环境风影响下空冷系统换热特性数值模拟

冯 祥，安恩科，张浏骏

(同济大学 机械与能源工程学院，上海 201804)

0 引言

随着世界范围内水资源的日益匮乏以及环境问题的日益突出，传统湿冷火电机组面临严峻考验［1］。我国的北方地区“富煤缺水”，煤炭资源转化为电能困难。由于空冷机组比常规湿冷机组节约65%以上的耗水，因而近年来被广泛应用于国内外的大型火电建设中。在空冷系统中，汽轮机排出的乏汽由空冷凝汽器进行冷凝，空气作为冷却介质，通过轴流风机鼓风冷却，环境风场的变化会显著影响到直接空冷系统的运行特性［2］。

关于空冷系统受环境风影响问题，国外已经开展了一些研究工作，最早研究气候条件对直接空冷系统影响的是Martin P.van Staden［3］，他采用数值方法模拟了环境风对Matimba电站直接空冷系统的影响，并得到了空冷系统周围的速度场和温度场。北京大学的顾志福等人对某电厂直接空冷系统进行了风洞模拟实验，通过试验给出了不同风速和风向对空冷系统总回流率的影响规律［4～6］。结果表明，空冷系统的总回流率对风速和风向颇为敏感，并且来流沿正对主厂房附近的方向吹过空冷平台时总回流率较大。赵文升等对直接空冷系统中的热风回流现象进行了数值模拟研究，分析了热风回流产生的原因以及对空冷机组产生的影响［7］。杜小泽等对空冷岛在不同环境风条件下的流动传热特性进行了数值模拟，结果表明炉后来风为最不利风向，热风回流最为严重［8］。本文在前人研究的基础上，结合某2×300 MW空冷机组空冷岛和其他建筑的平面布局，重点研究了不同炉后风速下空冷系统的换热特性，可为空冷系统的优化运行提供理论参考。

1 空冷岛物理模型及网格划分

2×300 MW直接空冷机组空冷岛和主要建筑物如锅炉房、汽机房等的平面布局如图1(a)所示，直接空冷岛由5(行)×12(列)共60个直接空冷单元组成，安装在35 m高的平台上，尺寸为138.3 m ×57.2 m×12.6 m，挡风墙高度为12.6 m，由于需要考虑环境因素的影响，尤其是风速、风向等对空冷岛冷却空气流场、温度场的影响，因此该物理模型需要把比空冷岛等主要建筑物更大的区域作为数值模拟的对象，在对空冷岛和其他建筑物进行合理简化处理前提下，整个数值模拟的计算区域如图1(b)所示。为保证计算精度，尽量减小计算区域，设定整个计算区域尺寸长、宽、高分别为600 m、500 m、300 m。由于支撑柱占空冷岛下方区域较小空间，忽略其对流场产生的影响。

图1 直接空冷电站空冷岛及主厂房示意图和数值模拟计算域示意图

本文采取分块划分网格方法，将计算区域分为多个子区域，空冷岛区域采用非结构化网格划分，其余计算区域采用结构化网格，保证计算精度的同时也减小了计算量。当网格数量达到180 W后，数值计算网格数量已达网格无关性要求，最后计算的网格单元数取定为300 W。

2 空冷岛数学模型

空冷系统换热特性数值模拟的是一个复杂流动换热过程，采用SIMPLE算法，选取标准k－ε湍流模型，控制方程包含:连续性方程、能量方程、动量方程、湍动能方程、湍动能耗散方程。采用多孔介质模型处理空气和翅片管束之间的换热过程，多孔介质模型将流经模型空间的流动阻力看作动量控制方程的源项，包括粘性损失项和惯性损失项，根据已知参数计算出粘性、惯性阻力系数以及孔隙率。

计算区域迎风面设置为速度入口边界条件，选用指数风速廓线分布规律，由于一般气象站都会观测10 m高度位置的风速，因此迎风面上的速度分布由下式确定

式中 u10——表示距离地面10 m高处的风速;

z——所求位置高度。

幂指数a为地面粗糙度和气温层稳定度的函数，在本模拟中取为0.2，此边界条件利用UDF编程加载。在迎风面相对的面上，取为出流边界条件，计算区域其他面取为对称边界条件，地面设置为定壁温边界条件。汽机房、锅炉房壁面根据热负荷给定等热流边界条件。空冷岛区域底面设置为风机条件，静压根据风机性能曲线设定。通过风机的静压变化Δp可表示为风机轴向流速的多项式函数

式中 fn——多项式系数;

υ——风机平面法向的当地流体速度。

根据风机特性曲线拟合得到的静压变化Δp与风机轴向流速υ间的关系:

3 评价标准

热风回流现象是指空冷凝汽器排出的热空气又重新返回到风机吸入口而导致直接空冷凝器入口空气温度升高的现象，通常用热风回流率加以描述。热风回流率可用如下公式表示［9］

式中 Ti——风机入口处平均温度/℃;

T0——环境温度/℃，(本文中环境温度T0= 34℃);

T——空冷凝汽器出口温度/℃。

可以看出，当凝汽器没有任何热空气回流时，凝汽器入口处空气温度Ti等于环境温度T0，此时回流率为0，空冷凝汽器换热效果最佳;当凝汽器入口空气温度Ti等于空冷凝汽器出口温度T时，表明凝汽器加热过的热空气完全回到了风机入口处，此时空冷凝汽器已无换热能力，热风回流率为1。

4 计算结果与分析

本文模拟了炉后风速分别取0 m/s、2 m/s、4 m/ s、6m/s、8 m/s、10 m/s、12 m/s、14 m/s八个工况下空冷岛系统的换热特性。

炉后风速与空冷岛空气流量的关系如图2所示，可以看出，随着炉后风速的增加，整个空冷岛的空气流量不断减小。这是因为炉后风来流受锅炉房和汽机房等建筑物遮挡，来流经挡风墙的作用，冲向空冷岛平台下方，在风机入口形成漩涡，影响了风机的正常工作，导致风机入口进风量减小，且这种影响随着风速的增大而愈加明显。图3为风速为8 m/s时，直接空冷岛的各空冷单元风机空气流量分布，可以看出，空冷岛两端区域空冷单元风机的空气流量受炉后风影响最为明显，中间区域受到的影响则较小，空冷岛风场上游区域空冷单元空气流量明显减小，且分布不均匀，风场下游区域流量分布则较为均匀。

图2 炉后风速与空冷岛空气流量的关系

图3 8 m/s时空冷岛各单元风机空气流量

炉后风速与空冷岛热风回流率的关系如图4所示，可以看出，随着炉后风速的增加，空冷岛的热风回流率先不断增大，主要原因是风速的增加使空冷岛热空气向上的扩散受到限制而向下回流，热风回流率也随之增加，风速为10 m/s左右时，热风回流率达到峰值，此后随着风速的增加，热风回流率随之减小。这是因为更高的风速拥有更高的动压，可以把空冷岛出口的热空气沿风向方向带走，而不会被轴流风机重新吸回空冷岛的进口进行换热。图5为8 m/s时空冷岛各单元的热风回流率分布情况，可以看出炉后风影响下，靠近汽机房的空冷岛风场上游区域热风回流率较高，换热性能较差;而远离汽机房的空冷岛风场下游区域热风回流率相对较低，换热性能良好。

图4 炉后风速与空冷岛热风回流率的关系

图5 8 m/s时空冷岛各单元的热风回流率

炉后风速与空冷岛换热量的关系如图6所示，可以看出随着炉后风速的增加，空冷岛的换热量先不断减小，这是由于风速增加导致空气流量减小和热风回流率增加，当风速约为10 m/s时，换热量达到最小。在10 m/s之后，换热量又随着风速的增加而增加，这是因为在更高炉后风速下，随着风速的增加，风机空气流量虽然仍在不断减小，但热风回流率却也随之降低，且热风回流率对换热量的影响比风机空气流量大。

图6 炉后风速与空冷岛空气换热量的关系

5 结论

本文对某2×300 MW直接空冷电站空冷系统流动换热特性进行了数值模拟，针对不同炉后风速，对空冷岛的入口空气流量、热风回流率以及换热量进行了计算分析。计算表明:空冷岛入口空气流量随着炉后风速增加而不断减小;空冷岛两端空冷单元受炉后风影响，空气流量减小最为明显，风场上游空冷单元入口空气流量减小也较为明显，风场下游空冷单元所受影响相对较小;随着炉后风速增加，热风回流率先增加而后减小，且在炉后风影响下，空冷岛各单元热风回流现象表现出明显的区域特性，风场上游区域热风回流率高，而风场下游区域热风回流率则相对较低;空冷岛换热量受空气流量和热风回流率的综合影响，表现为随着炉后风速的增加，换热量先减小而后增加。

［1］Wilber K R，Zammit K.Development of Procurement Gguidelines for Air－Cooled condensers［C］//Advanced Cooling Strategies/Technologies Conference，Sacramento，California，2005:1－24.

［2］赵文升，王松岭，汤世凯.基于CFD软件的直接空冷系统热风回流现象的分析［J］.汽轮机技术，2007，49(5): 346－348.

［3］Van Staden.Numerical modelling of the effects of ambient conditions on large power station air－cooled steamcondensers［C］//American Society of Mechanical Engineers，FED，1995，221:145－150.

［4］GU，Zh－i fu，et al.Wind tunnel simulation on recirculation of air－cooled condensers of a power plant［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2005，93(6): 509－520.

［5］顾志福，张文宏，等.电厂直接空冷系统风效应风洞模拟实验研究［J］.热能动力工程，2003(18):159－215.

［6］顾志福，陈学锐，等.大型电厂直接空冷系统风效应风洞模拟［J］.力学学报，2005，37(5):558－563.

［7］赵文升，王松岭，高月芬，崔凝.直接空冷系统中热风回流现象的数值模拟和分析［J］.动力工程，2007，27(4): 487－491.

［8］杨立军，杜小泽，杨勇平.风场影响下直接空冷系统热风回流率的空间分布特性［J］.工程热物理学报，2011，32 (7):1181－1184.

［9］刘达.环境风对直接空冷凝汽器换热影响的研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2011.