主导风向对直接空冷凝汽器换热效率的影响

周兰欣, 崔皓程, 仲博学

(华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室,保定071003)

近年来,空冷机组在我国发展迅猛,在建厂初期都会涉及厂房总体布局及机组主导风向的问题.对于主导风向角度的选择各有差别,有的机组是根据当地的气象条件参考其他电厂来确定主导风向[1-3].运行经验表明:正确的主导风向对空冷凝汽器的换热效率影响很大.因此,本文将从主导风向的角度探讨其对空冷凝汽器换热效果的影响.

以2台600 MW空冷机组为例,利用Fluent软件对空冷岛外部流场进行了数值模拟,分析了在不同风速条件下主导风向对空冷凝汽器换热效率的影响规律及其原因,从而得到在换热效率最高时主导风向与空冷平台的位置关系,为空冷机组的设计及厂房总体布局提供了理论参考.

1 模型的建立及计算方法

1.1 模型的建立以及网格的划分

根据实际设计尺寸,设定空冷平台高度为45 m,上挡风墙高度为10 m,锅炉房高度为90 m,汽机房高度为40 m,每台机组有7×8=56个空冷单元.由于不考虑空冷单元内部的流动,因此不必在建立模型时体现出空冷凝汽器散热片的鳍状几何外形.在保证计算正确性的前提下,考虑计算的效率,对空冷单元进行简化,用小正方体代表空冷单元,其横截面积为10 m×10 m.模型示于图1.

图1 空冷岛几何模型Fig.1 Geometric model of the air-cooling island

利用Ganbit软件生成相应的几何模型以及计算网格.在划分网格时,考虑到模拟计算精度的要求、计算机硬件性能的限制以及空冷岛本身的结构特点,对整个计算区域采用分块划分网格的方法,对空冷岛和厂房采用六面体网格进行划分,余下计算区域采用非结构化网格.计算区域为600 m×800 m×600 m的长方体,图2为计算区域与主导风向的示意图.

1.2 计算方法

1.2.1 湍流模型的选择

标准k-ε湍流模型是从实验中总结出来的,其适用范围广、计算精度合理.最简单的完整湍流模型是2个方程的模型,需要求解速度和长度2个变量.在Fluent软件中,自从标准k-ε模型被 Launder和Spalding提出后,就成为工程流场计算中的主要工具,在工业流场和热交换模拟中获得了广泛的应用.

图2 计算区域与主导风向示意图Fig.2 Schematic diagram of the calculation region and the prevailing wind direction

1.2.2 主控方程

对于空冷平台,由于环境风速远小于当地声速的1/3,因此空冷平台周围的大气运动可认为是不可压缩定常流动.

流体区域的流动应满足三维流动控制方程,数值模拟则采用雷诺应力平均N-S方程[4-6].

连续性方程:

动量守恒方程:

本构方程:

标准k-ε湍流模型:

式中:k为紊动能项.

本文涉及热量交换问题,采用的能量方程如下:

式中:ρ为空气密度;u、v为流体速度;i,j,k=1,2,3;p为压力;μ为流体动力粘性系数;τij为应力张量为热流量.

空冷散热器内部的换热情况可利用Fluent软件内嵌的热交换模块进行计算.计算中控制微分方程的离散化采用了有限差分法中的控制容积公式法,针对对流项的离散,采用了上风差分格式,动量方程的离散化采用了交错网格的方法,流场的计算则采用典型的Simple算法.

1.2.3 边界条件

整个流动计算区域的进口采用大气边界层函数计算:

式中:z0为气流达到均匀流时的高度;u0为z0处来流平均风速;zi为任意高度;ui为zi处平均风速;α为地面粗糙系数,粗糙度越大,α越大.

根据电厂的地形地貌,取 α=0.2及 z0=10,该条件利用Fluent自带的udf(自定义函数)边界条件编程加载,每个空冷换热单元的下部布置轴流风机,此界面采用风扇边界条件,换热单元上部视为流体内点区域,每个换热单元的四周、挡风墙、柱子均采用墙壁边界,整个计算域的底面是大地,为壁面边界,主导风向的迎风面采用速度入口边界条件,其余面采用压力出口边界条件.

2 计算结果及分析

在风速分别为3 m/s、6 m/s和9 m/s,风向角β分别为 0°、30°、45°、60°、90°、120°、135°、150°、180°、225°、270°和 315°的条件下,模拟了风向及风速对空冷凝汽器整体换热效率的影响.为了方便说明问题,定义风向角β为主导风向与空冷平台(x轴正向)的夹角(图2).

引进一个无量纲参数——换热效率,定义为空冷单元的实际换热量与标准工况下空冷单元的标准换热量之比[7-8].另外,将每秒流过空冷单元的空气质量流量也作为比较的参数之一,并规定通过空冷平台的空气质量流量与风机吹风方向一致时为正,反之为负.

2.1 计算结果

由数值模拟,得到不同环境风速下空冷凝汽器的换热效率随主导风向的变化关系,结果示于图3.由图3可知,空冷凝汽器的换热效率受环境风速和风向的影响很大.风速越大,换热效率越低,在同一风向条件下,风速从3 m/s增大到9 m/s,换热效率降低了14.3%.在相同风速条件下,风向角β在30°～ 45°、135°～ 150°内 ,空冷凝汽器效率最高 ,在 270°附近时,换热效率最低,两者效率之差高达8.7%.

图3 平均换热效率随主导风向的变化关系Fig.3 Average heat transfer efficiency vs.the prevailing wind direction

2.2 结果分析

以风速=6 m/s为例,分别从不同角度对比分析不同主导风向对空冷凝汽器换热效率的影响.图4～图6为不同主导风向下换热单元的空气质量流量分布.其中,数字 16表示2台机组每排有16个换热单元,s1-s7代表每列有7个换热单元.

图4 风向角β=90°时空气质量流量的分布Fig.4 Air mass flow distribution in the case of β=90°

图5 风向角β=150°时空气质量流量的分布Fig.5 Air mass flow distribution in the case of β=150°

图6 风向角β=270°时空气质量流量的分布Fig.6 Air mass flow distribution in the case of β=270°

由模拟结果可知,当风向角β=150°时,参与换热的冷空气流量比β=90°时增加了9 704 kg/s,比β=270°时增加了31 534 kg/s,相应的换热量提高了15.80%和22.71%.

当风速达到6 m/s时,无论从哪个方向的来风,都会使空冷平台边缘的换热单元发生倒灌和热风回流,只是产生热风回流和倒灌的换热单元及程度不同.当风向角β≤180°时,凝汽器的迎风面换热单元会出现“倒灌”,并且在尾部形成热风回流,尤其是当风向角β=90°或者 180°时,由于在空冷平台和汽机房之间的狭长过道产生负压区,使得靠近汽机房的换热单元出现严重的热回流,此时热风回流率达到最高[9-11],凝汽器的换热效果明显恶化.而主导风向角在135°～150°时,由于此方向上热风回流率较低,挡风墙迎风面最大,发生热风回流和“倒灌”的现象明显减弱,使得通过空冷风机的空气流量增大,相应地,换热单元的换热量达到最大,换热效率最高.

当风向角β＞180°时,风从锅炉房的后方吹来,习惯上称为炉后来风或者炉侧来风.由于锅炉房的阻挡作用,空冷岛周围的环境风场发生了变化,风流经高大的锅炉房后得到加速,并在汽机房上方形成一个巨大的负压漩涡区,阻碍了空气的正常流通,空气在到达空冷平台时,一部分加速向下,削弱了风机向上的抽吸作用;另一部分则是加速向前,破坏了空冷平台上方热空气的扩散,使得从翅片上散发的热空气突然被压回到空冷平台下方,导致风机入口的空气温度升高[12-14],造成强烈的热风回流和“倒灌”现象.

图7和图8分别为β=270°时空冷岛外部流场的温度分布和速度矢量分布.从图中可以看出,从锅炉正后方吹来的夏季高温大风,使得靠近汽机房的前两排甚至前三排的空冷单元出现了强烈的热风回流和“倒灌”,相应空冷单元的空气流量和换热端差减小,与 β=150°时相比,风机流量减少了39.5%,平均换热效率降低了22.71%,严重影响机组的安全经济运行.

图7 β=270°时空冷岛外部流场的速度矢量分布Fig.7 Velocity vectors of the ex ternal flow field outside air cooling island in the case of β =270°

图8 β=270°时空冷岛外部流场的温度分布(单位: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,无论是从锅炉的斜后方还是正后方来风,都会因厂房的影响而不利于空冷凝汽器的换热,使得机组的整体换热效率下降.因此,空冷岛的设计要以炉后来风的风频风速最小为宜.

2.3 模拟结果与实际环境风向的对比分析

在以往的研究中,人们习惯上认为主导风向正对空冷平台,即风向角β=90°,但实际上大多数空冷机组的空冷岛并不是正对着主导方向,而是与其形成了一定的夹角,使得主导风向和夏季来风在全年范围内尽可能多的出现在有利于空冷平台换热的一侧,有效地降低了夏季炉后来风对机组的不利影响.

图9是北方某地的风向玫瑰图.图中用不同线表示了全年、夏季、冬季各个风向上出现风的频率和大小,出现频率最高的风向是N(按照本文风向角的定义,N 方向的风向角 β=150°),通常把N方向称为当地的主导风向,由模拟结果可知,在此主导风向上空冷凝汽器的换热效率最高.

图9 风向玫瑰图Fig.9 Rose diagram of wind direction

3 结 论

(1)不同的电厂主导风向与空冷岛朝向的位置关系有所不同,但总体上应该保证主导风向在换热最高时的风向角范围内,以减少夏季炉后风对空冷凝汽器换热的影响,使机组在全年范围内维持在最高的换热水平.

(2)空冷凝汽器的换热效率受环境风速的影响很大.在同一主导风向下,风速越大,换热效率越低,当风速从3 m/s增大到9 m/s时,换热效率降低了14.3%.

(3)空冷凝汽器的换热效率不仅受风速的影响,还受风向的影响.在相同风速条件下,当主导风向与空冷平台夹角成135°～ 150°或者30°～ 45°时,空冷凝汽器的换热效率最高;当风向角在270°附近时,效率最低,两者效率之差达8.7%.

(4)主导风向的确定对空冷岛的结构布局以及厂区的总体规划有着重要的影响,除了应考虑当地多年的气象条件外,还要综合考虑厂区地理位置以及周围建筑物对风向的影响,这有待于进一步深入研究.

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