周敬博，陳梅倩

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081)

(2.北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044)

直接空冷單元流場(chǎng)特性數(shù)值研究

周敬博1，陳梅倩2

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081)

(2.北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044)

通過(guò)數(shù)值模擬，分析風(fēng)速、平臺(tái)寬度、擋風(fēng)墻高度、擋風(fēng)墻形狀等因素影響下的空冷單元空氣流動(dòng)的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，環(huán)境風(fēng)速對(duì)流場(chǎng)影響較大，隨著環(huán)境風(fēng)速的增加，軸流風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量降低，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為11 m/s時(shí)，軸流風(fēng)機(jī)流量為無(wú)風(fēng)時(shí)的63%;空冷平臺(tái)寬度對(duì)流動(dòng)傳熱特性影響很小;加裝擋風(fēng)墻下延對(duì)空冷單元軸流風(fēng)機(jī)吸風(fēng)量有顯著提高。

直接空冷單元;流場(chǎng);數(shù)值模擬;擋風(fēng)墻

1 概述

我國(guó)是水資源短缺的國(guó)家，人均水資源為2 400 m3，僅占世界平均水平的1/4，已被聯(lián)合國(guó)列為13個(gè)貧水國(guó)之一［1］。然而水資源與煤炭資源的分布具有極大的地域不均衡性，這種資源分布特性極大地制約了電力工業(yè)的布局，限制了電力工業(yè)的發(fā)展。采用空冷機(jī)組正是解決上述矛盾的有效途徑之一。電站空冷技術(shù)是以空氣取代水作為冷卻介質(zhì)的一種冷卻方式，可比常規(guī)濕冷機(jī)組節(jié)約2/3的新鮮水［2］，同時(shí)還可避免濕冷塔排出的氣霧對(duì)環(huán)境造成的污染。

目前國(guó)內(nèi)針對(duì)直接空冷系統(tǒng)的研究以試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬為主要手段。隨著計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)的發(fā)展，直接空冷系統(tǒng)的數(shù)值模擬已成為一種重要的新興研究方法。在直接空冷凝汽器的換熱和流動(dòng)方面，前人已經(jīng)取得很大成就。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)直接空冷凝汽器的研究主要是應(yīng)用數(shù)值模擬的方法研究橫風(fēng)對(duì)單元流動(dòng)傳熱特性的影響規(guī)律［3～5］。從相關(guān)研究結(jié)果來(lái)看，目前對(duì)如何削弱環(huán)境橫風(fēng)對(duì)空冷凝汽器單元的影響方面的研究還不完善，特別是空冷平臺(tái)寬度以及擋風(fēng)墻的高度、形狀等影響因素對(duì)空冷單元內(nèi)空氣流動(dòng)傳熱特性的研究較少。

本文應(yīng)用數(shù)值分析的方法，研究不同的環(huán)境風(fēng)速、平臺(tái)寬度、擋風(fēng)墻高度、形狀等因素影響下的空冷單元在大空間的三維流動(dòng)特性，可為空冷凝汽器的設(shè)計(jì)提供參考。

2 模型與邊界條件

直接空冷機(jī)組是由空氣代替水作為冷卻介質(zhì)的發(fā)電機(jī)組，其空冷島由若干個(gè)空冷單元組成。每個(gè)空冷單元都由互成60°角的“A”字型散熱器、頂部蒸汽分配管和底部軸流風(fēng)機(jī)組成。在空冷平臺(tái)四周布置擋風(fēng)墻，以減小熱風(fēng)回流，同時(shí)在冬季能阻擋寒風(fēng)直接吹在空冷散熱器管束，以防止發(fā)生局部管束過(guò)冷而凍結(jié)［6］。

本文旨在研究空冷單元內(nèi)空氣的流場(chǎng)特性，選取一個(gè)蛇形翅片管散熱器空冷單元作為研究對(duì)象，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于空冷凝汽器暴露在大氣環(huán)境中，空冷平臺(tái)高度為50 m，其流動(dòng)與換熱性能受周圍環(huán)境條件的影響很大，為此建立了一個(gè)100×100×100 m3空間環(huán)境，如圖2所示。

本文對(duì)空冷單元計(jì)算區(qū)域采用分塊畫網(wǎng)格的方法，先對(duì)模型進(jìn)行初步網(wǎng)格劃分，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，觀察各控制方程的收斂性是否理想，計(jì)算結(jié)果的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)趨勢(shì)是否合理，在此基礎(chǔ)上對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密，直到網(wǎng)格的步長(zhǎng)大小對(duì)計(jì)算結(jié)果影響忽略不計(jì)時(shí)，才最終確立網(wǎng)格大小和分布。網(wǎng)格如圖3所示。

直接空冷平臺(tái)周圍的大氣運(yùn)動(dòng)和空冷散熱器熱空氣的流動(dòng)可以看作是不可壓定常流動(dòng)，流動(dòng)區(qū)域的控制方程為雷諾平均的 N-S方程［7］。在工程實(shí)際中，流體基本處于紊流狀態(tài)，控制方程采用標(biāo)準(zhǔn)k－ε方程。

計(jì)算模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k－ε雙方程湍流模型，壁面函數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法。數(shù)值計(jì)算采用有限體積法，各方程離散均采用二階迎風(fēng)格式，壓力－速度耦合使用SIMPLE算法。采用FLUENT軟件默認(rèn)的收斂準(zhǔn)則，能量項(xiàng)計(jì)算殘差要求小于10e－6，其余各項(xiàng)的計(jì)算殘差要求小于10e－3，最終計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性和收斂性都要符合要求。

圖1 空冷單元結(jié)構(gòu)圖

圖2 計(jì)算區(qū)域示意圖

圖3 單元網(wǎng)格圖

3 計(jì)算結(jié)果及分析

建立A型直接空冷單元物理數(shù)學(xué)模型，考慮不同環(huán)境風(fēng)速、空冷平臺(tái)寬度、擋風(fēng)墻高度、形狀等影響因素對(duì)單元內(nèi)外空氣流場(chǎng)溫度場(chǎng)的影響。

3.1 不同環(huán)境風(fēng)速對(duì)單元流場(chǎng)的影響

建立擋風(fēng)墻高度為10 m、平臺(tái)寬度為12 m的空冷單元模型，對(duì)X來(lái)流方向的環(huán)境風(fēng)速，選取風(fēng)速分別為2、5、7、9、11 m/s，考察風(fēng)速對(duì)空冷單元空冷凝汽器流動(dòng)特性的影響。圖4所示為不同來(lái)流速度下Y=0 m截面的速度矢量圖。

圖4 Y=0 m截面速度矢量圖

由圖4可知，從迎風(fēng)側(cè)散熱器流出的空氣在上升過(guò)程中由于受到來(lái)流空氣的沖擊而被壓制，并受頂部蒸汽分配管擾流向前流動(dòng)。沿著來(lái)流方向，在蒸汽分配管的背風(fēng)側(cè)形成低壓區(qū)，有小型漩渦形成，而從背風(fēng)側(cè)散熱器流出的空氣則被來(lái)流空氣沖擊加速流動(dòng)。在擋風(fēng)墻的背風(fēng)側(cè)，形成低壓區(qū)，卷入了擋風(fēng)墻外周圍的空氣，致使空氣回流。由于橫風(fēng)的影響，速度分布在X方向上不具有對(duì)稱性，A型空間內(nèi)迎風(fēng)側(cè)的漩渦隨著環(huán)境風(fēng)速的增加而增大。由于此漩渦的影響，在風(fēng)機(jī)平面迎風(fēng)側(cè)出現(xiàn)逆向流動(dòng)。

圖5 單元通風(fēng)量與環(huán)境風(fēng)速的關(guān)系

由圖5可以看出，隨著環(huán)境風(fēng)速的增加，風(fēng)機(jī)通風(fēng)量逐漸減少，迎風(fēng)側(cè)散熱器通風(fēng)量在環(huán)境風(fēng)速小于6 m/s時(shí)上升較緩慢，之后隨著環(huán)境風(fēng)速的增加上升較快。背風(fēng)側(cè)散熱器通風(fēng)量隨著環(huán)境風(fēng)速的增大基本上呈線性上升趨勢(shì)。但背風(fēng)側(cè)散熱器通風(fēng)量總大于迎風(fēng)側(cè)散熱器通風(fēng)量。從軸流風(fēng)機(jī)吸風(fēng)量來(lái)看，隨著環(huán)境風(fēng)速的提高，軸流風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量逐漸減少。

3.2 平臺(tái)寬度對(duì)單元流場(chǎng)的影響

對(duì)橫向來(lái)風(fēng)，風(fēng)速分別為2、5、7、9、11 m/s，擋風(fēng)墻高度為10 m，對(duì)空冷平臺(tái)寬度 b分別為12、14、16 m時(shí)對(duì)空冷凝汽器流動(dòng)特性進(jìn)行模擬計(jì)算。計(jì)算得到風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量隨環(huán)境風(fēng)速的變化關(guān)系如圖6所示。

由圖6可以看出，隨著環(huán)境風(fēng)速的增加，風(fēng)機(jī)通風(fēng)量逐漸減少，隨著平臺(tái)寬度的增加，風(fēng)機(jī)通風(fēng)量逐漸減少，且平臺(tái)寬度越大，通風(fēng)量隨環(huán)境風(fēng)速的增大下降得越快，在風(fēng)速為11 m/s時(shí)，b=16 m的風(fēng)機(jī)通風(fēng)量比b=12 m時(shí)減少了30 kg/s。圖7為空冷平臺(tái)寬度b分別為12、14、16 m時(shí)散熱器出口溫度與環(huán)境風(fēng)速的變化關(guān)系。

圖6 不同平臺(tái)寬度下風(fēng)機(jī)通風(fēng)量隨環(huán)境風(fēng)速變化關(guān)系

圖7 不同平臺(tái)寬度下進(jìn)風(fēng)溫度隨環(huán)境風(fēng)速變化關(guān)系

由圖7可以看出，在環(huán)境溫度不變，風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口溫度隨著環(huán)境風(fēng)速的增加而增加，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速小于7 m/s時(shí)，風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口溫度變化比較緩慢，之后隨著環(huán)境風(fēng)速的增加迅速增加。擋風(fēng)墻與空冷單元距離對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度的影響不是很大，平臺(tái)寬度b=16 m時(shí)溫度上升最快，b=12 m時(shí)溫度上升得較緩慢，尤其是風(fēng)速較小時(shí)，溫度基本不受影響。

3.3 擋風(fēng)墻高度對(duì)單元流場(chǎng)的影響

對(duì)X向來(lái)風(fēng)，風(fēng)速分別為2、5、7、9、11 m/s，平臺(tái)寬度為14 m，擋風(fēng)墻高度分別為10、12、14、12 m(往下延伸2 m)時(shí)空冷凝汽器流動(dòng)傳熱特性進(jìn)行模擬計(jì)算。圖8為不同擋風(fēng)墻高度下風(fēng)機(jī)通風(fēng)量隨環(huán)境風(fēng)速的變化關(guān)系。

由圖8可以看出，擋風(fēng)墻往上延伸時(shí)，風(fēng)機(jī)通風(fēng)量隨風(fēng)速的增加下降得較快，不同高度的擋風(fēng)墻對(duì)風(fēng)機(jī)通風(fēng)量的影響不大。加裝擋風(fēng)墻下延后，風(fēng)速小于5 m/s時(shí)，擋風(fēng)墻對(duì)風(fēng)機(jī)通風(fēng)量影響也不大，當(dāng)風(fēng)速大于5 m/s時(shí)，風(fēng)機(jī)通風(fēng)量下降得較緩慢，在風(fēng)速為11 m/s時(shí)，風(fēng)機(jī)通風(fēng)量比擋風(fēng)墻為10 m的風(fēng)機(jī)通風(fēng)量增加了70 kg/s。

根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，空氣的流動(dòng)是一種不規(guī)則的紊流現(xiàn)象，其流量傳輸在宏觀上表現(xiàn)為擴(kuò)散現(xiàn)象。當(dāng)處于擴(kuò)散中的風(fēng)場(chǎng)遇到障礙時(shí)就會(huì)在障礙物周圍形成漩渦，在環(huán)境風(fēng)場(chǎng)的作用下，在擋風(fēng)墻附近上形成漩渦。同時(shí)，靠近擋風(fēng)墻的風(fēng)機(jī)出口附近有一定的負(fù)壓區(qū)，在空冷散熱器上部自風(fēng)場(chǎng)的作用下，部分熱空氣在擴(kuò)散過(guò)程中就會(huì)折向下，這樣空冷平臺(tái)上的熱空氣在這兩種負(fù)壓作用下被吸入靠近擋風(fēng)墻的空冷風(fēng)機(jī)，造成吸入空氣的溫度高于環(huán)境溫度，從而使空冷散熱器的換熱性能下降。

通過(guò)以上分析可知，擋風(fēng)墻對(duì)影響空冷凝汽器的換熱效率有較大影響。隨著擋風(fēng)墻高度的增加，回流熱風(fēng)的行程也得到延長(zhǎng)，從而降低了風(fēng)機(jī)入口冷卻介質(zhì)的溫度，同時(shí)也增加了外圍風(fēng)機(jī)入口處的壓力，使流過(guò)空冷單元的空氣流量增大，提高了空冷凝汽器的換熱效率。尤其是加裝擋風(fēng)墻下延后，空冷凝汽器的換熱效率明顯提高，在風(fēng)速為11 m/s時(shí)，加裝擋風(fēng)墻下延后的風(fēng)機(jī)通風(fēng)量比擋風(fēng)墻為10 m的風(fēng)機(jī)通風(fēng)量增加了70 kg/s。

圖8 不同擋風(fēng)墻高度下風(fēng)機(jī)通風(fēng)量隨環(huán)境風(fēng)速變化關(guān)系

3.4 擋風(fēng)墻形狀對(duì)單元流場(chǎng)的影響

對(duì)X向來(lái)風(fēng)，風(fēng)速分別為2、5、7、9、11 m/s時(shí)，空冷平臺(tái)寬度為14 m時(shí)，不同形狀擋風(fēng)墻對(duì)空冷凝汽器流動(dòng)傳熱特性進(jìn)行模擬計(jì)算。圖9為不同形狀的擋風(fēng)墻。為方便表示，圖9中的擋風(fēng)墻形狀風(fēng)別用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表示。

圖10為不同擋風(fēng)墻形狀下，風(fēng)機(jī)通風(fēng)量隨環(huán)境風(fēng)速的變化關(guān)系。由圖10可以看出，隨風(fēng)速的增加，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ形狀的擋風(fēng)墻風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量下降緩慢，而Ⅰ形狀的擋風(fēng)墻風(fēng)機(jī)通風(fēng)量則下降較快。當(dāng)風(fēng)速為7 m/s時(shí)，Ⅳ型擋風(fēng)墻的風(fēng)機(jī)通風(fēng)量比Ⅰ型擋風(fēng)墻增加了70 kg/s。通過(guò)以上分析可知，擋風(fēng)墻形狀對(duì)影響空冷凝汽器的換熱效率有較大影響。改變擋風(fēng)墻下延面的曲率，能延長(zhǎng)回流熱風(fēng)的行程，從而降低風(fēng)機(jī)入口冷卻介質(zhì)的溫度，同時(shí)也增加了外圍風(fēng)機(jī)入口處的壓力，使流過(guò)空冷單元的空氣流量增大，提高了空冷凝汽器的換熱效率。

圖9 四種擋風(fēng)墻形狀示意圖

圖10 不同擋風(fēng)墻形狀下風(fēng)機(jī)通風(fēng)量隨環(huán)境風(fēng)速變化關(guān)系

4 結(jié)論

通過(guò)數(shù)值模擬，對(duì)空冷單元模擬結(jié)果進(jìn)行分析，可得如下結(jié)論:

(1)環(huán)境側(cè)風(fēng)對(duì)空冷單元的流暢特性影響很大，隨著環(huán)境風(fēng)速的增大，通風(fēng)量變小，散熱器溫度升高，空冷機(jī)組經(jīng)濟(jì)性降低;當(dāng)X向風(fēng)速度11 m/s時(shí)，通風(fēng)量為305.5kg/s，為無(wú)風(fēng)時(shí)的63%。

(2)對(duì)于單個(gè)空冷單元，在所研究的空冷平臺(tái)寬度的范圍內(nèi)，平臺(tái)寬度越小對(duì)空冷平臺(tái)的換熱效率影響越小。環(huán)境風(fēng)速為11 m/s時(shí)，b=16 m的風(fēng)機(jī)通風(fēng)量比b=12 m的風(fēng)機(jī)通風(fēng)量減少了30 kg/s。

(3)隨著擋風(fēng)墻高度的增加，回流熱風(fēng)的行程也得到延長(zhǎng)，從而降低了風(fēng)機(jī)入口冷卻介質(zhì)的溫度，同時(shí)也增加了外圍風(fēng)機(jī)入口處的壓力，使流過(guò)空冷單元的空氣流量增大，提高了空冷凝汽器的換熱效率。尤其是加裝擋風(fēng)墻下延后，空冷凝汽器的換熱效率明顯提高。在風(fēng)速為11 m/s時(shí)，加裝擋風(fēng)墻下延后的風(fēng)機(jī)通風(fēng)量比擋風(fēng)墻為10 m的風(fēng)機(jī)通風(fēng)量增加了70 kg/s。

(4)擋風(fēng)墻形狀能影響空冷單元的換熱效果，下?lián)躏L(fēng)墻的曲面會(huì)影響風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量。當(dāng)風(fēng)速為7 m/s時(shí)，4型擋風(fēng)墻的風(fēng)機(jī)通風(fēng)量比1型擋風(fēng)墻增加了70 kg/s。

［1］ 嚴(yán)俊杰，張春雨，李秀云，等.直接空冷系統(tǒng)變工況特性的理論研究［J］.熱能動(dòng)力工程，2000(15):601～603.

［2］ 周蘭欣.600MW直接空冷機(jī)組變工況特性的研究［J］.動(dòng)力工程，2007，27(2):165～168.

［3］ Meyer CJ，Kroger DG.Numerical investigation of the effect of fan performance on forced draught air-cooled heat exchanger plenum chamber aerodynamic behaviour［J］. Applied Thermal Engineering，2004，24(2):359－371.

［4］ 張遐齡，楊旭，李向群，等.火電廠空冷平臺(tái)換熱的數(shù)值模擬［J］.水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展，2005(20):874－880.

［5］ 趙文升，王松齡，高月芬，等.直接空冷系統(tǒng)中熱風(fēng)回流現(xiàn)象的數(shù)值模擬和分析［J］.動(dòng)力工程，2007，27(5):487－491.

［6］ 溫高.發(fā)電廠空冷技術(shù)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2008.6－8.

［7］ 陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，2001.

Numerical Study of the Flow Characteristics of Direct Air－cooled Condenser Unit

ZHOU Jing-bo1，CHEN Mei-qian2
(1.Energy Saving and Environmental Protection and Occupational Safety and Health Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China;2.School of Mechanical，Electronical and Control Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China)

By way of CFD，the influence of wind velocity，distance by windbread，windbread height and windbread shape upon the flow and heat transfer of the cooling air was analyzed.It is concluded that crosswind influence the velocity and temperature distribution much.The mass flow rate decrease when the crosswind velocities increase.The mass flow is 63% of which when the wind speed is 11 m/s.The distance by windbread and air-cooled unit influence the velocity and temperature distribution slight.Adding lower windbreak increased the heat transfer efficiency of air-cooled unit significantly.

air-cooled condenser; flow characteristics; numerical simulation; windbread

TK01+8

A

2095－1671(2011)02－0067－05

2010-12-28;

2011-01-25

周敬博(1985—)，男，遼寧遼陽(yáng)人，研究實(shí)習(xí)員，碩士，主要從事節(jié)能科研、規(guī)劃工作。