空冷島加裝擋風(fēng)網(wǎng)對凝汽器換熱效率的影響

周蘭欣，王曉斐，吳瑞康

(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)

空冷島加裝擋風(fēng)網(wǎng)對凝汽器換熱效率的影響

周蘭欣，王曉斐，吳瑞康

(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)

利用CFD數(shù)值模擬Fluent軟件，以某600 MW直接空冷機(jī)組為例，模擬環(huán)境風(fēng)對空冷凝汽器換熱效率的影響，提出在空冷島周圍加裝不同形式擋風(fēng)網(wǎng)的方案。模擬計算結(jié)果表明:加裝擋風(fēng)網(wǎng)后，在大風(fēng)條件下，熱風(fēng)回流和“倒灌”現(xiàn)象均減弱，空冷單元空氣流量增加;在環(huán)境風(fēng)速為0～12 m/s的情況下，機(jī)組凝汽器平均換熱效率可達(dá)到72.52%，比不加擋風(fēng)網(wǎng)時高24.51%。

直接空冷機(jī)組;凝汽器;擋風(fēng)網(wǎng);數(shù)值模擬;換熱效率

0 引言

直接空冷機(jī)組主要安裝在水資源貧乏的“三北”地區(qū)，其汽輪機(jī)的排汽是直接由環(huán)境中的空氣進(jìn)行冷卻的，換熱效率受環(huán)境風(fēng)的影響很大，尤其是在夏季大風(fēng)情況下，容易產(chǎn)生熱風(fēng)回流與“倒灌”現(xiàn)象［1-2］。為了提高空冷凝汽器平均換熱效率，很多學(xué)者對空冷島高度、空冷島擋風(fēng)墻的布置方式進(jìn)行了優(yōu)化模擬。文獻(xiàn)［3-4］等研究了空冷平臺高度對空冷凝汽器換熱效率的影響，文獻(xiàn)［5-8］等研究了擋風(fēng)墻對空冷機(jī)組的影響。

本文提出在空冷島周圍加裝擋風(fēng)網(wǎng)的幾種方案，以600 MW機(jī)組為例，模擬擋風(fēng)網(wǎng)對空冷凝汽器換熱效率的影響。

1 計算模型的建立

1.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

根據(jù)某600 MW直接空冷機(jī)組的物理模型和物理特點，利用Gambit軟件生成相應(yīng)的幾何模型和計算網(wǎng)格。整個空冷島由8×7個空冷單元組成;空冷平臺高45 m，總寬80 m，總長70 m;上擋風(fēng)墻高10 m，鍋爐房尺寸為60 m×35 m×90 m(長×寬×高);汽機(jī)房尺寸為60 m×35 m×35 m(長×寬×高);整個計算區(qū)域尺寸為500 m×500 m×300 m (長×寬×高)。平面分布如圖1所示。

圖1中的縱橫數(shù)字分別表示列和行，空冷島由7行8列空冷單元組成。

在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，為減少網(wǎng)格數(shù)量并且提高網(wǎng)格質(zhì)量，對整個計算區(qū)域采用分塊劃分法，盡可能多地采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對局部關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行加密細(xì)化。驗證網(wǎng)格獨立性，以風(fēng)速為6 m/s并且不加擋風(fēng)網(wǎng)為例，分別采用網(wǎng)格數(shù)為179萬，223萬，256萬個的3種網(wǎng)格對模型進(jìn)行計算。用空冷凝汽器的平均換熱效率作為標(biāo)準(zhǔn)，計算得出相對偏差很小的結(jié)果，經(jīng)過分析采用網(wǎng)格數(shù)約為223萬個。

1.2 邊界條件

本模型考慮重力作用，在豎直方向(z方向)設(shè)置重力加速度，環(huán)境溫度為306 K，壓力為97.4 kPa;風(fēng)機(jī)進(jìn)口設(shè)置為風(fēng)扇邊界條件，計算區(qū)域的進(jìn)風(fēng)側(cè)設(shè)置為速度入口邊界條件，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;空冷凝汽器的上擋風(fēng)墻以及柱子均設(shè)置為墻壁邊界條件。

1.2.1 進(jìn)口邊界的設(shè)置

計算域的進(jìn)口采用大氣邊界層函數(shù)即迪肯(Deaccon)的冪定律:

式中:z0為氣流達(dá)到均勻流時的高度，m;u0為z0處來流平均風(fēng)速，m/s;zi為任意高度值，m;ui為zi高度處的平均風(fēng)速，m/s;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0.2。

1.2.2 空冷凝汽器的設(shè)置

本文研究風(fēng)扇進(jìn)口和凝汽器出口的流場及溫度，不研究空冷單元內(nèi)部的空氣流動特性，所以將空冷單元簡化，如圖2所示［9-10］。

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)行計算;流動阻力可以利用多孔介質(zhì)模型進(jìn)行計算，將流經(jīng)物理模型空間的流動阻力看作是動量控制方程的附加動量源，源項由粘性損失項和慣性損失項組成。對于簡單的均勻多孔介質(zhì)其表達(dá)式為

式中:Si為動量方程中應(yīng)附加的源項，μ為粘性系數(shù)，Pa·s;v為速度矢量，m/s;1/α為粘性阻力系數(shù)，1/m2;C2為慣性阻力系數(shù)，1/m。

計算的關(guān)系式參考經(jīng)驗公式為

因為凝汽器是A型布置，每個空冷單元的布置具有對稱性，故模型中凝汽器迎風(fēng)面積約為實際凝汽器的一半;模型中多孔介質(zhì)厚度為1 m，所以得到所用模擬凝汽器單位長度阻力壓降與速度之間的關(guān)系為

由式(2)、(4)得到凝汽器傳熱面法線方向上的粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)。

1.2.3 擋風(fēng)網(wǎng)的設(shè)置

選用Galebreaker公司生產(chǎn)的聚氯乙烯材質(zhì)的擋風(fēng)網(wǎng)，厚2 mm，用廠家提供的擋風(fēng)效率曲線設(shè)置合適的參數(shù)，利用多孔跳躍(porous-jump，PJ)邊界條件來實現(xiàn)設(shè)置擋風(fēng)網(wǎng)［11-12］。擋風(fēng)網(wǎng)具有有限的厚度，且壓力變化滿足附加一個內(nèi)部損失之后的達(dá)西定律:

式中Δm為薄膜(即擋風(fēng)網(wǎng))厚度，m。

1.3 湍流模型及主控方程

本文模擬對象是不可壓縮定常流動，流體區(qū)域的流動滿足三維流動控制方程，數(shù)值模擬采用雷諾應(yīng)力平均N-S方程。

連續(xù)性方程:

動量守恒方程:

本構(gòu)方程:

采用標(biāo)準(zhǔn)k－ε湍流模式:

模型還涉及熱量交換，運(yùn)用能量方程:

式中:ρ為空氣密度，kg/m3;u為速度，m/s;i，j，k=1，2，3;p為壓力，Pa;μ為流體動力粘性系數(shù)，Pa·s;τij為應(yīng)力張量，Pa;εij為應(yīng)變率張量，1/s。

2 計算結(jié)果分析

定義凝汽器的換熱效率為空氣的吸熱量與凝汽器排熱量之比，如下式表示:

式中:Qa為實際空氣吸熱量，MW;Di為空冷單元空氣質(zhì)量流量，kg/s;t1i、t2i分別為空冷單元進(jìn)、出口空氣的平均溫度，℃;Cp為空氣定壓比熱容，kJ/(kg·℃);Qs為所用機(jī)組考核工況下凝汽器的排熱量，MW。

在主導(dǎo)風(fēng)向、不同風(fēng)速下，通過分析空冷凝汽器的換熱效率的變化，以優(yōu)化擋風(fēng)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。

2.1 環(huán)境風(fēng)對空冷凝汽器的影響

圖3表示在0，3，9 m/s 3種不同環(huán)境風(fēng)速下，無擋風(fēng)網(wǎng)時空冷島周圍的溫度等值線。

從圖3中可以看出，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速v=0 m/s時，散熱器上方出現(xiàn)蒸騰現(xiàn)象。隨著環(huán)境風(fēng)速的增加，蒸騰現(xiàn)象受環(huán)境風(fēng)擴(kuò)散作用的影響增加，當(dāng)v≥3 m/s時，蒸騰現(xiàn)象出現(xiàn)的羽流狀熱氣被環(huán)境風(fēng)破壞，出現(xiàn)熱風(fēng)再循環(huán)。隨著環(huán)境風(fēng)速進(jìn)一步增加，熱風(fēng)再循環(huán)現(xiàn)象加劇，并且出現(xiàn)“倒灌”現(xiàn)象，v=9 m/s時，出現(xiàn)明顯的“倒灌”現(xiàn)象。

2.2 擋風(fēng)網(wǎng)對空冷凝汽器換熱性能的影響

為了減小環(huán)境風(fēng)對空冷凝汽器換熱效率的影響，在空冷島四周加裝擋風(fēng)網(wǎng)，減小熱風(fēng)回流和“倒灌”現(xiàn)象，增加空冷凝汽器空氣流量，提高換熱效率;同時減少被風(fēng)機(jī)吸入的柳絮粉塵量，減少凝汽器外部結(jié)垢量，減小外部污垢熱阻，從而提高換熱效率。本文列出了3種擋風(fēng)網(wǎng)方案，研究它們對空冷凝汽器換熱性能的影響，3種方案安裝方式如圖4所示。

方案一為順著上擋風(fēng)墻向下延伸至地面加裝45 m高的擋風(fēng)網(wǎng);方案二為由上擋風(fēng)墻下沿向四周水平加裝寬10 m的擋風(fēng)網(wǎng)，并在水平擋風(fēng)網(wǎng)邊緣處向下延伸至地面加裝45 m高豎直擋風(fēng)網(wǎng);方案三為將方案二中水平方向的檔風(fēng)網(wǎng)改裝成水平擋板。

2.2.1 加裝擋風(fēng)網(wǎng)對通風(fēng)量和風(fēng)機(jī)進(jìn)口空氣溫度的影響

以環(huán)境風(fēng)速v=9 m/s，加裝開孔率為50%的擋風(fēng)網(wǎng)為例，圖5為無擋風(fēng)網(wǎng)和加裝3種不同方案擋風(fēng)網(wǎng)情況下的空冷單元的空氣流量圖。由圖5可以看出，空冷平臺高45 m，空冷平臺下方有足夠大的空間，所以加裝擋風(fēng)網(wǎng)后，空冷平臺下方仍有足夠的空氣供凝汽器換熱。并且，由于擋風(fēng)網(wǎng)的阻力作用，風(fēng)機(jī)入口環(huán)境風(fēng)的橫向速度減小，靜壓增大，使得機(jī)組空冷單元空氣流量增加，空氣總流量分別為10 022.21，11 931.77，10 459.74，19 677.72 kg/s。

空冷單元進(jìn)口空氣溫度示意如圖6所示。從圖6可以看出，加裝擋風(fēng)網(wǎng)后，熱風(fēng)回流和“倒灌”現(xiàn)象減弱，特別是按方案三加裝擋風(fēng)網(wǎng)后，熱風(fēng)回流和“倒灌”現(xiàn)象消失，無擋風(fēng)網(wǎng)和加裝3種不同方案擋風(fēng)網(wǎng)時，風(fēng)機(jī)進(jìn)口空氣平均溫度分別為310.05，308.27，309.40，306.34 K。

2.2.2 不同環(huán)境風(fēng)速下?lián)躏L(fēng)網(wǎng)對空冷凝汽器換熱效率的影響

圖7是按不同方案加裝開孔率為50%的擋風(fēng)網(wǎng)時，不同環(huán)境風(fēng)速下空冷凝汽器的換熱效率曲線。從圖7中可以看出，v=0 m/s時，加裝不同方案擋風(fēng)網(wǎng)后，換熱效率稍有下降，這是因為在加裝擋風(fēng)網(wǎng)后，空氣流動受擋風(fēng)網(wǎng)的阻力作用所致。v＞0 m/s時，加裝不同方案的擋風(fēng)網(wǎng)換熱效率均有所增加，并且風(fēng)速越大，換熱效率提高越多。方案三的擋風(fēng)效果最好，在環(huán)境風(fēng)速0～12 m/s情況下，其平均換熱效率為72.52%，比不加擋風(fēng)網(wǎng)時高24.51%。

2.2.3 開孔率對空冷凝汽器換熱效率的影響

擋風(fēng)網(wǎng)的開孔率不同，使得空氣流過擋風(fēng)網(wǎng)時所受阻力不同，通過擋風(fēng)網(wǎng)的速度也不同，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)吸入到空冷單元內(nèi)的空氣流量、風(fēng)機(jī)進(jìn)口空氣溫度等不同，從而影響凝汽器的換熱效率。

圖8為不同環(huán)境風(fēng)速時平均換熱效率隨開孔率變化的曲線。

由圖8可以看出擋風(fēng)網(wǎng)開孔率對擋風(fēng)效果的影響。在v=0 m/s的情況下，開孔率越大，換熱效率越高。當(dāng)v=3 m/s時，按方案一、方案二加裝擋風(fēng)網(wǎng)，空冷凝汽器換熱效率隨開孔率增加先增大后減小，存在最佳開孔率;按方案三加裝擋風(fēng)網(wǎng)，換熱效率提高最多，并且隨開孔率的增加而增大，當(dāng)開孔率為70%時，換熱效率為80.63%。當(dāng)v為6，9，12 m/s時，加裝擋風(fēng)網(wǎng)后換熱效率均增加，換熱效率隨開孔率的增加先增大后減小，存在最佳開孔率(不同環(huán)境風(fēng)速下，不同方案中的擋風(fēng)網(wǎng)最佳開孔率不同)。按方案三加裝擋風(fēng)網(wǎng)提高的換熱效率最多，換熱效率分別為65.32%、65.94%、73.82%，對應(yīng)的最佳開孔率分別為60%、50%、50%。

3 結(jié)論

針對某600 MW空冷機(jī)組建立數(shù)值計算模型，分析了空冷凝汽器的換熱特性，計算了加裝擋風(fēng)網(wǎng)前后不同環(huán)境風(fēng)速下空冷凝汽器的換熱效率，由此對擋風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，得到以下結(jié)論:

(1)在空冷島四周加裝擋風(fēng)網(wǎng)，降低風(fēng)機(jī)入口環(huán)境風(fēng)的橫向流速，削弱熱風(fēng)回流和“倒灌”現(xiàn)象，在環(huán)境風(fēng)速v=9 m/s時，按方案三加裝開孔率50%的擋風(fēng)網(wǎng)，空冷單元空氣流量增加9 655.51 kg/s，空冷單元進(jìn)口空氣平均溫度降低3.7 K。

(2)在不同擋風(fēng)網(wǎng)方案中，由上擋風(fēng)墻下沿向四周水平加裝寬10 m的擋風(fēng)網(wǎng)，并在水平擋風(fēng)網(wǎng)邊緣處加裝45 m高豎直擋風(fēng)網(wǎng)的方案(方案三)擋風(fēng)效果最好，換熱效率比不加擋風(fēng)網(wǎng)時平均提高24.51%。

(3)擋風(fēng)網(wǎng)的開孔率是影響擋風(fēng)效果的一個重要因素，在不同環(huán)境風(fēng)速下，不同方案中擋風(fēng)網(wǎng)的最佳開孔率不同。

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(編輯:楊大浩)

Influences of Windshield around Air-Cooled Island on Condenser Heat Transfer Efficiency

ZHOU Lanxin，WANG Xiaofei，WU Ruikang
(Key Laboratory of Ministry of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment (North China Electric Power University)，Baoding 071003，Hebei Province，China)

Taking a 600 MW direct air-cooling unit as an example，the influence of environmental wind on the heat transfer efficiency of air-cooled condenser was numerically simulated by using CFD software(Fluent)，and the schemes of different windshields installed around the air cooling platform were put forward.The calculation results show that the installation of windshield can reduce the influence of hot air recirculation and the‘intrusion’phenomenon，as well increase the air flow in air cooling unit and the average heat transfer of condenser，which can be up to 72.52%and 24.51%higher than that without windshield，under 0 m/s-12 m/s environmental wind speed.

direct air-cooling unit;condenser;windshield;numerical simulation;heat transfer efficiency

TM 621

A

1000－7229(2014)01－0088－05

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.01.017［HT］

2013-09-16

2013-10-22

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，研究方向為直接空冷機(jī)組節(jié)能，E-mail:qiu_6661@126.com;

吳瑞康(1989)，男，碩士研究生，研究方向為直接空冷機(jī)組節(jié)能。