周蘭欣, 崔皓程, 仲博學

(華北電力大學電站設備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點實驗室,保定071003)

近年來,空冷機組在我國發(fā)展迅猛,在建廠初期都會涉及廠房總體布局及機組主導風向的問題.對于主導風向角度的選擇各有差別,有的機組是根據當地的氣象條件參考其他電廠來確定主導風向[1-3].運行經驗表明:正確的主導風向對空冷凝汽器的換熱效率影響很大.因此,本文將從主導風向的角度探討其對空冷凝汽器換熱效果的影響.

以2臺600 MW空冷機組為例,利用Fluent軟件對空冷島外部流場進行了數值模擬,分析了在不同風速條件下主導風向對空冷凝汽器換熱效率的影響規(guī)律及其原因,從而得到在換熱效率最高時主導風向與空冷平臺的位置關系,為空冷機組的設計及廠房總體布局提供了理論參考.

1 模型的建立及計算方法

1.1 模型的建立以及網格的劃分

根據實際設計尺寸,設定空冷平臺高度為45 m,上擋風墻高度為10 m,鍋爐房高度為90 m,汽機房高度為40 m,每臺機組有7×8=56個空冷單元.由于不考慮空冷單元內部的流動,因此不必在建立模型時體現出空冷凝汽器散熱片的鰭狀幾何外形.在保證計算正確性的前提下,考慮計算的效率,對空冷單元進行簡化,用小正方體代表空冷單元,其橫截面積為10 m×10 m.模型示于圖1.

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

利用Ganbit軟件生成相應的幾何模型以及計算網格.在劃分網格時,考慮到模擬計算精度的要求、計算機硬件性能的限制以及空冷島本身的結構特點,對整個計算區(qū)域采用分塊劃分網格的方法,對空冷島和廠房采用六面體網格進行劃分,余下計算區(qū)域采用非結構化網格.計算區(qū)域為600 m×800 m×600 m的長方體,圖2為計算區(qū)域與主導風向的示意圖.

1.2 計算方法

1.2.1 湍流模型的選擇

標準k-ε湍流模型是從實驗中總結出來的,其適用范圍廣、計算精度合理.最簡單的完整湍流模型是2個方程的模型,需要求解速度和長度2個變量.在Fluent軟件中,自從標準k-ε模型被 Launder和Spalding提出后,就成為工程流場計算中的主要工具,在工業(yè)流場和熱交換模擬中獲得了廣泛的應用.

圖2 計算區(qū)域與主導風向示意圖Fig.2 Schematic diagram of the calculation region and the prevailing wind direction

1.2.2 主控方程

對于空冷平臺,由于環(huán)境風速遠小于當地聲速的1/3,因此空冷平臺周圍的大氣運動可認為是不可壓縮定常流動.

流體區(qū)域的流動應滿足三維流動控制方程,數值模擬則采用雷諾應力平均N-S方程[4-6].

連續(xù)性方程:

動量守恒方程:

本構方程:

標準k-ε湍流模型:

式中:k為紊動能項.

本文涉及熱量交換問題,采用的能量方程如下:

式中:ρ為空氣密度;u、v為流體速度;i,j,k=1,2,3;p為壓力;μ為流體動力粘性系數;τij為應力張量為熱流量.

空冷散熱器內部的換熱情況可利用Fluent軟件內嵌的熱交換模塊進行計算.計算中控制微分方程的離散化采用了有限差分法中的控制容積公式法,針對對流項的離散,采用了上風差分格式,動量方程的離散化采用了交錯網格的方法,流場的計算則采用典型的Simple算法.

1.2.3 邊界條件

整個流動計算區(qū)域的進口采用大氣邊界層函數計算:

式中:z0為氣流達到均勻流時的高度;u0為z0處來流平均風速;zi為任意高度;ui為zi處平均風速;α為地面粗糙系數,粗糙度越大,α越大.

根據電廠的地形地貌,取 α=0.2及 z0=10,該條件利用Fluent自帶的udf(自定義函數)邊界條件編程加載,每個空冷換熱單元的下部布置軸流風機,此界面采用風扇邊界條件,換熱單元上部視為流體內點區(qū)域,每個換熱單元的四周、擋風墻、柱子均采用墻壁邊界,整個計算域的底面是大地,為壁面邊界,主導風向的迎風面采用速度入口邊界條件,其余面采用壓力出口邊界條件.

2 計算結果及分析

在風速分別為3 m/s、6 m/s和9 m/s,風向角β分別為 0°、30°、45°、60°、90°、120°、135°、150°、180°、225°、270°和 315°的條件下,模擬了風向及風速對空冷凝汽器整體換熱效率的影響.為了方便說明問題,定義風向角β為主導風向與空冷平臺(x軸正向)的夾角(圖2).

引進一個無量綱參數——換熱效率,定義為空冷單元的實際換熱量與標準工況下空冷單元的標準換熱量之比[7-8].另外,將每秒流過空冷單元的空氣質量流量也作為比較的參數之一,并規(guī)定通過空冷平臺的空氣質量流量與風機吹風方向一致時為正,反之為負.

2.1 計算結果

由數值模擬,得到不同環(huán)境風速下空冷凝汽器的換熱效率隨主導風向的變化關系,結果示于圖3.由圖3可知,空冷凝汽器的換熱效率受環(huán)境風速和風向的影響很大.風速越大,換熱效率越低,在同一風向條件下,風速從3 m/s增大到9 m/s,換熱效率降低了14.3%.在相同風速條件下,風向角β在30°～ 45°、135°～ 150°內 ,空冷凝汽器效率最高 ,在 270°附近時,換熱效率最低,兩者效率之差高達8.7%.

圖3 平均換熱效率隨主導風向的變化關系Fig.3 Average heat transfer efficiency vs.the prevailing wind direction

2.2 結果分析

以風速=6 m/s為例,分別從不同角度對比分析不同主導風向對空冷凝汽器換熱效率的影響.圖4～圖6為不同主導風向下換熱單元的空氣質量流量分布.其中,數字 16表示2臺機組每排有16個換熱單元,s1-s7代表每列有7個換熱單元.

圖4 風向角β=90°時空氣質量流量的分布Fig.4 Air mass flow distribution in the case of β=90°

圖5 風向角β=150°時空氣質量流量的分布Fig.5 Air mass flow distribution in the case of β=150°

圖6 風向角β=270°時空氣質量流量的分布Fig.6 Air mass flow distribution in the case of β=270°

由模擬結果可知,當風向角β=150°時,參與換熱的冷空氣流量比β=90°時增加了9 704 kg/s,比β=270°時增加了31 534 kg/s,相應的換熱量提高了15.80%和22.71%.

當風速達到6 m/s時,無論從哪個方向的來風,都會使空冷平臺邊緣的換熱單元發(fā)生倒灌和熱風回流,只是產生熱風回流和倒灌的換熱單元及程度不同.當風向角β≤180°時,凝汽器的迎風面換熱單元會出現“倒灌”,并且在尾部形成熱風回流,尤其是當風向角β=90°或者 180°時,由于在空冷平臺和汽機房之間的狹長過道產生負壓區(qū),使得靠近汽機房的換熱單元出現嚴重的熱回流,此時熱風回流率達到最高[9-11],凝汽器的換熱效果明顯惡化.而主導風向角在135°～150°時,由于此方向上熱風回流率較低,擋風墻迎風面最大,發(fā)生熱風回流和“倒灌”的現象明顯減弱,使得通過空冷風機的空氣流量增大,相應地,換熱單元的換熱量達到最大,換熱效率最高.

當風向角β＞180°時,風從鍋爐房的后方吹來,習慣上稱為爐后來風或者爐側來風.由于鍋爐房的阻擋作用,空冷島周圍的環(huán)境風場發(fā)生了變化,風流經高大的鍋爐房后得到加速,并在汽機房上方形成一個巨大的負壓漩渦區(qū),阻礙了空氣的正常流通,空氣在到達空冷平臺時,一部分加速向下,削弱了風機向上的抽吸作用;另一部分則是加速向前,破壞了空冷平臺上方熱空氣的擴散,使得從翅片上散發(fā)的熱空氣突然被壓回到空冷平臺下方,導致風機入口的空氣溫度升高[12-14],造成強烈的熱風回流和“倒灌”現象.

圖7和圖8分別為β=270°時空冷島外部流場的溫度分布和速度矢量分布.從圖中可以看出,從鍋爐正后方吹來的夏季高溫大風,使得靠近汽機房的前兩排甚至前三排的空冷單元出現了強烈的熱風回流和“倒灌”,相應空冷單元的空氣流量和換熱端差減小,與 β=150°時相比,風機流量減少了39.5%,平均換熱效率降低了22.71%,嚴重影響機組的安全經濟運行.

圖7 β=270°時空冷島外部流場的速度矢量分布Fig.7 Velocity vectors of the ex ternal flow field outside air cooling island in the case of β =270°

圖8 β=270°時空冷島外部流場的溫度分布(單位:K)Fig.8 Temperature distribution of the external flow field outside air cooling island in the case of β=270°(Unit:K)

由以上分析可知,無論是從鍋爐的斜后方還是正后方來風,都會因廠房的影響而不利于空冷凝汽器的換熱,使得機組的整體換熱效率下降.因此,空冷島的設計要以爐后來風的風頻風速最小為宜.

2.3 模擬結果與實際環(huán)境風向的對比分析

在以往的研究中,人們習慣上認為主導風向正對空冷平臺,即風向角β=90°,但實際上大多數空冷機組的空冷島并不是正對著主導方向,而是與其形成了一定的夾角,使得主導風向和夏季來風在全年范圍內盡可能多的出現在有利于空冷平臺換熱的一側,有效地降低了夏季爐后來風對機組的不利影響.

圖9是北方某地的風向玫瑰圖.圖中用不同線表示了全年、夏季、冬季各個風向上出現風的頻率和大小,出現頻率最高的風向是N(按照本文風向角的定義,N 方向的風向角 β=150°),通常把N方向稱為當地的主導風向,由模擬結果可知,在此主導風向上空冷凝汽器的換熱效率最高.

圖9 風向玫瑰圖Fig.9 Rose diagram of wind direction

3 結 論

(1)不同的電廠主導風向與空冷島朝向的位置關系有所不同,但總體上應該保證主導風向在換熱最高時的風向角范圍內,以減少夏季爐后風對空冷凝汽器換熱的影響,使機組在全年范圍內維持在最高的換熱水平.

(2)空冷凝汽器的換熱效率受環(huán)境風速的影響很大.在同一主導風向下,風速越大,換熱效率越低,當風速從3 m/s增大到9 m/s時,換熱效率降低了14.3%.

(3)空冷凝汽器的換熱效率不僅受風速的影響,還受風向的影響.在相同風速條件下,當主導風向與空冷平臺夾角成135°～ 150°或者30°～ 45°時,空冷凝汽器的換熱效率最高;當風向角在270°附近時,效率最低,兩者效率之差達8.7%.

(4)主導風向的確定對空冷島的結構布局以及廠區(qū)的總體規(guī)劃有著重要的影響,除了應考慮當地多年的氣象條件外,還要綜合考慮廠區(qū)地理位置以及周圍建筑物對風向的影響,這有待于進一步深入研究.

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