空冷岛两风道地下进风数值分析

周兰欣，王喆，王晓斐，杨新健

(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)

空冷岛两风道地下进风数值分析

周兰欣，王喆，王晓斐，杨新健

(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)

直接空冷凝汽器在高空中受环境风的影响，容易出现热风回流和倒灌等问题，影响机组的安全与经济运行，为此提出了空冷岛地下进风方式。以某600 MW直接空冷机组为例，建立空冷岛地下进风的物理模型，利用Fluent软件，采用Simple算法和标准k-ε模型，对采用两风道地下进风布置方式的空冷岛周围空气流场和温度场进行数值模拟；计算了地上、地下进风的空冷岛通风量，分析了在主导风向下风速对直接空冷凝汽器换热效率及压力的影响。计算结果表明：在有环境风的条件下，空冷岛地下进风方式的凝汽器工作性能优于地上进风，在任何风速下都没有出现热风回流和倒灌；在同等条件下，当环境风速大于4 m/s时，地下进风的通风量较地上进风大，换热效率较地上进风高，当风速超过8 m/s后，凝汽器压力比地上进风低7～11 kPa。

空冷岛；地下进风；数值计算；通风量；换热效率

0 引 言

直接空冷凝汽器用空气作为冷却介质来冷凝汽轮机排汽，通常布置于标高40多 m的空冷平台上，其凝汽器真空受环境风温、风速、空气洁净程度影响大[1]。尤其在夏季高温或因大风引起热风回流和倒灌的情况下，使空冷汽轮机背压急剧升高，乃至机组掉闸[2]。

已有学者针对环境影响下的空冷岛运行特性及其结构优化做了相关研究工作。杨立军[3]通过计算流体动力学(computational fluid dynamics，CFD)模拟，获得了不同风速、风向下的空气速度场和温度场，并且通过计算得到了空冷岛的迎面风速以及热风回流率。何纬峰[4]研究了环境风速对空冷单元通风量的影响，分析了凝汽器换热量随环境风速及风温的变化规律，对空冷单元在加装挡风墙前、后的运行性能做了对比分析。Meyer[5]提出了在空冷平台四周设置水平挡板的方法，以减小环境风对空冷凝汽器换热性能的影响。周兰欣[6-8]分析了不同环境风速时，挡风墙高度和空冷平台高度对空冷凝汽器换热效率的影响；提出了在空冷岛上加装下挡风墙的设想，分析了在空冷岛不同位置加装不同形状的下挡风墙对空冷换热效率的影响。

与上述研究内容不同，本文提出空冷岛采用两风道地下进风的方式，即将空冷平台高度由目前的40多 m降低到接近地面布置，周围空气通过地下通道进入风室，然后向上流过空冷凝汽器翅片管束，对汽轮机排汽进行冷却，以期减小环境风对空冷凝汽器性能的影响。

1 物理模型及计算方法

1.1 几何模型及网格划分

以某600 MW直接空冷机组为例，空冷平台横截面为70 m×80 m，其下表面距离地面高度为10 m。地下风室截面尺寸与空冷平台相同，其深度为d。主导风向(xy角平分线方向)两侧的地下风道深度与风室相同，2个风道的宽度分别为80，70 m。汽机房的结构尺寸为40 m×80 m×40 m，锅炉房尺寸为40 m×80 m×80 m，地面以上部分计算域尺寸为600 m×600 m×300 m。空冷岛结构如图1所示。

图1 空冷岛地下进风结构示意图

利用Gambit软件生成几何模型并进行网格划分[9]。考虑到模拟计算精度的要求以及计算机硬件性能的限制，对整个计算区域网格采用分块划分的方法，厂房、换热单元及其上方局部区域采用六面体网格进行划分，其余部分采用非结构化网格，如图2。最后，通过了网格无关性验证。

图2 模型网格划分

1.2 主控方程及边界条件

空冷岛周围的大气运动被认为是不可压缩定常流动，流体区域的控制方程为雷诺平均的N-S方程[10-12]。

连续性方程：

(1)

动量守恒方程：

(2)

本构方程：

(3)

(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。

整个流动计算区域的进口采用大气边界层函数计算[13]。

vi=v0(zi/z0)a

(7)

式中：z0为气流达到均匀流时的高度；v0为z0处来流平均风速；zi为任意高度；vi为zi处平均风速；a为地面粗糙系数，粗糙度越大，a越大。根据电厂的地形地貌，取a=0.2及z0=10，该条件利用Fluent自带的udf(自定义函数)边界条件编程加载。

每个空冷换热单元采用风扇(fan)入口和热交换核心(heat exchanger)，厂房、挡风墙、柱子及地下风道、风室壁面均采用墙(wall)边界条件，地下风道入口面设为内部面(interior)，计算域在主导风向的进口面采用速度入口(velocity-inlet)边界条件，其余面采用压力出口(pressure-outlet)边界条件[14]。

2 计算结果及分析

2.1 空冷凝汽器运行特性

空冷凝汽器工作性能受其通风量及环境空气温度影响很大[15-16]。某600 MW直接空冷机组，在铭牌功率(turbine rated load，TRL)工况下凝汽器热负荷为773 MW，环境风温及凝汽器通风量对其压力的影响如图3所示，图中ta1为空冷凝汽器的入口风温。

图3 凝汽器特性曲线

2.2 空冷岛通风量

2.2.1 风道通流面积对通风量的影响

空冷岛地下进风的通风量随风道通流面积变化。风道-1和风道-2的宽度分别为80，70 m，地下风道深度每增加5 m，两风道总通流面积增加750 m2。建立不同风道深度的空冷岛地下进风结构模型，并逐一进行数值模拟，得出无环境风条件下，两风道地下进风的空冷岛总通风量随风道深度的变化曲线，如图4所示。

由图4可看出：在初始阶段，通风量随通流面积的增大而明显提高，风道深度由5 m到20 m，深度每增加5 m，通风量分别提高约5 500，4 100，3 200 kg/s；当风道深度由20 m增加到35 m，通风量随通流面积而增加的趋势变缓，深度每增加5 m，通风量提高1 600～1 700 kg/s。当地下风道深度为40 m(风道通流面积6 000 m2)时，空冷岛总通风量约为25 900 kg/s，基本接近27 160 kg/s的空冷风机设计通风量。

图4 通风量随风道深度的变化曲线

2.2.2 环境风速对通风量的影响

在主导风向下，风速对空冷岛地上进风(45 m标高)和地下进风(d=40 m)这2种布置方式通风量的影响如图5所示。

图5 风速对通风量的影响

由图5可知：随着环境风速的提高，空冷岛通风量逐渐降低；当环境风速低于4 m/s时，由于空气在地下风道流动会受到阻力的作用，空冷岛地下进风的通风量小于地上进风；当风速超过4 m/s时，空冷岛地下进风的通风量将大于地上进风，且当风速超过8 m/s后，地上进风、地下进风方式的通风量相差 3 400～3 600 kg/s。

2.2.3 空冷单元通风量

在环境风的影响下，空冷平台上不同位置的空冷单元通风量不同。在主导风向、不同风速下，地上进风、地下进风进风方式的空冷单元通风量分布如图6所示，图中横坐标为空冷单元横排序号，S1～S7表示每列有7个空冷单元，纵坐标表示空气流量，单位为kg/s。

图6 空冷单元通风量分布

由图6可知：(1)在无风的情况下，位于空冷岛边缘的四排风机通风量略低于中间部分，且地上进风的空冷单元平均通风量为498 kg/s，略高于地下进风的平均通风量463 kg/s。随着环境风速的增大，在空气流动惯性的作用下，位于空冷岛背风侧的空冷单元入口处空气压力升高，通风量变大，而迎风侧风机空气流量有所减少。(2)地上进风的空冷岛迎风侧边缘两排风机通风量随环境风速的增加而迅速减小，当风速为8 m/s时，两排边缘风机的平均通风量仅为72 kg/s，当风速达到12 m/s时，迎风侧个别空冷单元出现倒灌现象。而地下进风的迎风侧两排边缘风机流量虽然有所减少，但没有出现倒灌现象，当风速超过8 m/s时，各空冷单元依然保持200 kg/s以上的通风量。

2.3 空冷岛周围温度场

环境风会影响凝汽器出口热空气扩散，从而影响空冷岛周围空气温度分布。主导风向下，x=40 m截面上的温度分布如图7所示。

根据空气动力学原理，热空气在流动过程中与周围空气相互掺混，热量向环境空气扩散[17]。由图7可以看出：在无环境风的条件下，从空冷单元出来的热空气呈羽流状向上扩散，如图7(a)；当有环境风时，热空气的向上升腾过程受到影响，其流动方向发生偏转，如图7(b)；随着环境风速的增大，热空气向环境风的方向偏斜明显，同时其紊流扩散运动增强，热量更快地被环境空气带走，空冷岛上方的高温区域减小，如图7(c)、7(d)。由于进风口距离空冷平台较远，空冷单元出口热空气不会影响到地下风道进风，运行中没有出现热风回流的现象。

2.4 凝汽器换热效率

额定工况下的汽轮机排汽量及排汽压力已知，据此可求得空冷单元的标准散热量，由空冷单元通风量及空气温升，可算得空冷单元的实际换热量。空冷单元实际换热量除以标准换热量，所得到的无量纲数定义为换热效率，以此表示空冷凝汽器的换热效果[18]。环境温度30 ℃，不同环境风速下的凝汽器换热效率如图8所示。

由图8可看出：在环境风的影响下，凝汽器换热效率逐渐降低。当环境风速低于2 m/s时，地上进风的凝汽器换热效率约为0.87，地下进风的换热效率略低一些，约为0.81；当环境风速为4 m/s时，地上进风、地下进风方式下的凝汽器换热效率基本相同，约为0.79；当风速超过4 m/s后，地下进风的凝汽器换热效率将高于地上进风；当风速超过8 m/s后，采取地下进风方式的凝汽器换热效率较地上进风高约15%。

2.5 凝汽器压力

环境温度30 ℃，凝汽器热负荷773 MW，空冷岛在不同进风方式下的凝汽器压力如图9所示。

图7 空冷岛周围空气温度场

由图9可知：当环境风速低于4 m/s时，采取地下进风方式的凝汽器压力略高于地上进风；当风速达到4 m/s时，地下进风、地上进风方式的凝汽器压力基本相同，约为27.7 kPa；当风速超过4 m/s后，地上进风的凝汽器压力会明显高于地下进风，且随着风速的增加，凝汽器压力迅速提高；当风速达到8 m/s时，地上进风的凝汽器压力会超过35 kPa的警戒线，而地下进风的凝汽器压力可维持在30.8 kPa；当风速超过8 m/s后，采取地下进风方式的凝汽器压力比地上进风低7～11 kPa。

图8 空冷凝汽器换热效率

图9 空冷凝汽器压力

3 结 论

(1)空冷岛地下进风方式下，总通风量随地下风道通流面积的增大而增大，无风条件下，40 m深的地下风道总通风量约为25 900 kg/s，基本接近空冷岛设计通风量；随着环境风速的增大，空冷岛通风量逐渐减小，当风速超过4 m/s时，地下进风的空冷岛通风量高于地上进风。

(2)在环境风影响下，迎风侧空冷单元通风量有所减小，背风侧单元通风量有所增加，但在任何风速下，采取地下进风的空冷岛都没有出现“倒灌”现象；随着环境风速的增大，空冷岛外部热空气的高温区域范围逐渐减小。

(3)在环境温度30 ℃，风速大于4 m/s条件下，地下进风的凝汽器换热效率高于地上进风；当风速超过8 m/s后，地下进风的凝汽器换热效率较地上进风高约15%，凝汽器压力低7～11 kPa。

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(编辑：蒋毅恒)

NumericalAnalysisofAirCoolingIslandwithTwo-DuctUndergroundVentilation

ZHOU Lanxin, WANG Zhe, WANG Xiaofei, YANG Xinjian

( 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 condenser arranged high in the sky, the hot air recirculation and intrusion phenomenon easily occurred, which would affect the security and economics of the unit. Therefore, this paper proposed underground ventilation mode for air cooling island. The physical model of air cooling island with underground ventilation in a 600 MW direct air-cooling unit was established. The air flow filed and temperature filed of air cooling island with two-duct underground ventilation was numerically simulated with using Simple algorithm and standardk-ε model in Fluent. Then, the ventilation rate of air cooling condenser with underground ventilation or overground ventilation was calculated, and the impact of wind speed on the heat transfer efficiency and pressure of condenser under dominant wind direction was analyzed. The calculation results show that, under the influence of environment wind, the condenser performance of air cooling island with underground ventilation is better than that with overground ventilation, and there is not hot air recirculation and intrusion phenomenon in any wind speed. When environmental wind speed is over 4 m/s, under the same conditions, the ventilation rate of air cooling island with underground ventilation is greater than that with overground ventilation, and the heat transfer efficiency is higher. When environmental wind speed exceeds 8 m/s, the condenser pressure of air cooling island with underground ventilation is about 7～11 kPa lower than that with overground ventilation.

air cooling island; underground ventilation; numerical calculation; ventilation rate; heat transfer efficiency

TK 264

： A

： 1000-7229(2014)06-0127-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.06.024

2013- 12- 05

：2013- 12- 30

周兰欣(1956)，男，教授，主要从事直接空冷机组节能研究；

王喆(1987)，男，硕士研究生，研究方向为直接空冷机组结构优化研究，E-mail: wangzhe226@163.com；

王晓斐(1988)，女，硕士研究生，研究方向为直接空冷机组节能；

杨新健(1988)，男，硕士研究生，主要从事汽轮机末级排汽系统优化研究。