周蘭欣，王曉斐，王喆，吳瑞康

(電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，河北省保定市 071003)

空冷島加裝擋風(fēng)墻的數(shù)值模擬

周蘭欣，王曉斐，王喆，吳瑞康

(電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，河北省保定市 071003)

在大風(fēng)情況下，空冷凝汽器換熱效率由于熱風(fēng)回流和“倒灌”現(xiàn)象的共同作用而降低。為了改善環(huán)境風(fēng)對(duì)空冷凝汽器的影響，提出了在空冷島背風(fēng)側(cè)(主導(dǎo)風(fēng)向下)加裝擋風(fēng)墻的方案。以某600 MW直接空冷機(jī)組為例，利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)軟件對(duì)空冷島外部流場進(jìn)行數(shù)值模擬，分析主導(dǎo)風(fēng)向、主導(dǎo)風(fēng)向相反風(fēng)向情況下，不同風(fēng)速時(shí)擋風(fēng)墻對(duì)空冷凝汽器換熱效率的影響。結(jié)果表明：在主導(dǎo)風(fēng)向下，加裝擋風(fēng)墻使空冷單元空氣流量大幅度增加，空冷凝汽器換熱效率提高；在主導(dǎo)風(fēng)向相反風(fēng)向下，加裝擋風(fēng)墻造成空冷島背風(fēng)側(cè)出現(xiàn)熱風(fēng)回流，空冷凝汽器換熱效率降低，在背風(fēng)側(cè)水平擋板邊緣處豎直加裝一定高度的擋風(fēng)墻可以改善熱風(fēng)回流現(xiàn)象。

空冷島；熱風(fēng)回流；倒灌；擋風(fēng)墻；數(shù)值模擬

0 引 言

直接空冷機(jī)組的排汽由空氣直接冷凝，不需要水作為中間冷卻介質(zhì)，節(jié)水效果明顯，所以很多水資源匱乏的國家和地區(qū)都在大力發(fā)展直接空冷技術(shù)。但是，直接空冷機(jī)組的空冷凝汽器直接布置在露天環(huán)境中，所以其換熱效率受環(huán)境風(fēng)影響很大，特別是在夏季大風(fēng)情況下，空冷凝汽器換熱效率急劇下降[1-3]。文獻(xiàn)[4-5]分析了空冷島上擋風(fēng)墻和空冷平臺(tái)高度與空冷凝汽器的關(guān)系；文獻(xiàn)[6]研究了擋風(fēng)墻形狀對(duì)直接空冷風(fēng)機(jī)群流體動(dòng)力學(xué)特性的影響；文獻(xiàn)[7-8]分析了防風(fēng)網(wǎng)對(duì)空冷凝汽器換熱效果的影響；文獻(xiàn)[9-10]分析了在不同位置，加裝不同高度、不同曲率擋風(fēng)墻對(duì)空冷凝汽器平均換熱效率的影響；文獻(xiàn)[11]分析了加裝導(dǎo)流板對(duì)空冷單元空氣流場和溫度場的影響；文獻(xiàn)[12]研究了直接空冷凝汽器中，單排扁平管外側(cè)的流動(dòng)和換熱隨凝汽器進(jìn)口風(fēng)速和氣溫的變化規(guī)律。

為了減小夏季大風(fēng)情況下熱風(fēng)回流和“倒灌”現(xiàn)象對(duì)空冷凝汽器換熱效率的影響，本文提出在空冷島背風(fēng)側(cè)(主導(dǎo)風(fēng)向下)加裝擋風(fēng)墻方案。以某600 MW機(jī)組為例，分別模擬主導(dǎo)風(fēng)向、主導(dǎo)風(fēng)向相反風(fēng)向這2種情況下，環(huán)境風(fēng)速變化時(shí)，擋風(fēng)墻對(duì)空冷島外部流場、溫度場和空冷凝汽器換熱效率的影響，為空冷機(jī)組的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供理論參考依據(jù)。

1 物理模型及計(jì)算方法

1.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

根據(jù)某600 MW直接空冷機(jī)組的幾何模型和物理特點(diǎn)，利用Gambit軟件生成相應(yīng)的幾何模型和計(jì)算網(wǎng)格。模型計(jì)算區(qū)域(長×寬×高)為500 m×500 m×300 m，其中整個(gè)空冷島由8×7個(gè)空冷單元組成。空冷平臺(tái)高45 m，總寬80 m，總長70 m，上擋風(fēng)墻高10 m，鍋爐房尺寸(長×寬×高)為60 m×35 m×90 m，汽機(jī)房尺寸(長×寬×高)為60 m×35 m×35 m。在主導(dǎo)風(fēng)向下，空冷平臺(tái)背風(fēng)側(cè)緊挨空冷平臺(tái)下沿豎直向下加裝無開孔的實(shí)心擋風(fēng)墻至地面，迎風(fēng)面緊挨空冷平臺(tái)下沿水平加裝水平擋板，幾何模型如圖1所示(定義x軸負(fù)方向?yàn)?°，y軸正方向?yàn)?0°，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)?5°)。

圖1 幾何模型

在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，為減少網(wǎng)格數(shù)量并且提高網(wǎng)格質(zhì)量，對(duì)整個(gè)計(jì)算區(qū)域采用分塊劃分法，盡可能多地采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對(duì)局部關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行加密細(xì)化。最后經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，得到網(wǎng)格數(shù)約為220萬個(gè)。

1.2 數(shù)值計(jì)算方法

本模型考慮重力的作用，在豎直方向(z方向)設(shè)置重力加速度，環(huán)境壓力為97.4 kPa，溫度為33 ℃。

1.2.1 邊界條件的設(shè)置

計(jì)算域的進(jìn)風(fēng)側(cè)設(shè)置為速度入口，采用大氣邊界層函數(shù)即迪肯(Deaccon)的冪定律：

vi=v0(zi/z0)a

(1)

式中：z0為氣流達(dá)到均勻流時(shí)的高度；v0為z0處來流平均風(fēng)速；zi為任意高度值；vi為zi高度處的平均風(fēng)速；α為地面粗糙系數(shù)，地面的粗糙度越大，α的值也就越大，本文取z0=10和α=0.2[8]。

風(fēng)機(jī)進(jìn)口設(shè)置為風(fēng)扇邊界條件；空冷凝汽器設(shè)置為多孔介質(zhì)模型，將流經(jīng)物理模型空間的流動(dòng)阻力看作是動(dòng)量控制方程的附加動(dòng)量源，空冷凝汽器的換熱情況可以利用Fluent軟件中自帶的熱交換模塊進(jìn)行計(jì)算[10,13-15]；下部設(shè)置為墻壁邊界條件，其余均設(shè)置為出口邊界條件；空冷凝汽器的擋風(fēng)墻以及柱子均設(shè)置為墻壁邊界條件。

1.2.2 湍流模型及主控方程

由于環(huán)境風(fēng)速遠(yuǎn)小于當(dāng)?shù)芈曀俚?/3，所以空冷平臺(tái)周圍的大氣運(yùn)動(dòng)可以認(rèn)為是不可壓縮定常流動(dòng)。流體區(qū)域的流動(dòng)應(yīng)滿足三維流動(dòng)控制方程，數(shù)值模擬則采用雷諾應(yīng)力平均N-S方程。

連續(xù)性方程：

(2)

動(dòng)量守恒方程：

(3)

本構(gòu)方程：

(4)

(5)

采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模式：

(6)

模型還涉及熱量交換，運(yùn)用能量方程：

(7)

式中：ρ為空氣密度；u為速度向量；i，j，k=1，2，3；μ為流體動(dòng)力粘性系數(shù)；p為壓力；εij為應(yīng)變率張量；τij為應(yīng)力張量。

2 計(jì)算結(jié)果分析

考核工況下機(jī)組凝汽器的排汽熱量已知，定義為標(biāo)準(zhǔn)換熱量。將空氣實(shí)際吸熱量除以標(biāo)準(zhǔn)換熱量所得到的無量綱數(shù)定義為換熱效率，即η=Qa/Qs×100%。式中：Qa為實(shí)際空氣吸熱量，MW；Qs為所用機(jī)組考核工況下凝汽器的排熱量，MW。

通過模擬計(jì)算加裝45 m高擋風(fēng)墻、10 m寬水平擋板，以及加裝45 m高擋風(fēng)墻、0 m寬水平擋板(即無水平擋板)時(shí)空冷凝汽器的換熱效率，對(duì)比分析這2種方案的擋風(fēng)墻對(duì)空冷凝汽器的影響。

2.1 主導(dǎo)風(fēng)向下?lián)躏L(fēng)墻對(duì)空冷凝汽器的影響

2.1.1 加裝擋風(fēng)墻對(duì)空冷島周圍溫度場和速度場的影響

以風(fēng)速9 m/s為例，模擬加裝擋風(fēng)墻前、后空冷島周圍的溫度場和速度場，分析擋風(fēng)墻對(duì)空冷凝汽器的影響。圖2分別是無擋風(fēng)墻和加裝擋風(fēng)墻時(shí)，空冷島周圍的溫度等值線圖，溫度單位為K。由圖2可看出：在沒有加裝擋風(fēng)墻時(shí)，空冷島的蒸騰現(xiàn)象被破壞，迎風(fēng)兩側(cè)出現(xiàn)“倒灌”現(xiàn)象；加裝擋風(fēng)墻后，“倒灌”現(xiàn)象消失，空冷單元風(fēng)機(jī)入口處溫度整體降低，空冷凝汽器換熱效率提高。

圖2 空冷島周圍空氣溫度等值線

圖3分別是無擋風(fēng)墻和加裝擋風(fēng)墻情況下，空冷島周圍空氣速度等值線圖，速度單位為m/s。從圖3可看出，分別加裝擋風(fēng)墻后，空冷單元風(fēng)機(jī)入口處空氣流速均降低，靜壓增加，使得風(fēng)機(jī)抽到空冷單元內(nèi)的空氣速度增加，空冷單元流量增加。

圖3 空冷島周圍空氣速度等值線

空冷單元空氣流量分布圖如圖4所示，圖中每個(gè)柱子代表1個(gè)空冷單元，橫坐標(biāo)表示每排有8個(gè)空冷單元，縱坐標(biāo)表示每列有7個(gè)空冷單元。從圖4可看出：加裝擋風(fēng)墻后，整個(gè)空冷島空氣流量增大，這是由于加裝擋風(fēng)墻后，環(huán)境風(fēng)受擋風(fēng)墻阻擋，滯留在空冷平臺(tái)下方，降低了風(fēng)機(jī)入口處空氣的流速，空氣被風(fēng)機(jī)抽取向上流動(dòng)；加裝水平擋板后，迎風(fēng)側(cè)前2排空冷單元空氣流量增加，這是因?yàn)榧友b水平擋板后，降低了環(huán)境風(fēng)對(duì)迎風(fēng)側(cè)空冷單元風(fēng)機(jī)入口的橫向沖刷，提高了風(fēng)機(jī)的抽氣效率；加裝擋風(fēng)墻(有水平擋板)、擋風(fēng)墻(無水平擋板)后，空氣流量分別比不加擋風(fēng)墻時(shí)增加了16 272.32，13 011.18 kg/s。

2.1.2 加裝擋風(fēng)墻對(duì)空冷凝汽器換熱效率的影響

根據(jù)數(shù)值計(jì)算的結(jié)果，得到在主導(dǎo)風(fēng)向不同風(fēng)速下，空冷島加裝擋風(fēng)墻前后空冷凝汽器換熱效率隨風(fēng)速大小的變化曲線，如圖5所示。

由圖5可看出：無擋風(fēng)墻時(shí)，凝汽器換熱效率隨環(huán)境風(fēng)速的增加而降低；加裝擋風(fēng)墻后，空冷凝汽器的換熱效率提高，隨著環(huán)境風(fēng)速的增加而增加，并且含有水平擋板的擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)比不含水平擋板的好，提高的換熱效率更多。結(jié)合廠址水文氣象條件可知，主導(dǎo)風(fēng)向下夏季平均風(fēng)速為5.5 m/s，此時(shí)加裝擋風(fēng)墻(有水平擋板)、擋風(fēng)墻(無水平擋板)后空冷凝汽器換熱效率分別比不加擋風(fēng)墻時(shí)提高了44.90%，35.48%。

圖4 空冷單元空氣流量

圖5 空冷凝汽器換熱效率隨環(huán)境風(fēng)速的變化曲線

2.2 主導(dǎo)風(fēng)向相反風(fēng)向下?lián)躏L(fēng)墻對(duì)空冷凝汽器的影響

在主導(dǎo)風(fēng)向下，按圖1加裝擋風(fēng)墻可以提高空冷凝汽器的換熱效率；但是在其他風(fēng)向下，加裝擋風(fēng)墻對(duì)凝汽器也有影響?，F(xiàn)計(jì)算分析在主導(dǎo)風(fēng)向相反風(fēng)向(即225°風(fēng)向)下，擋風(fēng)墻對(duì)空冷單元空氣流量和空冷凝汽器的影響。

2.2.1 加裝擋風(fēng)墻對(duì)空冷單元的影響

以環(huán)境風(fēng)速3 m/s為例，分析加裝擋風(fēng)墻對(duì)空冷單元空氣流量和空冷單元進(jìn)口溫度的影響，結(jié)果如圖6、7所示。

從圖6中可看出：無擋風(fēng)墻時(shí)，迎風(fēng)側(cè)空冷單元流量較少，加裝擋風(fēng)墻后，由于擋風(fēng)墻的阻擋作用，空冷島迎風(fēng)面兩側(cè)的前2排空冷單元空氣流量增加。特別是加裝水平擋板后，空冷平臺(tái)下方被擋風(fēng)墻圍繞的空間增大、空氣量增加，并且水平擋板緩解了環(huán)境風(fēng)對(duì)空冷島邊緣處空冷單元風(fēng)機(jī)入口的沖刷，所以空冷島背風(fēng)側(cè)空冷單元空氣流量較無水平擋板時(shí)有所增加。但是加裝擋風(fēng)墻后，由于擋風(fēng)墻將空冷平臺(tái)下方的空間包圍，空冷平臺(tái)下方的空氣流動(dòng)受限，使得流過空冷平臺(tái)下方的空氣量減少，所以空冷島中間區(qū)域的空冷單元空氣流量降低。

從圖7可看出：無擋風(fēng)墻時(shí)，空冷單元風(fēng)機(jī)入口空氣溫度普遍比較低，平均溫度為306.93 K，空冷凝汽器換熱效果比較好；加裝擋風(fēng)墻后，由于擋風(fēng)墻圍繞空冷平臺(tái)下方，使風(fēng)機(jī)抽取空氣時(shí)，空冷平臺(tái)下方空氣量不夠，所以參與凝汽器換熱的空氣，經(jīng)過回流又重新被風(fēng)機(jī)抽取進(jìn)入空冷單元進(jìn)行熱交換，從而導(dǎo)致空冷單元風(fēng)機(jī)入口處空氣溫度偏高，加裝擋風(fēng)墻(有水平擋板)和擋風(fēng)墻(無水平擋板)后，風(fēng)機(jī)入口處空氣溫度平均分別為313.26，314.05 K，使凝汽器換熱效率降低。

圖6 空冷單元空氣流量

圖7 空冷單元進(jìn)口空氣溫度

所以，在主導(dǎo)風(fēng)向相反風(fēng)向下，風(fēng)速為3 m/s時(shí)，加裝擋風(fēng)墻(無水平擋板)后，空冷單元空氣流量降低，加裝水平擋板后，空冷單元空氣流量較加裝擋風(fēng)墻(無水平擋板)后稍有增加；但是加裝擋風(fēng)墻后會(huì)使空冷島背風(fēng)側(cè)出現(xiàn)熱風(fēng)回流現(xiàn)象，使得凝汽器換熱效率較不加擋風(fēng)墻時(shí)有所降低。在大風(fēng)情況下，空冷島背風(fēng)側(cè)甚至?xí)霈F(xiàn)“倒灌”現(xiàn)象與熱風(fēng)回流共同影響空冷凝汽器的換熱情況，更加惡化凝汽器的換熱效果。

2.2.2 加裝擋風(fēng)墻對(duì)空冷凝汽器換熱效率的影響

通過模擬計(jì)算得出在主導(dǎo)風(fēng)向相反風(fēng)向下，空冷單元空氣流量隨環(huán)境風(fēng)速的變化如圖8(a)所示，凝汽器換熱效率隨環(huán)境風(fēng)速的變化如圖8(b)所示。

從圖8可看出：加裝擋風(fēng)墻(有水平擋板)后，雖然整個(gè)空冷島空冷單元空氣流量有所增加，但是空冷凝汽器換熱效率卻降低了；加裝擋風(fēng)墻(無水平擋板)后，整個(gè)空冷島空冷單元空氣流量和空冷凝汽器換熱效率均有所下降。這是因?yàn)榧友b擋風(fēng)墻后，雖然空冷島中間區(qū)域的空冷單元空氣流量稍有下降，但是迎風(fēng)側(cè)空冷單元空氣流量增加，并且加裝水平擋板增加了背風(fēng)側(cè)空冷單元空氣流量；但是加裝擋風(fēng)墻后，空冷島背風(fēng)側(cè)出現(xiàn)熱風(fēng)回流現(xiàn)象，所以凝汽器換熱效率不但沒有增加，反而降低了。結(jié)合廠址水文氣象條件可知，主導(dǎo)風(fēng)向相反風(fēng)向下夏季平均風(fēng)速為4.5 m/s，此時(shí)加裝擋風(fēng)墻(有水平擋板)、擋風(fēng)墻(無水平擋板)分別比不加擋風(fēng)墻前的換熱效率降低了5.75%,12.19%。

為了改善主導(dǎo)風(fēng)向相反風(fēng)向情況下，擋風(fēng)墻對(duì)空冷凝汽器換熱效率的影響，可以在背風(fēng)側(cè)水平擋板邊緣處豎直加裝一定高度的擋風(fēng)墻[9-10]，減少熱風(fēng)回流量。

圖8 空冷單元空氣流量、凝汽器換熱效率隨環(huán)境風(fēng)速的變化曲線

3 結(jié) 論

(1)不加擋風(fēng)墻時(shí)，在大風(fēng)情況下空冷島出現(xiàn)熱風(fēng)回流和“倒灌”現(xiàn)象，嚴(yán)重影響凝汽器的換熱效率。

(2)在主導(dǎo)風(fēng)向下，加裝擋風(fēng)墻后，熱風(fēng)回流和“倒灌”現(xiàn)象消失，有效改善了空冷島周圍的空氣流場和空冷凝汽器的換熱效率；在夏季平均風(fēng)速5.5 m/s時(shí)，加裝擋風(fēng)墻(有水平擋板)、擋風(fēng)墻(無水平擋板)后，凝汽器平均換熱效率分別比不加擋風(fēng)墻時(shí)提高了44.90%,35.48%。

(3)在主導(dǎo)風(fēng)向相反風(fēng)向下，加裝擋風(fēng)墻后，由于熱風(fēng)回流現(xiàn)象，換熱效率比不加擋風(fēng)墻時(shí)有所降低；在夏季平均風(fēng)速4.5 m/s時(shí)，加裝擋風(fēng)墻(有擋風(fēng)墻)、擋風(fēng)墻(無水平擋板)后，凝汽器平均換熱效率分別比不加擋風(fēng)墻時(shí)降低了了5.75%,12.19%。

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(編輯：蔣毅恒)

NumericalSimulationofAirCoolingIslandwithWindbreak

ZHOU Lanxin, WANG Xiaofei, WANG Zhe, WU Ruikang

(Key Lab of Ministry of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment,North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China)

Under the condition of strong wind, the combination of hot air recirculation and ‘intrusion’ phenomenon results in the reduction of heat transfer efficiency of air cooling condenser. In order to improve the impact of environmental wind on air cooling condenser, this paper proposed the scheme that installed the windbreak on the leeward side of air cooling island (in the dominant wind direction). Taking a 600 MW direct air cooling unit as an example, the external flow field of air cooling island was numerically simulated with using CFD (computational fluid dynamics) software. The impact of windbreak on heat transfer efficiency of air cooling condenser with different wind speed in the dominant wind direction or the opposite direction was analyzed. The calculation results show that, in the dominant wind direction, the air flow of air cooling unit with windbreak significantly increases, and the heat transfer efficiency of air cooling condenser is improved; in the opposite direction, the installation of windbreak make the hot air recirculation occur on the leeward side of air cooling island and the heat transfer efficiency of air cooling condenser decrease, and the windbreak with certain height installed at horizontal baffle edges on leeward sid can improve the phenomenon of hot air recirculation.

air cooling island; hot air recirculation; intrusion; windbreak; numerical simulation

TK 264.1+1

： A

： 1000-7229(2014)05-0088-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.05.015

2013- 11- 01

：2013- 12- 25

周蘭欣(1956)，男，教授，主要從事直接空冷機(jī)組節(jié)能研究工作；

王曉斐(1988)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)橹苯涌绽錂C(jī)組節(jié)能，E-mail：qiu_6661@126.com；

王喆(1987)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)橹苯涌绽錂C(jī)組結(jié)構(gòu)優(yōu)化；

吳瑞康(1989)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)橹苯涌绽涔?jié)能。