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改善间接空冷塔传热性能的方案与研究

2017-04-11

电站辅机 2017年4期
关键词:散热器通风流动

黄 俊

0 概述

在我国“三北”地区,为了解决富煤缺水的矛盾,空冷发电机组得到了广泛应用[1]。然而,“三北”地区常年多风,影响了空冷塔的流动传热性能,夏季尤为严重[2-3]。有关研究表明,当环境风的风速为5~15 m/s时,对空冷塔性能的影响效果分别相当于环境温度升高2~14℃[4]。空冷塔流动传热性能的下降,将导致汽轮机背压升高,直接影响机组的安全经济性[5-6]。因此,采取相应的改善措施,削弱环境风对空冷塔流动传热性能的影响,对于提高空冷机组运行水平具有重要意义。

国内外诸多学者对空冷塔进行了广泛而深入研究,为间接空冷机组的发展奠定了很好的基础。在设计方面,Goodarzi、杨立军等[7-8]对空冷塔的结构参数进行了优化分析,以提高空冷塔的流动传热性能。Du Preez、张艾萍等[9-10]则提出了不同的挡风墙布置方案,以削弱环境风对空冷塔流动传热性能的影响。

现以某660 MW SCAL型间接空冷塔为研究对象,利用Fluent软件,模似了环境风条件下的空冷塔流场,探讨了外围挡风墙、翅墙、十字墙挡风墙的布置方案。根据模似计算结果,可优化挡风墙的布置,以削弱环境风对空冷塔流动传热性能的影响。

1 数值计算方法

利用Gambit软件,创建空冷塔的几何模型。建立的空冷塔模型,如图1所示。因散热器的结构较为复杂,将散热器简化为圆环柱体。散热器被划分为24个扇区,并从X正方向沿逆时针进行编号。对扇区划分网格,经网格无关性验证后,将网格数确定为310万。

图1 间接空冷塔的几何模型

采用Fluent软件中的多孔介质代替散热器,将流动阻力作为动量方程的源项,表达式为[5]:

式(1)中:Si为动量方程附加的源项;vi为i方向的速度;vmag为速度大小;μ为黏性系数;ρ为密度;1/α为黏性阻力系数;C2为惯性阻力系数。

根据实验数据,得到散热器流动阻力与迎面速度之间的关系式:

核查当地的气象资料后,拟定了风速变化曲线,如图2所示。由图2可知,该机组当地全年平均环境风的风速,约为5.5 m/s。夏季和冬季的风速较大。因此,以夏季TRL工况为机组运行状态,进口采用5.5 m/s的velocity-inlet边界条件,利用幂指数函数计算不同高度的风速,编写成UDF导入Fluent软件中。风速的计算公式为:

图2 厂区不同高度处的月平均风速

式(3)中:v0为距地面10 m高处的环境风风速。

2 计算结果及分析

当环境风为5.5 m/s时,空冷塔的流场分布,如图3所示。由图3可知,当环境风绕流空冷塔时,将在塔附近形成两股高速绕流。环境风流经进风口的迎风侧散热器后,仍有较大的风速,并在塔内继续向塔后流动,冲击背风侧区域内的进风。环境风在塔内的底部积聚,形成两股对称漩涡。因迎风侧的通风量大,背风侧的通风量小,将对塔内的上升气流产生影响,使气流中心向塔后侧偏移,并在塔的前侧区域形成漩涡,出现热风回流,加上环境风的吹压作用,在塔出口处,羽流区向塔后偏转,形成了“风帽”结构。

图3 5.5 m/s环境风风速下空冷塔流场

图4 空冷塔散热器通风量分布趋势

当环境风为5.5 m/s时,空冷塔通风量不再沿周向均匀分布,如图4所示。从图4可知,迎风侧的通风量大幅增加,而塔侧区域的通风量大幅减少,背风侧的通风量也小幅减少。由热平衡方式可知,空冷塔换热量具有相同的分布趋势。因此,背风侧和塔侧区域内的散热器冷却管束,将得不到及时冷却,极易发生管束的超温现象。

当环境风的风速为5.5 m/s时,对空冷塔流动传热性能的影响,如表1所示。由表1可知,相比于无风状态,环境风为5.5 m/s时的空冷塔流动传热性能明显变差,通风量减少了27.93%,换热量减少了19.95%。此时的环境风,严重影响了间接空冷机组的运行。

表1 环境风对空冷塔流动传热性能的影响

因此,应设法削弱环境风对空冷塔的影响,并对空冷塔进行改造。增加空冷塔通风量和换热量,改善空冷塔通风沿周向分布的不均匀性,才能提高空冷塔的流动传热性能。

综上,模糊粒子滤波算法基本流程如图1 所示。首先对原始视频帧图像进行HSrg 转换,对HSrg 模式下的图形进行模糊处理,对每个通道模糊化后的图像中值滤波使被识别目标特征更为明显。随后,处理后的结果去模糊化处理,传递到粒子滤波器,实现对被追踪目标的识别。

3 挡风墙布置方案

空冷塔挡风墙的布置方案,是尽可能增加空冷塔的通风量和散热量。同时,提升通风量分布在周向上的均匀性。针对空冷塔的流场特点,分别研究了3种机理不同的布置方案,并对各方案参数进行了优化,以期得到较佳的布置方案。

3.1 外围挡风墙

为了降低进入空冷塔的环境风风速,均匀分布通风量,在迎风侧,布置了弧形外围挡风墙。外围挡风墙的布置方案,如图5所示。

图5 外围挡风墙的布置

在冷却塔前,布置了高度h为31.9 m(与进风口齐平)、弧度θ为120°、与散热器的距离d为30 m的外围挡风墙。空冷塔的流场分布,如图6所示。此时,由于挡风墙的存在,空冷塔的流场分布得到明显改善。迎风侧的环境风在进入散热器之前,受到外围挡风墙的阻碍,风速被降低,流入空冷塔后,对背风侧进风的冲击作用也被减弱,降低了塔内底部的漩涡强度,气流不会在塔内底部积聚,而是在浮升力的作用下,上升后流出空冷塔。因为减小了迎风侧和背风侧通风量的相差幅度,减缓了塔内上升气流向塔后侧偏移的趋势,所以,羽流区向塔后偏转的幅度也被减弱。

图6 布置外围挡风墙后空冷塔的流场分布

布置外围挡风墙后,空冷塔通风量和换热量沿周向分布的不均匀性得到明显改善,降低了散热器冷却管束发生超温现象的可能性。计算数据表明,布置外围挡风墙后,空冷塔通风量增加了3.81%,换热量增加了8.67%。布置外围挡风墙后,可提高空冷塔的流动传热性能。冷却塔布置外围挡风墙前后的传热性能曲线,如图7所示。

图7 布置外围挡风墙前后的空冷塔传热性能曲线

3.2 十字挡风墙

为削弱环境风在空冷塔迎风侧、塔侧、背风侧区域之间的相互影响,在塔内底部,布置了十字挡风墙。十字挡风墙的布置方案,如图8所示。

图8 十字挡风墙的布置

在塔内底部,布置高度h为31.9 m(与进风口齐平)、半径r为65.65 m(与进风口外部半径相同)、与风向夹角θ为0°的十字挡风墙,此时的空冷塔流场,如图9所示。环境风由迎风侧进入空冷塔后,受到十字挡风墙的阻碍,不影响背风侧、塔侧区域的进风,塔内底部的漩涡结构被破坏,气流上升后流出空冷塔。在塔内的中上部,由于迎风侧的气流流量仍大于背风侧,上升气流中心向塔后侧偏移的幅度并没有得到明显减小。

图9 布置十字挡风墙后空冷塔的流场分布

布置十字挡风墙前后空冷塔的通风量和换热量的周向分布趋势,如图10所示。

图10 布置十字挡风墙前后的空冷塔流动传热性能

由图10可知,布置十字挡风墙后,空冷塔通风量和换热量沿周向分布的不均匀性并没有得到明显降低。但计算数据显示,布置十字挡风墙后,空冷塔的通风量增加了3.94%,换热量增加了3.81%。因此,布置十字挡风墙,对于提高空冷塔的流动传热性能,具有一定的作用。

3.3 翅墙

为削弱散热器周围环境风的绕流强度,提高环境风进入散热器之前沿周向分布的均匀性,在散热器的外围,布置了若干片翅墙,翅墙的布置方案,如图11所示。

图11 翅墙安装示意图

在塔内底部,布置高度h为31.9 m(与进风口齐平)、宽度d为30 m的翅墙,共20片。此时,空冷塔的流场分布,如图12所示。从图12可知,空冷塔的流场分布状态得到明显改善。绕流的环境风经过每片翅墙时,都会在翅墙的导流作用下,分流出一部分气流,流入空冷塔。这样,沿着环境风流动方向,绕流的风量在逐渐减少,气流速度也在降低。由于绕流的作用,在空冷塔背风侧形成的漩涡强度,在明显减弱,所占面积也在减少。

图12 布置翅墙后空冷塔的流场分布

布置翅墙后,明显改善了空冷塔通风量沿周向的分布状态,增加了背风侧和塔侧区域的通风量,迎风侧通风量有一定幅度的减小。根据热平衡可知,空冷塔换热量具有相同的分布趋势。迎风侧通风量的减少,是因为增加了背风侧和塔侧区域通风量,导致塔内底部的漩涡向迎风侧移动,增加了迎风侧的进风阻力。布置翅墙前后空冷塔的流动传热性能,如图13所示。

图13 布置翅墙前后空冷塔的流动传热性能

计算数据表明,与原始流场相比,布置翅墙后,空冷塔通风量增加了 12.43%,换热量增加了16.57%,空冷塔的流动传热性能得到显著提高。

4 结语

以某660 MW SCAL型间接空冷塔为研究对象,采用数值模拟的方法,分别探讨了外围挡风墙、翅墙、十字墙3种挡风墙的布置方案。增加挡风墙后,可改善空冷塔的流动传热性能。

(1)受环境风的影响,空冷塔通风量和换热量被大幅减少,并且不再沿周向均匀分布,其流动传热性能明显变差。

(2)对于外围挡风墙、十字挡风墙、翅墙3种布置方案,因为挡风的机理不同,所以,改善空冷塔流动传热性能的效果各有差异。当环境风风速为5.5 m/s时,翅墙的改善效果最好,为16.57%,外围挡风墙次之,为8.67%,十字挡风墙的改善效果较弱,仅为 3.81%。

参考文献:

[1]王卫良,倪维斗,王哲.间接空冷塔受侧风影响研究综述[J].中国电机工程学报,2015,35(4):882-890.

[2]Lu Y,Guan Z,Gurgenci H,Zou Z,et al.Windbreak walls reverse the negative effect of crosswind in short natural draft dry cooling towers into a performance enhancement[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2013(63):162-170.

[3]马欢,司风琪,李岚.间接空冷塔部分冷却扇段关闭热力特性的数值研究[J].中国电机工程学报,2015,(35)18:4682-4689.

[4]崔晓博,鲁旭东.空冷系统的技术经济特性和影响因素[J].内蒙古石油化工,2013,39(8):121-122.

[5]李岚,马欢,司风琪.SCAL型间接空冷塔动态特性研究[J].动力工程学报,2015,35(2):153-159.

[6] Salazar J M,Diwekar U,Constantinescu E,et al.Stochastic optimization approach to water management in cooling-constrained power plants[J].Applied Energy,2013(112):12-22.

[7]Goodarzi M.A proposed stack configuration for dry cooling tower to improve cooling efficiency under crosswind[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,2010,98(12):858-863.

[8]杨立军,张凯峰,杜小泽.空冷凝汽器椭圆翅片椭圆管束外空气的流动与传热特性[J].动力工程,2008,28(6):911-914.

[9]Du Preez A F,Kroger D G.Effect of wind performance on a dry cooling tower[J].Heat Recovery System CHP,1993,13(2):139-146.

[10]张艾萍,卢贺,毕帅.挡风墙对小型间接空冷塔性能影响的数值模拟[J].热力发电,2015,44(3):104-108.

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