火電機(jī)組直接空冷島頂部防凍百葉窗仿真計(jì)算

師進(jìn)文,王子豪,李高潮,鄒洋,趙強(qiáng)強(qiáng),薛楊波,鄒琳,王躍社

(1. 西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安;2. 西安熱工研究院有限公司節(jié)能減排技術(shù)中心,710054,西安)

我國(guó)北方地區(qū)富煤缺水,直接空冷島(以下簡(jiǎn)稱空冷島)因其水資源依賴性低與換熱性能良好的優(yōu)勢(shì)在我國(guó)北方火電機(jī)組中得到了廣泛應(yīng)用。但是,由于北方冬季易出現(xiàn)嚴(yán)寒、大風(fēng)等極端天氣,空冷島極易因過(guò)度散熱而出現(xiàn)散熱管束的凍結(jié)開裂,進(jìn)而影響機(jī)組的安全運(yùn)行。所以,對(duì)空冷島的冬季防凍運(yùn)行開展研究是非常必要的。

近年來(lái),許多學(xué)者對(duì)空冷島開展了廣泛而深入的研究。針對(duì)環(huán)境側(cè)風(fēng)影響:李景明等[1]分析了環(huán)境風(fēng)對(duì)空冷島周圍熱環(huán)境的作用;何緯峰等[2-3]與孔新博[4]研究了環(huán)境風(fēng)對(duì)空冷島換熱性能及背壓的影響;馮鵬遠(yuǎn)[5]研究了環(huán)境側(cè)風(fēng)對(duì)空冷島風(fēng)機(jī)群空氣流量的影響。針對(duì)空冷島內(nèi)外流場(chǎng):梁濤等[6]與鄭春波[7]研究了環(huán)境風(fēng)對(duì)空冷島內(nèi)部流動(dòng)傳熱特性的影響;趙晉輝[8]與晉若男[9]對(duì)空冷島的流動(dòng)傳熱性能開展了優(yōu)化工作。針對(duì)空冷島防凍運(yùn)行:陳鵬等[10]與Deng等[11]利用數(shù)值模擬方法對(duì)空冷島開展了凍結(jié)風(fēng)險(xiǎn)與防凍策略的研究;陳磊等[12]基于模擬結(jié)果提出了一種高效的防凍控制邏輯;Feng等[13]通過(guò)尋找最佳背壓來(lái)增強(qiáng)空冷島的防凍能力。針對(duì)空冷島凍結(jié)機(jī)理:馬富中[14]與折子平[15]結(jié)合空冷島實(shí)際運(yùn)行資料,對(duì)空冷島的凍結(jié)原因進(jìn)行了詳細(xì)分析;Zhao等[16]分析了多種參數(shù)對(duì)散熱管束內(nèi)壁溫度的影響,并給出了相應(yīng)的優(yōu)化建議。針對(duì)散熱管束凍結(jié)特性:周曉慧等[17]與王豐力[18]主要對(duì)散熱管束的防凍特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究;王偉佳等[19]與戴靜[20]主要通過(guò)建立散熱管束局部模型來(lái)分析其在低溫時(shí)的傳熱特性。

綜上所述可知,空冷島出現(xiàn)散熱管束凍結(jié)開裂事故的主要原因是冬季環(huán)境氣溫過(guò)低,此時(shí)空冷島散熱管束的外側(cè)壁溫較低,當(dāng)散熱管束內(nèi)存在不凝氣體或空冷島整體蒸汽量較低時(shí)會(huì)出現(xiàn)管內(nèi)結(jié)霜現(xiàn)象[21],并逐漸發(fā)展成凍結(jié)事故。另外,北方冬季同時(shí)易出現(xiàn)大風(fēng)天氣,此時(shí)環(huán)境側(cè)風(fēng)撞擊在空冷島的擋風(fēng)墻上并從上下兩側(cè)繞流,經(jīng)由空冷島風(fēng)機(jī)入口及空冷島上方直接沖擊在散熱管束上,進(jìn)而導(dǎo)致空冷島散熱管束散熱量驟增,凝結(jié)水在管內(nèi)過(guò)度散熱而凍結(jié)。針對(duì)上述空冷島的凍結(jié)原因,有學(xué)者提出了相應(yīng)的防凍運(yùn)行策略與防凍裝置。范志愿[22]利用直接空冷系統(tǒng)的防凍數(shù)學(xué)模型分析了迎面風(fēng)速、環(huán)境溫度等條件對(duì)空冷島的影響,并對(duì)空冷島內(nèi)的管路進(jìn)行了重新設(shè)計(jì),利用羅茨真空泵等設(shè)備降低了空冷島真空泄露的風(fēng)險(xiǎn)。楊宏斌等[23]提出了一種應(yīng)用于空冷島底部軸流風(fēng)機(jī)入口處的自動(dòng)封堵裝置,通過(guò)控制風(fēng)機(jī)入口處的空氣流量來(lái)減少空冷單元的換熱量,進(jìn)而降低空冷島發(fā)生凍結(jié)事故的風(fēng)險(xiǎn)。趙亮[24]通過(guò)在風(fēng)機(jī)入口上方設(shè)置可拆卸擋板、調(diào)節(jié)真空閥開度、控制不同空冷單元蒸汽流量等方法,提升了空冷島的防凍能力。

然而,在嚴(yán)寒與大風(fēng)天氣同時(shí)出現(xiàn)時(shí),即使應(yīng)用了風(fēng)機(jī)入口封堵等措施,空冷島依然會(huì)出現(xiàn)散熱管束凍結(jié)的情況,此時(shí)就需要人工在空冷單元散熱管束外側(cè)覆蓋保溫毯,以進(jìn)一步增強(qiáng)空冷單元的密封性。然而,覆蓋保溫毯較為耗時(shí),且靈活性較差,一旦氣溫回升或風(fēng)速降低,就需要及時(shí)撤下保溫毯,否則機(jī)組背壓會(huì)因散熱不良而升高。

針對(duì)空冷島嚴(yán)寒大風(fēng)天氣難以進(jìn)行防凍工作這一問(wèn)題,本文提出了一種安裝在空冷島頂部蒸汽分配管之間的防凍百葉窗裝置,該裝置可通過(guò)控制百葉窗的開度來(lái)靈活調(diào)節(jié)經(jīng)由空冷島上方進(jìn)入空冷單元的空氣流量。在冬季時(shí)關(guān)閉百葉窗可起到與覆蓋保溫毯相似的防凍效果;在夏季打開百葉窗時(shí)的空氣阻力較小,不會(huì)影響空冷島的峰值性能。由此,可以實(shí)現(xiàn)在嚴(yán)寒大風(fēng)條件下更加靈活可靠地進(jìn)行防凍運(yùn)行工作。

1 幾何建模與網(wǎng)格劃分

本文研究對(duì)象為國(guó)內(nèi)某采用直接空氣冷卻的660 MW超臨界空冷電廠,共有4臺(tái)機(jī)組,每臺(tái)機(jī)空冷島配置56個(gè)空冷單元,4臺(tái)機(jī)空冷島一字排列?？绽鋶u空冷單元底部距地面高度為50 m,空冷島頂部距地面高度為63.05 m。單機(jī)空冷島設(shè)計(jì)蒸汽流量為682.5 kg/s,設(shè)計(jì)空氣流量為71 257.6 m3/s。選取處于冬季主導(dǎo)風(fēng)向上風(fēng)口的空冷島進(jìn)行研究,另一座空冷島處于下風(fēng)口,基本不會(huì)對(duì)選取的空冷島產(chǎn)生影響,故本文僅對(duì)位于上風(fēng)口的空冷島進(jìn)行建模與仿真分析。

1.1 空冷島及防凍裝置的幾何建模

根據(jù)從電廠收集的相關(guān)資料,首先建立了空冷島的整體幾何模型,如圖1所示。模型包含了蒸汽分配管、空冷散熱單元、擋風(fēng)墻、鋼桁架結(jié)構(gòu)、混凝土支柱等空冷島的主要結(jié)構(gòu),同時(shí)將與空冷島相鄰的主廠房也添加到了模型中,來(lái)模擬主廠房對(duì)空冷島流動(dòng)換熱特性的影響。

圖1 空冷島幾何模型Fig.1 Geometric model of air-cooling island

圖2為防凍百葉窗的安裝示意,其安裝在空冷島頂部的蒸汽分配管之間,在關(guān)閉時(shí)可通過(guò)阻擋頂部空氣倒流進(jìn)入空冷島,進(jìn)而在冬季起到防凍的作用。

圖2 安裝防凍百葉窗后的空冷島局部幾何模型Fig.2 Local geometric model of air-cooling island after installing anti-freezing shutters

1.2 計(jì)算域及網(wǎng)格劃分

空冷島的整體計(jì)算域及局部計(jì)算域如圖3、圖4所示。空冷島整體計(jì)算域用于研究防凍百葉窗在冬季工況下的防凍效果,計(jì)算域尺寸為1.0 km×1.0 km×0.6 km。空冷島周圍留出一定范圍的空曠區(qū)域,用于減少湍流脈動(dòng)以及壓力出口附近壓力波反彈對(duì)計(jì)算收斂性與精確性的負(fù)面影響。電廠廠址地區(qū)冬季的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng),故空冷島整體計(jì)算的風(fēng)向選取為東風(fēng)。

圖3 空冷島整體計(jì)算域示意Fig.3 Schematic diagram of overall computing domain

圖4 空冷島局部計(jì)算域示意Fig.4 Schematic diagram of local computing domain

空冷島局部計(jì)算域用于研究常規(guī)工況下百葉窗全開時(shí)是否會(huì)影響空冷島的散熱能力,計(jì)算域尺寸為11 m×12 m×73 m。該模型截取了百葉窗兩側(cè)各一半的空冷單元,并將空冷單元截面及其兩側(cè)的面設(shè)置為對(duì)稱邊界,來(lái)模擬周圍空冷單元對(duì)模型中空冷單元的影響。

上述計(jì)算域使用Fluent軟件中的meshing模式來(lái)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并采用多面體網(wǎng)格(polyhedral mesh)作為計(jì)算域的基本離散單元。相比于四面體網(wǎng)格,多面體網(wǎng)格具有網(wǎng)格質(zhì)量高、網(wǎng)格數(shù)目少的優(yōu)點(diǎn),并且其對(duì)復(fù)雜幾何體的適應(yīng)性較好。表1與表2為空冷島整體與局部計(jì)算域的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果,驗(yàn)證計(jì)算的邊界條件選取為電廠空冷島設(shè)計(jì)工況,即汽輪機(jī)最大連續(xù)出力工況(TMCR工況)?？梢钥闯?當(dāng)網(wǎng)格數(shù)目大于等于800萬(wàn)時(shí),空冷島整體換熱量的波動(dòng)穩(wěn)定在1%以內(nèi);在網(wǎng)格數(shù)目大于等于120萬(wàn)時(shí),空冷單元局部換熱量的波動(dòng)穩(wěn)定在0.1%以內(nèi)。所以,空冷島整體與局部計(jì)算域的網(wǎng)格數(shù)目分別確定為800萬(wàn)、120萬(wàn)。

表1 整體計(jì)算域網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

表2 局部計(jì)算域網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

2 仿真計(jì)算方法

2.1 控制方程

質(zhì)量守恒方程為

(1)

動(dòng)量方程為

(2)

能量方程為

(3)

式中:ρ為空氣密度,kg/m3;t為時(shí)間,s;vx、vy、vz為速度分量,m/s;v為速度矢量,m/s;η為空氣動(dòng)力黏度,Pa·s;T為空氣溫度,K;λ為空氣導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);cp為空氣比定壓熱容,J/(kg·K);Sm為質(zhì)量源項(xiàng);Svx、Svy、Svz為動(dòng)量源項(xiàng);ST為能量源項(xiàng)。

2.2 數(shù)值算法

針對(duì)上述微分形式的控制方程,采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散化處理。在仿真計(jì)算的過(guò)程中,采用Fluent提供的Coupled算法來(lái)求解離散的控制方程。該算法將動(dòng)量方程與基于壓力的連續(xù)性方程組成耦合方程組,然后同時(shí)求解兩個(gè)方程。相較于傳統(tǒng)的分離求解算法,該算法能夠大幅提升仿真計(jì)算解的收斂速度與穩(wěn)定性[25],不過(guò)由于需要求解動(dòng)量-連續(xù)性方程的耦合方程組,Coupled算法需要額外占用約50%～100%的內(nèi)存空間。

2.3 邊界條件處理

為了模擬實(shí)際情況中環(huán)境側(cè)風(fēng)的特征,對(duì)空冷島整體模型的入口邊界應(yīng)用風(fēng)速廓線函數(shù),將模型入口的空氣流速定義為隨豎直高度變化的函數(shù),來(lái)模擬環(huán)境側(cè)風(fēng)沿豎直方向的速度分布,公式為

(4)

式中:u為高度z處的風(fēng)速,m/s;u10為10 m高度處的風(fēng)速,m/s;z為距離地面的高度,m;n為風(fēng)速廓線指數(shù)(取值為0.16[26])。

對(duì)于空冷島空冷單元內(nèi)的散熱管束,使用Fluent軟件中的換熱器邊界(Radiator)來(lái)模擬。該邊界可通過(guò)定義阻力系數(shù)、傳熱系數(shù)與傳熱溫度來(lái)模擬實(shí)際散熱管束的幾何特征與傳熱特性。模型中阻力系數(shù)kLoss和傳熱系數(shù)h的公式為

(5)

(6)

3 結(jié)果與討論

3.1 模型驗(yàn)證

表3為TMCR工況下模型計(jì)算值與設(shè)計(jì)值的對(duì)比?？梢钥闯?整體模型誤差為0.4%,局部模型誤差為1.81%,兩種模型具有較好的計(jì)算精確度。

表3 TMCR工況計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

3.2 空冷島頂部百葉窗防凍性能分析

由電廠廠址所在地區(qū)的氣象資料可知,電廠冬季環(huán)境氣溫最低值在-20 ℃左右,冬季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng),且環(huán)境風(fēng)速最大值約為20 m/s。同時(shí),電廠在冬季大風(fēng)條件下會(huì)封堵風(fēng)機(jī)入口,以緩解散熱管束凍結(jié)。根據(jù)空冷島的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài),本文中冬季工況計(jì)算的邊界條件如表4所示,除去冬季的環(huán)境條件,默認(rèn)空冷島風(fēng)機(jī)入口為封閉狀態(tài),以分析頂部百葉窗與封堵風(fēng)機(jī)入口措施聯(lián)動(dòng)時(shí)的防凍效果。

表4 防凍性能計(jì)算邊界條件

百葉窗全開和全關(guān)情況下空冷島的總換熱量分別為658.9和311.6 MW。百葉窗全關(guān)后,空冷島的總換熱量下降了52.7%,表明空冷島頂部百葉窗具有顯著的防凍作用。

百葉窗不同狀態(tài)下的空冷島流線與速度云圖如圖圖5所示?？梢钥闯?當(dāng)百葉窗全開時(shí),大風(fēng)條件下環(huán)境側(cè)風(fēng)會(huì)從空冷島上方倒流沖擊在空冷單元上,并形成強(qiáng)烈的渦流,不斷將散熱管束的熱量向外界環(huán)境傳遞。當(dāng)關(guān)閉空冷島頂部百葉窗時(shí),空冷島各空冷單元內(nèi)部的空氣流速顯著降低,空冷單元內(nèi)外的渦流也受到抑制,計(jì)算結(jié)果表明空冷島頂部百葉窗可顯著削弱環(huán)境側(cè)風(fēng)對(duì)空冷單元的沖擊,進(jìn)而起到防止散熱管束凍結(jié)的作用。圖6為空冷島的溫度云圖?？梢钥闯?在關(guān)閉空冷島頂部百葉窗之后,空冷島各空冷單元內(nèi)部的空氣溫度顯著升高,升高幅度約為5 ℃。計(jì)算結(jié)果表明,頂部百葉窗可通過(guò)提升空冷單元內(nèi)部的空氣溫度,降低傳熱溫差,進(jìn)而減少空冷單元散熱管束的散熱量,起到保溫防凍的作用。

(a)百葉窗全開

(b)百葉窗全關(guān)

(a)百葉窗全開

(b)百葉窗全關(guān)

3.3 空冷島頂部百葉窗常規(guī)工況影響分析

表5為空冷島常規(guī)工況計(jì)算的邊界條件,此時(shí)無(wú)環(huán)境風(fēng),且空冷單元底部的軸流風(fēng)機(jī)全部工頻運(yùn)行。

表5 常規(guī)工況計(jì)算邊界條件

未安裝百葉窗與百葉窗全開時(shí),空氣流量分別為549.55、537.33 kg/s,換熱量分別為11.82、11.67 MW?？梢钥闯?與未安裝百葉窗相比,百葉窗全開時(shí)空冷單元的空氣流量和換熱量損失非常小,空氣流量損失約為2.2%,換熱量損失在1.2%左右。計(jì)算結(jié)果表明空冷島頂部百葉窗在全開時(shí)基本不會(huì)對(duì)空冷島的換熱性能產(chǎn)生顯著影響,在環(huán)境氣溫較高的季節(jié)無(wú)需拆除百葉窗,只需要將百葉窗全部打開即可。

空冷單元的流場(chǎng)及速度云圖如圖7所示?？梢钥闯?在空冷島頂部安裝百葉窗并全部開啟之后,空冷單元內(nèi)外的流場(chǎng)與速度場(chǎng)基本沒(méi)有變化,證明百葉窗全開時(shí)對(duì)空冷單元的影響基本可以忽略不計(jì)。

圖8為空冷單元附近的溫度云圖?？梢钥闯?在增設(shè)開啟狀態(tài)的百葉窗之后,空冷單元內(nèi)外的空氣溫度變化不大,僅在百葉窗附近的溫度場(chǎng)有輕微差異,空冷單元內(nèi)部的空氣溫度基本未受影響。由此進(jìn)一步證明了開啟空冷島頂部百葉窗不會(huì)對(duì)空冷島的換熱性能產(chǎn)生明顯的影響。

(a)未安裝百葉窗

(b)百葉窗全開

(a)未安裝百葉窗

(b)百葉窗全開

4 結(jié) 論

(1)空冷島頂部安裝百葉窗對(duì)冬季防凍具有明顯的改善作用。在環(huán)境風(fēng)速20 m/s、環(huán)境氣溫-20 ℃時(shí),關(guān)閉全部的頂部百葉窗可以使空冷島的總散熱量降低52.7%,防凍效果明顯。

(2)在常規(guī)運(yùn)行工況下,空冷島頂部百葉窗全開時(shí)百葉窗對(duì)空冷島的換熱性能影響基本可以忽略不計(jì);在無(wú)環(huán)境風(fēng)、環(huán)境氣溫15 ℃時(shí),全開的百葉窗僅會(huì)對(duì)空冷島造成1.2%～2.2%的性能損失。

(3)在冬季大風(fēng)條件下,僅封閉風(fēng)機(jī)入口不足以使空冷島完全擺脫凍結(jié)的風(fēng)險(xiǎn),外界冷空氣仍可從空冷島上方倒流進(jìn)入空冷單元;應(yīng)用頂部防凍百葉窗并將其全部關(guān)閉時(shí),空冷島內(nèi)部的空氣流速顯著降低、渦流強(qiáng)度明顯減小,空冷島頂部百葉窗可以有效阻止外界冷空氣從頂部進(jìn)入空冷島內(nèi)部,改善空冷島過(guò)度散熱問(wèn)題。

(4)空冷島頂部百葉窗關(guān)閉時(shí)可阻隔外界空氣,全開時(shí)豎直方向空氣阻力極小,在冬季可增強(qiáng)空冷島防凍能力,在夏季又基本不會(huì)削弱空冷島的散熱性能,是一種靈活有效的空冷島防凍措施。