Airpak模擬用于汽輪機(jī)房通風(fēng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

徐菱虹， 劉云霞， 胡 璋

(華中科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

目前國內(nèi)大力興建火力發(fā)電廠，因能源利用成本低，設(shè)計(jì)建設(shè)時(shí)缺乏節(jié)能意識(shí)，因此存在嚴(yán)重的建筑能耗問題。汽輪機(jī)房通風(fēng)系統(tǒng)因散熱量大、通風(fēng)散熱意義重大，設(shè)計(jì)時(shí)常側(cè)重于通風(fēng)安全性，而較少考慮節(jié)能，因此也是火電廠建設(shè)中能源耗費(fèi)嚴(yán)重的典型。合理的設(shè)計(jì)方案不僅要滿足通風(fēng)散熱要求，還要盡量節(jié)約能源。

近年來，隨CFD技術(shù)的成熟，國內(nèi)外學(xué)者對大空間建筑通風(fēng)做了大量模擬研究[1～3]，接近真實(shí)測試數(shù)據(jù)的模擬研究結(jié)果對實(shí)際工程有重大指導(dǎo)意義。本文以面向HVAC領(lǐng)域的Airpak軟件為模擬仿真工具，對一實(shí)際火電廠工程的汽輪機(jī)房通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行模擬研究，分析其通風(fēng)效果，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行節(jié)能改善，通過模擬驗(yàn)證，設(shè)計(jì)出理想的節(jié)能通風(fēng)系統(tǒng)。

1 汽輪機(jī)房通風(fēng)設(shè)計(jì)

本文選取的研究對象為一個(gè)實(shí)際的大型火電廠工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目——2×300 MW熱電聯(lián)產(chǎn)工程，地處河南安陽，夏季通風(fēng)設(shè)計(jì)溫度為32℃。原工程設(shè)計(jì)中通風(fēng)系統(tǒng)為下部百葉窗自然進(jìn)風(fēng)，上部屋頂通風(fēng)機(jī)排風(fēng)的自然進(jìn)風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)方式。汽輪機(jī)房各層的樓板均為柵格樓板，通風(fēng)設(shè)計(jì)示意圖見圖1。

1、2—防爆屋頂風(fēng)機(jī)，3—汽輪機(jī)組，4—除氧器；圖1 通風(fēng)設(shè)計(jì)示意圖

設(shè)備總散熱量為6950 kW；總散濕量為2200 kg/h。工程設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員計(jì)算出排除汽輪機(jī)房室內(nèi)余熱(余濕)所需通風(fēng)量為301×104kg/h (267×104m3/h)；排除除氧間室內(nèi)余熱(余濕)所需要的通風(fēng)量為64.5×104kg/h(57.5×104m3/h)。汽輪機(jī)房屋頂布置32臺(tái)No.15防爆屋頂風(fēng)機(jī)，其型號(hào)為：DWT No.15，a=17°，風(fēng)量：85000 m3/h，配電機(jī)YB2-160L-8，n=720 rpm，N=5.5 kW。除氧間屋頂布置10臺(tái)No.14防爆屋頂風(fēng)機(jī)，其型號(hào)為：DWT No.14，a=20°，風(fēng)量：60000 m3/h，配電機(jī)YB2-160L-8，n=560 rpm，N=4 kW。風(fēng)機(jī)運(yùn)行總功率為216 kW。

根據(jù)《火力發(fā)電廠及變電所供暖通風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)手冊》中給出的通風(fēng)量估算值[4]，此2×300 MW工程的汽輪機(jī)房通風(fēng)量為200×104kg/h;除氧間的風(fēng)量估算值為56×104kg/h?？梢?，在此工程設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員過多考慮通風(fēng)安全，通風(fēng)換氣量計(jì)算值偏大。

2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

Airpak軟件是Fluent軟件下特別面向HVAC領(lǐng)域的專業(yè)人工環(huán)境系統(tǒng)分析軟件，近年來大量應(yīng)用于工程流場的研究，大量實(shí)例驗(yàn)證了其模擬計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性[5～7]，可用于進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)的專業(yè)分析。

AirPak提供4種湍流模型：混合長度模型、Indoor零方程模型、標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNGk-ε模型。

Chen等人從在普朗特Prandtl的混合長度模型的動(dòng)力學(xué)湍流粘度表達(dá)式中提出了一個(gè)簡單的代數(shù)方程式來表示湍流黏度，將湍流黏度看作當(dāng)?shù)貢r(shí)均速度和長度尺度的函數(shù)[5]，即

μt=0.03874ρυl

(1)

式中：υ為當(dāng)?shù)貢r(shí)均速度；長度尺度l被定義為與最近壁面的距離。

Indoor零方程模型是為模擬室內(nèi)空氣流動(dòng)而發(fā)展來的，為暖通空調(diào)氣流組織的研究提供了一個(gè)簡單而又可靠的湍流模型。它計(jì)算收斂速度快、收斂穩(wěn)定性好，對預(yù)測室內(nèi)氣流組織的效果很理想，適用于自然流動(dòng)、機(jī)械流動(dòng)、混合流動(dòng)以及置換通風(fēng)。本文研究的是強(qiáng)熱源工業(yè)廠房的通風(fēng)問題，考慮到室內(nèi)置換式通風(fēng)及計(jì)算的經(jīng)濟(jì)性，故選擇Indoor零方程湍流模型。

3 夏季通風(fēng)設(shè)計(jì)工況模擬計(jì)算分析

3.1 幾何模型

本文所研究的火力發(fā)電廠，主廠房按2×300 MW機(jī)組布置，在老廠房擴(kuò)建端擴(kuò)建，橫向按汽機(jī)房、除氧間、煤倉間和鍋爐房順序排列，汽輪發(fā)電機(jī)組縱向布置。汽機(jī)房采用大平臺(tái)布置，運(yùn)轉(zhuǎn)層標(biāo)高12.6 m，中間層標(biāo)高6.3 m，除氧間標(biāo)高22 m，除氧間跨距9 m。主廠房柱距9 m，共18檔，外加一個(gè)伸縮縫和距老廠房擴(kuò)建端距離，主廠房總長度為169.5 m，汽機(jī)房、除氧間屋頂標(biāo)高33 m。對建筑內(nèi)部不影響通風(fēng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，建立簡化模型如圖2所示。

2014-2016年，門診中成藥銷售金額分別為348.04、305.17和288.23萬元，分別占門診藥品銷售總金額的42.28%、36.22%和36.98%。中成藥均為口服或外用品種，口服中成藥的金額占比最高，未使用中藥注射劑。2014-2016年不同給藥途徑中成藥銷售金額見表1。

圖2 汽輪機(jī)房通風(fēng)系統(tǒng)幾何模型

3.2 求解參數(shù)設(shè)定及求解控制

結(jié)合Airpak軟件中各數(shù)學(xué)模型特點(diǎn)，運(yùn)算Airpak時(shí)離散求解的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：

(1)湍流模型：Indoor零方程模型；

(2)松弛因子：壓力為0.3；動(dòng)量為0.7；溫度為1.0；速度為1.0；k為0.5；ε為0.5；

(3)收斂準(zhǔn)則：連續(xù)性方程變量為1×10-3；能量變量為1×10-6；各速度分量變量為1×10-3。

采用穩(wěn)態(tài)算法，開啟默認(rèn)的S2S輻射模型運(yùn)算，并開啟了室內(nèi)空氣質(zhì)量/室內(nèi)舒適性控制可計(jì)算解決流場(流速和壓力)和溫度問題。設(shè)置環(huán)境溫度為32℃，室內(nèi)初始溫度為環(huán)境溫度，室內(nèi)初始風(fēng)速為0，設(shè)置默認(rèn)流體為空氣。

3.3 夏季通風(fēng)設(shè)計(jì)工況模擬分析

在數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果中，直觀反映出通風(fēng)效果的指標(biāo)就是工作區(qū)溫度場、速度場，以及排風(fēng)區(qū)的溫度場、速度場、空氣年齡。

設(shè)置進(jìn)風(fēng)口模型Vent：各進(jìn)風(fēng)百葉開啟角度一致，則設(shè)置進(jìn)風(fēng)速度一致。原工程設(shè)計(jì)中實(shí)際設(shè)計(jì)風(fēng)速為2.889 m/s，在建模的過程中預(yù)先考慮流量因素的影響，故設(shè)計(jì)進(jìn)風(fēng)口平均風(fēng)速設(shè)置為1.83 m/s。汽輪機(jī)房進(jìn)風(fēng)量分配與汽輪機(jī)房各層的進(jìn)風(fēng)面積分配比一致，即為底層49.5%，中間層21%，運(yùn)轉(zhuǎn)層29.5%。

設(shè)置排風(fēng)口模型Fan：汽輪機(jī)房屋頂布置32臺(tái)No.15防爆屋頂風(fēng)機(jī)，全開啟，設(shè)置為定流量排風(fēng)，排風(fēng)速率為23.17 m3/s；除氧間屋頂布置10臺(tái)No.14防爆屋頂風(fēng)機(jī)，全開啟，設(shè)置為定流量排風(fēng)，排風(fēng)速率為16.0 m3/s。

圖3 Y=1.5 m截面(底層工作區(qū))溫度矢量圖

圖4 Y=14.1 m截面(運(yùn)轉(zhuǎn)層工作平臺(tái))溫度矢量圖

圖5 Z=-24 m截面(汽輪機(jī)房屋頂風(fēng)機(jī)中心截面)溫度矢量圖

圖6 X=72 m截面(汽輪機(jī)房某屋頂風(fēng)機(jī)中心截面)溫度矢量圖

模擬運(yùn)算結(jié)果如圖3～6。以上模擬結(jié)果圖近似真實(shí)且直觀地顯示了通風(fēng)效果：

(2)汽輪機(jī)房內(nèi)同截面上的溫度場并不均勻，在汽輪機(jī)房上空，遠(yuǎn)離屋頂風(fēng)機(jī)的外門側(cè)溫度明顯高出近風(fēng)機(jī)側(cè)的下空，在上空屋角處存在著熱量聚集問題。

4 通風(fēng)設(shè)計(jì)改善及節(jié)能設(shè)計(jì)模擬

原通風(fēng)系統(tǒng)模擬計(jì)算結(jié)果表明，原設(shè)計(jì)中通風(fēng)量偏大，有一定節(jié)能空間。因此，可以考慮減少通風(fēng)量，關(guān)閉某些風(fēng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。經(jīng)過多次試驗(yàn)，得出如下改進(jìn)設(shè)計(jì)方案的效果最理想。

關(guān)閉6臺(tái)No.15防爆屋頂風(fēng)機(jī)，其它風(fēng)機(jī)仍正常運(yùn)行。因設(shè)備散熱造成的熱負(fù)荷造成熱氣流上升，因而，上部進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速大時(shí)通風(fēng)效果較好。調(diào)整進(jìn)風(fēng)風(fēng)速，使汽輪機(jī)房各層窗口的進(jìn)風(fēng)分配比例為：底層40%，中間層20%，運(yùn)轉(zhuǎn)層40%。模擬計(jì)算結(jié)果如圖7～10。

綜上模擬結(jié)果圖可知，此節(jié)能改進(jìn)設(shè)計(jì)是成功的，在通風(fēng)設(shè)計(jì)室外溫度32℃的條件下，比原工程設(shè)計(jì)減少運(yùn)行了6臺(tái)No.15防爆屋頂風(fēng)機(jī)，

圖7 改進(jìn)后Y=1.5 m截面(底層工作區(qū))溫度矢量圖

圖8 改進(jìn)后Y=14.1 m截面(運(yùn)轉(zhuǎn)層工作平臺(tái))溫度矢量圖

圖9 改進(jìn)后Z=-24 m截面(汽輪機(jī)房屋頂風(fēng)機(jī)中心截面)溫度矢量圖

圖10 改進(jìn)后X=72 m截面溫度矢量圖

工作區(qū)溫度仍然在設(shè)計(jì)要求溫度35℃范圍內(nèi)，排風(fēng)溫度也能滿足設(shè)計(jì)要求溫度40℃，通風(fēng)效果仍能完全滿足通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)要求，且溫度場較均勻，不存在氣流死角導(dǎo)致的熱量聚集問題。而此時(shí)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行總能耗降為183 kW，比原工程設(shè)計(jì)工況的216 kW節(jié)能33 kW，節(jié)能率達(dá)到15.3%。

5 結(jié)論及展望

利用Airpak軟件對原工程設(shè)計(jì)的夏季通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，從反映通風(fēng)散熱效果的指標(biāo)的溫度場，得出原設(shè)計(jì)存在能耗嚴(yán)重、氣流組織不均勻的結(jié)果。從改善通風(fēng)氣流組織效果和節(jié)能兩方面出發(fā)，對汽輪機(jī)房的通風(fēng)設(shè)計(jì)做改善，得到夏季通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能33 kW(節(jié)能率為15.3%)的滿意設(shè)計(jì)工況，同時(shí)解決了氣流組織不均勻的問題。

采用CFD技術(shù)模擬計(jì)算大空間建筑物的通風(fēng)系統(tǒng)還處于起步階段，需要研究工作者進(jìn)一步的努力，實(shí)現(xiàn)CFD模擬研究能簡單而準(zhǔn)確地反映真實(shí)的目標(biāo)，以便于在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中能推廣應(yīng)用CFD技術(shù)以指導(dǎo)設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文采用了面向HVAC的專業(yè)CFD軟件Airpak，建模簡單而計(jì)算準(zhǔn)確，但還存在一些問題有待進(jìn)一步研究，主要問題有：

(1)因風(fēng)壓易變而難以準(zhǔn)確計(jì)算，本研究中只考慮了熱壓的作用，而忽略了外界風(fēng)壓對通風(fēng)系統(tǒng)的影響，若能在模擬中較準(zhǔn)確地考慮風(fēng)壓和熱壓的共同影響，模擬結(jié)果將會(huì)更準(zhǔn)確。

(2)Airpak提供的湍流模型各有適用流場，且各有優(yōu)缺點(diǎn)，需探索更適合于大空間建筑物通風(fēng)系統(tǒng)的湍流模型。

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