导流板布置方式对空冷单元流场影响的数值模拟

黄 鹤，查伯宇，洪文鹏

(1．国家电投集团贵州金元股份有限公司，贵州贵阳550081;东北电力大学能源与动力工程学院，吉林吉林132012)

空冷凝汽器是一种利用环境空气来冷却汽轮机排汽的装置．相比于常规水冷机组，空冷机组的优越性在于可以大大减少冷端水资源的消耗．在水资源日益紧张的大前提下，如何节水成为我国火力发电事业的一项迫在眉睫的研究课题［1］．

空冷岛由多个排列组合的空冷单元组成．空冷单元由底部轴流风机抽取下方环境空气与上方凝汽器管束进行换热，完成工质循环．空冷凝汽器单元的流场特性直接影响空冷凝汽器的效率．由于空冷单元轴流风机出风口是圆形，而空冷单元的底部水平投影形状是四边形，导致空冷单元A字架结构的两片散热管束底端不能很好的被冷却，散热管束表面底角不能被充分冷却，降低凝汽器传热效率．

目前，国内外对空冷凝汽器已有研究，如杨立军等［2～3］、周兰欣等［4］对空冷单元的流场均匀性及传热优化进行了模拟研究;J．R．Bredell等［6～7］、Meyer［8］探究了空冷岛的热风回流和环境风等问题，但在分析空冷单元内部导流板布置方式的优化方面研究较少，故本文在前人研究的基础上，从空冷单元内部考虑，研究导流板布置方式，为实际运行优化提供理论参考．

1 物理模型

1.1 计算模型及网格划分

本文以某600 MW空冷机组的一个空冷单元为研究对象，以风机平面圆心为原点建立如图1所示的物理模型．空冷凝汽器单元的尺寸为 11．9 m×9．03 m×0．219 m，计算域为 11．4 m×11．4 m×30 m，采用整体划分网格的方式，应用四面体网格，无导流板时网格数为79．4万，加装导流板时网格数量为86．9万，导流板的尺寸为 11．4 m×1．5 m．

1.2 模型介绍及边界条件

本文应用标准k－ε模型，基于两个运输方程的模型解出k和ε．默认的k－ε模型，系数由经验公式给出，且只对高Re的湍流有效，包含粘性热、浮力、压缩性选项．标准k－ε模型应用范围广，计算量适中，有较多数据积累和比较高的精度．但对于大曲率和压力梯度较强等复杂流动模拟效果欠佳．一般工程计算都使用该模型，其收敛性和计算精度能满足一般的工程计算需求，故本文选用该湍流模型进行模拟计算［9～12］．

对风机的设定可以理解为一个压升平面，根据实际风机运行曲线查得压升数值为68 Pa，空冷单元的风机入口设置为质量流量入口，根据实际运行参数计算得出质量流量为530 kg/s，空冷单元顶部设置为压力出口边界条件，散热器和翅片部分采用多孔介质模型，翅片管束的孔隙率根据尺寸计算得出，取0．567，蒸汽在翅片管内凝结和与管外冷却空气换热的过程假设为存在一个能量源项，根据实际运行工况计算得出该热源项为302 856．3 W/m3，冷却空气温度取夏季运行工况风机进风温度303 K．

图1 计算模型及网格划分

1.2 控制方程

流体流动受到一系列物理守恒定律的控制，包括质量、动量、能量以及组分等守恒定律，所谓控制方程就是对这些守恒定律的数学描述．当流体流动为湍流时，考虑标准k－ε模型，还要附加上关于湍动能k和耗散率ε的湍流运输方程．对于空冷系统，周围环境风速小，环境空气压力变化可忽略，所以其周围大气流动视作不可压缩定常流动．忽略流动受到浮力影响，可用如下控制方程描述:连续性方程

动量方程

能量方程

Boussinesq涡粘假设

标准k－ε模型

其中

2 结果与分析

2.1 未加装导流板时的情况

未加装导流板时散热管束表面温度分布，和z=0平面速度分布，如图2所示．通过观察分析z=0截面的流场可得知，空冷单元内部空气的速度分布比较均匀，散热管束的迎面风速较低，最高不超过5 m/s，不易于凝汽器换热;且凝汽器出口平面的两端底角存在超过355 K的高温区，散热管束表面平均温度为334．53 K，且大部分区域温度都在325 K－330 K之间．该模拟结果与其他相关文献得出结果几近相同，验证了模型和参数的准确性．

图2 未加装导流板时散热管束表面温度云图及z=0平面速度云图

2.2 加装导流板的研究

加装导流板的空冷单元结构示意图，如图3所示．导流板均匀排列在空冷单元风机出口处．网格划分方式与上节相同，整体用四面体网格;导流板以风机出口平面z轴方向为对称轴在其两侧均匀布置．

2．2．1 加装导流板角度的研究

首先对导流板的倾斜角度进行研究，由于导流板的作用是引导冷却空气更好的吹向散热管束，因此导流板的不同布置角度也影响空冷凝汽器的换热效果．此处先模拟计算加装两块导流板的情况．首先对导流板的不同倾角进行模拟研究，导流板与竖直方向的夹角分别取值为 20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°．图4为不同角度的导流板对应z=0平面速度云图凝汽器出口平面的温度云图．

图3 空冷单元加装导流板的结构示意图

图4 导流板安装角度不同的情况下散热管束出口平面温度云图和z=0平面速度云图

从z=0界面速度分布云图中可以看出，冷却空气在导流板的引导下吹向散热管束，迎面风速明显提高，空冷单元内部流场均匀性提高;从散热管束平面温度云图可以得出，散热管束表面底角大于350 K的高温区域消失;随着倾角的增大散热管束的迎面风速不断增大，当倾角为30°时风速达到5．5 m/s以上，且分布更加均匀，换热器表面温度最低．但随着导流板倾角继续增大，导流板背面会产生一个低速区，散热管束上半部分迎面风速减小，不利于强化流动传热，当导流板与竖直方向夹角达到50°时，散热管束上半部分区域迎面风速只有3 m/s，且散热管束平面温度均匀度较差，中部区域冷却不充分．在30°倾角的情况下，散热器出口平面中温区域的面积最小，整个散热器出口平面的平均温度333．20 K．故本文认为导流板与竖直方向夹角为30°时，导流效果最好．

加装导流板可以使散热管束平面的冷却空气迎面速度增加，并增强换热，空冷单元凝汽器出口平面的温度降低，换热不充分的两个底角得到改善．接下来探究导流板安装数量的多少对空冷单元换热效果的影响．

2．2．2 加装导流板数量的研究

当加装两块导流板且导流板与竖直方向呈30°时，导流板的导流效果最好．但空冷单元的换热效率亦与导流板的数量有关系，需进一步研究．

在风机出口处加装不同数量的导流板，可以使空冷单元的换热效率得到明显的改善，本文安装导流板数量分别为2块、4块、6块、8块、10块，以中心栈桥为轴线左右对称均匀布置，间距为1 m．

图5 导流板安装数量不同的情况下散热管束出口平面温度云图和z=0平面速度云图

导流板数量分别为4块、6块、8块、10块时，散热管束表面温度分布、z=0平面速度分布，如图5所示．结果表明，随着导流板数量的增加，散热器出口平面底角的高温区域面积减少，平均温度大幅降低．当导流板数量增加到4块时，大于340 K的高温区域已经基本消失了;导流板数量增加到8块时，凝汽器出口平面平均温度降到最低，为332．04 K，最高温度降低到336．3 K;空冷单元内部流场均匀，散热管束迎面风速超过6 m/s，换热效果最佳;当导流板安装数量为10块时，散热管束迎面风速与安装8块的情况相差不大，且在6 m/s左右，散热管束表面平均温度为332．21 K．

散热管束表面温度分布柱状图，如图6所示．可以清晰的看出不同数量的导流板对空冷单元换热的改善效果的差异，散热管束表面温度集中在325 K－335 K和小于325 K的范围内，当安装8块导流板时，散热管束表面平均温度332．21 K，较未加装导流板时减小了2．49 K，导流效果明显．

3 结 论

(1)空冷单元内部流场不均匀，散热管束表面底角冷却不充分，导致凝汽器换热效率差．通过改变空冷单元内部导流板的布置方式，可改善其内部冷却空气的流场，提高空冷凝汽器的传热性能．

(2)导流板的不同安装角度对于空冷单元内部流场和传热特性的改善效果是不同的．当导流板与竖直中心线呈30°角时，导流板对空气的引导效果最佳，散热管束迎面风速最大，散热器得到充分冷却．

(3)导流板的安装数量也影响着对空冷单元的优化效果．随着导流板安装数量的增加，凝汽器出口平面的最高温度和平均温度都会降低．当安装8块导流板时，散热管束得到充分冷却;当安装10块导流板时，改善效果与8块导流板几乎相同，且处于布置方式等综合考虑，本文认为安装8块导流板即为最优方案．

参考文献

图6 散热管束表面温度分布情况

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