防风网改善环境风影响直接空冷凝汽器换热的数值研究

高 沛，张学镭

(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，河北 保定071003)

0 引 言

环境风对直接空冷机组的安全和经济运行有很大的影响。在环境风工况下，空冷单元的进气量会减少，并伴随着热风回流、倒灌等现象的发生，上述影响综合作用会使得机组背压升高［1］。如果环境风的影响与高环境温度等不利因素相叠加，则极易造成机组降负荷运行甚至跳机。

近年来，针对改善环境风对空冷凝汽器换热影响的措施，国内外学者开展了一些研究工作。文献［2］提出并模拟了在空冷岛上加装下挡风墙来提高空冷凝汽器换热效率的方法。文献［3］分析得出热风回流会造成边缘风机的效率降低，并提出在大风条件下，通过在边缘增加围带可以提高空冷凝汽器的整体换热效率。文献［4］等研究了防风网对环境风影响的改善作用，并分析了防风网的开孔率和高度对其防风效果的影响。

到目前为止，还没有相关文献对防风网的安装位置进行研究。为此，本文以国内某2 ×300 MW 直接空冷凝汽式发电机组为例，针对其运行背压受环境风影响较大的问题，提出3 种防风网的布置方式，并对其进行数值模拟分析。为今后电厂防风网的布置位置提供参考。

1 防风网的选择和布置方式

防风网作为一种特殊的多孔屏障，能够改变流场的速度、温度分布、透气率等多方面的环境参数，其影响主要体现以下两个方面。

(1)防风网通过对来流的阻碍，以及网状结构本身的摩擦作用，造成了来流的能量损失，使得网后的平均风速明显降低。

(2)防风网的多孔结构对来流中的大尺度涡旋有过滤的作用，可以降低网后的湍流度，从而降低脉动风速。

本文选取了3 种防风网的布置方式进行数值研究。

防风网布置方式如下。

方案1:将防风网加装在空冷岛挡风墙的下沿位置，形成一个方块区域，风机的入口区域包括在其中。如图1。

图1 方案1 布置方式Fig.1 Plan 1 arrangement

方案2:在方案一的基础上，在方块区域的内部，再加装十字形的防风网，十字形的两条交线均平分空冷岛区域。如图2。

图2 方案2 布置方式Fig.2 Plan 2 arrangement

方案3:在方案一的基础上，在边缘空冷单元的内侧下沿位置，再加装一个方块形的防风网，形成一个回字形。如图3。

本文选择的防风网的开孔率为40 %，布置高度为7 m。

图3 方案3 布置方式Fig.3 Plan 3arrangement

2 模型及计算方法

2.1 几何模型

以电厂空冷岛为研究对象，对其进行数值模拟分析。空冷凝汽器每台机组的散热面积为898 404 m2，每台机组7 列，每列5 个空冷单元，每台机组共计设置35 个空冷单元。两台机组空冷岛相邻布置，空冷平台高度为30 m。主厂房0 m地坪标高1 207.50 m。直接空冷凝汽器布置于汽机房A 列外，安装在空冷平台上，空冷平台与汽机房毗邻布置。

计算模型区域为800 m×800 m ×600 m 如图4 所示，使用Gambit 构建几何模型并划分计算网格。空冷单元由配气管道、A 字型换热器、风机、挡风墙、支架结构构成。每个空冷单元的尺寸为11.9 m×12.2 m ×10.19 m，轴流风机的直径为9.8 m。

根据防风网安装位置的不同，共建立了3 个计算模型。建模时，模型的整体结构不变，通过对防风网区域的分割，来实现不同防风网布置方式的模拟。

因为所用不同模型的整体结构不变，所以网格划分方式和数目也大致相同。网格划分时，采用分块划分的方法，在换热器和风机等关键区域采用结构化网格，在划分周围流场时采用非结构化网格。为了确定合理的网格数目，对不同网格划分数目进行网格无关性检验，最后确定总的网格数目约为135 万。

2.2 湍流模型和边界条件

模型的流动形式为三维的不可压缩湍流流动，湍流模型选用k-ε 方程。数学模型由连续性方程、动量方程和能量方程组成［2］。

连续性方程:

图4 空冷岛模型Fig.4 Air-cooling island model

动量方程:

本构方程:

采用标准k-ε 湍流模式:

考虑到热量的交换，还应该考虑能量方程:

式中:ρ 为空气的密度;p 为压力;u 为空气的流速;μ 为流体的动力粘性系数;εij为应变率张量;τij为应力张量。

翅片管散热器采用多孔介质模型，将流动阻力看作是动量方程的附加源项。多孔介质模型的动量源项由粘性损失项和惯性损失项两部分组成，如式(7):

式中:Ci为i 方向的惯性阻力系数和粘性阻力系数;u 为动力粘性系数，Pa/s;˙u 为速度向量;ρa为1/αi空气密度，kg/m3;ui为i 方向速度，m/s;Δp为散热器压降，Pa;ls为换热器厚度，m。

空气流过空冷单元的损失可以表示为

式中:Kts为空气流经平台支架时的流动损失;Kup和Kdo为风机进出口的阻力损失;Kθt为换热器的阻力损失以及人字形换热器出口的动能损失。

将上面两个公式联立可以得到多孔介质动量源项中的粘性损失项和惯性损失项。本文中所求的的粘性损失系数为4.740 1 ×104，惯性损失系数为97.067。

在多孔介质模型中，还有热量的传递，通过设置UDF 函数来得到。内热源表示如式(9):

式中:ρa为空气的密度，kg/m3;ω 为z 方向的速度，m/s;Lz为换热器的长度，m;cpa为空气的比热，J/kg·k;To，Ti分别为换热器出口和换热器进口温度。

计算域入口环境风速的大小跟高度有关，用UDF 设置。空气层的平均风速与高度之间的函数关系为

式中:Z0为风速计测风速时的安装高度，一般取为10 m;v0为Z0处的平均风速，m/s;Zi为任意高度，m;vi为Zi处的平均风速，m/s;b 为地面粗糙系数，本文取为0.16。

空冷风机采用Fan 边界条件，其设定以实际风机参数为依据。防风网采用porous-jump 边界条件。计算域的出口设置为out-flow 边界，计算域其他边界设置为slip-wall 边界。锅炉和汽机房设置为wall 边界。

3 最优方案的选择

3.1 环境风对机组运行的影响

以风向为主导风向的情况为例(炉前来风)，通过模拟计算得到了不同风速下机组的背压值［5］如图5 所示。

图5 背压随风速的变化Fig.5 Back pressure with the change of wind speed

从图5 中看以看出随着横向风速的升高，汽轮机的背压值不断的增加。在风速为12 m/s 的时候汽轮机的背压值比风速为4 m/s 时高出20 kpa。

为了分析在环境风影响下空冷岛周围的流场情况，图6 给出了风速为12 m/s 时，空冷岛周围的速度场分布图。

图6 速度分布图Fig.6 Velocity profile

如图6 所示，空冷岛迎风侧的下方区域的风速相当于来流风速的两倍左右。风速的增大会在空冷岛的迎风侧形成低压区域［5］，如图7，导致风机的出力减小;图6 中来风的下游区域还出现了一定程度的热风回流，受其影响会造成风机的入口温度升高，两者的共同作用下，空冷凝汽器的换热效率会受到很大的影响，进而导致机组运行背压的升高。

图7 风机入口压强分布Fig.7 Fan inlet pressure distribution

3.2 防风网布置方式的选择

M.T.F.Owen［6］研究指出风机性能下降是造成空冷凝汽器性能降低的主导原因。因此，本文从风机进口风量和风机入口压强两方面对不同的防风网布置方式进行评价。

针对3 种布置方式进行模拟得到结果如下。选取不同风速下，每种方案计算得到的风机平均进气量如表1 所示。已知环境温度为15.16 ℃，风机的额定进风量为430 m3/s，来风方向为炉后方向(右侧)。

表1 不同方案下风机入口平均进气量Tab.1 under the different schemes fan inlet average air inflow m3/s

分析图8，风速为6m/s 的情况下，不同方案下风机入口平面的压强等值线图。从图中可以看出，在加装防风网后，风机入口的压强都有所升高，低压区变得很小。方案2 相对方案1 来讲，因为增加了内十字形的网，所以对空冷岛来流的下游区域的压强提升很大。而且风机入口平面整体的压强分布也要好于方案1。方案3 所得到的结果是最好的，虽然下游区域压强的改善没有方案2好，但是风机入口的压强分布要比其他两种方案的均匀。风机入口的压强的改善，能够增加风机的出力，从而提高空冷凝汽器的整体换热效率。

防风网对网后流场的改善情况在不同条件下的影响是不同的，方案2 和方案3 中采用内部再次加装防风网的方法，可以很好的解决环境风经过第一层防风网一段距离后，防风网的作用失效的问题，从而保证了在第一层防风网后还能够对来流起到阻碍的作用。方案3 相对于方案2 来讲，回来流方向上还要多一层屏障。所以方案3整体的改善效果要好于方案2。但是，防风网布置层数增多后，对下游的改善是不利的。所以方案3 中对来流方向下游风机入口压强的提升要低于方案2 的提升。

图8 风机入口压强分布Fig.8 Fan inlet pressure distribution

表1 中的数据表明，随着风速的增加，无论加网还是不加网的情况，空冷风机的进气量都是会随着风速的增加而降低的。但是加装防风网后，能够很好的改善环境风的影响。在风速为3 m/s 时，方案1 的进气量最高，相对无措施的情况能提高进气量4 %;在风速为9 m/s 时，方案3 的进气量最高，相对无措施的情况能够提高进气量25 %。

综合考虑防风网对风机入口压强和进气量的改善情况，方案3 是最佳的布置方式。

4 结 论

本文针对某电厂长期运行背压较高的情况，提出在空冷岛下方区域加装防风网来改善环境风对机组换热的影响。提出3 种防风网的安装方案，通过数值模拟的方法，从风机进口风量和风机入口压强两方面对不同的防风网布置方式的挡风效果进行了评价。得出:

(1)加装防风网后能够增加风机入口的进气量，增大空冷岛迎风侧风机的入口压强。

(2)在风速较小时，采用方案1 较好;在风速较大时采用方案3 较好。

(3)方案3 能够使得风机入口压强的分布更加的均匀，有利于机组的安全运行。

［1］周兰欣，白中华，李卫华.直接空冷机组空冷岛结构优化研究［J］.汽轮机技术，2008，50 (2):95-97.

［2］周兰欣，李建波，李卫华，等.直接空机组凝汽器加装下挡风墙的数值模拟［J］.动力工程，2008，28 (5):744 -747.

［3］Van Rooyen J A，Kröger D G.Performance trends of an air-cooled Steam condenser under windy conditions［J］.Journal of engineering for gas turbines and power，2008，130 (2):023006.

［4］丁常富，丁振宇，侯乃明，等.直接空冷凝汽器加装防风网的数值模拟［J］.动力工程，2009，29(10):956 -959.

［5］张学镭，王金平，陈海平.环境风影响下直接空冷机组排汽压力的计算模型［J］.中国电机工程学报。2012，32 (23);40 -47.

［6］M T F Owen，D G Kröger.An investigation of aircooled steam condenser performance windy conditions using computation fluid dynamics ［J］.Gas Turbines Power，2010，133 (6):064502.