直接空冷凝汽器V型布置与A型布置防风能力对比研究

2020-06-14余志林李贵雷赵顺安

中国水利水电科学研究院学报 2020年2期

关键词：热流量凝汽器A型

余志林，李贵雷，赵顺安

（1.中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川成都 610021； 2.中国水利水电科学研究院，北京 100038）

1 研究背景

火电厂是耗水大户，直接空冷节水性能显著，被应用于世界各地的火电厂，尤其是富煤缺水的地区[1-2]。但环境风导致的风机风量降低、热回流、流场紊乱等问题严重影响直接空冷电厂安全运行[3-9]，成为制约其发展的一大因素。

图1 空冷平台A型布置和V型布置

近年来国内外学者就环境风对直接空冷的影响进行了大量研究[10-15]。J.R Bredell等[10]在空冷平台四周增加步道，可以提高四周风机近20%的进风量，从而提高换热能力。周兰欣等[11]发现增加挡风墙高度可以减小回流。Owen和Kroger[12]在平台底部布置十字隔墙，从而提高平台换热能力。Gao等[15]提出在空冷平台下方加装倾斜导流板以降低回流率。尽管上述方法在一定程度上减小了环境风对直接空冷的影响，但在大风时直接空冷最大回流率仍能达到40%以上[12]，因此有必要寻找更有效的方法减小环境风对直接空冷的影响。直接空冷凝汽器V型布置（如图1（b））防风性能的理论探讨[16]和单元数值模拟研究[17]表明V型凝汽器换热性能优于A型凝汽器（如图1（a）），但V型布置的整厂研究并未有相关报导，本文将从这一角度进行相关论述。

环境风不同地区风速不同，一般小于10 m/s，但偶尔的短时大风能达20 m/s。因此，本文在最不利风向（炉后来风）[7]下，针对 0 m/s、3 m/s、6 m/s、9 m/s、15 m/s、20 m/s 6组环境风速用 fluent流体计算软件进行数值模拟，分析了空冷平台A型布置和V型布置换热性能。

2 数值计算方法

2.1 物理模型及网格划分以我国某2×300 WM直接空冷电厂为研究对象，主要建筑如图2所示，包括锅炉房，汽机房，空冷平台等。两个空冷平台留有间隙，每个平台由24（4×6）个凝汽器单元组成。计算域为500×500×350。综合考虑计算精度及计算机资源要求，在网格划分时采用分块网格划分，对空冷平台区域的网格进行加密。最终网格如图3所示。

图2 电厂主要建筑立体图

图3 模型网格图

为了排除网格数量对计算结果的影响，在进行正式计算之前首先进行网格敏感性分析。根据实际情况，将模型划分为3种尺度的网格，网格数量依次为245万、291万、345万。表1给出了不同网格数量时风机的平均通风量和整个空冷系统总热流量。通过表1我们可以看出当网格为291万的时候，网格数量的增大对计算结果的影响已经十分微小了。基于此，在下面的模拟计算中将网格的数量定为291万。

表1 不同网格的风量及热流量

2.2 数值计算条件在建立模型前首先做以下简化：

（1）所有计算区域流动与换热为稳态；

（2）空气为不可压理想气体；

（3）计算过程中不考虑翅片管的辐射散热。

环境温度设定为16℃，环境风入口采用速度入口边界条件，速度分布采用大气边界层函数：

式中：u10为距地面十米高风速；z为任意高度；m为地面粗糙系数，本文取0.16。

将风机近似为无限薄的圆面，设为FAN边界条件，风机压力跃升控制方程为：

式中：v为风机出口速度；fn为根据风机特性曲线拟合的多项式系数，其中 f1=312.32， f2=0.3618，f3=-1.2149。

空冷凝汽器采用散热器模型，空气经过凝汽器后压力损失为：

其中，kl为压力损失系数：

式中，rn为多项式系数，通过空冷散热器压力损失系数拟合得到，其中r1=126.75，r2=-94.607，r3=32.114 ， r4=-4.678 ， r5=0.244[16]。

换热量为：

式中：h为对流换热系数；Tl为散热器内流体温度；Tair凝汽器下空气温度。

式中：hn为空冷凝汽器对流换热系数拟合得到的多项式系数，其中h1=828.02，h2=1600.8，h3=-267.57 ， h4=30.66 ， h5=-1.387[16]。

地面、建筑，蒸汽管道和支柱设为WALL边界条件，计算域其他面设为压力出口边界条件。

3 计算结果及分析

3.1 环境风对两种布置风量影响图4给出了A型布置与V型布置风机平均风量随环境风速增长变化曲线图。根据图4中可以得出，A型布置风机风量与V型布置风机风量变化趋势基本相同，都随环境风速度的增加而不断减小。但可以明显看出在相同环境风速下A型布置风机风量总是小于V型布置风机风量，说明环境风对A型布置风机风量的影响较V型布置大。由于V型布置与A型布置相比风机进口风速较小，因此风机入口的抽吸作用比A型布置小，且出口风速较大，因而抗回流作用强。因此，V型布置抵御环境风影响的能力较强。

图4 A型与V型布置风机平均风量随环境风速增长变化曲线

3.2 环境风对两种布置回流影响图5给出了不同风速下V型布置和A型布置的温度云图，从图中可以看出，当环境风速为零时，风机吸风口空气温度基本等于环境温度，随着环境风速增加，风机吸风口空气温度随之升高，吸风口发生了明显的热回流，环境风速在3 m/s～9 m/s时V型布置风机吸风口空气温度明显低于A型布置；当环境风速不断升高达到15 m/s时，V型布置温度高于A型布置；当环境风速进一步增加，达到20 m/s时，两种布置风机吸风口空气温度都略有下降。

图5 不同环境风速下A型和V型布置布置温度云图

图6给出了V型布置与A型布置回流随风速增加的变化图。回流率可由下公式计算：

式中：Ti为风机吸入空气的温度； T为没有回流时周围环境空气的温度； To为凝汽器出口气温。

图6 回流率随环境风速变化曲线

图7 空冷平台换热量随环境风速变化曲线

从图6中可知，V型布置和A型布置回流率变化规律基本相同。无环境风时，V型布置和A型布置基本不会发生回流，随着环境风速增加，出口处大量热空气被风机吸入下游入口，回流也随之迅速增大，A型布置由于较V型布置出口速度小，进口速度大，并且还会在上游产生漩涡[8]，导致回流率明显大于V型布置。当环境风速度在6 m/s～9 m/s时，由于上游形成的漩涡引起的回流随着环境风速度的增加而减小，从而抵消了部分下游回流的增强，所以在这个风速段回流率增加较为缓慢。但是随着环境风风速的进一步增加，下游回流进一步加强，回流率又迅速增加。当环境风风速超过15 m/s的时候，风机入口抽吸能力与环境风相比太小，大量出口热空气被环境风直接带走，回流呈现下降的趋势。

当环境风速在3 m/s～9 m/s时，V型布置抵御环境风的能力明显强于A型布置，在此风速范围时，V型布置比A型布置回流率最多可以减少14%。V型布置最大热回流约为40%，A型布置最大热回流约为44%，其他相关研究[7，18]表明A型布置最大回流率也在45%左右，可见V型布置抵御环境风的能力强于A型布置。

3.3 环境风对两种布置换热量的影响图7给出了V型布置与A型布置下的总热流量随风速增加的变化图。从图7可以看出A型布置和V型布置的热流量随环境风风速变化规律基本相同。当环境风风速小于15 m/s时，两种布置热流量呈现出明显下降的趋势，这表示环境风使直接空冷凝汽器的换热能力出现了明显的下降。但是，V型布置的热流量明显大于A型布置，特别是在环境风风速为3m/s、6 m/s、9 m/s时，由于V型布置进口风速更小，出口风速度更大，V型布置的热流量明显高于A型布置。但是，当环境风风速超过9 m/s时，这种优势逐渐缩小，当环境风风速为15 m/s时，V型布置的热流量和A型布置几乎一样，甚至在环境风风速达到20 m/s时，V型布置的热流量还略低于A型布置。