环境风影响直接空冷凝汽器换热的研究综述

高沛，张学镭

（电站设备状态监测与控制教育部重点实验室（华北电力大学），河北省保定市 071003）

0 引言

在我国富煤缺水地区，空冷机组以其良好的节水性能得到了快速发展。随着世界范围内水资源的减少，空冷机组又将迎来新的发展契机。但是，空冷技术还有很多不完善的地方，其中，环境风影响下空冷岛换热效率的降低是直接空冷机组目前面临的普遍问题。环境风的风速、风向，空冷平台的高度和间距，以及挡风墙的高度都能够影响空冷岛的换热性能。

近年来，国内外众多学者通过对空冷岛的数值模拟分析，基本掌握了空冷系统的环境风效应机理，揭示了环境风影响下空冷系统性能的变化规律，给出了很多应对环境风不利影响原则，并提出了一些改善的方法，为空冷机组的优化运行提供了一些参考。本文在之前学者研究成果的基础上，针对环境风对空冷岛换热影响的问题进行分析和讨论。

1 环境风对空冷岛换热的影响

空冷岛换热受环境风的影响主要体现在横向风和空冷岛结构2个方面。当横向风和空冷岛接触时，由于空冷岛的阻碍作用会使空冷岛周围的流场发生改变。图1为无环境风时空冷岛周围的流场分布，从图中可以看出，在无环境风作用的情况下，风机入口的气流分布均匀，可以保证风机正常出力。图2为左侧有横向风吹来的情况，从图中可以看出，由于横向风的影响，风机入口气流的角度会发生偏斜，从而使风机入口气流分布不均匀，进而导致风机进气量减少。影响空冷岛换热问题的原因是多方面的，本文主要从横向风和空冷岛结构2个方面进行分析和讨论。

1.1 横向风的影响

横向风的影响主要分为风速的影响和风向的影响2个方面，针对气候条件的特点，将风速分为3，6，9m／s 3种情况进行研究。横向风在受到建筑物的阻挡时，其流动的速度和方向都会发生改变，这样就会对周围的流场造成不利的影响。空冷凝汽器的换热性能降低的主要原因就是空冷岛的流场发生了改变。

文献［1］分析了风速为3，6，9m／s 3种不同情况下空冷岛的速度场分布，得出随着横向风速的增大，迎风侧的风机的进气量会明显减少的结论。该文献指出，由于风机的抽吸作用会使风机入口前形成一个负压区，空气垂直于风机入口向上流动，但是当受到横向风的影响时，空气垂直向上运动的方向将发生改变，导致进入风机入口的空气量减少，使空冷凝汽器换热能力减弱。越靠近迎风侧的空冷单元，其受横向风的影响越大，所以前排风机的换热性能会有很大的降低。随着横向风速的不断加大，这种影响也越来越严重。

文献［2］分析了炉后来风和炉前来风这2种不同风向的环境风对空冷凝汽器换热性能的影响。指出，当横向风由锅炉房侧吹来时，来流方向位于空冷岛的上游区域，由于建筑物的遮挡使风机吸风量减少，同时由于热风回流的作用，导致风机入口气流的温度升高。横向风由炉后方向吹来时，来流方向位于空冷岛的下游区域，避开了建筑物的遮挡，凝汽器的换热情况得到改善。

环境风的风速和风向对空冷岛的影响是同时存在的。当不利风向伴有较高的风速时，空冷凝汽器的换热性能会受到很严重的影响。在这种情况下，空冷凝汽器的换热性能是最低的。

1.2 空冷岛结构的影响

在横向风的风速和风向不变的情况下，空冷岛的平台高度、平台间距和挡风墙高度，会影响机组的换热性能。横向风在受到建筑物的阻挡时，其流场会发生改变，平台下方的风速会有所增加，这样就造成进入风机入口气流的角度发生偏斜，进而使风机进气量减少。

文献［3－4］分析了不同风速下空冷岛平台高度对凝汽器换热效率的影响，并通过数值模拟的方法得到了最佳的空冷平台的高度。文中指出，当空冷平台的高度很低时，横向风在空冷岛平台下方的流通面积减少，根据空气动力学原理，流通面积减少会导致流速的增加。因为，进入风机的气流会保持横向风的惯性，所以风机入口气流的角度会向后方倾斜，从而对风机性能造成不利的影响。

文献［5］分析了不同的平台间距对空冷凝汽器换热效率的影响。当横向风吹向空冷岛时，由于2个平台之间存在狭长的过道，会形成过道风，风速突然增大使空冷平台上方的热空气被向下卷入，随之被靠近挡风墙侧的风机吸入，造成风机入口温度的升高，进而导致凝汽器换热性能的降低。平台间距的增大，可以减弱热风回流现象对凝汽器换热性能的影响，并且随着空冷平台间距的增大，产生热风回流的换热单元也会向后排推移。

文献［6］分析了不同的挡风墙高度对空冷凝汽器换热性能的影响。在空冷岛四周没有挡风墙时，横向风的作用会导致凝汽器出口气流发生偏移，风机入口温度升高，进而导致整体换热性能的降低。在加装挡风墙后，换热效率随着挡风墙高度的增加而增加，但是当挡风墙的高度超过一定的程度后，换热效率会随着高度的增加而降低。

在有横向风吹来时，空冷平台的支撑柱子也会对空冷岛周围的流场造成影响。支撑柱子对空冷平台起支撑的作用，为保证承重的要求，柱子间的间距不能太大。当有横向风吹来时，柱子阻挡部分的风的流速会有所降低，而柱子间隙部分的风的流速会有所升高。这样就会形成风速不一的流场分布，也必然会对风机性能造成一定的影响。目前还没有相关的文献研究、讨论这个问题。

2 改善环境风影响的方法

针对环境风对空冷凝汽器换热性能的影响，学者们通过实验和数值研究提出了一些改进的方法。有些方法已经在实际工程中有所应用，并且取得了不错的效果。

2.1 加装下挡风墙

在上挡风墙的基础上加设下挡风墙的方法是最早被提出来的方法。文献［7－8］指出，在进行数值模拟时发现，当环境横向风速较大时，从散热器翅片管上扩散出去的热空气会被压回，然后又很快地被风机卷吸，使进入风机入口空气的温度升高，进而导致换热器换热性能恶化。加装下挡风墙以后，可以有效防止压回的热空气重新被风机吸入，进而能够降低风机入口空气的温度，提高换热的效率。图3为加装下挡风墙示意图。

图3 加装下挡风墙Fig.3 Installation of lower wind－break wall

加装下挡风墙以后，虽然对热风回流起一定的阻挡作用，但同时也阻碍了空气进入风机，导致风机出力减小。并且，在加装一定高度的下挡风墙以后，导致空冷岛下方区域横向风的流通面积减少、横向风速增加，从而对风机出力造成不利影响。考虑上述情况，有学者提出了加装曲面挡风墙［9］的方法。曲面挡风墙能够对横向风起导流的作用，可以减少因横向风速增大而造成风机出力的下降。

空冷岛是悬空布置的，加装挡风墙后会增加空冷岛的整体质量，而支柱的设计承重是有一定限度的，考虑到安全运行，加装下挡风墙的方法在实际工程中没有得到应用。

2.2 加装防风网

防风网作为一种特殊的多孔屏障，能够改变流场、温度分布、透气率等多方面的环境参数。防风网对流场的改变主要体现在以下2个方面［10－11］。

（1）由于来流的阻碍，以及网状结构本身的摩擦作用，造成来流的能量损失，使网后的平均风速明显地降低。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。

（2）相对于挡风墙而言，防风网很好地弥补了挡风墙的不足。防风网只是对横向风的风速起减弱作用，可以保证风机入口空气流动通畅，避免了风机出力不足。加装防风网后，空冷单元的空气流量和换热量明显增加。随着环境风速的增大，防风网的防风效果越来越明显。

防风网的布置高度和开孔率是影响防风网防风效果的重要因素。防风网已经在实际工程中得到应用。在实际安装时，防风网一般布置在挡风墙的下沿位置，通过固定装置固定在空冷平台的钢梁上。考虑到寿命问题，一般选取聚乙烯材料的防风网。图4为加装防风网示意图。

图4 加装防风网Fig.4 Installation of windproof net

现以某300 MW 直接空冷机组为例，分析加装防风网后空冷岛换热效率的变化。该空冷岛共有30台空冷风机，所用防风网的开孔率为40%，厚度为0.65mm。加装防风网后，空冷凝汽器换热性能的变化情况如表1所示。由表1可知，加装防风网后其换热性能得到明显改善。

表1 加装防风网后空冷岛换热效率的变化Tab.1 Change of air cooling island's heat exchange efficiency after windproof net installed

2.3 导流装置

横向风的存在，严重影响了风机的正常出力。相对防风网而言，导流装置［12］不是通过降低横向风的风速而是通过改变横向风的风向来达到削弱横向风不利影响的目的。

导流装置安装在挡风墙的下部，安装角度为45°，使横向风经过导流叶片后其方向由横向变为朝向空冷风机的吸入口，以削弱横向风的不利影响。在环境风速很大的情况下，由于导流的作用还能够使进入风机的风量超过额定值，更有利于空冷单元的换热。

导流的作用虽然能够改善前排风机出力的情况，但会对后排风机造成不利的影响，因为横向风速的改变，会导致流经后排风机的空气量减少，进而影响整体的换热性能。基于以上考虑，在导流装置的基础上，提出了导流网的设想。

所谓导流网［13］就是采用网状结构的导流装置，使其兼顾导流板和防风网的双重作用。导流网不仅可以改变横向风的风向，而且还能减弱横向风的风速。因为导流网是加装在挡风墙的下方，不会影响下游空冷单元的进风量，而且还能增大前排风机的进气量。图5为加装导流网示意图。

图5 加装导流网Fig.5 Installation of wind guiding nets

目前，导流网还处在设想阶段，其在空冷平台下的安装方法是亟待解决的问题。从数值模拟的结果分析，导流网对空冷凝汽器换热性能的改善效果要好于防风网的改善效果，可以预见导流网的应用前景也要好于已经在工程上得到应用的防风网。

3 结语

综合分析国内外学者的研究成果，得出如下结论：横向风和空冷平台的结构是影响空冷凝汽器换热的主要原因，这种影响主要体现在风机入口温度的升高和风机出力的降低2个方面；挡风墙、防风网、导流装置等可以有效改善空冷凝汽器的换热性能。

随着世界空冷机组技术的快速发展和科研水平的提高，环境风对空冷岛换热的影响作为一个课题也不断有新的研究成果出现。对此课题，未来研究的方向和内容主要有以下2个方面：

（1）数值模拟方法和实验室模型实验相结合，提高数据的准确性。

（2）针对瞬间变化的环境风场进行针对性的模拟研究，寻找恶劣环境下的应对措施。

［1］吕燕，熊杨恒，李坤.横向风对直接空冷系统影响的数值模拟［J］.动力工程，2008，28（4）：589－599.

［2］贾宝荣，杨立军，杜小泽，等.不同风向条件下空冷岛运行特性的数值模拟［J］.现代电力，2009，26（3）：71－75.

［3］周兰欣，李海宏，周书昌，等.600 MW 直接空冷机组空冷岛最佳高度的数值模拟［J］.汽轮机技术，2011，53（3）：167－169.

［4］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.

［5］周兰欣，崔皓程，魏春枝.空冷平台间距对空冷凝汽器换热效率的影响［J］.动力工程，2009，29（8）：765－776.

［6］增强，王智刚.空冷岛挡风墙最佳高度的数值模拟［J］.热力发电，2011，10（10）：21－24.

［7］王建平，吴鹏，王宏明，等.600 MW 直接空冷凝汽器加装下挡风墙的数值研究［J］.电力科学与工 程，2012，28（3）：51－55.

［8］周兰欣，李建波，李卫华，等.直接空冷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.

［9］周兰欣，曹智杰，弓学敏.直接空冷凝汽器加装曲面下挡风墙的数值模拟［J］.电力建设，2011，32（9）：1－5.

［10］陈海平，吴胜利，王璟，等.加装防风网的空冷岛换热性能研究［J］.中国电机工程学报，2011，31（1）：131－136.

［11］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）：956－965.

［12］贾宝荣，杨立军，杜小泽，等.导流装置对直接空冷单元流动传热特性的影响［J］.中国电机工程学报，2009，29（8）：14－19.

［13］杨建国，刘达，张兆营，等.加装导流网以改善横向风对直接空冷凝汽器的影响［J］.中国电机工程学报，2012，32（2）：1－8.