鄭 偉，陳海平，張 才

(1.華北電力大學(xué)，北京 102206;2.河北國華滄東發(fā)電有限公司，河北 滄州 061113)

直接空冷凝汽器系統(tǒng)的機(jī)組比濕冷凝汽器機(jī)組節(jié)水70%以上[1]，在我國富煤缺水地區(qū)建設(shè)空冷機(jī)組是今后發(fā)展的主要方向之一。直接空冷機(jī)組的汽輪機(jī)排汽經(jīng)營管道送到空冷凝汽器中，軸流冷卻風(fēng)機(jī)使空氣流過散熱器外表面，將排汽凝結(jié)成水，得到的凝結(jié)水由凝結(jié)水泵送至回?zé)嵯到y(tǒng)，經(jīng)抽汽加熱后作為鍋爐給水循環(huán)使用[2]。直接空冷機(jī)組的冷端尤其是空氣冷凝器的換熱效率是影響空冷機(jī)組運(yùn)行熱效率的關(guān)鍵因素之一?？绽淠鞑贾迷诃h(huán)境風(fēng)場中，通過軸流風(fēng)機(jī)強(qiáng)制通風(fēng)，利用周圍的空氣作為冷卻介質(zhì)對汽輪機(jī)排汽進(jìn)行冷卻，所以環(huán)境風(fēng)場必然會對空冷凝汽器的正常運(yùn)行產(chǎn)生很大影響。為此，研究防風(fēng)網(wǎng)對直接空冷機(jī)組空冷島換熱性能的影響，以確?？绽錂C(jī)組端系統(tǒng)處于最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)具有重要意義。

目前，研究環(huán)境風(fēng)對空冷機(jī)組運(yùn)行性能的影響主要是根據(jù)當(dāng)?shù)仫L(fēng)況和空冷機(jī)組結(jié)構(gòu)及運(yùn)行特點(diǎn)，對空冷島進(jìn)行數(shù)值建模，運(yùn)用數(shù)值模擬方法，研究環(huán)境風(fēng)的風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)溫及流場分布對空冷機(jī)組的換熱規(guī)律。何緯峰等指出，隨著環(huán)境風(fēng)風(fēng)速的增大，空冷風(fēng)機(jī)吸入風(fēng)量減少，導(dǎo)致空冷單元換熱量下降[3];隨著環(huán)境溫度升高，環(huán)境風(fēng)速增大，空冷散熱器進(jìn)口空氣溫度升高，進(jìn)口空氣流量減小，導(dǎo)致凝汽器壓力升高，機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性變差[4－5];周蘭欣等對2臺600 MW直接空冷機(jī)組的空冷島外部流場進(jìn)行數(shù)值模擬，在相同風(fēng)速條件下，模擬不同風(fēng)向?qū)绽淠鲹Q熱情況的影響[6]。

環(huán)境風(fēng)對空冷島換熱性能的不利影響主要有以下 3 個方面[7－8]。

a. 環(huán)境風(fēng)快速吹過空冷風(fēng)機(jī)入口，風(fēng)機(jī)吸入的冷空氣流量會大幅減小，導(dǎo)致凝汽器換熱效率降低，機(jī)組運(yùn)行熱經(jīng)濟(jì)性變差。

b. 從空冷散熱器出來的熱空氣由于環(huán)境風(fēng)或空冷系統(tǒng)的布置等因素可能會發(fā)生熱風(fēng)回流，即被空冷風(fēng)機(jī)重新吸入。

c. 散熱器出口的熱空氣由于受到自然風(fēng)的影響而不能順利散出，造成換熱器一直處于高溫狀態(tài)，使換熱溫差減小。隨著環(huán)境溫度的升高，空冷散熱器的入口空氣溫度相應(yīng)升高，換熱溫差減小，在排汽熱負(fù)荷保持不變的條件下，導(dǎo)致空冷凝汽器冷凝效果變差。環(huán)境風(fēng)速越大，風(fēng)溫越高，凝汽器換熱效果越差，背壓越高，從而機(jī)組運(yùn)行熱經(jīng)濟(jì)性越差。針對上述情況，在空冷島擋風(fēng)墻下部設(shè)置防風(fēng)網(wǎng)，可在一定程度上減輕環(huán)境風(fēng)對空冷散熱器換熱效果的影響。

1 防風(fēng)網(wǎng)的防風(fēng)原理

防風(fēng)網(wǎng)通過具有一定開孔率的網(wǎng)材或板材，能有效降低風(fēng)速，控制場內(nèi)紊流度。當(dāng)流通的空氣通過防風(fēng)網(wǎng)時，氣流從防風(fēng)網(wǎng)的開孔通過，在防風(fēng)網(wǎng)內(nèi)側(cè)出現(xiàn)分離和附著2種現(xiàn)象，同時形成上下干擾的氣流，降低來流風(fēng)的風(fēng)速，使其動能減小。同時避免來流風(fēng)渦流現(xiàn)象，減小來流風(fēng)湍流度，以達(dá)到防風(fēng)網(wǎng)外側(cè)強(qiáng)風(fēng)、內(nèi)側(cè)弱風(fēng)或外側(cè)小風(fēng)、內(nèi)側(cè)無風(fēng)的效果。研究表明，來流風(fēng)通過防風(fēng)網(wǎng)形成湍流旋渦氣流后，風(fēng)速、風(fēng)壓衰減幅度與風(fēng)速平方成正比，風(fēng)速越大，防風(fēng)網(wǎng)防風(fēng)效果就越明顯[9－10]。

2 防風(fēng)網(wǎng)在空冷單元的防風(fēng)效果分析

2.1 無環(huán)境風(fēng)條件下空冷單元附近流場情況

無環(huán)境風(fēng)或環(huán)境風(fēng)較小時，空冷風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動使冷空氣被吸入空冷單元內(nèi)，與管束進(jìn)行換熱，但由于空冷凝汽器的各風(fēng)機(jī)吸入口距離較近，當(dāng)各風(fēng)機(jī)同時以恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時，受交叉氣流的沖擊，導(dǎo)致吸入口的負(fù)壓值不同，吸入空氣量也不同，直觀表現(xiàn)就是各臺風(fēng)機(jī)的輸入電流和功率不同。無外界風(fēng)場時，一般情況下中間的風(fēng)機(jī)電流偏大，兩邊的風(fēng)機(jī)電流偏小[11]。無環(huán)境風(fēng)條件下空冷單元附近流場情況如圖1所示。

圖1 無環(huán)境風(fēng)時空冷單元附近流場情況

2.2 有環(huán)境風(fēng)條件下空冷單元附近流場情況

當(dāng)環(huán)境風(fēng) (風(fēng)速＞3 m/s)快速吹過空冷凝汽器時，迎風(fēng)面和背風(fēng)面的風(fēng)機(jī)受到的影響是不同的。迎風(fēng)面的前幾列風(fēng)機(jī)由于受到環(huán)境風(fēng)的影響，入口區(qū)域周圍出現(xiàn)2個方向的負(fù)壓區(qū)，一個是垂直于地面的，一個是平行于地面的，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)消耗相同的功率下吸入的空氣量大幅度減少。但在后邊的風(fēng)機(jī)入口處，產(chǎn)生高密度的空氣團(tuán)，被吸入到風(fēng)機(jī)入口，加大了風(fēng)機(jī)的出口風(fēng)量，相應(yīng)使功率和電流增大。對應(yīng)的空冷散熱器的換熱性能也較強(qiáng)[12]，但總體上看，整個冷凝器的換熱能力下降。有環(huán)境風(fēng)條件下空冷單元附近流場情況如圖2所示。

圖2 有環(huán)境風(fēng)時空冷單元附近流場情況

2.3 有環(huán)境風(fēng)、有防風(fēng)網(wǎng)條件下空冷單元附近流場情況

當(dāng)在空冷島擋風(fēng)墻的下部設(shè)置部分防風(fēng)網(wǎng)時，一部分環(huán)境風(fēng)氣流穿過防風(fēng)網(wǎng)，風(fēng)速比網(wǎng)前大幅下降，這就使得最外排空冷凝汽器入口的靜壓力比不加防風(fēng)網(wǎng)時要高，使得風(fēng)機(jī)抽力增大;另一部分環(huán)境風(fēng)氣流向下繞過防風(fēng)網(wǎng)后由于其速度比穿過網(wǎng)的氣流速度大，形成較大的速度差，會產(chǎn)生向上的速度，這樣使原本快速吹過風(fēng)機(jī)入口的氣流速度降低，從而對進(jìn)入空冷風(fēng)機(jī)入口的環(huán)境風(fēng)減速增壓。加裝防風(fēng)網(wǎng)后，增大了風(fēng)機(jī)吸入的空氣量，保證了風(fēng)機(jī)的正常出力，使空冷凝汽器的整體換熱效率提高。有環(huán)境風(fēng)、有防風(fēng)網(wǎng)條件下空冷單元附近流場情況如圖3所示。

圖3 有環(huán)境風(fēng)、有防風(fēng)網(wǎng)時空冷單元附近流場情況

3 防風(fēng)網(wǎng)布置和結(jié)構(gòu)形式對空冷島防風(fēng)效果的影響分析

防風(fēng)網(wǎng)的開孔率、布置位置、高度等均對空冷平臺換熱有一定影響。由于爐后來風(fēng)對凝汽器的影響在于熱風(fēng)回流而不是降低空冷風(fēng)機(jī)的冷空氣吸入量，同時鍋爐側(cè)對風(fēng)有阻礙作用，因此在布置防風(fēng)網(wǎng)時一般會采用U型結(jié)構(gòu)，鍋爐房一側(cè)不布置，其它三側(cè)進(jìn)行布置。丁常富以蒙達(dá)600 MW直接空冷機(jī)組為例，模擬了橫向風(fēng)速為5 m/s，開口率為45%、25%、13%、6%的防風(fēng)網(wǎng)換熱效率[13]。不同開孔率下防風(fēng)網(wǎng)高度與空冷凝汽器換熱效率的關(guān)系如圖4所示。由圖4可見，換熱效率并不是隨著防風(fēng)網(wǎng)的高度增加而增大，開孔率為6%的防風(fēng)網(wǎng)的凝汽器換熱效率在7 m時達(dá)到最大，之后呈下降趨勢，安裝其它開孔率防風(fēng)網(wǎng)的凝汽器換熱效率開始均隨著高度增加而增大，但達(dá)到11 m后，防風(fēng)網(wǎng)對凝汽器換熱效率的提高效果不明顯。

圖4 不同開孔率下防風(fēng)網(wǎng)高度與空冷凝汽器換熱效率的關(guān)系

4 結(jié)論

a. 環(huán)境風(fēng)的風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)溫及流場分布均對空冷凝汽器的換熱產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響空冷機(jī)組的背壓和熱經(jīng)濟(jì)性。針對由環(huán)境風(fēng)引起的空冷風(fēng)機(jī)吸入的冷空氣量減小，可在空冷島擋風(fēng)墻下部設(shè)置防風(fēng)網(wǎng)，以提高空冷凝汽器換熱效率。

b. 環(huán)境風(fēng)的速度不同，對應(yīng)防風(fēng)網(wǎng)的最佳開孔率和高度也不相同，要根據(jù)當(dāng)?shù)仫L(fēng)況和空冷機(jī)組運(yùn)行情況，找到最合適的結(jié)構(gòu)形式，以提高風(fēng)機(jī)和空冷凝汽器的換熱效率。

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