直接空冷凝汽器V型布置與A型布置防風(fēng)能力對比研究

余志林，李貴雷，趙順安

（1.中國電力工程顧問集團(tuán) 西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021； 2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

1 研究背景

火電廠是耗水大戶，直接空冷節(jié)水性能顯著，被應(yīng)用于世界各地的火電廠，尤其是富煤缺水的地區(qū)[1-2]。但環(huán)境風(fēng)導(dǎo)致的風(fēng)機(jī)風(fēng)量降低、熱回流、流場紊亂等問題嚴(yán)重影響直接空冷電廠安全運(yùn)行[3-9]，成為制約其發(fā)展的一大因素。

圖1 空冷平臺(tái)A型布置和V型布置

近年來國內(nèi)外學(xué)者就環(huán)境風(fēng)對直接空冷的影響進(jìn)行了大量研究[10-15]。J.R Bredell等[10]在空冷平臺(tái)四周增加步道，可以提高四周風(fēng)機(jī)近20%的進(jìn)風(fēng)量，從而提高換熱能力。周蘭欣等[11]發(fā)現(xiàn)增加擋風(fēng)墻高度可以減小回流。Owen和Kroger[12]在平臺(tái)底部布置十字隔墻，從而提高平臺(tái)換熱能力。Gao等[15]提出在空冷平臺(tái)下方加裝傾斜導(dǎo)流板以降低回流率。盡管上述方法在一定程度上減小了環(huán)境風(fēng)對直接空冷的影響，但在大風(fēng)時(shí)直接空冷最大回流率仍能達(dá)到40%以上[12]，因此有必要尋找更有效的方法減小環(huán)境風(fēng)對直接空冷的影響。直接空冷凝汽器V型布置（如圖1（b））防風(fēng)性能的理論探討[16]和單元數(shù)值模擬研究[17]表明V型凝汽器換熱性能優(yōu)于A型凝汽器（如圖1（a）），但V型布置的整廠研究并未有相關(guān)報(bào)導(dǎo)，本文將從這一角度進(jìn)行相關(guān)論述。

環(huán)境風(fēng)不同地區(qū)風(fēng)速不同，一般小于10 m/s，但偶爾的短時(shí)大風(fēng)能達(dá)20 m/s。因此，本文在最不利風(fēng)向（爐后來風(fēng)）[7]下，針對 0 m/s、3 m/s、6 m/s、9 m/s、15 m/s、20 m/s 6組環(huán)境風(fēng)速用 fluent流體計(jì)算軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了空冷平臺(tái)A型布置和V型布置換熱性能。

2 數(shù)值計(jì)算方法

2.1 物理模型及網(wǎng)格劃分以我國某2×300 WM直接空冷電廠為研究對象，主要建筑如圖2所示，包括鍋爐房，汽機(jī)房，空冷平臺(tái)等。兩個(gè)空冷平臺(tái)留有間隙，每個(gè)平臺(tái)由24（4×6）個(gè)凝汽器單元組成。計(jì)算域?yàn)?00×500×350。綜合考慮計(jì)算精度及計(jì)算機(jī)資源要求，在網(wǎng)格劃分時(shí)采用分塊網(wǎng)格劃分，對空冷平臺(tái)區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密。最終網(wǎng)格如圖3所示。

圖2 電廠主要建筑立體圖

圖3 模型網(wǎng)格圖

為了排除網(wǎng)格數(shù)量對計(jì)算結(jié)果的影響，在進(jìn)行正式計(jì)算之前首先進(jìn)行網(wǎng)格敏感性分析。根據(jù)實(shí)際情況，將模型劃分為3種尺度的網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量依次為245萬、291萬、345萬。表1給出了不同網(wǎng)格數(shù)量時(shí)風(fēng)機(jī)的平均通風(fēng)量和整個(gè)空冷系統(tǒng)總熱流量。通過表1我們可以看出當(dāng)網(wǎng)格為291萬的時(shí)候，網(wǎng)格數(shù)量的增大對計(jì)算結(jié)果的影響已經(jīng)十分微小了。基于此，在下面的模擬計(jì)算中將網(wǎng)格的數(shù)量定為291萬。

表1 不同網(wǎng)格的風(fēng)量及熱流量

2.2 數(shù)值計(jì)算條件在建立模型前首先做以下簡化：

（1）所有計(jì)算區(qū)域流動(dòng)與換熱為穩(wěn)態(tài)；

（2）空氣為不可壓理想氣體；

（3）計(jì)算過程中不考慮翅片管的輻射散熱。

環(huán)境溫度設(shè)定為16℃，環(huán)境風(fēng)入口采用速度入口邊界條件，速度分布采用大氣邊界層函數(shù)：

式中：u10為距地面十米高風(fēng)速；z為任意高度；m為地面粗糙系數(shù)，本文取0.16。

將風(fēng)機(jī)近似為無限薄的圓面，設(shè)為FAN邊界條件，風(fēng)機(jī)壓力躍升控制方程為：

式中：v為風(fēng)機(jī)出口速度；fn為根據(jù)風(fēng)機(jī)特性曲線擬合的多項(xiàng)式系數(shù)，其中 f1=312.32， f2=0.3618，f3=-1.2149。

空冷凝汽器采用散熱器模型，空氣經(jīng)過凝汽器后壓力損失為：

其中，kl為壓力損失系數(shù)：

式中，rn為多項(xiàng)式系數(shù)，通過空冷散熱器壓力損失系數(shù)擬合得到，其中r1=126.75，r2=-94.607，r3=32.114 ， r4=-4.678 ， r5=0.244[16]。

換熱量為：

式中：h為對流換熱系數(shù)；Tl為散熱器內(nèi)流體溫度；Tair凝汽器下空氣溫度。

式中：hn為空冷凝汽器對流換熱系數(shù)擬合得到的多項(xiàng)式系數(shù)，其中h1=828.02，h2=1600.8，h3=-267.57 ， h4=30.66 ， h5=-1.387[16]。

地面、建筑，蒸汽管道和支柱設(shè)為WALL邊界條件，計(jì)算域其他面設(shè)為壓力出口邊界條件。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 環(huán)境風(fēng)對兩種布置風(fēng)量影響圖4給出了A型布置與V型布置風(fēng)機(jī)平均風(fēng)量隨環(huán)境風(fēng)速增長變化曲線圖。根據(jù)圖4中可以得出，A型布置風(fēng)機(jī)風(fēng)量與V型布置風(fēng)機(jī)風(fēng)量變化趨勢基本相同，都隨環(huán)境風(fēng)速度的增加而不斷減小。但可以明顯看出在相同環(huán)境風(fēng)速下A型布置風(fēng)機(jī)風(fēng)量總是小于V型布置風(fēng)機(jī)風(fēng)量，說明環(huán)境風(fēng)對A型布置風(fēng)機(jī)風(fēng)量的影響較V型布置大。由于V型布置與A型布置相比風(fēng)機(jī)進(jìn)口風(fēng)速較小，因此風(fēng)機(jī)入口的抽吸作用比A型布置小，且出口風(fēng)速較大，因而抗回流作用強(qiáng)。因此，V型布置抵御環(huán)境風(fēng)影響的能力較強(qiáng)。

圖4 A型與V型布置風(fēng)機(jī)平均風(fēng)量隨環(huán)境風(fēng)速增長變化曲線

3.2 環(huán)境風(fēng)對兩種布置回流影響圖5給出了不同風(fēng)速下V型布置和A型布置的溫度云圖，從圖中可以看出，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為零時(shí)，風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口空氣溫度基本等于環(huán)境溫度，隨著環(huán)境風(fēng)速增加，風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口空氣溫度隨之升高，吸風(fēng)口發(fā)生了明顯的熱回流，環(huán)境風(fēng)速在3 m/s～9 m/s時(shí)V型布置風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口空氣溫度明顯低于A型布置；當(dāng)環(huán)境風(fēng)速不斷升高達(dá)到15 m/s時(shí)，V型布置溫度高于A型布置；當(dāng)環(huán)境風(fēng)速進(jìn)一步增加，達(dá)到20 m/s時(shí)，兩種布置風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口空氣溫度都略有下降。

圖5 不同環(huán)境風(fēng)速下A型和V型布置布置溫度云圖

圖6給出了V型布置與A型布置回流隨風(fēng)速增加的變化圖。回流率可由下公式計(jì)算：

式中：Ti為風(fēng)機(jī)吸入空氣的溫度； T為沒有回流時(shí)周圍環(huán)境空氣的溫度； To為凝汽器出口氣溫。

圖6 回流率隨環(huán)境風(fēng)速變化曲線

圖7 空冷平臺(tái)換熱量隨環(huán)境風(fēng)速變化曲線

從圖6中可知，V型布置和A型布置回流率變化規(guī)律基本相同。無環(huán)境風(fēng)時(shí)，V型布置和A型布置基本不會(huì)發(fā)生回流，隨著環(huán)境風(fēng)速增加，出口處大量熱空氣被風(fēng)機(jī)吸入下游入口，回流也隨之迅速增大，A型布置由于較V型布置出口速度小，進(jìn)口速度大，并且還會(huì)在上游產(chǎn)生漩渦[8]，導(dǎo)致回流率明顯大于V型布置。當(dāng)環(huán)境風(fēng)速度在6 m/s～9 m/s時(shí)，由于上游形成的漩渦引起的回流隨著環(huán)境風(fēng)速度的增加而減小，從而抵消了部分下游回流的增強(qiáng)，所以在這個(gè)風(fēng)速段回流率增加較為緩慢。但是隨著環(huán)境風(fēng)風(fēng)速的進(jìn)一步增加，下游回流進(jìn)一步加強(qiáng)，回流率又迅速增加。當(dāng)環(huán)境風(fēng)風(fēng)速超過15 m/s的時(shí)候，風(fēng)機(jī)入口抽吸能力與環(huán)境風(fēng)相比太小，大量出口熱空氣被環(huán)境風(fēng)直接帶走，回流呈現(xiàn)下降的趨勢。

當(dāng)環(huán)境風(fēng)速在3 m/s～9 m/s時(shí)，V型布置抵御環(huán)境風(fēng)的能力明顯強(qiáng)于A型布置，在此風(fēng)速范圍時(shí)，V型布置比A型布置回流率最多可以減少14%。V型布置最大熱回流約為40%，A型布置最大熱回流約為44%，其他相關(guān)研究[7，18]表明A型布置最大回流率也在45%左右，可見V型布置抵御環(huán)境風(fēng)的能力強(qiáng)于A型布置。

3.3 環(huán)境風(fēng)對兩種布置換熱量的影響圖7給出了V型布置與A型布置下的總熱流量隨風(fēng)速增加的變化圖。從圖7可以看出A型布置和V型布置的熱流量隨環(huán)境風(fēng)風(fēng)速變化規(guī)律基本相同。當(dāng)環(huán)境風(fēng)風(fēng)速小于15 m/s時(shí)，兩種布置熱流量呈現(xiàn)出明顯下降的趨勢，這表示環(huán)境風(fēng)使直接空冷凝汽器的換熱能力出現(xiàn)了明顯的下降。但是，V型布置的熱流量明顯大于A型布置，特別是在環(huán)境風(fēng)風(fēng)速為3m/s、6 m/s、9 m/s時(shí)，由于V型布置進(jìn)口風(fēng)速更小，出口風(fēng)速度更大，V型布置的熱流量明顯高于A型布置。但是，當(dāng)環(huán)境風(fēng)風(fēng)速超過9 m/s時(shí)，這種優(yōu)勢逐漸縮小，當(dāng)環(huán)境風(fēng)風(fēng)速為15 m/s時(shí)，V型布置的熱流量和A型布置幾乎一樣，甚至在環(huán)境風(fēng)風(fēng)速達(dá)到20 m/s時(shí)，V型布置的熱流量還略低于A型布置。

4 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬比較了不同環(huán)境風(fēng)速下A型布置和V型布置直接空冷的防風(fēng)性能。得出以下結(jié)論：

（1）V型布置風(fēng)機(jī)風(fēng)量大于A型布置，在環(huán)境風(fēng)速為3 m/s、6 m/s、9 m/s時(shí)，V型布置風(fēng)機(jī)風(fēng)量分別比A型布置大14.21 kg/s、28.49 kg/s、45.48 kg/s。

（2）熱回流隨著環(huán)境風(fēng)速增加，先增加后減小，在環(huán)境風(fēng)速為3 m/s、6 m/s、9 m/s、15 m/s時(shí)，V型布置回流率分別比A型布置小14.50%、7.43%、5.63%、3.40%；環(huán)境風(fēng)速為20 m/s時(shí)，V型布置回流率比A型布置大4.31%。

（3）在環(huán)境風(fēng)速為0 m/s～15 m/s時(shí)，V型布置換熱性能更好。當(dāng)環(huán)境風(fēng)速＞15 m/s時(shí)，V型布置換熱性能幾乎與A型布置相同甚至略低于A型布置。