空冷島兩風(fēng)道地下進風(fēng)數(shù)值分析

周蘭欣，王喆，王曉斐，楊新健

(電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點實驗室(華北電力大學(xué))，河北省保定市 071003)

空冷島兩風(fēng)道地下進風(fēng)數(shù)值分析

周蘭欣，王喆，王曉斐，楊新健

(電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點實驗室(華北電力大學(xué))，河北省保定市 071003)

直接空冷凝汽器在高空中受環(huán)境風(fēng)的影響，容易出現(xiàn)熱風(fēng)回流和倒灌等問題，影響機組的安全與經(jīng)濟運行，為此提出了空冷島地下進風(fēng)方式。以某600 MW直接空冷機組為例，建立空冷島地下進風(fēng)的物理模型，利用Fluent軟件，采用Simple算法和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，對采用兩風(fēng)道地下進風(fēng)布置方式的空冷島周圍空氣流場和溫度場進行數(shù)值模擬；計算了地上、地下進風(fēng)的空冷島通風(fēng)量，分析了在主導(dǎo)風(fēng)向下風(fēng)速對直接空冷凝汽器換熱效率及壓力的影響。計算結(jié)果表明：在有環(huán)境風(fēng)的條件下，空冷島地下進風(fēng)方式的凝汽器工作性能優(yōu)于地上進風(fēng)，在任何風(fēng)速下都沒有出現(xiàn)熱風(fēng)回流和倒灌；在同等條件下，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速大于4 m/s時，地下進風(fēng)的通風(fēng)量較地上進風(fēng)大，換熱效率較地上進風(fēng)高，當(dāng)風(fēng)速超過8 m/s后，凝汽器壓力比地上進風(fēng)低7～11 kPa。

空冷島；地下進風(fēng)；數(shù)值計算；通風(fēng)量；換熱效率

0 引 言

直接空冷凝汽器用空氣作為冷卻介質(zhì)來冷凝汽輪機排汽，通常布置于標(biāo)高40多 m的空冷平臺上，其凝汽器真空受環(huán)境風(fēng)溫、風(fēng)速、空氣潔凈程度影響大[1]。尤其在夏季高溫或因大風(fēng)引起熱風(fēng)回流和倒灌的情況下，使空冷汽輪機背壓急劇升高，乃至機組掉閘[2]。

已有學(xué)者針對環(huán)境影響下的空冷島運行特性及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化做了相關(guān)研究工作。楊立軍[3]通過計算流體動力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)模擬，獲得了不同風(fēng)速、風(fēng)向下的空氣速度場和溫度場，并且通過計算得到了空冷島的迎面風(fēng)速以及熱風(fēng)回流率。何緯峰[4]研究了環(huán)境風(fēng)速對空冷單元通風(fēng)量的影響，分析了凝汽器換熱量隨環(huán)境風(fēng)速及風(fēng)溫的變化規(guī)律，對空冷單元在加裝擋風(fēng)墻前、后的運行性能做了對比分析。Meyer[5]提出了在空冷平臺四周設(shè)置水平擋板的方法，以減小環(huán)境風(fēng)對空冷凝汽器換熱性能的影響。周蘭欣[6-8]分析了不同環(huán)境風(fēng)速時，擋風(fēng)墻高度和空冷平臺高度對空冷凝汽器換熱效率的影響；提出了在空冷島上加裝下?lián)躏L(fēng)墻的設(shè)想，分析了在空冷島不同位置加裝不同形狀的下?lián)躏L(fēng)墻對空冷換熱效率的影響。

與上述研究內(nèi)容不同，本文提出空冷島采用兩風(fēng)道地下進風(fēng)的方式，即將空冷平臺高度由目前的40多 m降低到接近地面布置，周圍空氣通過地下通道進入風(fēng)室，然后向上流過空冷凝汽器翅片管束，對汽輪機排汽進行冷卻，以期減小環(huán)境風(fēng)對空冷凝汽器性能的影響。

1 物理模型及計算方法

1.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

以某600 MW直接空冷機組為例，空冷平臺橫截面為70 m×80 m，其下表面距離地面高度為10 m。地下風(fēng)室截面尺寸與空冷平臺相同，其深度為d。主導(dǎo)風(fēng)向(xy角平分線方向)兩側(cè)的地下風(fēng)道深度與風(fēng)室相同，2個風(fēng)道的寬度分別為80，70 m。汽機房的結(jié)構(gòu)尺寸為40 m×80 m×40 m，鍋爐房尺寸為40 m×80 m×80 m，地面以上部分計算域尺寸為600 m×600 m×300 m?？绽鋶u結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 空冷島地下進風(fēng)結(jié)構(gòu)示意圖

利用Gambit軟件生成幾何模型并進行網(wǎng)格劃分[9]?？紤]到模擬計算精度的要求以及計算機硬件性能的限制，對整個計算區(qū)域網(wǎng)格采用分塊劃分的方法，廠房、換熱單元及其上方局部區(qū)域采用六面體網(wǎng)格進行劃分，其余部分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，如圖2。最后，通過了網(wǎng)格無關(guān)性驗證。

圖2 模型網(wǎng)格劃分

1.2 主控方程及邊界條件

空冷島周圍的大氣運動被認(rèn)為是不可壓縮定常流動，流體區(qū)域的控制方程為雷諾平均的N-S方程[10-12]。

連續(xù)性方程：

(1)

動量守恒方程：

(2)

本構(gòu)方程：

(3)

(4)

采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模式：

(5)

能量方程：

(6)

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。

整個流動計算區(qū)域的進口采用大氣邊界層函數(shù)計算[13]。

vi=v0(zi/z0)a

(7)

式中：z0為氣流達到均勻流時的高度；v0為z0處來流平均風(fēng)速；zi為任意高度；vi為zi處平均風(fēng)速；a為地面粗糙系數(shù)，粗糙度越大，a越大。根據(jù)電廠的地形地貌，取a=0.2及z0=10，該條件利用Fluent自帶的udf(自定義函數(shù))邊界條件編程加載。

每個空冷換熱單元采用風(fēng)扇(fan)入口和熱交換核心(heat exchanger)，廠房、擋風(fēng)墻、柱子及地下風(fēng)道、風(fēng)室壁面均采用墻(wall)邊界條件，地下風(fēng)道入口面設(shè)為內(nèi)部面(interior)，計算域在主導(dǎo)風(fēng)向的進口面采用速度入口(velocity-inlet)邊界條件，其余面采用壓力出口(pressure-outlet)邊界條件[14]。

2 計算結(jié)果及分析

2.1 空冷凝汽器運行特性

空冷凝汽器工作性能受其通風(fēng)量及環(huán)境空氣溫度影響很大[15-16]。某600 MW直接空冷機組，在銘牌功率(turbine rated load，TRL)工況下凝汽器熱負(fù)荷為773 MW，環(huán)境風(fēng)溫及凝汽器通風(fēng)量對其壓力的影響如圖3所示，圖中ta1為空冷凝汽器的入口風(fēng)溫。

圖3 凝汽器特性曲線

2.2 空冷島通風(fēng)量

2.2.1 風(fēng)道通流面積對通風(fēng)量的影響

空冷島地下進風(fēng)的通風(fēng)量隨風(fēng)道通流面積變化。風(fēng)道-1和風(fēng)道-2的寬度分別為80，70 m，地下風(fēng)道深度每增加5 m，兩風(fēng)道總通流面積增加750 m2。建立不同風(fēng)道深度的空冷島地下進風(fēng)結(jié)構(gòu)模型，并逐一進行數(shù)值模擬，得出無環(huán)境風(fēng)條件下，兩風(fēng)道地下進風(fēng)的空冷島總通風(fēng)量隨風(fēng)道深度的變化曲線，如圖4所示。

由圖4可看出：在初始階段，通風(fēng)量隨通流面積的增大而明顯提高，風(fēng)道深度由5 m到20 m，深度每增加5 m，通風(fēng)量分別提高約5 500，4 100，3 200 kg/s；當(dāng)風(fēng)道深度由20 m增加到35 m，通風(fēng)量隨通流面積而增加的趨勢變緩，深度每增加5 m，通風(fēng)量提高1 600～1 700 kg/s。當(dāng)?shù)叵嘛L(fēng)道深度為40 m(風(fēng)道通流面積6 000 m2)時，空冷島總通風(fēng)量約為25 900 kg/s，基本接近27 160 kg/s的空冷風(fēng)機設(shè)計通風(fēng)量。

圖4 通風(fēng)量隨風(fēng)道深度的變化曲線

2.2.2 環(huán)境風(fēng)速對通風(fēng)量的影響

在主導(dǎo)風(fēng)向下，風(fēng)速對空冷島地上進風(fēng)(45 m標(biāo)高)和地下進風(fēng)(d=40 m)這2種布置方式通風(fēng)量的影響如圖5所示。

圖5 風(fēng)速對通風(fēng)量的影響

由圖5可知：隨著環(huán)境風(fēng)速的提高，空冷島通風(fēng)量逐漸降低；當(dāng)環(huán)境風(fēng)速低于4 m/s時，由于空氣在地下風(fēng)道流動會受到阻力的作用，空冷島地下進風(fēng)的通風(fēng)量小于地上進風(fēng)；當(dāng)風(fēng)速超過4 m/s時，空冷島地下進風(fēng)的通風(fēng)量將大于地上進風(fēng)，且當(dāng)風(fēng)速超過8 m/s后，地上進風(fēng)、地下進風(fēng)方式的通風(fēng)量相差 3 400～3 600 kg/s。

2.2.3 空冷單元通風(fēng)量

在環(huán)境風(fēng)的影響下，空冷平臺上不同位置的空冷單元通風(fēng)量不同。在主導(dǎo)風(fēng)向、不同風(fēng)速下，地上進風(fēng)、地下進風(fēng)進風(fēng)方式的空冷單元通風(fēng)量分布如圖6所示，圖中橫坐標(biāo)為空冷單元橫排序號，S1～S7表示每列有7個空冷單元，縱坐標(biāo)表示空氣流量，單位為kg/s。

圖6 空冷單元通風(fēng)量分布

由圖6可知：(1)在無風(fēng)的情況下，位于空冷島邊緣的四排風(fēng)機通風(fēng)量略低于中間部分，且地上進風(fēng)的空冷單元平均通風(fēng)量為498 kg/s，略高于地下進風(fēng)的平均通風(fēng)量463 kg/s。隨著環(huán)境風(fēng)速的增大，在空氣流動慣性的作用下，位于空冷島背風(fēng)側(cè)的空冷單元入口處空氣壓力升高，通風(fēng)量變大，而迎風(fēng)側(cè)風(fēng)機空氣流量有所減少。(2)地上進風(fēng)的空冷島迎風(fēng)側(cè)邊緣兩排風(fēng)機通風(fēng)量隨環(huán)境風(fēng)速的增加而迅速減小，當(dāng)風(fēng)速為8 m/s時，兩排邊緣風(fēng)機的平均通風(fēng)量僅為72 kg/s，當(dāng)風(fēng)速達到12 m/s時，迎風(fēng)側(cè)個別空冷單元出現(xiàn)倒灌現(xiàn)象。而地下進風(fēng)的迎風(fēng)側(cè)兩排邊緣風(fēng)機流量雖然有所減少，但沒有出現(xiàn)倒灌現(xiàn)象，當(dāng)風(fēng)速超過8 m/s時，各空冷單元依然保持200 kg/s以上的通風(fēng)量。

2.3 空冷島周圍溫度場

環(huán)境風(fēng)會影響凝汽器出口熱空氣擴散，從而影響空冷島周圍空氣溫度分布。主導(dǎo)風(fēng)向下，x=40 m截面上的溫度分布如圖7所示。

根據(jù)空氣動力學(xué)原理，熱空氣在流動過程中與周圍空氣相互摻混，熱量向環(huán)境空氣擴散[17]。由圖7可以看出：在無環(huán)境風(fēng)的條件下，從空冷單元出來的熱空氣呈羽流狀向上擴散，如圖7(a)；當(dāng)有環(huán)境風(fēng)時，熱空氣的向上升騰過程受到影響，其流動方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，如圖7(b)；隨著環(huán)境風(fēng)速的增大，熱空氣向環(huán)境風(fēng)的方向偏斜明顯，同時其紊流擴散運動增強，熱量更快地被環(huán)境空氣帶走，空冷島上方的高溫區(qū)域減小，如圖7(c)、7(d)。由于進風(fēng)口距離空冷平臺較遠，空冷單元出口熱空氣不會影響到地下風(fēng)道進風(fēng)，運行中沒有出現(xiàn)熱風(fēng)回流的現(xiàn)象。

2.4 凝汽器換熱效率

額定工況下的汽輪機排汽量及排汽壓力已知，據(jù)此可求得空冷單元的標(biāo)準(zhǔn)散熱量，由空冷單元通風(fēng)量及空氣溫升，可算得空冷單元的實際換熱量。空冷單元實際換熱量除以標(biāo)準(zhǔn)換熱量，所得到的無量綱數(shù)定義為換熱效率，以此表示空冷凝汽器的換熱效果[18]。環(huán)境溫度30 ℃，不同環(huán)境風(fēng)速下的凝汽器換熱效率如圖8所示。

由圖8可看出：在環(huán)境風(fēng)的影響下，凝汽器換熱效率逐漸降低。當(dāng)環(huán)境風(fēng)速低于2 m/s時，地上進風(fēng)的凝汽器換熱效率約為0.87，地下進風(fēng)的換熱效率略低一些，約為0.81；當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為4 m/s時，地上進風(fēng)、地下進風(fēng)方式下的凝汽器換熱效率基本相同，約為0.79；當(dāng)風(fēng)速超過4 m/s后，地下進風(fēng)的凝汽器換熱效率將高于地上進風(fēng)；當(dāng)風(fēng)速超過8 m/s后，采取地下進風(fēng)方式的凝汽器換熱效率較地上進風(fēng)高約15%。

2.5 凝汽器壓力

環(huán)境溫度30 ℃，凝汽器熱負(fù)荷773 MW，空冷島在不同進風(fēng)方式下的凝汽器壓力如圖9所示。

圖7 空冷島周圍空氣溫度場

由圖9可知：當(dāng)環(huán)境風(fēng)速低于4 m/s時，采取地下進風(fēng)方式的凝汽器壓力略高于地上進風(fēng)；當(dāng)風(fēng)速達到4 m/s時，地下進風(fēng)、地上進風(fēng)方式的凝汽器壓力基本相同，約為27.7 kPa；當(dāng)風(fēng)速超過4 m/s后，地上進風(fēng)的凝汽器壓力會明顯高于地下進風(fēng)，且隨著風(fēng)速的增加，凝汽器壓力迅速提高；當(dāng)風(fēng)速達到8 m/s時，地上進風(fēng)的凝汽器壓力會超過35 kPa的警戒線，而地下進風(fēng)的凝汽器壓力可維持在30.8 kPa；當(dāng)風(fēng)速超過8 m/s后，采取地下進風(fēng)方式的凝汽器壓力比地上進風(fēng)低7～11 kPa。

圖8 空冷凝汽器換熱效率

圖9 空冷凝汽器壓力

3 結(jié) 論

(1)空冷島地下進風(fēng)方式下，總通風(fēng)量隨地下風(fēng)道通流面積的增大而增大，無風(fēng)條件下，40 m深的地下風(fēng)道總通風(fēng)量約為25 900 kg/s，基本接近空冷島設(shè)計通風(fēng)量；隨著環(huán)境風(fēng)速的增大，空冷島通風(fēng)量逐漸減小，當(dāng)風(fēng)速超過4 m/s時，地下進風(fēng)的空冷島通風(fēng)量高于地上進風(fēng)。

(2)在環(huán)境風(fēng)影響下，迎風(fēng)側(cè)空冷單元通風(fēng)量有所減小，背風(fēng)側(cè)單元通風(fēng)量有所增加，但在任何風(fēng)速下，采取地下進風(fēng)的空冷島都沒有出現(xiàn)“倒灌”現(xiàn)象；隨著環(huán)境風(fēng)速的增大，空冷島外部熱空氣的高溫區(qū)域范圍逐漸減小。

(3)在環(huán)境溫度30 ℃，風(fēng)速大于4 m/s條件下，地下進風(fēng)的凝汽器換熱效率高于地上進風(fēng)；當(dāng)風(fēng)速超過8 m/s后，地下進風(fēng)的凝汽器換熱效率較地上進風(fēng)高約15%，凝汽器壓力低7～11 kPa。

[1]周蘭欣，楊靖，楊祥良.300 MW直接空冷機組變工況特性[J].中國電機工程學(xué)報，2007，27(17)：78-82.

[2]周蘭欣，李衛(wèi)華，王勇.直接空冷機組運行特點分析及對策[J].電力建設(shè)，2009，30(4)：56-60.

[3]楊立軍，杜小澤，楊勇平.環(huán)境風(fēng)影響下的空冷島運行特性[J].工程熱物理學(xué)報，2009，30(2)：325-328.

[4]何緯峰，戴義平，馬慶中.環(huán)境風(fēng)對空冷單元運行性能影響的數(shù)值研究[J].中國電機工程學(xué)報，2011，31(20)：13-18.

[5]Meyer C J，Kroge D G.Numerical investigation of the effect of fan performance on forced draught air-cooled heat exchanger plenum chamber aerodynamic behavior[J].Applied Thermal Engineering，2004(24)：359-371.

[6]周蘭欣，白中華，李衛(wèi)華.直接空冷機組空冷島結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J].汽輪機技術(shù)，2008，50(2)：95-97.

[7]周蘭欣，李海宏，周書昌，等.600 MW直接空冷機組空冷島最佳高度的數(shù)值模擬[J].汽輪機技術(shù)，2011，53(3)：167-169.

[8]周蘭欣，曹智杰，弓學(xué)敏.直接空冷凝汽器加裝曲面下?lián)躏L(fēng)墻的數(shù)值模擬[J].電力建設(shè)，2011，32(9)：1-5.

[9]楊建國，劉達，張兆營，等.加裝導(dǎo)流網(wǎng)以改善橫向風(fēng)對直接空冷凝汽器的影響[J].中國電機工程學(xué)報，2012，32(2)：1-8.

[10]周蘭欣，李建波，李衛(wèi)華，等.600 MW機組空冷島外部流場的數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].中國電機工程學(xué)報，2009，29(17)：38-42.

[11]胡漢波，李隆鍵，張義華，等.直接空冷凝汽器三維流場特性的數(shù)值分析[J].動力工程，2007，27(4)：592-595.

[12]朱嵩，李敬莎，楊臘臘，等.直接空冷凝汽器翅片散熱器流動傳熱特性[J].電力建設(shè)，2011，32(7)：63-67.

[13]段會申，劉沛清，趙萬里.電廠直接空冷系統(tǒng)熱風(fēng)回流的數(shù)值模擬[J].動力工程.2008，28(3)：395-399.

[14]周蘭欣，崔皓程，魏春枝.空冷平臺間距對空冷凝汽器換熱效率的影響[J].動力工程.2009，29(8)：765-768.

[15]邱麗霞，郝艷紅，李潤林，等.直接空冷汽輪機及其熱力系統(tǒng)[M].北京：中國電力出版社，2006：122-129.

[16]段向兵，周李鵬，張明遠，等.提高直接空冷機組夏季出力的探討[J].電力建設(shè)，2010，31(3)：56-59.

[17]高沛，張學(xué)鐳.環(huán)境風(fēng)影響直接空冷凝汽器換熱的研究綜述[J].電力建設(shè)，2013，34(7)：84-84.

[18]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].4版.北京：高等教育出版社，2006：243-252.

(編輯：蔣毅恒)

NumericalAnalysisofAirCoolingIslandwithTwo-DuctUndergroundVentilation

ZHOU Lanxin, WANG Zhe, WANG Xiaofei, YANG Xinjian

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

Due to the influence of environmental wind on direct air-cooling condenser arranged high in the sky, the hot air recirculation and intrusion phenomenon easily occurred, which would affect the security and economics of the unit. Therefore, this paper proposed underground ventilation mode for air cooling island. The physical model of air cooling island with underground ventilation in a 600 MW direct air-cooling unit was established. The air flow filed and temperature filed of air cooling island with two-duct underground ventilation was numerically simulated with using Simple algorithm and standardk-ε model in Fluent. Then, the ventilation rate of air cooling condenser with underground ventilation or overground ventilation was calculated, and the impact of wind speed on the heat transfer efficiency and pressure of condenser under dominant wind direction was analyzed. The calculation results show that, under the influence of environment wind, the condenser performance of air cooling island with underground ventilation is better than that with overground ventilation, and there is not hot air recirculation and intrusion phenomenon in any wind speed. When environmental wind speed is over 4 m/s, under the same conditions, the ventilation rate of air cooling island with underground ventilation is greater than that with overground ventilation, and the heat transfer efficiency is higher. When environmental wind speed exceeds 8 m/s, the condenser pressure of air cooling island with underground ventilation is about 7～11 kPa lower than that with overground ventilation.

air cooling island; underground ventilation; numerical calculation; ventilation rate; heat transfer efficiency

TK 264

： A

： 1000-7229(2014)06-0127-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.06.024

2013- 12- 05

：2013- 12- 30

周蘭欣(1956)，男，教授，主要從事直接空冷機組節(jié)能研究；

王喆(1987)，男，碩士研究生，研究方向為直接空冷機組結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，E-mail: wangzhe226@163.com；

王曉斐(1988)，女，碩士研究生，研究方向為直接空冷機組節(jié)能；

楊新健(1988)，男，碩士研究生，主要從事汽輪機末級排汽系統(tǒng)優(yōu)化研究。