自然通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)蒸汽分配管阻力特性研究

劉學(xué)，李國(guó)棟，張瑞穎，侯一晨，陳磊，楊立軍

（1.華電重工股份有限公司，北京 100070；2.華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206）

相對(duì)其他類(lèi)型電站冷端系統(tǒng)，空冷系統(tǒng)在節(jié)約水資源方面具有天然優(yōu)勢(shì)。其中，傳統(tǒng)機(jī)械通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)具有初期投資低的優(yōu)點(diǎn)，但存在廠用電率高、噪音大、熱風(fēng)回流和夏季運(yùn)行背壓高等問(wèn)題，不利于機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。自然通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)結(jié)合了直接空冷系統(tǒng)和間接空冷系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，具有安全環(huán)保、易于維修和經(jīng)濟(jì)性高的特點(diǎn)，可有效促進(jìn)電站空冷系統(tǒng)的進(jìn)一步創(chuàng)新發(fā)展[1-2]。

針對(duì)傳統(tǒng)電站直接空冷系統(tǒng)的研究較為成熟，但受限于實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性，通常采用數(shù)值模擬的手段對(duì)電站空冷系統(tǒng)的流動(dòng)換熱性能進(jìn)行研究[3]。李健等[4]應(yīng)用灰色差分微增量關(guān)聯(lián)分析直冷系統(tǒng)，指出通過(guò)控制關(guān)聯(lián)度較高的空冷單元風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)控制機(jī)組背壓，能有效達(dá)到節(jié)能的目的。張貝等[5]在考慮風(fēng)機(jī)集群效應(yīng)的前提下，提出影響經(jīng)濟(jì)背壓的主要因素是環(huán)境溫度。Yang 等人[6]研究了環(huán)境風(fēng)對(duì)直接空冷系統(tǒng)的不利影響及其衰減機(jī)理，并考慮了熱風(fēng)回流的影響。He 等人[7]研究了風(fēng)機(jī)入口空氣溫度的分布規(guī)律，揭示了其高溫區(qū)域形成的機(jī)理。Marincowitz[8]和Zhang[9]等人提出了多種形式的擋風(fēng)墻，用于抑制環(huán)境風(fēng)的不利影響。Venter 等人[10]研究了擋風(fēng)墻對(duì)軸流風(fēng)機(jī)性能的影響機(jī)理，并提出了最佳擋風(fēng)墻高度。Chen 等人[11-12]提出了新型的空冷島布置方式，可有效提高空冷島冷卻性能。Kong等人[13-14]提出了圓形和線形布置的翅片管束對(duì)空冷島換熱性能的影響規(guī)律。He 等人[15-16]研究了風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和安裝角調(diào)整對(duì)空冷島流動(dòng)換熱性能的影響規(guī)律。Chen 等人[17]研究了不同風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)策略對(duì)發(fā)電效率的影響。王海濤等[18]針對(duì)百萬(wàn)千瓦級(jí)核電空冷機(jī)組排氣管道流量分配進(jìn)行了研究，指出核電空冷機(jī)組排氣管道的流場(chǎng)特性與火電空冷機(jī)組基本一致。崔超等[19]針對(duì)自然通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)出一種新型傾斜翅片結(jié)構(gòu)，為直接空冷系統(tǒng)布局優(yōu)化提供了新的技術(shù)途徑。李開(kāi)建等[20]對(duì)塔式直接空冷系統(tǒng)的可行性進(jìn)行了分析，與傳統(tǒng)直接空冷、間冷系統(tǒng)相比，可有效提高經(jīng)濟(jì)效益。楊照[2]和王軍亮[21]均對(duì)自然通風(fēng)直冷塔冬季防凍問(wèn)題進(jìn)行了研究，提出啟動(dòng)、運(yùn)行和停運(yùn)3 個(gè)方面的防凍措施。劉志云等[22]采用多孔介質(zhì)簡(jiǎn)化模型分析了側(cè)向風(fēng)對(duì)自然通風(fēng)直冷塔性能的影響，指出迎風(fēng)側(cè)底部的漩渦區(qū)會(huì)減少空冷塔入口處的流體有效流通面積及空冷塔風(fēng)量。Zhao 等人[23]設(shè)計(jì)了10 MW 熔鹽反應(yīng)堆的自然通風(fēng)風(fēng)冷凝汽器，增強(qiáng)了反應(yīng)堆的安全性和可靠性。文獻(xiàn)[24-26]針對(duì)傳統(tǒng)直接空冷系統(tǒng)蒸汽管道的阻力特性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，為傳統(tǒng)直接空冷機(jī)組蒸汽管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。

可以看出，現(xiàn)有研究大多針對(duì)傳統(tǒng)直接空冷系統(tǒng)環(huán)境風(fēng)的不利影響及其應(yīng)對(duì)策略，對(duì)新型自然通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)研究相對(duì)較少，且大多研究?jī)H針對(duì)直接空冷系統(tǒng)空氣側(cè)流動(dòng)流動(dòng)換熱性能，缺乏針對(duì)自然通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)蒸汽管道阻力特性方面的研究。本文通過(guò)自然通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)空氣側(cè)流動(dòng)換熱與蒸汽分配管蒸汽側(cè)阻力特性耦合模擬的方法，研究了雙層空冷凝汽器空氣各冷卻三角空氣側(cè)流動(dòng)換熱性能分布規(guī)律，并獲得了樹(shù)形蒸汽分配管道蒸汽分配特性及阻力特性變化規(guī)律，可為自然通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 數(shù)值模型

1.1 數(shù)學(xué)模型

計(jì)算中涉及的主要數(shù)學(xué)模型如下：翅片管束采用Radiator 模型進(jìn)行模擬，將空冷散熱器翅片管束簡(jiǎn)化為散熱器（Radiator）平面，在該平面上設(shè)置壓力損失系數(shù)、換熱系數(shù)等，其厚度簡(jiǎn)化為無(wú)限薄，且流經(jīng)Radiator 模型的流動(dòng)阻力以及經(jīng)驗(yàn)損失系數(shù)均與流體的動(dòng)壓頭有關(guān)[11]。空氣流經(jīng)翅片管束的壓降Δp與迎面風(fēng)速v的關(guān)系為：

式中：ρ為空氣密度；v為空氣流經(jīng)管束的速度；kL為無(wú)量綱壓力損失系數(shù)，通常用多項(xiàng)式表達(dá)為流速的函數(shù)：

式中：rn為多項(xiàng)式系數(shù)；當(dāng)N=3 時(shí)，r1=71.689，r2=31.707，r3=4.798。

在傳熱模型的建立方面，空氣流過(guò)翅片管束的換熱量q，在翅片管束模型中表示為：

式中：twa為循環(huán)冷卻水溫度，在忽略水側(cè)對(duì)流換熱熱阻和管壁導(dǎo)熱熱阻的情況下，該溫度等于管壁外表面溫度，在直接空冷系統(tǒng)中twa可取為飽和蒸汽凝結(jié)溫度ts；ta為翅片管束進(jìn)出口空氣平均溫度；h為對(duì)流換熱系數(shù)，表示為流速的多項(xiàng)式形式：

式中：hn為多項(xiàng)式系數(shù)；當(dāng)N=3 時(shí)，h1=536.993，h2=2 013.089，h3=97.772。

1.2 物理模型及邊界條件

圖1、圖2 為自然通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)直冷塔、空冷凝汽器翅片管束及樹(shù)杈形蒸汽分配管道等主要設(shè)備的物理模型。該系統(tǒng)采用的是“三塔合一”的結(jié)構(gòu)形式，煙氣流量為 1 000 kg/s，溫度為48.7 ℃。由圖1 可見(jiàn)，直冷塔為雙曲線型鋼筋混凝土塔，煙囪及脫硫塔布置在直冷塔中心，雙層空冷凝汽器冷卻三角翅片管束豎直布置在直冷塔入口，該系統(tǒng)幾何尺寸見(jiàn)表1。

表1 自然通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)幾何參數(shù)Tab.1 Geometric parameters of the natural draft direct air cooling system

圖1 自然通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Geometric illustration of the natura draft direct air cooling system

樹(shù)杈形蒸汽分配管道共分為8 個(gè)扇區(qū)（圖2），每個(gè)扇區(qū)均分為上下2 層，并與空冷凝汽器雙層冷卻三角翅片管束相連?？绽淠骼鋮s三角裝配示意圖如圖3 所示。由圖3 可見(jiàn)，主蒸汽管道通過(guò)二級(jí)分支，將汽輪機(jī)乏汽輸送至各個(gè)扇區(qū)，通過(guò)扇區(qū)上下2 層分支出口，分別將乏汽輸送至空冷凝汽器上下2 層冷卻三角左右兩側(cè)翅片管束。

圖2 蒸汽管道結(jié)構(gòu)示意及空冷凝汽器扇區(qū)編號(hào)Fig.2 Geometric illustration of the steam distribution pipe and serial number of the air cooling condenser sector

圖3 冷卻三角布置及其裝配示意Fig.3 Schematic diagram of the cooling deltas layout and assembly

在模擬計(jì)算自然通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)空氣側(cè)流動(dòng)換熱性能時(shí)，空冷塔計(jì)算域示意如圖4 所示。由圖4 可見(jiàn)，所采用的計(jì)算域?yàn)榉叫斡?jì)算域，自然通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)位于模型計(jì)算域的中心位置。為消除不真實(shí)外邊界對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，所采用計(jì)算域的尺寸應(yīng)足夠大。自然通風(fēng)直冷塔網(wǎng)格劃分如圖5 所示。對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，復(fù)雜結(jié)構(gòu)采用四面體網(wǎng)格，規(guī)則幾何體則采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，同時(shí)注意網(wǎng)格尺寸間的過(guò)渡，以獲得高質(zhì)量的網(wǎng)格。在對(duì)蒸汽管道內(nèi)蒸汽流動(dòng)阻力進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，蒸汽分配管道網(wǎng)格劃分如圖6 所示，采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，最終確定空氣側(cè)數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格數(shù)為7 259 991，蒸汽分配管道阻力計(jì)算網(wǎng)格為3 331 126。本論文采用的相關(guān)模型與文獻(xiàn)[16]中所采用的模型一致，可間接驗(yàn)證本文數(shù)值模擬模型的準(zhǔn)確性。同時(shí)，在機(jī)組設(shè)計(jì)工況下，通過(guò)比較數(shù)值模擬與實(shí)際運(yùn)行時(shí)空冷系統(tǒng)熱負(fù)荷，可進(jìn)一步驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。在TMCR 工況下，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速和溫度分別為3 m/s 和14 ℃時(shí)，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行參數(shù)間的對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2，兩者間的誤差為0.3%，在合理范圍內(nèi)，說(shuō)明了數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠性。

圖4 自然通風(fēng)直冷塔計(jì)算域示意Fig.4 Computational domain of the natural draft direct air cooling system

圖5 自然通風(fēng)直冷塔網(wǎng)格劃分Fig.5 Mesh generation of the natural draft direct air cooling tower

圖6 蒸汽分配管道網(wǎng)格劃分示意Fig.6 Mesh generation of the steam distribution pipes

表2 數(shù)值模擬結(jié)果與設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比Tab.2 Comparison between numerical simulation result and designed parameters

1.3 數(shù)值迭代計(jì)算流程

由于自然通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)空氣側(cè)和蒸汽側(cè)的幾何結(jié)構(gòu)及流動(dòng)換熱情況復(fù)雜，無(wú)法實(shí)現(xiàn)空氣側(cè)與蒸汽側(cè)的同步模擬。本文采用空氣側(cè)流動(dòng)傳熱與蒸汽管道內(nèi)部蒸汽流動(dòng)分步模擬的方法，具體計(jì)算流程如圖7 所示。將空氣側(cè)流動(dòng)換熱的模擬結(jié)果作為蒸汽分配管道阻力計(jì)算的邊界條件，實(shí)現(xiàn)空氣側(cè)與蒸汽側(cè)的耦合模擬，獲得更為真實(shí)的蒸汽分配管道阻力特性。具體計(jì)算流程如下。

圖7 分步數(shù)值計(jì)算迭代流程Fig.7 Iterative diagram of step wise numerical simulation

1）在空氣側(cè)流動(dòng)傳熱迭代計(jì)算過(guò)程中，首先假設(shè)冷卻三角飽和蒸汽溫度tsi，并同時(shí)設(shè)置空冷凝汽器冷卻三角Radiator 模型參考溫度為tsi；其次，通過(guò)數(shù)值計(jì)算，獲得各冷卻三角計(jì)算熱負(fù)荷Φi′及飽和蒸汽溫度tsi′，當(dāng)假設(shè)溫度tsi和計(jì)算溫度tsi′誤差、設(shè)計(jì)熱負(fù)荷Φ和計(jì)算熱負(fù)荷Φ′誤差均在允許范圍內(nèi)，則認(rèn)為計(jì)算收斂，否則重新設(shè)置初值，直到計(jì)算收斂；最終，可獲得各冷卻三角入口蒸汽流量分布情況。

2）在蒸汽側(cè)阻力特性迭代計(jì)算過(guò)程中，假設(shè)蒸干度隨壓力變化保持不變，首先將空氣側(cè)模擬計(jì)算所得各三角入口蒸汽流量作為蒸汽分配管道出口蒸汽流量目標(biāo)值，并設(shè)置蒸汽分配管道入口壓力；最終，計(jì)算獲得管道阻力特性變化規(guī)律。

2 結(jié)果及討論

為進(jìn)一步分析自然通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)空氣側(cè)流動(dòng)傳熱性能對(duì)蒸汽管道阻力特性的影響規(guī)律，本節(jié)首先分析了不同環(huán)境氣象條件下該自然通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)空氣側(cè)不同截面內(nèi)空氣流動(dòng)傳熱情況，包括不同截面內(nèi)的空氣壓力場(chǎng)、流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布規(guī)律。通過(guò)分步模擬計(jì)算，最終獲得自然通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)蒸汽分配管道阻力特性分布規(guī)律。

2.1 空氣側(cè)各物理場(chǎng)分布規(guī)律

通過(guò)分析不同氣象條件下自然通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)的流動(dòng)傳熱特性變化規(guī)律，可為蒸汽側(cè)流動(dòng)阻力特性的分析提供參考依據(jù)。以設(shè)計(jì)環(huán)境氣溫14 ℃為例，模擬分析了無(wú)風(fēng)條件和環(huán)境風(fēng)速為3 m/s 時(shí)，直冷塔內(nèi)水平截面和豎直截面內(nèi)的壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的分布情況。

圖8 為無(wú)風(fēng)條件下自然通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)空氣側(cè)水平和豎直截面內(nèi)各物理場(chǎng)分布情況。其中：圖8a)、圖8c)為第1 層凝汽器管束1/2 高度處水平截面內(nèi)壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分布；圖8b)、圖8d)為第2 層凝汽器管束1/2 高度處水平截面內(nèi)壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分布；圖8e)、圖8f)為通過(guò)直冷塔軸線豎直截面內(nèi)壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分布。

圖8 無(wú)風(fēng)條件下各截面內(nèi)壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)及流場(chǎng)分布Fig.8 Counters of pressure field,temperature field,and flow fields in the absence of wind

由圖8 可見(jiàn)，無(wú)風(fēng)條件下，由于凝汽器冷卻三角進(jìn)出口條件基本一致，冷卻空氣流經(jīng)凝汽器翅片管束，在其周?chē)纬傻膲毫?chǎng)、溫度場(chǎng)及流場(chǎng)基本呈中心對(duì)稱的分布規(guī)律。由于蒸汽管道和煙道的布置，導(dǎo)致了部分冷卻三角的空缺，這會(huì)對(duì)各物理場(chǎng)的均勻分布產(chǎn)生一定的影響。由于塔內(nèi)外空氣密度差，在塔內(nèi)形成了逆壓梯度，并產(chǎn)生浮升力，驅(qū)動(dòng)冷卻空氣流經(jīng)空冷凝汽器冷卻三角進(jìn)行換熱，帶走汽輪機(jī)排汽冷凝所放出的熱量。另一方面，可以看出，不同高度第1 層和第2 層空冷凝汽器水平截面內(nèi)壓力分布并不相同，導(dǎo)致空冷凝汽器2 層冷卻三角的流動(dòng)換熱性能不同。總之，在無(wú)風(fēng)條件下，空冷系統(tǒng)各物理場(chǎng)近似于對(duì)稱分布，使得空冷凝汽器相同層內(nèi)的各冷卻三角流動(dòng)換熱性能趨于一致，層與層間卻不同。

圖9 為風(fēng)速為3 m/s 時(shí)，不同截面內(nèi)壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)及流場(chǎng)分布。

由圖9 可見(jiàn)：由于冷卻三角沿直冷塔進(jìn)口圓周進(jìn)行布置，在環(huán)境風(fēng)作用下，空冷凝汽器外圍流場(chǎng)類(lèi)似于圓柱繞流，冷卻空氣流速在側(cè)風(fēng)扇區(qū)流速上升，動(dòng)壓頭上升，靜壓頭下降；相反，迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)扇區(qū)冷卻空氣靜壓則有所增加，使得該位置冷卻三角流動(dòng)換熱性能優(yōu)于側(cè)風(fēng)面冷卻三角；在塔內(nèi)，由于空冷凝汽器左右側(cè)風(fēng)扇區(qū)冷卻三角冷卻空氣流量小，前后迎風(fēng)扇區(qū)和背風(fēng)扇區(qū)冷卻空氣流量大，在側(cè)風(fēng)面冷卻三角出口附近形成了明顯的渦流，并逐步向直冷塔內(nèi)發(fā)展擴(kuò)散，造成額外的阻力損失；另一方面，由于空冷凝汽器內(nèi)布置了高度不同的兩層冷卻三角，且環(huán)境風(fēng)大小沿高度方向呈增加趨勢(shì)，使得處于不同高度冷卻三角流動(dòng)換熱性能存在差異?？傊?，環(huán)境風(fēng)作用下，沿空冷凝汽器圓周方向，各個(gè)位置冷卻三角流動(dòng)換熱性能不同，并且處于兩層不同高度的冷卻三角流動(dòng)換熱性能也存在差異。

圖9 3 m/s 風(fēng)速下各截面內(nèi)壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)及流場(chǎng)分布Fig.9 Counters of pressure field,temperature field and flow field at the wind speed of 3 m/s

2.2 蒸汽流量分布規(guī)律

通過(guò)對(duì)不同位置冷卻三角蒸汽流量的分布情況進(jìn)行分析，可有效反映不同環(huán)境氣象條件下，自然通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)流動(dòng)換熱性能的變化規(guī)律。

圖10 為環(huán)境風(fēng)速為0、3 m/s 時(shí)，通過(guò)不同位置冷卻三角翅片管束冷凝蒸汽流量分布情況。為便于分析，將通過(guò)同一層冷卻三角的同側(cè)翅片管束冷凝蒸汽流量繪制為一條曲線。由圖10a)可見(jiàn)：無(wú)風(fēng)條件下，同層內(nèi)各冷卻三角翅片管束冷凝蒸汽流量分布沿圓周方向大小基本一致，約為2.0 kg/s，且流過(guò)同一冷卻三角a、b 側(cè)翅片管束的冷凝蒸汽流量也基本一致，但空冷凝汽器第2 層內(nèi)的冷卻三角翅片管束冷凝蒸汽流量均比第1 層大0.3 kg/s 左右；編號(hào)為1 的冷卻三角由于直接連接至主管道，導(dǎo)致該位置冷卻三角冷凝蒸汽流量稍微偏大。

由圖10b)可見(jiàn)：環(huán)境風(fēng)作用下，空冷凝汽器不同位置冷卻三角流動(dòng)換熱性能存在明顯差異，且不同位置冷卻三角a、b 側(cè)翅片管束流動(dòng)換熱性能也不同。一方面處于迎風(fēng)扇區(qū)的冷卻三角a、b 側(cè)翅片管束冷凝蒸汽流量基本相同，在側(cè)風(fēng)扇區(qū)冷卻三角a、b 側(cè)翅片管束間會(huì)出現(xiàn)相對(duì)的迎風(fēng)和背風(fēng)位置，使得處于迎風(fēng)位置的翅片管束流動(dòng)換熱性能優(yōu)于背風(fēng)位置的翅片管束，導(dǎo)致迎風(fēng)位置翅片管束冷凝蒸汽流量明顯高于背風(fēng)位置的翅片管束，從而形成圖中曲線向一側(cè)偏移的現(xiàn)象；另一方面，類(lèi)似于圓柱繞流，在空冷凝汽器背風(fēng)扇區(qū)冷卻三角入口會(huì)出現(xiàn)流動(dòng)分離，形成渦流，導(dǎo)致背風(fēng)扇區(qū)冷卻三角翅片管束冷凝蒸汽流量變化出現(xiàn)波動(dòng)的現(xiàn)象。總體上看，在無(wú)風(fēng)和有風(fēng)工況，第2 層冷卻三角翅片管束冷凝蒸汽流量都較第1 層大。

圖10 不同風(fēng)速下各冷卻三角翅片管束冷凝蒸汽流量分布（kg/s）Fig.10 Steam flow rate distributions in cooling deltas at different wind speeds (kg/s)

2.3 蒸汽分配管道阻力特性分布規(guī)律

通過(guò)對(duì)直接自然通風(fēng)直冷塔各物理場(chǎng)及各冷卻三角翅片管束冷凝蒸汽流量分布規(guī)律的分析，可獲得該系統(tǒng)空冷凝汽器冷卻三角空氣側(cè)流動(dòng)換熱性能與蒸汽側(cè)熱負(fù)荷的耦合作用結(jié)果。在以上分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)蒸汽管道阻力特性分布規(guī)律進(jìn)行分析。

圖11 和圖12 為無(wú)風(fēng)條件和3 m/s 風(fēng)速下，各冷卻三角入口壓力以及蒸汽分配管道壓降變化規(guī)律。由圖11、圖12 可見(jiàn)：無(wú)風(fēng)條件下，各冷卻三角翅片管束入口壓力基本一致，與空氣側(cè)各物理場(chǎng)分布和蒸汽流量分布規(guī)律相同；塔內(nèi)空氣流場(chǎng)受到煙道及蒸汽管道的影響，使得部分位置冷卻三角冷凝蒸汽流量出現(xiàn)波動(dòng)，結(jié)合蒸汽管道的固有結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致翅片管束出口及蒸汽管道壓降存在波動(dòng)的現(xiàn)象；當(dāng)風(fēng)速為3 m/s 時(shí)，由于空冷凝汽器不同位置冷卻三角流動(dòng)換熱性能存在差異，使得其冷凝蒸汽流量不盡相同，導(dǎo)致翅片管束入口壓力和蒸汽分配管道壓降存在相同的變化規(guī)律，即翅片管束入口壓力和蒸汽分配管道壓降均向側(cè)風(fēng)扇區(qū)偏移。

圖11 無(wú)風(fēng)條件下冷卻三角翅片管束入口壓力及蒸汽分配管道壓降分布（kPa）Fig.11 Pressure at the cooling delta inlets and pressure drop of steam distribution pipes in the absence of wind (kPa)

圖12 3 m/s 風(fēng)速下冷卻三角翅片管束入口壓力及蒸汽分配管道壓降分布（kPa）Fig.12 Pressure at the cooling delta inlets and pressure drop of steam distribution pipes at wind speed of 3 m/s (kPa)

2.4 自然通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)總體性能參數(shù)

通過(guò)對(duì)比不同環(huán)境氣象條件下，自然通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)總體性能參數(shù)變化，可以揭示環(huán)境氣象條件對(duì)空冷系統(tǒng)流動(dòng)換熱性能的影響規(guī)律。表3 列出了不同環(huán)境風(fēng)速下，自然通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)蒸汽側(cè)和空氣側(cè)總體性能參數(shù)的變化。由表3 可知：與3 m/s 風(fēng)速工況相比，無(wú)風(fēng)條件下，自然通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)蒸汽入口壓力較低，蒸汽流量較高；同時(shí)，空冷塔出口溫度較低，冷卻空氣流量較高，空冷系統(tǒng)具有更好的流動(dòng)換熱性能。

表3 自然通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)總體性能參數(shù)Tab.3 Overall performance parameters of the natural draft direct air cooling system

3 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬方法，建立了自然通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)直冷塔及蒸汽分配管道流動(dòng)傳熱的數(shù)學(xué)、物理模型，利用空氣側(cè)與蒸汽側(cè)耦合計(jì)算控制邏輯，研究了不同環(huán)境風(fēng)速條件下自然通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)流動(dòng)傳熱特性，獲得了不同工況下空氣側(cè)壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)及流場(chǎng)分布規(guī)律以及空冷凝汽器冷卻三角翅片管束蒸汽流量分布規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，對(duì)樹(shù)杈形蒸汽分配管道阻力特性進(jìn)行了分析研究，獲得了冷卻三角翅片管束入口壓力和樹(shù)杈形蒸汽分配管道壓降變化規(guī)律。通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

1）建立了自然通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)分步模擬方法，可以實(shí)現(xiàn)空冷凝汽器空氣側(cè)流動(dòng)換熱與蒸汽分配管道內(nèi)蒸汽的耦合模擬計(jì)算。

2）無(wú)風(fēng)條件下，自然通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)各物理場(chǎng)、各冷卻三角蒸汽流量分布和蒸汽管道阻力特性分布均呈對(duì)稱分布規(guī)律。3 m/s 風(fēng)速工況下，類(lèi)似于圓柱繞流，迎風(fēng)扇區(qū)和側(cè)風(fēng)扇區(qū)流動(dòng)換熱性能存在較大差異，導(dǎo)致冷卻三角左右兩側(cè)翅片管束冷凝蒸汽流量分布曲線和蒸汽管道助力特性曲線向側(cè)風(fēng)扇區(qū)偏移。

3）通過(guò)數(shù)值模擬分析可以看出，無(wú)風(fēng)條件下，樹(shù)形蒸汽分配管道蒸汽流量和阻力特性分布具有良好的均勻性，設(shè)計(jì)較為合理，可為新型自然通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供參考。