空冷岛地下进风结构数值模拟

张建奇，王 喆

(1.华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003;2.国网三门峡供电公司，河南 三门峡 472300)

0 引言

直接空冷凝汽器用空气作为冷却介质来冷凝汽轮机排汽[1]，通常布置于标高40多m的空冷平台上，其凝汽器真空受环境风温、风速、空气洁净程度影响较大[2～3]，尤其在夏季，高温或因大风引起的热风回流和倒灌，使汽轮机背压急剧升高，乃至掉闸[4]。

针对现实中存在的问题，提出了空冷岛采用地下进风方法，即将空冷平台高度降低到接近地面布置，环境风通过地下通道进入到风机的入口。风道内部设置喷雾装置，对空气进行增湿降温，同时可以有效地提高入口风的洁净度，降低环境风温、风速变化对凝汽器传热效果的不利影响。

本文建立了空冷岛地下进风的物理模型，通过CFD软件对空冷岛在不同工况下的工作性能进行模拟验证，为空冷岛的结构优化设计提供参考。

1 物理模型及计算方法

1.1 几何模型及网格划分

以某600 MW直接空冷机组为例，空冷平台横截面为70 m×80 m，其下表面距离地面高度为h。地下风室水平截面尺寸为70 m×80 m，其深度为d。3个风道的横截面尺寸分别为70 m×d，80 m×d，70 m×d，长度均为100 m。汽机房40 m×80 m×40 m，锅炉房为40 m×80 m×80 m，整个计算域为800 m×800 m×400 m。根据风道布置位置不同，有直风道和斜风道两套布置方案(相邻两风道间的夹角为90°，称为“直风道”;夹角为45°，称为“斜风道”)，如图1。

利用Gambit软件生成几何模型并进行网格划分。考虑到模拟计算精度的要求以及计算机硬件性能的限制，对整个计算区域网格采用分块划分的方法，厂房、换热单元及其上方局部区域采用六面体网格进行划分，其余部分采用非结构化网格，如图2。

1.2 主控方程及边界条件

空冷岛周围的大气运动被认为是不可压缩定常流动，流体区域的控制方程为雷诺平均的N-S方程[5]:

连续性方程:

动量守恒方程:

图1 空冷岛地下进风结构示意图Fig.1 Structure diagram of air-cooled island with underground ventilation

图2 模型网格划分Fig.2 Mesh of the model

本构方程:

采用标准 k-ε 湍流模型[6]:

能量方程:

式中:u，v为流体速度;ρ为空气密度;i，j，k均为1，2，3;μ为流体动力粘性系数;p为压力;εij为应变率张量;τij为应力张量。

整个流动计算区域的进口采用大气边界层函数计算[7]:

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;a为地面粗糙系数，粗糙度越大，a越大。根据电厂的地形地貌，取a=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。

每个空冷换热单元采用风扇 (fan)入口和热交换核心 (heat exchanger)，厂房、挡风墙、柱子及地面均采用墙壁边界，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[8]。

2 计算结果及分析

2.1 空冷岛通风量

空冷凝汽器是通过空气来冷凝汽轮机排汽的，所以空冷单元通风量的大小对凝汽器的冷却能力影响很大[9]。

2.1.1 风道通流面积对通风量的影响

由于风道的宽度已经确定，故风道的通流面积随其深度变化。无环境风条件下，直风道地下进风空冷岛总通风量随风道深度的变化，如图3。

由图3可以看出，随着风道通流面积的增大，空冷岛总通风量增大。在初始阶段，通风量随通流面积的增大而明显提高;但当风道深度超过40 m以后，通风量随通流面积而增加的趋势变缓，说明通流面积已不再是影响空冷岛通风量的主要因素。当地下风道深度为30 m(风道通流面积6 600 m2)时，空冷岛总通风量约为26 430 kg/s，基本接近27 160 kg/s的空冷风机设计通风量。同时可以发现，h=5和h=10两条曲线基本重合，说明空冷平台距地面高度对空冷岛通风量基本没有影响。

图3 通风量随风道深度的变化Fig.3 Variation of ventilation rate with tunnel depth

2.1.2 环境风速对通风量的影响

在主导风向下，风速对空冷岛地上进风 (45 m标高)和地下进风 (直、斜风道30 m深)两种布置方式通风量的影响如图4所示。

图4 通风量随环境风速的变化Fig.4 Variation of ventilation rate with wind speed

由图4可知，环境风速为零时，空冷岛地上进风的通风量为27 778 kg/s。由于地下进风时空气在风道流动会受到阻力的作用，故在环境风速小于2 m/s时，地下进风的通风量小于地上进风;随着风速的增大，两种进风方式通风量都会减小，不过，地上进风的通风量受环境风的影响更大一些，其通风量降低更多;当环境风速超过4 m/s时，地上进风的空冷岛通风量将小于地下进风，且风速越大，两者的通风量相差越大;当风速达到8 m/s时，地下进风斜风道的通风量较地上进风高4 284 kg/s。

对于地下进风方式，在无环境风条件下，由于斜风道3个进风口距离相对较近，进风时相互之间有所影响，故其通风量略小于直风道 (斜风道G=25 652 kg/s，直风道G=26 473 kg/s)。当有环境风时，空冷岛总通风量随环境风速的增大而表现出先减小后增大的变化，当v=8 m/s时，通风量最小(斜风道23 876 kg/s，直风道21 656 kg/s);当风速超过2 m/s后，斜风道通风量大于直风道，且当风速v=10 m/s时，两者相差最大，约2 811 kg/s。整体来看，斜风道布置方式下的空冷岛通风量随风速波动较小，平均通风量约为25 000 kg/s。

2.1.3 风道通风量及压差统计

地下风道布置位置不同，其在主导风向下的空气流动特性不同。30 m深的直风道和斜风道在不同风速下的空气流动特性如图5、图6所示。

图5 风道进出口压差变化Fig.5 Pressure drop change of tunnel inlet and outlet

图6 风道空气流量变化Fig.6 Ventilation rate change of tunnel

由风道压差及流量特性曲线可以看出，无论是直风道还是斜风道，在主导风向下，随着风速的提高，位于迎风侧的风道2和风道3的进出口压差增大，与此对应，通过风道2和风道3进入风室的空气量会逐渐增大;而且，由于斜风道3的方向与主导风向相同，随着风速的增大，其进出口压差迅速提高，进风量也会明显增大。例如，风速由2 m/s增大到6 m/s，斜风道3的进出口压差由11.81 Pa增加到28.81 Pa，进风量增加了1 130 kg/s。

位于背风侧的风道1的进出口压差，随着风速的提高而逐渐减小，使得经过风道1进入风室的空气量随着风速的增大而减小。例如，风速由2 m/s增大到6 m/s，直风道1的进出口压差减小约3 Pa，其通风量降低了4 069 kg/s;且直风道1在风速达到12 m/s以后，进出口压差变为负值，说明风道出口处的全压大于进口的全压，将导致风室内的空气经由风道1流出一部分。

2.1.4 不同进风方式的空冷单元通风量

在环境风的影响下，空冷平台上不同位置的空冷单元通风量不同。地上45 m标高空冷平台以及30 m深风道地下进风在主导风向、不同风速下的单元通风量如图7所示。

图7 空冷单元通风量Fig.7 Ventilation rate of air-cooled condenser

由图7可知，在无风的情况下，位于空冷岛边缘的四排风机通风量略低于中间部分，且地上进风的空冷单元平均通风量为496 kg/s，略高于地下进风的平均通风量458 kg/s。随着环境风速的增大，地上进风的空冷岛迎风侧两排风机通风量迅速减小，当风速为8 m/s时，两排边缘风机的平均通风量仅为131 kg/s，最小的通风量只有44 kg/s;而地下进风的迎风侧两排边缘风机流量虽然有所减少;但其平均流量达到316 kg/s，大大高于地上进风的通风量。

整体来看，随着环境风速的增大，在空气流动惯性的作用下，位于背风侧的部分空冷单元入口处空气压力升高，通风量变大，而迎风侧风机空气流量有所减少;但地下进风的空冷单元通风量整体均匀性要优于地上进风方式。

2.2 空冷岛周围温度场

环境风会影响凝汽器出口热空气扩散，从而影响空冷岛周围空气温度分布。主导风向、不同风速下的空气温度场如图8所示。图中显示x=40截面上的温度分布，以及T=325 K，T=335 K两个等温面。从等温面的形状和位置，可以大致看出热空气的流动方向和扩散趋势。

根据空气动力学原理，热空气在流动过程中与周围空气相互掺混，热量向环境空气扩散[10]。由图8可以看出，在无环境风的条件下，从空冷单元出来的热空气呈羽流状向上扩散，如图8(a);当有环境风时，热空气的向上升腾过程受到影响，其流动方向发生偏转，如图8(b);随着环境风速的增大，热空气向环境风的方向偏斜明显，同时其紊流扩散运动增强，热量更快地被环境空气带走，空冷岛上方的高温区域减小，如图8(c)、(d)。由于进风口距离空冷平台较远，空冷单元出口热空气不会影响到地下风道进风，运行中没有出现热风回流的现象。

2.3 空冷凝汽器换热效率

根据额定工况下的汽轮机排汽量及排汽压力，可求得空冷单元的标准散热量;由空冷单元通风量及空气温升，可算得空冷单元的实际换热量。空冷单元实际换热量除以标准换热量，所得到的无量纲数定义为换热效率，以此表示空冷凝汽器的换热效果[11～12]。环境温度为30℃时，不同环境风速下的凝汽器换热效率如图9所示。

由图9可以看出，在无风的条件下，地上进风的凝汽器换热效率最高，约为0.89，地下进风方式的换热效率略低一些，为0.82左右。环境平均风速3 m/s条件下，两种进风方式下的凝汽器平均换热效率相差不大，约为0.8。当风速超过2 m/s后，地上进风的凝汽器换热效率随风速增大而迅速下降，当风速为8 m/s时的效率最低，只有0.58;此时，斜风道地下进风的凝汽器换热效率为0.71，明显高于地上进风。当风速超过4 m/s以后，采取地下进风的凝汽器换热效率高于地上进风方式。

图8 空冷岛周围空气温度场Fig.8 Temperature field of air-cooled island

图9 凝汽器换热效率Fig.9 Heat transfer efficiency of air-cooled condenser

2.4 空冷凝汽器压力

环境温度为30℃，凝汽器热负荷为773 MW时，空冷岛在不同进风方式下的凝汽器压力如图10所示。

图10 凝汽器压力Fig.10 Pressure of air-cooled condenser

由图10可知，当环境风速不超过2 m/s时，地上进风的凝汽器压力维持在25 kPa左右，低于地下进风的压力 (约27 kPa)。当风速超过2 m/s后，随着风速的增加，凝汽器压力先增大，后减小，当风速为8 m/s时，凝汽器压力均达到最大值，此风速即为最不利风速。在风速超过4 m/s后的任一风速下，地上进风凝汽器压力最高，斜风道地下进风的凝汽器压力最低;当风速大于6 m/s时，地上进风的凝汽器压力会超过35 kPa的警戒线，而直风道地下进风的凝汽器压力可维持在35 kPa以下，斜风道地下进风的凝汽器压最高为30.23 kPa，较地上进风方式低9.69 kPa。

3 结论

(1)空冷岛地下进风，总通风量随地下风道通流面积的增大而增大，无风条件下，30 m深直风道通风量为26 430 kg/s;随着环境风速的增大，空冷岛通风量先减小、后增大，当风速为8 m/s时，空冷岛通风量最小。

(2)在环境风影响下，迎风侧空冷单元通风量有所减小，背风侧单元通风量有所增加，地下进风的迎风侧风机平均通风量大于地上进风;随着环境风速的增大，空冷岛外部热空气的高温区域范围逐渐减小。

(3)在环境温度为30℃，风速大于4 m/s条件下，地下进风的凝汽器换热效率高于地上进风;当风速超过6 m/s后，地下进风的凝汽器压力较地上进风可降低6～10 kPa。

(4)本文只对空冷岛地下进风结构在主导风向下的空气流动与换热情况进行了计算分析，对于不同风向下的空冷岛工作性能，有待进一步模拟研究。

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