導(dǎo)流板布置方式對(duì)空冷單元流場(chǎng)影響的數(shù)值模擬

黃 鶴，查伯宇，洪文鵬

(1．國(guó)家電投集團(tuán)貴州金元股份有限公司，貴州貴陽(yáng)550081;東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林吉林132012)

空冷凝汽器是一種利用環(huán)境空氣來(lái)冷卻汽輪機(jī)排汽的裝置．相比于常規(guī)水冷機(jī)組，空冷機(jī)組的優(yōu)越性在于可以大大減少冷端水資源的消耗．在水資源日益緊張的大前提下，如何節(jié)水成為我國(guó)火力發(fā)電事業(yè)的一項(xiàng)迫在眉睫的研究課題［1］．

空冷島由多個(gè)排列組合的空冷單元組成．空冷單元由底部軸流風(fēng)機(jī)抽取下方環(huán)境空氣與上方凝汽器管束進(jìn)行換熱，完成工質(zhì)循環(huán)．空冷凝汽器單元的流場(chǎng)特性直接影響空冷凝汽器的效率．由于空冷單元軸流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口是圓形，而空冷單元的底部水平投影形狀是四邊形，導(dǎo)致空冷單元A字架結(jié)構(gòu)的兩片散熱管束底端不能很好的被冷卻，散熱管束表面底角不能被充分冷卻，降低凝汽器傳熱效率．

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)空冷凝汽器已有研究，如楊立軍等［2～3］、周蘭欣等［4］對(duì)空冷單元的流場(chǎng)均勻性及傳熱優(yōu)化進(jìn)行了模擬研究;J．R．Bredell等［6～7］、Meyer［8］探究了空冷島的熱風(fēng)回流和環(huán)境風(fēng)等問(wèn)題，但在分析空冷單元內(nèi)部導(dǎo)流板布置方式的優(yōu)化方面研究較少，故本文在前人研究的基礎(chǔ)上，從空冷單元內(nèi)部考慮，研究導(dǎo)流板布置方式，為實(shí)際運(yùn)行優(yōu)化提供理論參考．

1 物理模型

1.1 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

本文以某600 MW空冷機(jī)組的一個(gè)空冷單元為研究對(duì)象，以風(fēng)機(jī)平面圓心為原點(diǎn)建立如圖1所示的物理模型．空冷凝汽器單元的尺寸為 11．9 m×9．03 m×0．219 m，計(jì)算域?yàn)?11．4 m×11．4 m×30 m，采用整體劃分網(wǎng)格的方式，應(yīng)用四面體網(wǎng)格，無(wú)導(dǎo)流板時(shí)網(wǎng)格數(shù)為79．4萬(wàn)，加裝導(dǎo)流板時(shí)網(wǎng)格數(shù)量為86．9萬(wàn)，導(dǎo)流板的尺寸為 11．4 m×1．5 m．

1.2 模型介紹及邊界條件

本文應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型，基于兩個(gè)運(yùn)輸方程的模型解出k和ε．默認(rèn)的k－ε模型，系數(shù)由經(jīng)驗(yàn)公式給出，且只對(duì)高Re的湍流有效，包含粘性熱、浮力、壓縮性選項(xiàng)．標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型應(yīng)用范圍廣，計(jì)算量適中，有較多數(shù)據(jù)積累和比較高的精度．但對(duì)于大曲率和壓力梯度較強(qiáng)等復(fù)雜流動(dòng)模擬效果欠佳．一般工程計(jì)算都使用該模型，其收斂性和計(jì)算精度能滿足一般的工程計(jì)算需求，故本文選用該湍流模型進(jìn)行模擬計(jì)算［9～12］．

對(duì)風(fēng)機(jī)的設(shè)定可以理解為一個(gè)壓升平面，根據(jù)實(shí)際風(fēng)機(jī)運(yùn)行曲線查得壓升數(shù)值為68 Pa，空冷單元的風(fēng)機(jī)入口設(shè)置為質(zhì)量流量入口，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)計(jì)算得出質(zhì)量流量為530 kg/s，空冷單元頂部設(shè)置為壓力出口邊界條件，散熱器和翅片部分采用多孔介質(zhì)模型，翅片管束的孔隙率根據(jù)尺寸計(jì)算得出，取0．567，蒸汽在翅片管內(nèi)凝結(jié)和與管外冷卻空氣換熱的過(guò)程假設(shè)為存在一個(gè)能量源項(xiàng)，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況計(jì)算得出該熱源項(xiàng)為302 856．3 W/m3，冷卻空氣溫度取夏季運(yùn)行工況風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度303 K．

圖1 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

1.2 控制方程

流體流動(dòng)受到一系列物理守恒定律的控制，包括質(zhì)量、動(dòng)量、能量以及組分等守恒定律，所謂控制方程就是對(duì)這些守恒定律的數(shù)學(xué)描述．當(dāng)流體流動(dòng)為湍流時(shí)，考慮標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型，還要附加上關(guān)于湍動(dòng)能k和耗散率ε的湍流運(yùn)輸方程．對(duì)于空冷系統(tǒng)，周?chē)h(huán)境風(fēng)速小，環(huán)境空氣壓力變化可忽略，所以其周?chē)髿饬鲃?dòng)視作不可壓縮定常流動(dòng)．忽略流動(dòng)受到浮力影響，可用如下控制方程描述:連續(xù)性方程

動(dòng)量方程

能量方程

Boussinesq渦粘假設(shè)

標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型

其中

2 結(jié)果與分析

2.1 未加裝導(dǎo)流板時(shí)的情況

未加裝導(dǎo)流板時(shí)散熱管束表面溫度分布，和z=0平面速度分布，如圖2所示．通過(guò)觀察分析z=0截面的流場(chǎng)可得知，空冷單元內(nèi)部空氣的速度分布比較均勻，散熱管束的迎面風(fēng)速較低，最高不超過(guò)5 m/s，不易于凝汽器換熱;且凝汽器出口平面的兩端底角存在超過(guò)355 K的高溫區(qū)，散熱管束表面平均溫度為334．53 K，且大部分區(qū)域溫度都在325 K－330 K之間．該模擬結(jié)果與其他相關(guān)文獻(xiàn)得出結(jié)果幾近相同，驗(yàn)證了模型和參數(shù)的準(zhǔn)確性．

圖2 未加裝導(dǎo)流板時(shí)散熱管束表面溫度云圖及z=0平面速度云圖

2.2 加裝導(dǎo)流板的研究

加裝導(dǎo)流板的空冷單元結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3所示．導(dǎo)流板均勻排列在空冷單元風(fēng)機(jī)出口處．網(wǎng)格劃分方式與上節(jié)相同，整體用四面體網(wǎng)格;導(dǎo)流板以風(fēng)機(jī)出口平面z軸方向?yàn)閷?duì)稱(chēng)軸在其兩側(cè)均勻布置．

2．2．1 加裝導(dǎo)流板角度的研究

首先對(duì)導(dǎo)流板的傾斜角度進(jìn)行研究，由于導(dǎo)流板的作用是引導(dǎo)冷卻空氣更好的吹向散熱管束，因此導(dǎo)流板的不同布置角度也影響空冷凝汽器的換熱效果．此處先模擬計(jì)算加裝兩塊導(dǎo)流板的情況．首先對(duì)導(dǎo)流板的不同傾角進(jìn)行模擬研究，導(dǎo)流板與豎直方向的夾角分別取值為 20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°．圖4為不同角度的導(dǎo)流板對(duì)應(yīng)z=0平面速度云圖凝汽器出口平面的溫度云圖．

圖3 空冷單元加裝導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 導(dǎo)流板安裝角度不同的情況下散熱管束出口平面溫度云圖和z=0平面速度云圖

從z=0界面速度分布云圖中可以看出，冷卻空氣在導(dǎo)流板的引導(dǎo)下吹向散熱管束，迎面風(fēng)速明顯提高，空冷單元內(nèi)部流場(chǎng)均勻性提高;從散熱管束平面溫度云圖可以得出，散熱管束表面底角大于350 K的高溫區(qū)域消失;隨著傾角的增大散熱管束的迎面風(fēng)速不斷增大，當(dāng)傾角為30°時(shí)風(fēng)速達(dá)到5．5 m/s以上，且分布更加均勻，換熱器表面溫度最低．但隨著導(dǎo)流板傾角繼續(xù)增大，導(dǎo)流板背面會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低速區(qū)，散熱管束上半部分迎面風(fēng)速減小，不利于強(qiáng)化流動(dòng)傳熱，當(dāng)導(dǎo)流板與豎直方向夾角達(dá)到50°時(shí)，散熱管束上半部分區(qū)域迎面風(fēng)速只有3 m/s，且散熱管束平面溫度均勻度較差，中部區(qū)域冷卻不充分．在30°傾角的情況下，散熱器出口平面中溫區(qū)域的面積最小，整個(gè)散熱器出口平面的平均溫度333．20 K．故本文認(rèn)為導(dǎo)流板與豎直方向夾角為30°時(shí)，導(dǎo)流效果最好．

加裝導(dǎo)流板可以使散熱管束平面的冷卻空氣迎面速度增加，并增強(qiáng)換熱，空冷單元凝汽器出口平面的溫度降低，換熱不充分的兩個(gè)底角得到改善．接下來(lái)探究導(dǎo)流板安裝數(shù)量的多少對(duì)空冷單元換熱效果的影響．

2．2．2 加裝導(dǎo)流板數(shù)量的研究

當(dāng)加裝兩塊導(dǎo)流板且導(dǎo)流板與豎直方向呈30°時(shí)，導(dǎo)流板的導(dǎo)流效果最好．但空冷單元的換熱效率亦與導(dǎo)流板的數(shù)量有關(guān)系，需進(jìn)一步研究．

在風(fēng)機(jī)出口處加裝不同數(shù)量的導(dǎo)流板，可以使空冷單元的換熱效率得到明顯的改善，本文安裝導(dǎo)流板數(shù)量分別為2塊、4塊、6塊、8塊、10塊，以中心棧橋?yàn)檩S線左右對(duì)稱(chēng)均勻布置，間距為1 m．

圖5 導(dǎo)流板安裝數(shù)量不同的情況下散熱管束出口平面溫度云圖和z=0平面速度云圖

導(dǎo)流板數(shù)量分別為4塊、6塊、8塊、10塊時(shí)，散熱管束表面溫度分布、z=0平面速度分布，如圖5所示．結(jié)果表明，隨著導(dǎo)流板數(shù)量的增加，散熱器出口平面底角的高溫區(qū)域面積減少，平均溫度大幅降低．當(dāng)導(dǎo)流板數(shù)量增加到4塊時(shí)，大于340 K的高溫區(qū)域已經(jīng)基本消失了;導(dǎo)流板數(shù)量增加到8塊時(shí)，凝汽器出口平面平均溫度降到最低，為332．04 K，最高溫度降低到336．3 K;空冷單元內(nèi)部流場(chǎng)均勻，散熱管束迎面風(fēng)速超過(guò)6 m/s，換熱效果最佳;當(dāng)導(dǎo)流板安裝數(shù)量為10塊時(shí)，散熱管束迎面風(fēng)速與安裝8塊的情況相差不大，且在6 m/s左右，散熱管束表面平均溫度為332．21 K．

散熱管束表面溫度分布柱狀圖，如圖6所示．可以清晰的看出不同數(shù)量的導(dǎo)流板對(duì)空冷單元換熱的改善效果的差異，散熱管束表面溫度集中在325 K－335 K和小于325 K的范圍內(nèi)，當(dāng)安裝8塊導(dǎo)流板時(shí)，散熱管束表面平均溫度332．21 K，較未加裝導(dǎo)流板時(shí)減小了2．49 K，導(dǎo)流效果明顯．

3 結(jié) 論

(1)空冷單元內(nèi)部流場(chǎng)不均勻，散熱管束表面底角冷卻不充分，導(dǎo)致凝汽器換熱效率差．通過(guò)改變空冷單元內(nèi)部導(dǎo)流板的布置方式，可改善其內(nèi)部冷卻空氣的流場(chǎng)，提高空冷凝汽器的傳熱性能．

(2)導(dǎo)流板的不同安裝角度對(duì)于空冷單元內(nèi)部流場(chǎng)和傳熱特性的改善效果是不同的．當(dāng)導(dǎo)流板與豎直中心線呈30°角時(shí)，導(dǎo)流板對(duì)空氣的引導(dǎo)效果最佳，散熱管束迎面風(fēng)速最大，散熱器得到充分冷卻．

(3)導(dǎo)流板的安裝數(shù)量也影響著對(duì)空冷單元的優(yōu)化效果．隨著導(dǎo)流板安裝數(shù)量的增加，凝汽器出口平面的最高溫度和平均溫度都會(huì)降低．當(dāng)安裝8塊導(dǎo)流板時(shí)，散熱管束得到充分冷卻;當(dāng)安裝10塊導(dǎo)流板時(shí)，改善效果與8塊導(dǎo)流板幾乎相同，且處于布置方式等綜合考慮，本文認(rèn)為安裝8塊導(dǎo)流板即為最優(yōu)方案．

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圖6 散熱管束表面溫度分布情況

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