火电厂汽机房通风优化模拟研究

赵红霞 刘刚 李梦雪 解紫茹

东华大学环境科学与工程学院

0 引言

汽机房是火电厂的重要组成部分，其内部布置有多种高温发热设备，各层通风换气量对内部气流组织以及温度分布有一定影响[1]。若通风设计不合理，会造成工作地带温度高于设计要求，对工作人员正常工作造成影响，严重的话还会使电力设备产生故障，对电厂安全稳定运行带来隐患。可见合理的通风设计显得尤为重要。

随着计算流体动力学技术的成熟，国内外学者对电厂通风进行了大量模拟研究。例如，秦文慧等[2]研究了全面自然通风及自然进风、机械排风通风方式在寒冷地区主厂房的可行性。孙文龙等[3]对不同屋顶风机位置及风量对室内热环境的影响进行了研究。Chul Hwan Kim[4]通过改变百叶窗竖向位置及开孔尺寸研究其对电厂锅炉房通风降温效果的影响。目前对汽机房的研究侧重于各种通风方案的选取，对通风进行优化也主要是增加排风量或改变其建筑结构，对厂房本身运行进行调节控制的较少。

本文采用CFD 方法，对某采用自然进风、机械排风的四层汽机房高层温度超标问题进行研究，改变百叶窗阻力系数，分析各层风量分配对其内部温度分布的影响，并在此基础上进行优化，通过模拟验证，解决高层温度超标的问题，为今后电厂的通风运行控制提供参考。

1 工程概况

本文所研究汽机房共有四层，其一层、二层、三层、四层楼板标高分别为0 m、8.6 m、17 m、31 m，各层发热量及进风窗比例如表1 所示（其中一层进风窗面积中包含门的面积）。设计院采用的通风方式为：在汽机房每层正面以及两侧设置建筑外窗及百叶窗进风，并在四层增设机械补风，低温空气进入后受热通过楼板格栅开孔向上运动，由布置在屋顶的轴流风机排出，带走内部余热，降低室内温度。经过数值模拟发现，该厂房四层工作面平均温度为35.74 ℃，超过设计院提出的35 ℃的要求，分析发现其通风量（见表1，其中四层通风量中包括机械补风量）偏少是该层温度较高的主要原因，加大排风量来解决不符合节能要求，且底层温度有上升的空间，因此本文在保持排风量不变的基础上，采用减少底层通风量，从而使高层通风量增加的方法，降低四层工作面平均温度，使其达到设计要求。

表1 各层发热量及进风窗比例

2 数值模拟方法

2.1 物理模型及其简化

该四层汽轮机房经简化后几何尺寸为长（X）×宽（Y）×高（Z）=103 m×118 m×40 m，实际工程的汽机房内部结构比较复杂，为了提高计算速度，对其模型作如下简化：忽略梁、柱等对空气流动的影响，汽轮机、发电机用半圆柱体近似代替，高低压加热器简化为圆柱体，水泵、管道等用长方体近似代替。其各层平面布置如图1 所示。

图1 各层平面布置及监测点位置示意图

2.2 数学模型及控制方程

本文采用Realizable k-ε 湍流模型，并运用有限容积法和压强速度耦合算法中SIMPLEC 算法对控制方程进行离散和求解，为减少由于低阶格式的假扩散误差加剧湍流计算结果的不准确，动量方程、能量方程及k 方程和ε 方程均采用二阶迎风离散格式。为了便于计算，对以下方面做出假设：①室内空气为低速流动，且密度变化不大，可视作不可压缩流动。②流动为稳态流动。③满足Boussinesq 假设，认为密度变化仅对浮升力造成影响。④忽略外界风的影响。

2.3 网格划分及边界条件

由于厂房结构复杂，模型不规则，采用非结构化网格对计算区域进行划分，并在需要研究的特殊部位，如设备表面、进风窗、排风口等处作加密处理。

门窗进风口采用进口通风边界条件，进风温度采用当地夏季通风室外计算干球温度31 ℃[6-7]。机械补风采用速度入口边界条件，进风温度31 ℃。排风口采用速度出口边界条件，速度根据排风量及风口面积进行计算。散热设备采用固壁边界条件，并给定热流密度。

3 数值模拟结果分析

3.1 各层风量分配对其内部工作面温度的影响

3.1.1 数值模拟工况介绍

本节采用改变百叶窗阻力系数的方法来改变各层通风量，进而改变各层风量分配比例，讨论风量分配对室内工作面平均温度的影响。其模拟工况分别为百叶窗阻力系数0.5、4.5、9、18，依次编为工况1-4（其中工况2 为设计院原始设计工况）。工作面指各层离地高度1.5 m 处的工作区域，但本文认为整个1.5 平面上的温度在靠近进风区域较低，设备周围较高，取其平均温度并不能代表工作面平均温度，因此本文在工作地带布置监测点（如图1 所示），其中一层、二层、三层、四层的监测点个数分别为28、28、31、12 个，点的位置经过设计院认可，后文中工作面平均温度均由这些点的平均温度代替。

3.1.2 结果与分析

表2 为各层建筑外窗及百叶窗进风量随百叶窗阻力系数的变化情况。

表2 不同百叶窗阻力系数下的数值模拟结果

从表2 中可以看出：

1）百叶窗阻力系数改变对建筑外窗及百叶窗进风量均有影响。随着百叶窗阻力系数增加，进风阻力随之增大，底下三层百叶窗进风量逐渐减少，建筑外窗进风量逐渐增加。

2）当百叶窗阻力系数为0.5 时，四层建筑外窗存在逆流现象，随着百叶窗阻力系数增加，该层通过百叶窗进入的风量先增加后减少，且逆流现象消失。这是因为该层建筑外窗所在位置旁有一检修竖井，下层空气受热后在浮升力作用下直接通过该竖井进入四层并继续向上运动，一部分上升气流在该区域上方堆积，形成相对高压区，使得该区域“中和面”位置低于建筑外窗所在位置，导致该层建筑外窗出现逆流现象，随着百叶窗阻力系数增加，“中和面”位置上移（如图2 所示），逆流现象消失。

图2 x=98 m 截面（垂直四层建筑外窗截面）压力分布等势图

综合上述分析可知：对于同一汽轮机房，选用不同阻力系数的百叶窗，其各层建筑外窗及百叶窗的进风情况各不相同，各层风量比例也会不同，厂房中和面位置也有所不同。

图3 为各层通风量比例及工作面平均温度随百叶窗阻力系数变化情况。

从图3 中可以看出：

1）随着百叶窗阻力系数的增加，各层风量分配发生变化，其中一层与二层通风量逐渐减少，三层及四层通风量逐渐增加。

2）一层与二层工作面平均温度随着通风量减少逐渐上升，但仍然低于35 ℃，满足设计要求。三层工作面平均温度随着通风量增加基本保持不变，低于35 ℃，满足设计要求。分析其原因为：一层工作面平均温度主要决定因素为该层风量大小，因此其温度随着通风量减少由31.91 ℃上升到32.21 ℃。二层及三层工作面平均温度则主要由其下一层通过检修竖井、格栅进入该层的被加热空气以及通过进风窗进入的室外冷空气的多少所决定。通过进风窗进入二层风量逐渐减少，且从一层通过格栅进入的空气温度较高，导致二层工作面平均温度由33.08 ℃上升到了33.44 ℃。虽然从二层通过格栅进入三层的空气温度有所上升，但由于三层风量逐渐增加，因此该层工作面平均温度基本保持不变。

图3 各层通风量比例及工作面平均温度随百叶窗阻力系数变化规律

3）四层工作面平均温度随着通风量增加逐渐下降，该层通风量由39.8 kg/s 增加到77.2 kg/s，比例由3.6%上升到7.3%时，温度从36.38 ℃下降到了35.33 ℃，下降了约1 ℃。

从上述分析可知：各层风量分配对厂房内部工作面平均温度有较大影响。底层通风量减少虽然会引起底层平均温度的上升，但仍比设计要求低2.8 ℃，而四层通风量增加使得该层平均温度有所下降，但仍超过35 ℃的设计要求，因此本文接下来采用将一层百叶窗全部关闭的方法，继续降低一层通风量，增加四层通风量，与设计院原始工况（工况2）进行比较。

3.2 一层百叶窗关闭对各层工作面温度的影响

3.2.1 数值模拟工况介绍

本节采用关闭一层百叶窗的方法来改变其各层风量大小，讨论其通风量变化对室内工作面平均温度的影响，命名为工况5，与工况2（设计院原始设计工况）进行对比。

3.2.2 结果与分析

表3 为工况2 及工况5 各层通风量比例及工作面

表3 不同工况数值模拟结果

从表3 中可以看出：

1）一层百叶窗关闭对各层通风量均有影响。其中该层通风量由597.3 kg/s 减少到460.3 kg/s，比例由54.1%下降到41.7%。二层、三层及四层通风量分别由256.3 kg/s、183.1 kg/s、67.4 kg/s 增 加 到321.6 kg/s、229.4 kg/s、92.8 kg/s，比例分别由23.2%、16.6%、6.1%上升到29.1%、20.8%、8.4%。

2）一层百叶窗关闭后，各层工作面平均温度均发生变化。其中底下三层工作面平均温度均上升，分别由32 ℃、33.15 ℃、34.37 ℃上升到32.91 ℃、33.49 ℃、34.42 ℃，但均满足不超过35 ℃设计要求。四层工作面平均温度由35.74 ℃下降至34.81 ℃，达到了设计院不超过35 ℃的要求，且温度分布更加均匀。

综上所述，采用将0 m 层百叶窗关闭的方法来解决该厂房四层工作面平均温度超标问题是可行的。

4 结论

以上数值模拟分析了采用自然进风、机械排风的四层汽轮机房在不同工况下的各层通风及温度分布情况，可以得到如下结论：

1）百叶窗阻力系数对各层风量比例有一定影响。在同样排风量，散热量分布及开窗面积的情况下，选用不同阻力系数的百叶窗，各层风量比例有所不同，阻力系数较小时，高层进风窗容易出现逆流现象。

2）该四层汽轮机房将一层百叶窗关闭后，各层通风量为460.3 kg/s、321.6 kg/s、229.4 kg/s、92.8 kg/s，比例约为41.7%、29.1%、20.8%、8.4%，此时各层工作面温度为32.91 ℃、33.49 ℃、34.42 ℃、34.81 ℃，达到了设计要求。

3）在排风量保持一定的前提下，汽轮机房各层风量比例是影响其内部温度分布的重要因素。底层进风量减少，工作面温度上升，但仍然满足设计要求，高层进风量随之增加，降低了其工作面平均温度。因此在实际厂房设计中可以适当减少底层进风窗面积，或者对于已经建好的厂房。当底层温度较低，而高层温度超标时，可以通过采用减小底层百叶窗开度甚至直接将其关闭的方法，使底层通风量减少，从而增加高层通风量，降低其工作面温度。