環(huán)境風(fēng)作用下2×1 000 MW直接空冷機(jī)組空冷島布局

肖烈暉，杜小澤，楊立軍，席新銘

(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))，北京市 102206)

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環(huán)境風(fēng)作用下2×1 000 MW直接空冷機(jī)組空冷島布局

肖烈暉，杜小澤，楊立軍，席新銘

(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))，北京市 102206)

單機(jī)容量達(dá)到百萬kW的直接空冷火電機(jī)組空冷島具有龐大的體積和更多的空冷單元，環(huán)境風(fēng)導(dǎo)致的系統(tǒng)性能空間分布不均勻性更為明顯。空冷島的結(jié)構(gòu)與布局優(yōu)化，為百萬kW空冷機(jī)組應(yīng)對環(huán)境風(fēng)不利影響提供了可行的技術(shù)途徑。針對2×1 000 MW直接空冷機(jī)組，建立物理數(shù)學(xué)模型，考慮環(huán)境自然風(fēng)和空冷單元軸流風(fēng)機(jī)輸運(yùn)空氣流的耦合作用，采用數(shù)值模擬方法，獲得空氣側(cè)流場和溫度場的三維分布。特別針對實(shí)際運(yùn)行中最為不利的鍋爐后來風(fēng)，在不同風(fēng)速，以及空冷島和主廠房不同距離條件下，從機(jī)理上解釋空冷島冷卻通風(fēng)流量和換熱性能的變化規(guī)律。結(jié)果表明：隨著環(huán)境風(fēng)速增加，空冷島的換熱能力降低；距離增大，隨風(fēng)速增加換熱性能惡化的趨勢更為顯著；環(huán)境風(fēng)速大于6 m/s時(shí)，距離越大，熱風(fēng)回流率越高；相比于其他更大距離的布置方式，距離15 m布置方式流動換熱性能更好；環(huán)境風(fēng)速較大的情況下，緊密的空冷電站建筑布局，更有利于抵御大風(fēng)的不利影響。

直接空冷；空冷島；流動傳熱特性；距離；熱風(fēng)回流率

0 引 言

空冷技術(shù)是富煤缺水地區(qū)火力發(fā)電的重要途徑[1-2]。由于直接以環(huán)境空氣作為汽輪機(jī)排汽的冷卻介質(zhì)，因此環(huán)境條件，如大氣溫度、風(fēng)速和風(fēng)向等，都會影響機(jī)組空冷系統(tǒng)的特性。此外，位于機(jī)組附近的建筑物如鍋爐房、汽機(jī)房等也會影響空冷島的冷卻空氣流場，從而影響空冷凝汽器的傳熱性能。Wang等[3]通過數(shù)值模擬得到了空冷電站的速度場和溫度場，并得出了空氣的熱風(fēng)回流是由環(huán)境風(fēng)和風(fēng)機(jī)的抽吸作用共同造成的。顧志福等[4-6]通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)對空冷系統(tǒng)在環(huán)境風(fēng)影響下的運(yùn)行性能進(jìn)行了研究，闡述了風(fēng)速風(fēng)向以及空冷島平臺高度對空冷島換熱的影響。席新銘等[7]通過實(shí)驗(yàn)研究不同的翅片間距對翅片間冷卻空氣的流動換熱特性的影響，得到了垂直進(jìn)風(fēng)和傾斜進(jìn)風(fēng)工況下翅片散熱性能的變化。Bredell等[8]模擬了2種不同類型風(fēng)機(jī)在不同平臺高度上對空冷島換熱的影響，結(jié)果表明增加步道能夠顯著增加空冷島邊緣處風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)量。Yang等[9-11]模擬了不同風(fēng)速和風(fēng)向下空冷島的換熱特性，結(jié)果表明在高風(fēng)速下，空冷島熱風(fēng)回流嚴(yán)重，提高了空氣入口溫度使得換熱惡化，并且沿著風(fēng)速方向，大風(fēng)對空冷島的影響逐漸減小，并且提出了環(huán)境風(fēng)誘導(dǎo)裝置以及其他措施以抵抗大風(fēng)的不利影響從而提高空冷島的流動換熱性能。

近年來，能耗更低、效率更高的1 000 MW超(超)臨界直接空冷機(jī)組相繼投運(yùn)。百萬kW等級直接空冷機(jī)組空冷島凝汽器單元達(dá)到80個(gè)，空冷島巨大的空間尺度，使機(jī)組性能對環(huán)境氣象條件的不利影響更為敏感。空冷系統(tǒng)性能空間分布的不均勻性也更為明顯。楊立軍等[12]以某6× 1 000 MW直接空冷電站為例，對環(huán)境風(fēng)影響下的空冷島冷卻空氣流動傳熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明當(dāng)空冷島位于鍋爐房等建筑物下游時(shí)，迎面風(fēng)速最小，熱風(fēng)回流率最高。

本文以典型的2×1 000 MW直接空冷機(jī)組為對象，在鍋爐后來風(fēng)最不利的環(huán)境自然風(fēng)條件下，分析空冷島和主廠房不同距離對空冷島冷卻通風(fēng)流量和換熱性能的影響規(guī)律，從多臺聯(lián)建百萬kW直接空冷機(jī)組結(jié)構(gòu)布局的角度，為應(yīng)對環(huán)境風(fēng)不利影響提供依據(jù)。本文為選型研究，由于環(huán)境風(fēng)速為自然因素，所以必須考慮選型之后不同風(fēng)速下的性能變化，為選型研究提供更為充分的依據(jù)。

1 1 000 MW直接空冷機(jī)組物理數(shù)學(xué)模型

圖1為2×1 000 MW直接空冷機(jī)組布局示意圖?？紤]汽機(jī)房、鍋爐房以及煙囪等靠近空冷島的建筑物。根據(jù)行業(yè)規(guī)定，單臺機(jī)組空冷島為8行、10列設(shè)計(jì)，2臺機(jī)組聯(lián)建空冷島共有160個(gè)空冷單元，其編號方式表示在圖2上?？绽鋶u單元為“A”型框架結(jié)構(gòu)，由蒸汽分配管、上下聯(lián)箱、管束、軸流風(fēng)機(jī)組成。

圖1 2×1 000 MW直接空冷機(jī)組物理模型Fig.1 Physical model of 2×1 000 MW direct air-cooled units

圖2 空冷平臺及單元編號Fig.2 ACC platform and condenser cell serial number

采用散熱器模型描述直接空冷凝汽器翅片管束，空氣流經(jīng)翅片管束的壓降Δp為

(1)

式中：ρ為空氣密度；v為空氣流經(jīng)管束的速度；kL為無量綱壓力損失系數(shù)，表述為流速的函數(shù)，即

(2)

rn為多項(xiàng)式系數(shù)，根據(jù)空冷翅片管束流動數(shù)據(jù)擬合得到r1=71.689、r2=-31.707、r3=4.798[9]。其準(zhǔn)確度和精度已經(jīng)過檢驗(yàn)并達(dá)到計(jì)算要求，后文中經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的確定與此類似。

空氣和翅片管束之間的換熱量q為

q=h(Ts-Ta，d)

(3)

式中：Ts為空冷凝汽器蒸汽凝結(jié)溫度，該模型忽略了管壁導(dǎo)熱熱阻，認(rèn)為蒸汽凝結(jié)溫度等于管外表面溫度；Ta，d為換熱器下游空氣溫度；h為對流換熱系數(shù)，表示為流速的多項(xiàng)式形式，即

(4)

hn為多項(xiàng)式系數(shù)，根據(jù)空冷凝汽器對流換熱數(shù)據(jù)擬合后得到h1=536.993、h2=2 016.089、h3=-97.772[9]。

直接空冷凝汽器單元內(nèi)的軸流風(fēng)機(jī)簡化為一個(gè)壓力躍升面，通過風(fēng)機(jī)的壓升Δp，擬合為軸向流速的多項(xiàng)式函數(shù)形式，即

(5)

fn為多項(xiàng)式系數(shù)，對典型的空冷風(fēng)機(jī)性能曲線進(jìn)行擬合后可以得到f1=195.596、f2=-19.998、f3=3.967、f4=-0.570、f5=0.022[9]。

若忽略風(fēng)機(jī)的徑向速度，則切向速度uθ可表示為半徑的多項(xiàng)式形式，即

(6)

gn為多項(xiàng)式系數(shù)，當(dāng)葉片形式確定后，g-1= -15.1、g0=25.76、g1=-11.791、g2=4.321、g3=-0.354[9]。

在上述條件下，2×1 000 MW直接空冷機(jī)組空氣側(cè)流動和傳熱過程的控制方程為

(7)

(8)

(9)

采用RNGk-ε湍流模型，該模型應(yīng)用于空冷機(jī)組流動和傳熱模擬時(shí)的有效性驗(yàn)證可參見文獻(xiàn)[13]。關(guān)于變量湍動能k和耗散率ε的方程表示為

(10)

(11)

式中：Gk為由于平均流速梯度引起的湍動能生成項(xiàng)；Gb為由于浮力引起的湍動能生成項(xiàng)；αk和αε為k和ε的反有效普朗特?cái)?shù)；C1=1.42；C2=1.68；Rε代表平均應(yīng)變力對ε的影響，其表達(dá)式為

(12)

給定環(huán)境溫度為14 ℃?？紤]環(huán)境自然風(fēng)和空冷凝汽器單元軸流風(fēng)機(jī)空氣流場對空冷島空氣流動和傳熱性能的耦合影響。從地面開始，環(huán)境自然風(fēng)風(fēng)速沿高度方向遵照冪定律變化，即

(13)

式中：u表示任意高度z位置的空氣平均速度；u0表示10 m高度處空氣的平均速度；m表示平坦地帶的地面粗糙度系數(shù)，m=0.16。速度入口面的湍動能k，湍流耗散率ε以及湍流強(qiáng)度I之間的關(guān)系表示為

(14)

式中l(wèi)表示湍流積分尺度，根據(jù)日本載荷規(guī)范[14]，l=100(y/300)0.5。

對上述數(shù)學(xué)模型利用基于有限容積法的商用軟件Fluent，應(yīng)用數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行模擬求解。圖3給出了數(shù)值模擬的計(jì)算域。計(jì)算域中心區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，外部區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。動量方程、能量方程、湍動能方程和湍動能耗散率方程的離散均采用二階迎風(fēng)差分格式，壓力和速度的耦合采用Simple算法。計(jì)算過程中，能量離散方程殘差控制在10-6以下，其他方程殘差控制在10-4以下。為了進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，考察了距離15 m、鍋爐后來風(fēng)風(fēng)速9 m/s條件下，網(wǎng)格數(shù)量分別為2 020 000、2 512 000和3 120 000的空冷島的流動和換熱性能。由于網(wǎng)格數(shù)量較多的2個(gè)模型的冷卻空氣體積流量和風(fēng)機(jī)入口溫度的差別都在0.8%以下，所以最終選擇的網(wǎng)格數(shù)量為2 512 000。

圖3 計(jì)算域及計(jì)算風(fēng)向Fig.3 Computational domain and calculative wind direction

2 結(jié)果與討論

在最不利的鍋爐后來風(fēng)自然風(fēng)向下進(jìn)行分析。環(huán)境自然風(fēng)速u0的變化范圍為3～9 m/s。研究不同的空冷島和主廠房的距離對空冷島流動換熱的影響，圖4給出了本文中空冷島和主廠房距離d的定義。

圖4 空冷島和主廠房距離的定義Fig.4 Distance definition between air-cooled condensers and main buildings

2.1 空冷島整體流動換熱性能比較

圖5給出了不同的空冷島和主廠房距離以及不同風(fēng)速下空冷島的總換熱量和冷卻空氣總體積流量。從圖5可看出：不管在何種距離下，隨著風(fēng)速的增加換熱性能總是不斷惡化。在d=15 m，風(fēng)速為3 m/s時(shí)，相比其他距離總換熱量和體積流量最小。但該距離下，換熱量和總體積流量隨風(fēng)速降低的速度最為緩慢。當(dāng)風(fēng)速到達(dá)9 m/s時(shí)，其總換熱量和體積流量比其他距離都大。而在30 m的距離下，風(fēng)速為3 m/s時(shí)相比其他距離換熱性能最好，隨著風(fēng)速的增加總換熱量和體積流量減小迅速，當(dāng)風(fēng)速超過6 m/s時(shí)，換熱性能最差?？梢?，當(dāng)空冷島距離主廠房的距離增加時(shí)，空冷島的換熱能力隨風(fēng)速的變化更為明顯。所以d=15 m的空冷島和汽機(jī)房的布置，雖然在小風(fēng)速下較為不利，但當(dāng)風(fēng)速超過6 m/s時(shí)，其抗大風(fēng)的性能顯著，特別是對于我國北方經(jīng)常大風(fēng)的天氣，緊密的布置方式能增加空冷島的換熱性能。

圖5 空冷島換熱量和體積流量隨著風(fēng)速和距離的變化Fig.5 Total heat rejection and volumetric flow rate of ACCs versus wind speed and distance

2.2 不同風(fēng)速下的流動換熱特性

為了進(jìn)一步解釋空冷島的換熱特性，分別對風(fēng)速3 m/s和9 m/s進(jìn)行研究。由于本文的研究重點(diǎn)是主廠房對流動換熱的影響，因此以包含了汽機(jī)房和鍋爐房的空冷島第14列的yoz平面作為典型截面進(jìn)行對比，圖6給出了爐后來風(fēng)，風(fēng)速為3 m/s，距離分別為15、30 m時(shí)此截面的流線圖。圖7為對應(yīng)的溫度云圖。

對于爐后來風(fēng)的速度為3 m/s這一低風(fēng)速的情況，環(huán)境風(fēng)對空冷島換熱的影響較小，流經(jīng)翅片管束后的熱空氣容易排出。從圖6、7可以看出，環(huán)境風(fēng)在

圖6 爐后來風(fēng)的速度為3 m/s時(shí)，不同距離的截面流線圖Fig.6 Streamlines at a cross section with wind speed of 3 m/s and different distance

圖7 爐后來風(fēng)的速度為3 m/s時(shí)，不同距離的截面溫度云圖Fig.7 Temperature contours at a cross section with wind speed of 3 m/s and different distance

主廠房后部產(chǎn)生了渦流，流經(jīng)主廠房的空氣得到一定程度的加熱后流向空冷凝汽器入口，使凝汽器進(jìn)口溫度升高。對于d=15 m這種較為緊密的布局結(jié)構(gòu)中，在靠近主廠房、空冷島的下方出現(xiàn)了明顯的渦流，而在d=30 m時(shí)，空冷島的下方流場并未出現(xiàn)漩渦，并且風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)量更大，這說明緊密的布置方式阻礙了風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)，并且使得風(fēng)機(jī)入口溫度升高，從而導(dǎo)致了在低風(fēng)速下，近距離的廠房布置不利于空冷島的換熱。

圖8給出了爐后來風(fēng)速度為9 m/s，d分別為15 m和30 m時(shí)，空冷島第14列的yoz平面的流線圖。圖9為對應(yīng)的溫度云圖。從圖8、9可以看出，相比3 m/s的風(fēng)速，速度為9 m/s的環(huán)境風(fēng)嚴(yán)重影響了風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)，特別是在第8行空冷單元，即迎面風(fēng)的第1行單元，在風(fēng)機(jī)的進(jìn)口處出現(xiàn)了渦流，減小了單元的體積流量，阻礙了換熱。從流線圖可以看出在d=30 m時(shí)，主廠房處出現(xiàn)了嚴(yán)重的渦流，阻礙了風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)。從溫度云圖可以看出，由于d=30 m時(shí)主廠房處的大渦流，導(dǎo)致了流經(jīng)主廠房后的空氣溫度顯著升高，增加了風(fēng)機(jī)的進(jìn)口溫度，使得傳熱性能惡化。

圖8 爐后來風(fēng)的速度為9 m/s時(shí)，不同距離的截面流線圖Fig.8 Streamlines at a cross section with wind speed of 9 m/s and different distance

為了進(jìn)一步分析大風(fēng)情況下不同的空冷島距主廠房距離對空冷島流動換熱的影響，計(jì)算了15 m和30 m距離下的熱風(fēng)回流率。熱風(fēng)回流率定義為空冷

圖9 爐后來風(fēng)的速度為9 m/s時(shí)，不同距離的 截面溫度云圖Fig.9 Temperature contours at a cross section with wind speed of 9 m/s and different distance

凝汽器進(jìn)風(fēng)中所含有的由凝汽器排出又重新吸入空冷島進(jìn)口的空氣質(zhì)量流量與空冷凝汽器入口處的總質(zhì)量流量的比值[12]，即

(15)

式中：T1為凝汽器入口空氣溫度；T2為凝汽器出口空氣溫度；T0為環(huán)境溫度。

經(jīng)過計(jì)算可得：爐后來風(fēng)的速度為9 m/s、距離為15 m時(shí)的熱風(fēng)回流率是8.148 3%，而當(dāng)距離變?yōu)?0 m時(shí)，熱風(fēng)回流率達(dá)到了9.312 2%。這表明了當(dāng)空冷島和主廠房的距離增加后，空冷島整體的熱風(fēng)回流率將升高。

圖10給出了爐后來風(fēng)的速度為9 m/s條件下，距離為15 m和30 m的空冷單元熱風(fēng)回流率的空間變化規(guī)律。由于幾何結(jié)構(gòu)的對稱性，空冷單元熱風(fēng)回流率也近似軸對稱。從圖10可以看出，靠近主廠房的空冷單元熱風(fēng)回流率最高，其中第3列和第18列附近的空冷單元熱風(fēng)回流最為明顯，而遠(yuǎn)離主廠房的空冷單元熱風(fēng)回流率較小。當(dāng)空冷島和主廠房的距離越大，熱風(fēng)回流率也越高。當(dāng)距離為30 m時(shí)，其中第3列的空冷單元的回流率最高達(dá)到了79.926%。這說明了緊致的廠房布置，有利于減小大風(fēng)對空冷島換熱的不利影響。

圖10 爐后來風(fēng)的速度為9 m/s時(shí)，不同距離的空冷 單元熱風(fēng)回流率Fig.10 Recirculation flow ratio of condenser cells at wind speed of 9 m/s and different distance

3 結(jié) 論

(1) 不管在何種距離下，隨著風(fēng)速的增加換熱性能總是不斷惡化。當(dāng)空冷島和主廠房的距離增大，隨風(fēng)速的增加換熱能力減小得更為迅速。

(2) 在爐后來風(fēng)的速度為3 m/s的情況下，距離為15 m的空冷島和主廠房距離換熱能力較差；但是當(dāng)風(fēng)速超過6 m/s后，緊密的電站布置相比于其他更大距離的布置方式流動換熱能力有所增強(qiáng)。

(3) 空冷單元熱風(fēng)回流率呈近似軸對稱，靠近主廠房的熱風(fēng)回流率最高。在爐后來風(fēng)的速度為9 m/s的條件下，當(dāng)距離達(dá)到30 m時(shí)，整體熱風(fēng)回流率達(dá)到9.3122%，局部的熱風(fēng)回流率最高達(dá)79.926%，說明此時(shí)熱風(fēng)回流嚴(yán)重，不利于空冷島換熱。因此更為緊致的空冷電站的建筑布局，有利于抵抗大風(fēng)對空冷島的不利影響，為電站的布局設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

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(編輯：蔣毅恒)

Air-Cooling Condenser Layout of 2×1 000 MW Direct Air-Cooled Units under Effect of Ambient Natural Wind

XIAO Liehui， DU Xiaoze， YANG Lijun， XI Xinming

(Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment of Ministry of Education,North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Air-cooled condensers (ACCs) of direct air-cooled plant with unit capacity of 1 000 MW have huge size and more cells, and the inhomogeneity of system performance in space distribution by ambient wind is obvious. The optimization of the structure and layout can provide feasible technical approach for 1 000 MW ACCs to replay to ambient wind. On the basis of 2×1 000 MW direct air-cooled units, this paper constructed physical and mathematical models with considering the coupling effect of ambient wind and air flow from unit fans, and presented the three-dimensional distribution of flow and temperature fields by using numerical simulation method. Then the variation mechanism of the cooling ventilation flow rate and heat transfer performance of ACCs with wind speed and distance between ACCs and the main buildings was explained, especially for the wind from boiler house which was most unfavorable. The results show that the heat thermo-flow performance of ACCs is decreased with the increase of the wind speed. With the increase of wind speed, the heat capacity decreases more rapidly when the distance between ACCs and the main buildings increases. When the wind speed is over 6 m/s, the exhaust plume recirculation flow ratio increases with the distance increases; the heat transfer performance of 15 m is better than other more lager distance. Therefore it’s benefit to resist adverse effect by strong wind with tight air-cooled plant layout at high wind speed.

direct air-cooled; air-cooled condenser (ACC); thermo-flow performances; distance; exhaust plume recirculation flow ratio

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(973項(xiàng)目)(2015CB251503)。

TK 124; TM 621

A

1000-7229(2015)06-0007-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.06.002

2015-03-25

2015-04-29

肖烈暉(1991)，男，博士研究生，主要從事電站直接空冷系統(tǒng)優(yōu)化等研究；

杜小澤(1970)，男，博士，教授，通訊作者，主要從事強(qiáng)化傳熱與電力節(jié)能、新能源發(fā)電等研究；

楊立軍(1970)，男，博士，教授，主要從事火力發(fā)電空冷技術(shù)等研究；

席新銘(1979)，男，碩士，工程師，主要從事火力發(fā)電空冷技術(shù)等研究。

Project Supported by National Basic Research Program of China (973 Program)(2015CB251503).