黃 鶴，趙廷進

(1.國家電投集團貴州金元股份有限公司，貴州 貴陽 550081：東北電力大學 能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012)

環(huán)境風影響下空冷風機群的分區(qū)調(diào)節(jié)

黃 鶴1，趙廷進2

(1.國家電投集團貴州金元股份有限公司，貴州 貴陽 550081：東北電力大學 能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012)

外界環(huán)境風對直接空冷機組風機運行有較大影響。基于環(huán)境風對不同位置空冷凝汽器的影響規(guī)律，提出了空冷風機轉速分區(qū)調(diào)節(jié)的運行方案。以某330MW直接空冷機組為例，采用數(shù)值模擬，獲得了各空冷單元的空氣流量和出口平均溫度；將轉速調(diào)節(jié)由整個風機群具體到風機排，開展分區(qū)調(diào)節(jié)優(yōu)化運行的研究。結果表明：位于環(huán)境風上游的空冷單元，其空氣流量受環(huán)境風影響較大，平臺上流場與溫度場存在一致性；隨著環(huán)境溫度或風速的升高，各排風機最佳轉速也隨之增大。利用機組凈收益的計算模型，能夠確定5個不同分區(qū)軸流風機的轉速，使機組凈收益最大化。軸流風機轉速分區(qū)調(diào)節(jié)方案，可為空冷機組節(jié)能運行提供參考。

直接空冷機組；環(huán)境風；分區(qū)調(diào)節(jié)；優(yōu)化運行

直接空冷技術作為一種有效的節(jié)水方式，在我國富煤缺水地區(qū)獲得了較快的發(fā)展。但其運行中存在著背壓高，環(huán)境風影響大，風機群耗電量大等諸多問題。實際運行中，環(huán)境空氣溫度、風向和風速等參數(shù)[1]會不斷變化，導致各空冷單元的入口平均溫度、空氣流量發(fā)生變化，使傳熱效果下降。此外空冷機組運行調(diào)節(jié)手段單一[2]，研究風機群的運行特性[3，4]，合理地調(diào)配不同位置軸流風機在不同環(huán)境參數(shù)下的轉速是提高經(jīng)濟性的有效途徑之一。周蘭欣[5]采用傳熱單元數(shù)法，建立了某300 MW直接空冷機組冷端系統(tǒng)變工況特性的數(shù)學模型，分析了凝汽器壓力及管道壓損的變工況特性，得到了冷端系統(tǒng)的特性曲線。李慧君[6]通過研究直接空冷機組的運行優(yōu)化，確定了風機最佳轉速。劉麗華[7]對某2×330 MW直接空冷機組，將所有風機分成9個區(qū)，開展熱力性能實驗。通過分析實驗數(shù)據(jù)，得到了風機群分區(qū)調(diào)節(jié)對機組背壓的影響規(guī)律。本文以330 MW直接空冷機組為例，通過數(shù)值方法，得到各空冷單元空氣流量和出口溫度分布。將30個空冷風機按排分成5排，對每排風機轉速進行區(qū)別調(diào)節(jié)，并與CFD方法相結合，計算不同環(huán)境風條件下機組功率和風機耗功的差值即機組凈收益，建立風機轉速分區(qū)調(diào)節(jié)機組凈收益計算模型，以凈收益最大化為目標，得到各排風機運行轉速的最佳值。

1 空冷平臺數(shù)值分析模型

1.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

以國內(nèi)某330 MW直接空冷電站為例，采用CFD前處理軟件Gambit進行物理建模，運用Fluent軟件對處于環(huán)境風條件下的空冷平臺進行了數(shù)值模擬?？绽淦脚_由空冷凝汽器組合安裝構成，與汽機房毗鄰布置，如圖1所示。

圖1 空冷單元分布圖圖2 空冷機組模型網(wǎng)格劃分

圖3 環(huán)境風影響下總空氣流量隨網(wǎng)格數(shù)量的變化

圖1給出了該機組鍋爐房、汽機室、空冷平臺的平面布置圖。鍋爐房長、寬、高分別為56 m，38 m，72 m。汽機室長，寬，高分別為76 m，51 m，40 m。鍋爐房與汽機室之間的距離為20 m?？绽淦脚_高度35 m，距離汽機室為15 m，由30個空冷凝汽器單元，6×5陣列布置組成。本模型采用Gambit進行建模和網(wǎng)格劃分。鑒于模型計算區(qū)域很大，結構復雜，所以采用分塊劃分網(wǎng)格的方法，在保證計算精度的同時也減少了計算量，網(wǎng)格模型如圖2所示。本文對網(wǎng)格總數(shù)分別為109萬、125萬和153萬的空冷平臺運行性能進行計算，進行網(wǎng)格無關性驗證如圖3所示。從圖3中可以看出，隨著網(wǎng)格數(shù)增加，空冷單元總空氣流量在三種網(wǎng)格下計算結果變化很小，可認為109萬的網(wǎng)格數(shù)已達到網(wǎng)格無關，最終確定網(wǎng)格數(shù)為109萬。

1.2 數(shù)值計算方法及邊界條件

環(huán)境風影響下的空冷系統(tǒng)換熱特性是復雜流動換熱過程，本例采用SIMPLE算法，選用標準k-ε湍流模型對空冷單元外流場進行模擬。對翅片散熱管束進行必要的簡化，設為無限薄的平面，換熱流動特性利用多孔介質(zhì)模型進行建模?？绽鋯卧娘L機直徑設為9.7 m，設計靜壓為76 Pa?？绽鋯卧S流風機底面設置為風機模型，靜壓根據(jù)風機性能曲線設定。靜壓變化Δp表示為風機軸向流速的多項式函數(shù)為

(1)

式中：fn為多項式的系數(shù)；v為風機平面法向流體速度。根據(jù)風機性能曲線擬合獲得的靜壓變化Δp與風機軸向流體速度的v關系式：

Δp=-0.004v4+0.093v3-1.097v2-3.831v+147.6，

(2)

計算域迎風面設置為速度入口邊界，運用迪肯的冪定律描述風速沿高度的變化規(guī)律為

(3)

式中：z為任意高度；u10為距地面10 m高處的風速；m為地面粗糙度系數(shù)，結合電廠周圍地表形貌，m取值為0.2。壁面和擋風墻設置為wall邊界，支撐柱、汽機房和鍋爐房都設置為固體邊界，且不考慮鍋爐和汽機的散熱。

1.3 數(shù)值模擬結果及分析

以環(huán)境風正Y方向為計算工況，對空冷平臺進行了數(shù)值模擬計算，環(huán)境空氣溫度為15.8 ℃，相對濕度為46%，風速設置為6 m/s，大氣壓力為92.4 kPa，排汽量為300 t/h，排汽比焓設為2 518 kJ/kg，風機運行轉速均為60 r/min。假定計算區(qū)域內(nèi)空氣流動為穩(wěn)態(tài)，不可壓縮。依據(jù)穿過每個空冷單元的冷卻空氣流量和凝汽器單元出口平均溫度來分析環(huán)境風對空冷平臺換熱性能的影響。

空冷單元空氣流量分布，如圖4所示。環(huán)境風會使穿過空冷單元的空氣流量減少，第1排和第2排受環(huán)境風的影響較嚴重。處于中間區(qū)域的空冷單元較迎風面空冷單元受到的影響要小，最后排空冷單元的空氣流量受環(huán)境風影響最小，基本上能達到設計值。造成這種現(xiàn)象的主要原因為軸流風機的抽吸作用使平臺下方形成負壓區(qū)，從而使正壓區(qū)的空氣向負壓區(qū)流動?？諝膺M入空冷凝汽器的路徑為由下往上垂直于風機平面，但橫向風的擾動，使空氣不再以垂直速度流入空冷單元內(nèi)部。同時環(huán)境風遇到外圍的擋風墻時會產(chǎn)生漩渦，漩渦對外圍空冷單元的流場有較大影響，越靠近迎風面影響越大。由此可知，空氣流場的紊亂造成風機吸入的空氣流量減少，導致風機出力不足。圖5為空冷單元出口溫度場分布，顏色的深淺表示出口溫度的高低差異。由圖5可知，所有風機運行頻率相同時，空冷單元出口溫度分布并不均勻，迎風面第一排風機溫度明顯高于其它部分，同時迎風面第二排部分溫度也較高。冷卻空氣流量小，造成溫升大。由空氣流量分布圖和凝汽器出口空氣溫度分布圖可以發(fā)現(xiàn)，當所有風機運行頻率相同時，各位置空冷單元流場分布并不均勻。越靠近迎風面影響越嚴重，空冷島溫度偏高區(qū)域同時也是冷卻空氣流量明顯偏低的位置，即空冷平臺上流場與溫度場存在一致性。

圖4 空冷單元空氣流量分布圖圖5 空冷單元出口空氣溫度分布

2 機組凈收益的計算模型

2.1 確定汽輪機排汽壓力

在穩(wěn)定工況下，汽輪機排汽的凝結放熱量QV應等于冷卻空氣的吸熱量[8]，有

(4)

(5)

式中：Qc為排汽熱負荷，W；Cp為空氣的定壓比熱容，J/(kg·K)；Fi為散熱單元的傳熱面積，m2。凝汽器的飽和溫度和飽和壓力相互對應，經(jīng)過擬合，飽和壓力按下式進行計算：

(6)

計算排汽壓力[9]時還應考慮排汽壓損的存在對結果的影響，有

pc=f(ts)+Δp1+Δp2，

(7)

式中：Δp1為由管道、彎頭和閥門等構件引起的壓力損失；Δp2為從排汽口到凝汽器之間，由水蒸汽柱產(chǎn)生的壓差，Pa。

2.2 確定風機耗功

風機額定轉速為63 r/min，超速運行的最大值為110%的額定轉速。依據(jù)某直接空冷機組的風機實測數(shù)據(jù)，將風機耗功率與轉速之間的關系進行擬合，實測數(shù)據(jù)如表1 所示。由風機轉速和耗功率之間的關系，擬合得：

Nf=2 136.3×n-5 181×n2+6 536.7×n3，

(8)

式中：Nf風機耗功率，kW。

表1 風機功率和轉速的實測數(shù)據(jù)

圖6 計算流程圖

2.3 計算機組出力

依據(jù)汽機背壓功率曲線[10]，可以確定機組在不同負荷下，機組出力與排汽壓力的關系：

Nt=f(N,pc)，

(9)

式中：N為機組負荷，kW。

2.4 確定機組凈收益

由公式(7)可得到風機轉速變化后對應的機組排汽壓力，由排汽壓力可計算得機組功率Nt，由公式(8)可確定風機耗功率Nf，機組出力與風機耗功量之差為機組凈收益，以凈收益為目標函數(shù)進行計算，即當Δ(Nt-Nf)達到最大值時，所對應的各排風機轉速即為最優(yōu)運行方案。

3 分區(qū)調(diào)節(jié)的計算結果與分析

3.1 計算程序

計算程序的流程圖，如圖6所示?；诃h(huán)境風對空冷平臺的影響，使局部風量減小風機出力不足，進而引起空冷凝汽器換熱的不均勻性。將30個空冷風機以排為單位分成5個分區(qū)，分別進行風機轉速調(diào)節(jié)，在環(huán)境風向不變的情況下，考慮風速、風溫的變化，建立機組凈收益的目標函數(shù)，利用粒子群優(yōu)化算法對模型中的參數(shù)進行優(yōu)化，由排汽壓力得到機組功率，分別得到機組功率和風機耗功功率隨排汽壓力變化的曲線。對兩者求差值，當差值最大時，對應的5排風機轉速為各自運行的最佳轉速。

3.2 計算結果與分析

確定Y方向為環(huán)境風方向，在不同環(huán)境溫度、風速條件下，對75%負荷工況進行計算，通過數(shù)值計算，獲得了不同運行條件下5排風機的最佳風機轉速?？绽錂C組在75%負荷，如圖7所示，環(huán)境溫度為10 ℃條件下運行，5排風機最佳轉速與環(huán)境風速的關系。由圖7可知，當機組負荷和環(huán)境溫度不變時，隨著風速的提高，空冷單元進風量減少，空冷凝汽器換熱能力減弱，各排空冷單元最佳風機轉速也隨之提高。第1排風機轉速相比其他部分風機轉速有所提高，主要是因為風速越高對迎風面第1排空冷單元的換熱影響越嚴重。其余四排風機受環(huán)境風影響差異不大，所以從第2排到第5排風機轉速調(diào)節(jié)量大致相同。

圖7 不同風速下各排風機最佳轉速圖8 不同溫度下各排風機最佳轉速

空冷機組在75%負荷，如圖8所示，環(huán)境風速6 m/s條件下運行，5排風機最佳轉速與環(huán)境溫度的關系。由圖8可知，溫度為0 ℃時，風機轉速明顯低于其它溫度條件，且各排風機轉速差異更小，主要是隨著外界空氣溫度的降低換熱溫差變大，空氣流量對換熱性能影響的權重降低。當機組負荷和環(huán)境風速一定的工況下，環(huán)境溫度升高時，空冷凝汽器與冷卻空氣之間的換熱溫差變?。辉趽Q熱量不變的情況下，則需要提高風機轉速，增大空氣流量，使空冷凝汽器達到所需的冷卻效果。同時也對空氣裕量大的風機進行轉速調(diào)節(jié)，降低了風機耗功，減少了不必要的浪費。

4 結 論

(1)環(huán)境風的存在會使空冷單元各位置出現(xiàn)空氣流量不均、凝汽器的出口溫度不均的現(xiàn)象，尤其對迎風面第1排影響最嚴重，造成空冷系統(tǒng)換熱性能下降。

(2)空冷凝汽器出口溫度偏高區(qū)域?qū)諝饬髁棵黠@偏低區(qū)域，可知空冷平臺上流場和溫度場存在一致性，流場的變化引起了溫度場的變化。

(3)隨著環(huán)境風溫度或風速的升高，各排風機最佳轉速也隨之增大，通過應用風機群分群調(diào)節(jié)機組凈收益的計算模型，能夠更準確調(diào)節(jié)各排風機的轉速，為空冷電站風機群優(yōu)化運行提供了參考。

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DivisionalRegulationofFanClusterforDirectAir-CooledUnitsinWindEnvironment

HuangHe1，ZhaoTingjin2

(1.SPIC Guzhou Jinyuan Co.,ltd.,Guiyang Guizhou 550081；2.Energy Resource and Power Engineering College，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012)

The ambient wind has a great impact on the operation of the direct air-cooling unit fan.The operation scheme of air-cooling fan speed divisional regulation is put forward，considering the influence of wind on the air-cooled condenser in different positions.Taking a 330MW direct air-cooling unit as example，The air flow rate and the outlet average temperature of each air-cooling unit are obtained by numerical simulation，The speed adjustment from the entire fan group to the fan row to carry out the optimization of divisional regulation study.The results show that：the air flow in the upstream of the ambient air is seriously affected by ambient wind，The flow field on the platform is consistent with the temperature field；With the ambient temperature or wind speed increases，the best speed of each exhaust fan also increases.Using the calculation model of the net income of the unit，it is possible to determine the rotational speed of the five different partition of the axial fan and maximize the net income of the unit.Axial fan speed partition regulation scheme can provide reference for energy saving operation of air-cooling unit.

Direct air-cooling unit；Environmental wind；Divisional regulation；Optimal operation

2016-11-23

黃 鶴(1969-)，男，高級工程師，主要研究方向：燃煤電廠節(jié)能減排、潔凈燃燒、新能源、綜合智慧能源供應等.

電子郵箱：huanhe@jyep.cn(黃鶴);1556738280@qq.com(趙廷進)

1005-2992(2017)06-0050-06

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