黃 鶴，趙廷進(jìn)

(1.國(guó)家電投集團(tuán)貴州金元股份有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081：東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

環(huán)境風(fēng)影響下空冷風(fēng)機(jī)群的分區(qū)調(diào)節(jié)

黃 鶴1，趙廷進(jìn)2

(1.國(guó)家電投集團(tuán)貴州金元股份有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081：東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

外界環(huán)境風(fēng)對(duì)直接空冷機(jī)組風(fēng)機(jī)運(yùn)行有較大影響。基于環(huán)境風(fēng)對(duì)不同位置空冷凝汽器的影響規(guī)律，提出了空冷風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速分區(qū)調(diào)節(jié)的運(yùn)行方案。以某330MW直接空冷機(jī)組為例，采用數(shù)值模擬，獲得了各空冷單元的空氣流量和出口平均溫度；將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)由整個(gè)風(fēng)機(jī)群具體到風(fēng)機(jī)排，開(kāi)展分區(qū)調(diào)節(jié)優(yōu)化運(yùn)行的研究。結(jié)果表明：位于環(huán)境風(fēng)上游的空冷單元，其空氣流量受環(huán)境風(fēng)影響較大，平臺(tái)上流場(chǎng)與溫度場(chǎng)存在一致性；隨著環(huán)境溫度或風(fēng)速的升高，各排風(fēng)機(jī)最佳轉(zhuǎn)速也隨之增大。利用機(jī)組凈收益的計(jì)算模型，能夠確定5個(gè)不同分區(qū)軸流風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使機(jī)組凈收益最大化。軸流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速分區(qū)調(diào)節(jié)方案，可為空冷機(jī)組節(jié)能運(yùn)行提供參考。

直接空冷機(jī)組；環(huán)境風(fēng)；分區(qū)調(diào)節(jié)；優(yōu)化運(yùn)行

直接空冷技術(shù)作為一種有效的節(jié)水方式，在我國(guó)富煤缺水地區(qū)獲得了較快的發(fā)展。但其運(yùn)行中存在著背壓高，環(huán)境風(fēng)影響大，風(fēng)機(jī)群耗電量大等諸多問(wèn)題。實(shí)際運(yùn)行中，環(huán)境空氣溫度、風(fēng)向和風(fēng)速等參數(shù)[1]會(huì)不斷變化，導(dǎo)致各空冷單元的入口平均溫度、空氣流量發(fā)生變化，使傳熱效果下降。此外空冷機(jī)組運(yùn)行調(diào)節(jié)手段單一[2]，研究風(fēng)機(jī)群的運(yùn)行特性[3，4]，合理地調(diào)配不同位置軸流風(fēng)機(jī)在不同環(huán)境參數(shù)下的轉(zhuǎn)速是提高經(jīng)濟(jì)性的有效途徑之一。周蘭欣[5]采用傳熱單元數(shù)法，建立了某300 MW直接空冷機(jī)組冷端系統(tǒng)變工況特性的數(shù)學(xué)模型，分析了凝汽器壓力及管道壓損的變工況特性，得到了冷端系統(tǒng)的特性曲線。李慧君[6]通過(guò)研究直接空冷機(jī)組的運(yùn)行優(yōu)化，確定了風(fēng)機(jī)最佳轉(zhuǎn)速。劉麗華[7]對(duì)某2×330 MW直接空冷機(jī)組，將所有風(fēng)機(jī)分成9個(gè)區(qū)，開(kāi)展熱力性能實(shí)驗(yàn)。通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到了風(fēng)機(jī)群分區(qū)調(diào)節(jié)對(duì)機(jī)組背壓的影響規(guī)律。本文以330 MW直接空冷機(jī)組為例，通過(guò)數(shù)值方法，得到各空冷單元空氣流量和出口溫度分布。將30個(gè)空冷風(fēng)機(jī)按排分成5排，對(duì)每排風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行區(qū)別調(diào)節(jié)，并與CFD方法相結(jié)合，計(jì)算不同環(huán)境風(fēng)條件下機(jī)組功率和風(fēng)機(jī)耗功的差值即機(jī)組凈收益，建立風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速分區(qū)調(diào)節(jié)機(jī)組凈收益計(jì)算模型，以?xún)羰找孀畲蠡癁槟繕?biāo)，得到各排風(fēng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速的最佳值。

1 空冷平臺(tái)數(shù)值分析模型

1.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

以國(guó)內(nèi)某330 MW直接空冷電站為例，采用CFD前處理軟件Gambit進(jìn)行物理建模，運(yùn)用Fluent軟件對(duì)處于環(huán)境風(fēng)條件下的空冷平臺(tái)進(jìn)行了數(shù)值模擬?？绽淦脚_(tái)由空冷凝汽器組合安裝構(gòu)成，與汽機(jī)房毗鄰布置，如圖1所示。

圖1 空冷單元分布圖圖2 空冷機(jī)組模型網(wǎng)格劃分

圖3 環(huán)境風(fēng)影響下總空氣流量隨網(wǎng)格數(shù)量的變化

圖1給出了該機(jī)組鍋爐房、汽機(jī)室、空冷平臺(tái)的平面布置圖。鍋爐房長(zhǎng)、寬、高分別為56 m，38 m，72 m。汽機(jī)室長(zhǎng)，寬，高分別為76 m，51 m，40 m。鍋爐房與汽機(jī)室之間的距離為20 m?？绽淦脚_(tái)高度35 m，距離汽機(jī)室為15 m，由30個(gè)空冷凝汽器單元，6×5陣列布置組成。本模型采用Gambit進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分。鑒于模型計(jì)算區(qū)域很大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以采用分塊劃分網(wǎng)格的方法，在保證計(jì)算精度的同時(shí)也減少了計(jì)算量，網(wǎng)格模型如圖2所示。本文對(duì)網(wǎng)格總數(shù)分別為109萬(wàn)、125萬(wàn)和153萬(wàn)的空冷平臺(tái)運(yùn)行性能進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證如圖3所示。從圖3中可以看出，隨著網(wǎng)格數(shù)增加，空冷單元總空氣流量在三種網(wǎng)格下計(jì)算結(jié)果變化很小，可認(rèn)為109萬(wàn)的網(wǎng)格數(shù)已達(dá)到網(wǎng)格無(wú)關(guān)，最終確定網(wǎng)格數(shù)為109萬(wàn)。

1.2 數(shù)值計(jì)算方法及邊界條件

環(huán)境風(fēng)影響下的空冷系統(tǒng)換熱特性是復(fù)雜流動(dòng)換熱過(guò)程，本例采用SIMPLE算法，選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型對(duì)空冷單元外流場(chǎng)進(jìn)行模擬。對(duì)翅片散熱管束進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，設(shè)為無(wú)限薄的平面，換熱流動(dòng)特性利用多孔介質(zhì)模型進(jìn)行建模?？绽鋯卧娘L(fēng)機(jī)直徑設(shè)為9.7 m，設(shè)計(jì)靜壓為76 Pa?？绽鋯卧S流風(fēng)機(jī)底面設(shè)置為風(fēng)機(jī)模型，靜壓根據(jù)風(fēng)機(jī)性能曲線設(shè)定。靜壓變化Δp表示為風(fēng)機(jī)軸向流速的多項(xiàng)式函數(shù)為

(1)

式中：fn為多項(xiàng)式的系數(shù)；v為風(fēng)機(jī)平面法向流體速度。根據(jù)風(fēng)機(jī)性能曲線擬合獲得的靜壓變化Δp與風(fēng)機(jī)軸向流體速度的v關(guān)系式：

Δp=-0.004v4+0.093v3-1.097v2-3.831v+147.6，

(2)

計(jì)算域迎風(fēng)面設(shè)置為速度入口邊界，運(yùn)用迪肯的冪定律描述風(fēng)速沿高度的變化規(guī)律為

(3)

式中：z為任意高度；u10為距地面10 m高處的風(fēng)速；m為地面粗糙度系數(shù)，結(jié)合電廠周?chē)乇硇蚊玻琺取值為0.2。壁面和擋風(fēng)墻設(shè)置為wall邊界，支撐柱、汽機(jī)房和鍋爐房都設(shè)置為固體邊界，且不考慮鍋爐和汽機(jī)的散熱。

1.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

以環(huán)境風(fēng)正Y方向?yàn)橛?jì)算工況，對(duì)空冷平臺(tái)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，環(huán)境空氣溫度為15.8 ℃，相對(duì)濕度為46%，風(fēng)速設(shè)置為6 m/s，大氣壓力為92.4 kPa，排汽量為300 t/h，排汽比焓設(shè)為2 518 kJ/kg，風(fēng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速均為60 r/min。假定計(jì)算區(qū)域內(nèi)空氣流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)，不可壓縮。依據(jù)穿過(guò)每個(gè)空冷單元的冷卻空氣流量和凝汽器單元出口平均溫度來(lái)分析環(huán)境風(fēng)對(duì)空冷平臺(tái)換熱性能的影響。

空冷單元空氣流量分布，如圖4所示。環(huán)境風(fēng)會(huì)使穿過(guò)空冷單元的空氣流量減少，第1排和第2排受環(huán)境風(fēng)的影響較嚴(yán)重。處于中間區(qū)域的空冷單元較迎風(fēng)面空冷單元受到的影響要小，最后排空冷單元的空氣流量受環(huán)境風(fēng)影響最小，基本上能達(dá)到設(shè)計(jì)值。造成這種現(xiàn)象的主要原因?yàn)檩S流風(fēng)機(jī)的抽吸作用使平臺(tái)下方形成負(fù)壓區(qū)，從而使正壓區(qū)的空氣向負(fù)壓區(qū)流動(dòng)。空氣進(jìn)入空冷凝汽器的路徑為由下往上垂直于風(fēng)機(jī)平面，但橫向風(fēng)的擾動(dòng)，使空氣不再以垂直速度流入空冷單元內(nèi)部。同時(shí)環(huán)境風(fēng)遇到外圍的擋風(fēng)墻時(shí)會(huì)產(chǎn)生漩渦，漩渦對(duì)外圍空冷單元的流場(chǎng)有較大影響，越靠近迎風(fēng)面影響越大。由此可知，空氣流場(chǎng)的紊亂造成風(fēng)機(jī)吸入的空氣流量減少，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)出力不足。圖5為空冷單元出口溫度場(chǎng)分布，顏色的深淺表示出口溫度的高低差異。由圖5可知，所有風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率相同時(shí)，空冷單元出口溫度分布并不均勻，迎風(fēng)面第一排風(fēng)機(jī)溫度明顯高于其它部分，同時(shí)迎風(fēng)面第二排部分溫度也較高。冷卻空氣流量小，造成溫升大。由空氣流量分布圖和凝汽器出口空氣溫度分布圖可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)所有風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率相同時(shí)，各位置空冷單元流場(chǎng)分布并不均勻。越靠近迎風(fēng)面影響越嚴(yán)重，空冷島溫度偏高區(qū)域同時(shí)也是冷卻空氣流量明顯偏低的位置，即空冷平臺(tái)上流場(chǎng)與溫度場(chǎng)存在一致性。

圖4 空冷單元空氣流量分布圖圖5 空冷單元出口空氣溫度分布

2 機(jī)組凈收益的計(jì)算模型

2.1 確定汽輪機(jī)排汽壓力

在穩(wěn)定工況下，汽輪機(jī)排汽的凝結(jié)放熱量QV應(yīng)等于冷卻空氣的吸熱量[8]，有

(4)

(5)

式中：Qc為排汽熱負(fù)荷，W；Cp為空氣的定壓比熱容，J/(kg·K)；Fi為散熱單元的傳熱面積，m2。凝汽器的飽和溫度和飽和壓力相互對(duì)應(yīng)，經(jīng)過(guò)擬合，飽和壓力按下式進(jìn)行計(jì)算：

(6)

計(jì)算排汽壓力[9]時(shí)還應(yīng)考慮排汽壓損的存在對(duì)結(jié)果的影響，有

pc=f(ts)+Δp1+Δp2，

(7)

式中：Δp1為由管道、彎頭和閥門(mén)等構(gòu)件引起的壓力損失；Δp2為從排汽口到凝汽器之間，由水蒸汽柱產(chǎn)生的壓差，Pa。

2.2 確定風(fēng)機(jī)耗功

風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為63 r/min，超速運(yùn)行的最大值為110%的額定轉(zhuǎn)速。依據(jù)某直接空冷機(jī)組的風(fēng)機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，將風(fēng)機(jī)耗功率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1 所示。由風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和耗功率之間的關(guān)系，擬合得：

Nf=2 136.3×n-5 181×n2+6 536.7×n3，

(8)

式中：Nf風(fēng)機(jī)耗功率，kW。

表1 風(fēng)機(jī)功率和轉(zhuǎn)速的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

圖6 計(jì)算流程圖

2.3 計(jì)算機(jī)組出力

依據(jù)汽機(jī)背壓功率曲線[10]，可以確定機(jī)組在不同負(fù)荷下，機(jī)組出力與排汽壓力的關(guān)系：

Nt=f(N,pc)，

(9)

式中：N為機(jī)組負(fù)荷，kW。

2.4 確定機(jī)組凈收益

由公式(7)可得到風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化后對(duì)應(yīng)的機(jī)組排汽壓力，由排汽壓力可計(jì)算得機(jī)組功率Nt，由公式(8)可確定風(fēng)機(jī)耗功率Nf，機(jī)組出力與風(fēng)機(jī)耗功量之差為機(jī)組凈收益，以?xún)羰找鏋槟繕?biāo)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，即當(dāng)Δ(Nt-Nf)達(dá)到最大值時(shí)，所對(duì)應(yīng)的各排風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速即為最優(yōu)運(yùn)行方案。

3 分區(qū)調(diào)節(jié)的計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 計(jì)算程序

計(jì)算程序的流程圖，如圖6所示?；诃h(huán)境風(fēng)對(duì)空冷平臺(tái)的影響，使局部風(fēng)量減小風(fēng)機(jī)出力不足，進(jìn)而引起空冷凝汽器換熱的不均勻性。將30個(gè)空冷風(fēng)機(jī)以排為單位分成5個(gè)分區(qū)，分別進(jìn)行風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，在環(huán)境風(fēng)向不變的情況下，考慮風(fēng)速、風(fēng)溫的變化，建立機(jī)組凈收益的目標(biāo)函數(shù)，利用粒子群優(yōu)化算法對(duì)模型中的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，由排汽壓力得到機(jī)組功率，分別得到機(jī)組功率和風(fēng)機(jī)耗功功率隨排汽壓力變化的曲線。對(duì)兩者求差值，當(dāng)差值最大時(shí)，對(duì)應(yīng)的5排風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為各自運(yùn)行的最佳轉(zhuǎn)速。

3.2 計(jì)算結(jié)果與分析

確定Y方向?yàn)榄h(huán)境風(fēng)方向，在不同環(huán)境溫度、風(fēng)速條件下，對(duì)75%負(fù)荷工況進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)數(shù)值計(jì)算，獲得了不同運(yùn)行條件下5排風(fēng)機(jī)的最佳風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速?？绽錂C(jī)組在75%負(fù)荷，如圖7所示，環(huán)境溫度為10 ℃條件下運(yùn)行，5排風(fēng)機(jī)最佳轉(zhuǎn)速與環(huán)境風(fēng)速的關(guān)系。由圖7可知，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷和環(huán)境溫度不變時(shí)，隨著風(fēng)速的提高，空冷單元進(jìn)風(fēng)量減少，空冷凝汽器換熱能力減弱，各排空冷單元最佳風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速也隨之提高。第1排風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速相比其他部分風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速有所提高，主要是因?yàn)轱L(fēng)速越高對(duì)迎風(fēng)面第1排空冷單元的換熱影響越嚴(yán)重。其余四排風(fēng)機(jī)受環(huán)境風(fēng)影響差異不大，所以從第2排到第5排風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)量大致相同。

圖7 不同風(fēng)速下各排風(fēng)機(jī)最佳轉(zhuǎn)速圖8 不同溫度下各排風(fēng)機(jī)最佳轉(zhuǎn)速

空冷機(jī)組在75%負(fù)荷，如圖8所示，環(huán)境風(fēng)速6 m/s條件下運(yùn)行，5排風(fēng)機(jī)最佳轉(zhuǎn)速與環(huán)境溫度的關(guān)系。由圖8可知，溫度為0 ℃時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速明顯低于其它溫度條件，且各排風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速差異更小，主要是隨著外界空氣溫度的降低換熱溫差變大，空氣流量對(duì)換熱性能影響的權(quán)重降低。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷和環(huán)境風(fēng)速一定的工況下，環(huán)境溫度升高時(shí)，空冷凝汽器與冷卻空氣之間的換熱溫差變??；在換熱量不變的情況下，則需要提高風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，增大空氣流量，使空冷凝汽器達(dá)到所需的冷卻效果。同時(shí)也對(duì)空氣裕量大的風(fēng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，降低了風(fēng)機(jī)耗功，減少了不必要的浪費(fèi)。

4 結(jié) 論

(1)環(huán)境風(fēng)的存在會(huì)使空冷單元各位置出現(xiàn)空氣流量不均、凝汽器的出口溫度不均的現(xiàn)象，尤其對(duì)迎風(fēng)面第1排影響最嚴(yán)重，造成空冷系統(tǒng)換熱性能下降。

(2)空冷凝汽器出口溫度偏高區(qū)域?qū)?yīng)著空氣流量明顯偏低區(qū)域，可知空冷平臺(tái)上流場(chǎng)和溫度場(chǎng)存在一致性，流場(chǎng)的變化引起了溫度場(chǎng)的變化。

(3)隨著環(huán)境風(fēng)溫度或風(fēng)速的升高，各排風(fēng)機(jī)最佳轉(zhuǎn)速也隨之增大，通過(guò)應(yīng)用風(fēng)機(jī)群分群調(diào)節(jié)機(jī)組凈收益的計(jì)算模型，能夠更準(zhǔn)確調(diào)節(jié)各排風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，為空冷電站風(fēng)機(jī)群優(yōu)化運(yùn)行提供了參考。

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DivisionalRegulationofFanClusterforDirectAir-CooledUnitsinWindEnvironment

HuangHe1，ZhaoTingjin2

(1.SPIC Guzhou Jinyuan Co.,ltd.,Guiyang Guizhou 550081；2.Energy Resource and Power Engineering College，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012)

The ambient wind has a great impact on the operation of the direct air-cooling unit fan.The operation scheme of air-cooling fan speed divisional regulation is put forward，considering the influence of wind on the air-cooled condenser in different positions.Taking a 330MW direct air-cooling unit as example，The air flow rate and the outlet average temperature of each air-cooling unit are obtained by numerical simulation，The speed adjustment from the entire fan group to the fan row to carry out the optimization of divisional regulation study.The results show that：the air flow in the upstream of the ambient air is seriously affected by ambient wind，The flow field on the platform is consistent with the temperature field；With the ambient temperature or wind speed increases，the best speed of each exhaust fan also increases.Using the calculation model of the net income of the unit，it is possible to determine the rotational speed of the five different partition of the axial fan and maximize the net income of the unit.Axial fan speed partition regulation scheme can provide reference for energy saving operation of air-cooling unit.

Direct air-cooling unit；Environmental wind；Divisional regulation；Optimal operation

2016-11-23

黃 鶴(1969-)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向：燃煤電廠節(jié)能減排、潔凈燃燒、新能源、綜合智慧能源供應(yīng)等.

電子郵箱：huanhe@jyep.cn(黃鶴);1556738280@qq.com(趙廷進(jìn))

1005-2992(2017)06-0050-06

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