would cause the decrease of unit’s heat transfer efficiency and the increase of condenser pressure. Therefore, this paper proposed a cooling mode with single duct underground ventilation. The external flow field of air cooling island in a 600 MW unit was numerically simulated with using Fluent software. Then, the influence of environmental wind on fan ventilation, unit’s heat transfer efficiency and condenser pressure was analyzed under underground ventilation mode, and compared with that under overground ventilation mode. The experimental results show that the underground ventilation mode can greatly improve the heat exchanger efficiency of condenser, and make the condenser pressure maintain at low and stable state, which can ensure the safe and economic operation of units.

direct air-cooling unit; underground ventilation; air flow field; environmental wind; numerical simulation

TK 262

： A

： 1000-7229(2014)05-0094-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.05.016

2013- 11- 01

：2013- 12- 21

齐阳阳(1987)，男，硕士研究生，研究方向为直接空冷机组节能；

吴红杰(1985)，女，硕士研究生，研究方向为直接空冷机组结构优化，E-mail：hbwaygirl@163.com；

刘辉(1987)，男，硕士研究生，研究方向为电厂热力学分析。