空冷岛加装挡风墙的数值模拟

周兰欣，王晓斐，王喆，吴瑞康

(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)

空冷岛加装挡风墙的数值模拟

周兰欣，王晓斐，王喆，吴瑞康

(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)

在大风情况下，空冷凝汽器换热效率由于热风回流和“倒灌”现象的共同作用而降低。为了改善环境风对空冷凝汽器的影响，提出了在空冷岛背风侧(主导风向下)加装挡风墙的方案。以某600 MW直接空冷机组为例，利用计算流体动力学(computational fluid dynamics，CFD)软件对空冷岛外部流场进行数值模拟，分析主导风向、主导风向相反风向情况下，不同风速时挡风墙对空冷凝汽器换热效率的影响。结果表明：在主导风向下，加装挡风墙使空冷单元空气流量大幅度增加，空冷凝汽器换热效率提高；在主导风向相反风向下，加装挡风墙造成空冷岛背风侧出现热风回流，空冷凝汽器换热效率降低，在背风侧水平挡板边缘处竖直加装一定高度的挡风墙可以改善热风回流现象。

空冷岛；热风回流；倒灌；挡风墙；数值模拟

0 引 言

直接空冷机组的排汽由空气直接冷凝，不需要水作为中间冷却介质，节水效果明显，所以很多水资源匮乏的国家和地区都在大力发展直接空冷技术。但是，直接空冷机组的空冷凝汽器直接布置在露天环境中，所以其换热效率受环境风影响很大，特别是在夏季大风情况下，空冷凝汽器换热效率急剧下降[1-3]。文献[4-5]分析了空冷岛上挡风墙和空冷平台高度与空冷凝汽器的关系；文献[6]研究了挡风墙形状对直接空冷风机群流体动力学特性的影响；文献[7-8]分析了防风网对空冷凝汽器换热效果的影响；文献[9-10]分析了在不同位置，加装不同高度、不同曲率挡风墙对空冷凝汽器平均换热效率的影响；文献[11]分析了加装导流板对空冷单元空气流场和温度场的影响；文献[12]研究了直接空冷凝汽器中，单排扁平管外侧的流动和换热随凝汽器进口风速和气温的变化规律。

为了减小夏季大风情况下热风回流和“倒灌”现象对空冷凝汽器换热效率的影响，本文提出在空冷岛背风侧(主导风向下)加装挡风墙方案。以某600 MW机组为例，分别模拟主导风向、主导风向相反风向这2种情况下，环境风速变化时，挡风墙对空冷岛外部流场、温度场和空冷凝汽器换热效率的影响，为空冷机组的优化设计和运行提供理论参考依据。

1 物理模型及计算方法

1.1 几何模型及网格划分

根据某600 MW直接空冷机组的几何模型和物理特点，利用Gambit软件生成相应的几何模型和计算网格。模型计算区域(长×宽×高)为500 m×500 m×300 m，其中整个空冷岛由8×7个空冷单元组成。空冷平台高45 m，总宽80 m，总长70 m，上挡风墙高10 m，锅炉房尺寸(长×宽×高)为60 m×35 m×90 m，汽机房尺寸(长×宽×高)为60 m×35 m×35 m。在主导风向下，空冷平台背风侧紧挨空冷平台下沿竖直向下加装无开孔的实心挡风墙至地面，迎风面紧挨空冷平台下沿水平加装水平挡板，几何模型如图1所示(定义x轴负方向为0°，y轴正方向为90°，主导风向为45°)。

图1 几何模型

在进行网格划分时，为减少网格数量并且提高网格质量，对整个计算区域采用分块划分法，尽可能多地采用结构化网格，并对局部关键区域进行加密细化。最后经过网格无关性验证，得到网格数约为220万个。

1.2 数值计算方法

本模型考虑重力的作用，在竖直方向(z方向)设置重力加速度，环境压力为97.4 kPa，温度为33 ℃。

1.2.1 边界条件的设置

计算域的进风侧设置为速度入口，采用大气边界层函数即迪肯(Deaccon)的幂定律：

vi=v0(zi/z0)a

(1)

式中：z0为气流达到均匀流时的高度；v0为z0处来流平均风速；zi为任意高度值；vi为zi高度处的平均风速；α为地面粗糙系数，地面的粗糙度越大，α的值也就越大，本文取z0=10和α=0.2[8]。

风机进口设置为风扇边界条件；空冷凝汽器设置为多孔介质模型，将流经物理模型空间的流动阻力看作是动量控制方程的附加动量源，空冷凝汽器的换热情况可以利用Fluent软件中自带的热交换模块进行计算[10,13-15]；下部设置为墙壁边界条件，其余均设置为出口边界条件；空冷凝汽器的挡风墙以及柱子均设置为墙壁边界条件。

1.2.2 湍流模型及主控方程

由于环境风速远小于当地声速的1/3，所以空冷平台周围的大气运动可以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。

连续性方程：

(2)

动量守恒方程：

(3)

本构方程：

(4)

(5)

采用标准k-ε湍流模式：

(6)

模型还涉及热量交换，运用能量方程：

(7)

式中：ρ为空气密度；u为速度向量；i，j，k=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。

2 计算结果分析

考核工况下机组凝汽器的排汽热量已知，定义为标准换热量。将空气实际吸热量除以标准换热量所得到的无量纲数定义为换热效率，即η=Qa/Qs×100%。式中：Qa为实际空气吸热量，MW；Qs为所用机组考核工况下凝汽器的排热量，MW。

通过模拟计算加装45 m高挡风墙、10 m宽水平挡板，以及加装45 m高挡风墙、0 m宽水平挡板(即无水平挡板)时空冷凝汽器的换热效率，对比分析这2种方案的挡风墙对空冷凝汽器的影响。

2.1 主导风向下挡风墙对空冷凝汽器的影响

2.1.1 加装挡风墙对空冷岛周围温度场和速度场的影响

以风速9 m/s为例，模拟加装挡风墙前、后空冷岛周围的温度场和速度场，分析挡风墙对空冷凝汽器的影响。图2分别是无挡风墙和加装挡风墙时，空冷岛周围的温度等值线图，温度单位为K。由图2可看出：在没有加装挡风墙时，空冷岛的蒸腾现象被破坏，迎风两侧出现“倒灌”现象；加装挡风墙后，“倒灌”现象消失，空冷单元风机入口处温度整体降低，空冷凝汽器换热效率提高。

图2 空冷岛周围空气温度等值线

图3分别是无挡风墙和加装挡风墙情况下，空冷岛周围空气速度等值线图，速度单位为m/s。从图3可看出，分别加装挡风墙后，空冷单元风机入口处空气流速均降低，静压增加，使得风机抽到空冷单元内的空气速度增加，空冷单元流量增加。

图3 空冷岛周围空气速度等值线

空冷单元空气流量分布图如图4所示，图中每个柱子代表1个空冷单元，横坐标表示每排有8个空冷单元，纵坐标表示每列有7个空冷单元。从图4可看出：加装挡风墙后，整个空冷岛空气流量增大，这是由于加装挡风墙后，环境风受挡风墙阻挡，滞留在空冷平台下方，降低了风机入口处空气的流速，空气被风机抽取向上流动；加装水平挡板后，迎风侧前2排空冷单元空气流量增加，这是因为加装水平挡板后，降低了环境风对迎风侧空冷单元风机入口的横向冲刷，提高了风机的抽气效率；加装挡风墙(有水平挡板)、挡风墙(无水平挡板)后，空气流量分别比不加挡风墙时增加了16 272.32，13 011.18 kg/s。

2.1.2 加装挡风墙对空冷凝汽器换热效率的影响

根据数值计算的结果，得到在主导风向不同风速下，空冷岛加装挡风墙前后空冷凝汽器换热效率随风速大小的变化曲线，如图5所示。

由图5可看出：无挡风墙时，凝汽器换热效率随环境风速的增加而降低；加装挡风墙后，空冷凝汽器的换热效率提高，随着环境风速的增加而增加，并且含有水平挡板的挡风墙结构比不含水平挡板的好，提高的换热效率更多。结合厂址水文气象条件可知，主导风向下夏季平均风速为5.5 m/s，此时加装挡风墙(有水平挡板)、挡风墙(无水平挡板)后空冷凝汽器换热效率分别比不加挡风墙时提高了44.90%，35.48%。

图4 空冷单元空气流量

图5 空冷凝汽器换热效率随环境风速的变化曲线

2.2 主导风向相反风向下挡风墙对空冷凝汽器的影响

在主导风向下，按图1加装挡风墙可以提高空冷凝汽器的换热效率；但是在其他风向下，加装挡风墙对凝汽器也有影响。现计算分析在主导风向相反风向(即225°风向)下，挡风墙对空冷单元空气流量和空冷凝汽器的影响。

2.2.1 加装挡风墙对空冷单元的影响

以环境风速3 m/s为例，分析加装挡风墙对空冷单元空气流量和空冷单元进口温度的影响，结果如图6、7所示。

从图6中可看出：无挡风墙时，迎风侧空冷单元流量较少，加装挡风墙后，由于挡风墙的阻挡作用，空冷岛迎风面两侧的前2排空冷单元空气流量增加。特别是加装水平挡板后，空冷平台下方被挡风墙围绕的空间增大、空气量增加，并且水平挡板缓解了环境风对空冷岛边缘处空冷单元风机入口的冲刷，所以空冷岛背风侧空冷单元空气流量较无水平挡板时有所增加。但是加装挡风墙后，由于挡风墙将空冷平台下方的空间包围，空冷平台下方的空气流动受限，使得流过空冷平台下方的空气量减少，所以空冷岛中间区域的空冷单元空气流量降低。

从图7可看出：无挡风墙时，空冷单元风机入口空气温度普遍比较低，平均温度为306.93 K，空冷凝汽器换热效果比较好；加装挡风墙后，由于挡风墙围绕空冷平台下方，使风机抽取空气时，空冷平台下方空气量不够，所以参与凝汽器换热的空气，经过回流又重新被风机抽取进入空冷单元进行热交换，从而导致空冷单元风机入口处空气温度偏高，加装挡风墙(有水平挡板)和挡风墙(无水平挡板)后，风机入口处空气温度平均分别为313.26，314.05 K，使凝汽器换热效率降低。

图6 空冷单元空气流量

图7 空冷单元进口空气温度

所以，在主导风向相反风向下，风速为3 m/s时，加装挡风墙(无水平挡板)后，空冷单元空气流量降低，加装水平挡板后，空冷单元空气流量较加装挡风墙(无水平挡板)后稍有增加；但是加装挡风墙后会使空冷岛背风侧出现热风回流现象，使得凝汽器换热效率较不加挡风墙时有所降低。在大风情况下，空冷岛背风侧甚至会出现“倒灌”现象与热风回流共同影响空冷凝汽器的换热情况，更加恶化凝汽器的换热效果。

2.2.2 加装挡风墙对空冷凝汽器换热效率的影响

通过模拟计算得出在主导风向相反风向下，空冷单元空气流量随环境风速的变化如图8(a)所示，凝汽器换热效率随环境风速的变化如图8(b)所示。

从图8可看出：加装挡风墙(有水平挡板)后，虽然整个空冷岛空冷单元空气流量有所增加，但是空冷凝汽器换热效率却降低了；加装挡风墙(无水平挡板)后，整个空冷岛空冷单元空气流量和空冷凝汽器换热效率均有所下降。这是因为加装挡风墙后，虽然空冷岛中间区域的空冷单元空气流量稍有下降，但是迎风侧空冷单元空气流量增加，并且加装水平挡板增加了背风侧空冷单元空气流量；但是加装挡风墙后，空冷岛背风侧出现热风回流现象，所以凝汽器换热效率不但没有增加，反而降低了。结合厂址水文气象条件可知，主导风向相反风向下夏季平均风速为4.5 m/s，此时加装挡风墙(有水平挡板)、挡风墙(无水平挡板)分别比不加挡风墙前的换热效率降低了5.75%,12.19%。

为了改善主导风向相反风向情况下，挡风墙对空冷凝汽器换热效率的影响，可以在背风侧水平挡板边缘处竖直加装一定高度的挡风墙[9-10]，减少热风回流量。

图8 空冷单元空气流量、凝汽器换热效率随环境风速的变化曲线

3 结 论

(1)不加挡风墙时，在大风情况下空冷岛出现热风回流和“倒灌”现象，严重影响凝汽器的换热效率。

(2)在主导风向下，加装挡风墙后，热风回流和“倒灌”现象消失，有效改善了空冷岛周围的空气流场和空冷凝汽器的换热效率；在夏季平均风速5.5 m/s时，加装挡风墙(有水平挡板)、挡风墙(无水平挡板)后，凝汽器平均换热效率分别比不加挡风墙时提高了44.90%,35.48%。

(3)在主导风向相反风向下，加装挡风墙后，由于热风回流现象，换热效率比不加挡风墙时有所降低；在夏季平均风速4.5 m/s时，加装挡风墙(有挡风墙)、挡风墙(无水平挡板)后，凝汽器平均换热效率分别比不加挡风墙时降低了了5.75%,12.19%。

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(编辑：蒋毅恒)

NumericalSimulationofAirCoolingIslandwithWindbreak

ZHOU Lanxin, WANG Xiaofei, WANG Zhe, WU Ruikang

(Key Lab of Ministry of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment,North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China)

Under the condition of strong wind, the combination of hot air recirculation and ‘intrusion’ phenomenon results in the reduction of heat transfer efficiency of air cooling condenser. In order to improve the impact of environmental wind on air cooling condenser, this paper proposed the scheme that installed the windbreak on the leeward side of air cooling island (in the dominant wind direction). Taking a 600 MW direct air cooling unit as an example, the external flow field of air cooling island was numerically simulated with using CFD (computational fluid dynamics) software. The impact of windbreak on heat transfer efficiency of air cooling condenser with different wind speed in the dominant wind direction or the opposite direction was analyzed. The calculation results show that, in the dominant wind direction, the air flow of air cooling unit with windbreak significantly increases, and the heat transfer efficiency of air cooling condenser is improved; in the opposite direction, the installation of windbreak make the hot air recirculation occur on the leeward side of air cooling island and the heat transfer efficiency of air cooling condenser decrease, and the windbreak with certain height installed at horizontal baffle edges on leeward sid can improve the phenomenon of hot air recirculation.

air cooling island; hot air recirculation; intrusion; windbreak; numerical simulation

TK 264.1+1

： A

： 1000-7229(2014)05-0088-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.05.015

2013- 11- 01

：2013- 12- 25

周兰欣(1956)，男，教授，主要从事直接空冷机组节能研究工作；

王晓斐(1988)，女，硕士研究生，研究方向为直接空冷机组节能，E-mail：qiu_6661@126.com；

王喆(1987)，男，硕士研究生，研究方向为直接空冷机组结构优化；

吴瑞康(1989)，男，硕士研究生，研究方向为直接空冷节能。