环境风作用下2×1 000 MW直接空冷机组空冷岛布局

肖烈晖，杜小泽，杨立军，席新铭

(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)，北京市 102206)



环境风作用下2×1 000 MW直接空冷机组空冷岛布局

肖烈晖，杜小泽，杨立军，席新铭

(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)，北京市 102206)

单机容量达到百万kW的直接空冷火电机组空冷岛具有庞大的体积和更多的空冷单元，环境风导致的系统性能空间分布不均匀性更为明显。空冷岛的结构与布局优化，为百万kW空冷机组应对环境风不利影响提供了可行的技术途径。针对2×1 000 MW直接空冷机组，建立物理数学模型，考虑环境自然风和空冷单元轴流风机输运空气流的耦合作用，采用数值模拟方法，获得空气侧流场和温度场的三维分布。特别针对实际运行中最为不利的锅炉后来风，在不同风速，以及空冷岛和主厂房不同距离条件下，从机理上解释空冷岛冷却通风流量和换热性能的变化规律。结果表明：随着环境风速增加，空冷岛的换热能力降低；距离增大，随风速增加换热性能恶化的趋势更为显著；环境风速大于6 m/s时，距离越大，热风回流率越高；相比于其他更大距离的布置方式，距离15 m布置方式流动换热性能更好；环境风速较大的情况下，紧密的空冷电站建筑布局，更有利于抵御大风的不利影响。

直接空冷；空冷岛；流动传热特性；距离；热风回流率

0 引 言

空冷技术是富煤缺水地区火力发电的重要途径[1-2]。由于直接以环境空气作为汽轮机排汽的冷却介质，因此环境条件，如大气温度、风速和风向等，都会影响机组空冷系统的特性。此外，位于机组附近的建筑物如锅炉房、汽机房等也会影响空冷岛的冷却空气流场，从而影响空冷凝汽器的传热性能。Wang等[3]通过数值模拟得到了空冷电站的速度场和温度场，并得出了空气的热风回流是由环境风和风机的抽吸作用共同造成的。顾志福等[4-6]通过风洞实验对空冷系统在环境风影响下的运行性能进行了研究，阐述了风速风向以及空冷岛平台高度对空冷岛换热的影响。席新铭等[7]通过实验研究不同的翅片间距对翅片间冷却空气的流动换热特性的影响，得到了垂直进风和倾斜进风工况下翅片散热性能的变化。Bredell等[8]模拟了2种不同类型风机在不同平台高度上对空冷岛换热的影响，结果表明增加步道能够显著增加空冷岛边缘处风机的进风量。Yang等[9-11]模拟了不同风速和风向下空冷岛的换热特性，结果表明在高风速下，空冷岛热风回流严重，提高了空气入口温度使得换热恶化，并且沿着风速方向，大风对空冷岛的影响逐渐减小，并且提出了环境风诱导装置以及其他措施以抵抗大风的不利影响从而提高空冷岛的流动换热性能。

近年来，能耗更低、效率更高的1 000 MW超(超)临界直接空冷机组相继投运。百万kW等级直接空冷机组空冷岛凝汽器单元达到80个，空冷岛巨大的空间尺度，使机组性能对环境气象条件的不利影响更为敏感。空冷系统性能空间分布的不均匀性也更为明显。杨立军等[12]以某6× 1 000 MW直接空冷电站为例，对环境风影响下的空冷岛冷却空气流动传热特性进行了数值模拟，结果表明当空冷岛位于锅炉房等建筑物下游时，迎面风速最小，热风回流率最高。

本文以典型的2×1 000 MW直接空冷机组为对象，在锅炉后来风最不利的环境自然风条件下，分析空冷岛和主厂房不同距离对空冷岛冷却通风流量和换热性能的影响规律，从多台联建百万kW直接空冷机组结构布局的角度，为应对环境风不利影响提供依据。本文为选型研究，由于环境风速为自然因素，所以必须考虑选型之后不同风速下的性能变化，为选型研究提供更为充分的依据。

1 1 000 MW直接空冷机组物理数学模型

图1为2×1 000 MW直接空冷机组布局示意图。考虑汽机房、锅炉房以及烟囱等靠近空冷岛的建筑物。根据行业规定，单台机组空冷岛为8行、10列设计，2台机组联建空冷岛共有160个空冷单元，其编号方式表示在图2上。空冷岛单元为“A”型框架结构，由蒸汽分配管、上下联箱、管束、轴流风机组成。

图1 2×1 000 MW直接空冷机组物理模型Fig.1 Physical model of 2×1 000 MW direct air-cooled units

图2 空冷平台及单元编号Fig.2 ACC platform and condenser cell serial number

采用散热器模型描述直接空冷凝汽器翅片管束，空气流经翅片管束的压降Δp为

(1)

式中：ρ为空气密度；v为空气流经管束的速度；kL为无量纲压力损失系数，表述为流速的函数，即

(2)

rn为多项式系数，根据空冷翅片管束流动数据拟合得到r1=71.689、r2=-31.707、r3=4.798[9]。其准确度和精度已经过检验并达到计算要求，后文中经验系数的确定与此类似。

空气和翅片管束之间的换热量q为

q=h(Ts-Ta，d)

(3)

式中：Ts为空冷凝汽器蒸汽凝结温度，该模型忽略了管壁导热热阻，认为蒸汽凝结温度等于管外表面温度；Ta，d为换热器下游空气温度；h为对流换热系数，表示为流速的多项式形式，即

(4)

hn为多项式系数，根据空冷凝汽器对流换热数据拟合后得到h1=536.993、h2=2 016.089、h3=-97.772[9]。

直接空冷凝汽器单元内的轴流风机简化为一个压力跃升面，通过风机的压升Δp，拟合为轴向流速的多项式函数形式，即

(5)

fn为多项式系数，对典型的空冷风机性能曲线进行拟合后可以得到f1=195.596、f2=-19.998、f3=3.967、f4=-0.570、f5=0.022[9]。

若忽略风机的径向速度，则切向速度uθ可表示为半径的多项式形式，即

(6)

gn为多项式系数，当叶片形式确定后，g-1= -15.1、g0=25.76、g1=-11.791、g2=4.321、g3=-0.354[9]。

在上述条件下，2×1 000 MW直接空冷机组空气侧流动和传热过程的控制方程为

(7)

(8)

(9)

采用RNGk-ε湍流模型，该模型应用于空冷机组流动和传热模拟时的有效性验证可参见文献[13]。关于变量湍动能k和耗散率ε的方程表示为

(10)

(11)

式中：Gk为由于平均流速梯度引起的湍动能生成项；Gb为由于浮力引起的湍动能生成项；αk和αε为k和ε的反有效普朗特数；C1=1.42；C2=1.68；Rε代表平均应变力对ε的影响，其表达式为

(12)

给定环境温度为14 ℃。考虑环境自然风和空冷凝汽器单元轴流风机空气流场对空冷岛空气流动和传热性能的耦合影响。从地面开始，环境自然风风速沿高度方向遵照幂定律变化，即

(13)

式中：u表示任意高度z位置的空气平均速度；u0表示10 m高度处空气的平均速度；m表示平坦地带的地面粗糙度系数，m=0.16。速度入口面的湍动能k，湍流耗散率ε以及湍流强度I之间的关系表示为

(14)

式中l表示湍流积分尺度，根据日本载荷规范[14]，l=100(y/300)0.5。

对上述数学模型利用基于有限容积法的商用软件Fluent，应用数值计算方法进行模拟求解。图3给出了数值模拟的计算域。计算域中心区域采用非结构化网格进行划分，外部区域采用结构化网格划分。动量方程、能量方程、湍动能方程和湍动能耗散率方程的离散均采用二阶迎风差分格式，压力和速度的耦合采用Simple算法。计算过程中，能量离散方程残差控制在10-6以下，其他方程残差控制在10-4以下。为了进行网格无关性验证，考察了距离15 m、锅炉后来风风速9 m/s条件下，网格数量分别为2 020 000、2 512 000和3 120 000的空冷岛的流动和换热性能。由于网格数量较多的2个模型的冷却空气体积流量和风机入口温度的差别都在0.8%以下，所以最终选择的网格数量为2 512 000。

图3 计算域及计算风向Fig.3 Computational domain and calculative wind direction

2 结果与讨论

在最不利的锅炉后来风自然风向下进行分析。环境自然风速u0的变化范围为3～9 m/s。研究不同的空冷岛和主厂房的距离对空冷岛流动换热的影响，图4给出了本文中空冷岛和主厂房距离d的定义。

图4 空冷岛和主厂房距离的定义Fig.4 Distance definition between air-cooled condensers and main buildings

2.1 空冷岛整体流动换热性能比较

图5给出了不同的空冷岛和主厂房距离以及不同风速下空冷岛的总换热量和冷却空气总体积流量。从图5可看出：不管在何种距离下，随着风速的增加换热性能总是不断恶化。在d=15 m，风速为3 m/s时，相比其他距离总换热量和体积流量最小。但该距离下，换热量和总体积流量随风速降低的速度最为缓慢。当风速到达9 m/s时，其总换热量和体积流量比其他距离都大。而在30 m的距离下，风速为3 m/s时相比其他距离换热性能最好，随着风速的增加总换热量和体积流量减小迅速，当风速超过6 m/s时，换热性能最差。可见，当空冷岛距离主厂房的距离增加时，空冷岛的换热能力随风速的变化更为明显。所以d=15 m的空冷岛和汽机房的布置，虽然在小风速下较为不利，但当风速超过6 m/s时，其抗大风的性能显著，特别是对于我国北方经常大风的天气，紧密的布置方式能增加空冷岛的换热性能。

图5 空冷岛换热量和体积流量随着风速和距离的变化Fig.5 Total heat rejection and volumetric flow rate of ACCs versus wind speed and distance

2.2 不同风速下的流动换热特性

为了进一步解释空冷岛的换热特性，分别对风速3 m/s和9 m/s进行研究。由于本文的研究重点是主厂房对流动换热的影响，因此以包含了汽机房和锅炉房的空冷岛第14列的yoz平面作为典型截面进行对比，图6给出了炉后来风，风速为3 m/s，距离分别为15、30 m时此截面的流线图。图7为对应的温度云图。

对于炉后来风的速度为3 m/s这一低风速的情况，环境风对空冷岛换热的影响较小，流经翅片管束后的热空气容易排出。从图6、7可以看出，环境风在

图6 炉后来风的速度为3 m/s时，不同距离的截面流线图Fig.6 Streamlines at a cross section with wind speed of 3 m/s and different distance

图7 炉后来风的速度为3 m/s时，不同距离的截面温度云图Fig.7 Temperature contours at a cross section with wind speed of 3 m/s and different distance

主厂房后部产生了涡流，流经主厂房的空气得到一定程度的加热后流向空冷凝汽器入口，使凝汽器进口温度升高。对于d=15 m这种较为紧密的布局结构中，在靠近主厂房、空冷岛的下方出现了明显的涡流，而在d=30 m时，空冷岛的下方流场并未出现漩涡，并且风机进风量更大，这说明紧密的布置方式阻碍了风机进风，并且使得风机入口温度升高，从而导致了在低风速下，近距离的厂房布置不利于空冷岛的换热。

图8给出了炉后来风速度为9 m/s，d分别为15 m和30 m时，空冷岛第14列的yoz平面的流线图。图9为对应的温度云图。从图8、9可以看出，相比3 m/s的风速，速度为9 m/s的环境风严重影响了风机进风，特别是在第8行空冷单元，即迎面风的第1行单元，在风机的进口处出现了涡流，减小了单元的体积流量，阻碍了换热。从流线图可以看出在d=30 m时，主厂房处出现了严重的涡流，阻碍了风机的进风。从温度云图可以看出，由于d=30 m时主厂房处的大涡流，导致了流经主厂房后的空气温度显著升高，增加了风机的进口温度，使得传热性能恶化。

图8 炉后来风的速度为9 m/s时，不同距离的截面流线图Fig.8 Streamlines at a cross section with wind speed of 9 m/s and different distance

为了进一步分析大风情况下不同的空冷岛距主厂房距离对空冷岛流动换热的影响，计算了15 m和30 m距离下的热风回流率。热风回流率定义为空冷

图9 炉后来风的速度为9 m/s时，不同距离的 截面温度云图Fig.9 Temperature contours at a cross section with wind speed of 9 m/s and different distance

凝汽器进风中所含有的由凝汽器排出又重新吸入空冷岛进口的空气质量流量与空冷凝汽器入口处的总质量流量的比值[12]，即

(15)

式中：T1为凝汽器入口空气温度；T2为凝汽器出口空气温度；T0为环境温度。

经过计算可得：炉后来风的速度为9 m/s、距离为15 m时的热风回流率是8.148 3%，而当距离变为30 m时，热风回流率达到了9.312 2%。这表明了当空冷岛和主厂房的距离增加后，空冷岛整体的热风回流率将升高。

图10给出了炉后来风的速度为9 m/s条件下，距离为15 m和30 m的空冷单元热风回流率的空间变化规律。由于几何结构的对称性，空冷单元热风回流率也近似轴对称。从图10可以看出，靠近主厂房的空冷单元热风回流率最高，其中第3列和第18列附近的空冷单元热风回流最为明显，而远离主厂房的空冷单元热风回流率较小。当空冷岛和主厂房的距离越大，热风回流率也越高。当距离为30 m时，其中第3列的空冷单元的回流率最高达到了79.926%。这说明了紧致的厂房布置，有利于减小大风对空冷岛换热的不利影响。

图10 炉后来风的速度为9 m/s时，不同距离的空冷 单元热风回流率Fig.10 Recirculation flow ratio of condenser cells at wind speed of 9 m/s and different distance

3 结 论

(1) 不管在何种距离下，随着风速的增加换热性能总是不断恶化。当空冷岛和主厂房的距离增大，随风速的增加换热能力减小得更为迅速。

(2) 在炉后来风的速度为3 m/s的情况下，距离为15 m的空冷岛和主厂房距离换热能力较差；但是当风速超过6 m/s后，紧密的电站布置相比于其他更大距离的布置方式流动换热能力有所增强。

(3) 空冷单元热风回流率呈近似轴对称，靠近主厂房的热风回流率最高。在炉后来风的速度为9 m/s的条件下，当距离达到30 m时，整体热风回流率达到9.3122%，局部的热风回流率最高达79.926%，说明此时热风回流严重，不利于空冷岛换热。因此更为紧致的空冷电站的建筑布局，有利于抵抗大风对空冷岛的不利影响，为电站的布局设计提供了依据。

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(编辑：蒋毅恒)

Air-Cooling Condenser Layout of 2×1 000 MW Direct Air-Cooled Units under Effect of Ambient Natural Wind

XIAO Liehui， DU Xiaoze， YANG Lijun， XI Xinming

(Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment of Ministry of Education,North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Air-cooled condensers (ACCs) of direct air-cooled plant with unit capacity of 1 000 MW have huge size and more cells, and the inhomogeneity of system performance in space distribution by ambient wind is obvious. The optimization of the structure and layout can provide feasible technical approach for 1 000 MW ACCs to replay to ambient wind. On the basis of 2×1 000 MW direct air-cooled units, this paper constructed physical and mathematical models with considering the coupling effect of ambient wind and air flow from unit fans, and presented the three-dimensional distribution of flow and temperature fields by using numerical simulation method. Then the variation mechanism of the cooling ventilation flow rate and heat transfer performance of ACCs with wind speed and distance between ACCs and the main buildings was explained, especially for the wind from boiler house which was most unfavorable. The results show that the heat thermo-flow performance of ACCs is decreased with the increase of the wind speed. With the increase of wind speed, the heat capacity decreases more rapidly when the distance between ACCs and the main buildings increases. When the wind speed is over 6 m/s, the exhaust plume recirculation flow ratio increases with the distance increases; the heat transfer performance of 15 m is better than other more lager distance. Therefore it’s benefit to resist adverse effect by strong wind with tight air-cooled plant layout at high wind speed.

direct air-cooled; air-cooled condenser (ACC); thermo-flow performances; distance; exhaust plume recirculation flow ratio

国家重点基础研究发展计划项目(973项目)(2015CB251503)。

TK 124; TM 621

A

1000-7229(2015)06-0007-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.06.002

2015-03-25

2015-04-29

肖烈晖(1991)，男，博士研究生，主要从事电站直接空冷系统优化等研究；

杜小泽(1970)，男，博士，教授，通讯作者，主要从事强化传热与电力节能、新能源发电等研究；

杨立军(1970)，男，博士，教授，主要从事火力发电空冷技术等研究；

席新铭(1979)，男，硕士，工程师，主要从事火力发电空冷技术等研究。

Project Supported by National Basic Research Program of China (973 Program)(2015CB251503).