直接空冷凝汽器单元流场分析

吕正凯， 赵兰萍， 黄 维， 杨志刚

（1.同济大学制冷及低温工程研究所，上海2018 04；2.同济大学上海地面交通工具风洞中心，上海2018 04）

0 引言

直接空冷凝汽器将空气作为冷却介质，使得它的节水效果大大提高。研究发现，采用直接空冷系统发电厂的用水量比采用水冷系统的节约70%左右，使得直接空冷凝汽器在水资源短缺的地方得到了迅速的发展[1～5]。

直接空冷凝汽器框架内的流场分布对空冷系统的换热特性有很大影响。而框架内流场是复杂的三维流动问题，受不同速度的来流横风、来流风向角、几何结构等因素的影响。因此利用数值研究的方法分析直接空冷系统在多种工况下的运行特性[6～9]，对于直接空冷系统的设计研发和安全高效运行有着重要意义。

本文的研究对象为容量600 MW的直接空冷凝汽器，利用Fluent软件对多种工况下运行的流场特性进行了研究，包括不同的来流横风和来流风向角。

图1 空冷凝汽器构成图

1 空冷凝汽器模型

1.1 物理模型

图1所示，直接空冷系统由空冷凝汽器、风机、支撑结构等构成，其中凝汽器由单排蛇形扁管管束组成，并且左右两组换热器管束呈“A”字形布置。正下方为轴流风机，它的直径为9.14 m，对应的功率为80 kW。蒸汽分配管设置于换热器的顶端，其管径为1.5 m。由于热回流的影响，在换热器平台的四周设置挡风墙。下图为蛇形翅片扁管示意图和空冷凝汽器单元示意图。

图2 蛇形翅片扁管示意图

图3 蛇形翅片管结构尺寸（侧面）

图4 蛇形翅片管结构尺寸（剖面）

1.2 数学模型

数值模拟的传热过程包括风机、翅片管束，采用标准湍流模型进行描述。空冷器中的分级和蛇形翅片扁管换热器分别处理成一个平面和多孔介质。控制空气流动的微分方程如下：

质量守恒方程：

动量方程：

湍动能耗散率方程：

湍动能方程：

式中 ρ—流体密度，kg/m3；

u—流体速度，m/s；

i，j，f—自由指标，取1，2，3；

P—流体静压，Pa；

Fi—外部体积力，N；

Gk—由平均速度梯度而产生的湍动能，m2/s2

Gb—由浮生力产生的湍动能，m2/s2；

k —湍流动能，m2/s2；

ε—湍流耗散率，m2/s3；

μeff—流体有效动力粘度，Pa·S；

μt—湍流粘滞系数，m2/s。

1.3 边界条件

平台以上15 m四面风墙设为对称面边界条件，蒸汽分配管设为壁面边界条件，风机以下的四个平面亦设为对称边界条件。计算区域进出口条件分别为速度进口和压力出口，其余面设为对称性边界。按照集总参数法的思想，将风机看作一个薄面，在计算模型中输入的风机静压与法向速度之间的关系式由风机性能曲线确定。

利用最小二乘法依据图4的风机性能变化曲线拟合出相应的关联式：

Pst=0.939 V3-16.9219 V2+73.7647 V+41.5745（5）

式中 Pst—风机静压，Pa；

V—法向速度，m/s。

关于蛇形翅片扁管换热器的模拟，本文采用由Patankar等人提出的模型[10]，即把蛇形翅片管束处理成多孔介质。相应的关系式为：

图5 风机性能曲线

式中 Si—附加源项，Pa/m；

μ —动力黏性系数，Pa·S；

C2—惯性阻力系数矩阵。

其中，1 a和C2可根据蛇形扁管换热器的流动阻力的变化曲线确定。

图6 蛇形翅片管的气侧流动阻力变化图

根据图6拟合得到换热器的阻力与迎面风速的关系：

ΔP=2.0345 V2+12.9655 V （7）

本文采用环境温度为30℃，根据式（7）可以得到内部阻力系数为3168 500，黏性系数C2为15.3489。

1.4 网格划分

本文计算区域选取一个完整的空冷流场单元，包括蛇形扁管换热器组成的凝汽器、轴流风机、蒸汽分配管等。采用Gambit软件进行网格划分，为了减小进口处流场的不均匀性的影响同时避免出口处产生回流，将模拟计算区域在空冷器的上下分别延长30 m。结构规则的区域使用六面体网格，结构不规则的区域使用四面体网格。同时对重点关注的区域进行网格加密，进出口段使用粗网格。通过多套网格的计算检测了网格无关性，最终使用的网格的单元总数约为70万。网格划分如图7、图8所示。

图7 模拟计算区域

图8 网格划分示意图

2 计算结果分析

2.1.1 正Z方向横风对空冷凝汽器流场的影响

横风会增强热回流的影响，同时削弱了汽轮机的出力，使得单元流场的不均匀性增大。本文考察了五个不同工况下的空冷单元流场的特性，对应的来流横风的速度是：2 m/s、3 m/s、4 m/s、5 m/s、6 m/s。

（1）横风速度为2 m/s时的等值线图如图9所示。

（2）横风速度为6 m/s时的等值线图如图10所示。

图9 横风速度为2 m/s时的等值线图

图10 横风速度为6 m/s时的等值线图

从图9和图10可以看出，当风向为正z方向时，凝汽器单元左右两侧的速度分布是对称的，气体流经风机时类似于通过一个突缩和突扩的空间，气流组织变得更加紊乱，在风机吸风口处的流速最大。由于速度深受横风作用的影响，在换热管束上的流场分布中，高速度区域向出口方向有所倾斜。随着来流速度的增大，压制了轴流风机的鼓风作用，风向被压低。

图11 正Z方向横风空气体积流量与来流速度的关系

从图11可以看出，随着横风流速的增加，通过换热器的空气流量随之下降。当来流速度为2 m/s时，对应轴流风机的吸风量约为385 m3/s，当来流速度为6 m3/s时，对应的吸风量为231 m3/s，下降了40%，说明横风流速的增大，较大幅度的降低了轴流风机的吸风能力。还可以看出，左右侧换热器的空气体积流量的变化曲线基本重合，说明流经左右两侧换热器的空气量大体相同，这是由于两侧换热器流场的速度分布是对称的。

2.1.2 正X方向横风对空冷凝汽器流场的影响

（1）横风速度为2 m/s时的等值线图如图12所示。

图12 横风速度为2 m/s时的速度等值线图

（2）横风速度为6 m/s时的等值线图如图13所示。

图13 横风速度为6 m/s时的速度等值线图

图14 正X方向横风空气体积流量与来流速度的关系

由图14可知，当来流横风为正X方向时，由于来流横风的冲击作用，阻碍了迎风侧换热器的流出空气的上升，并在蒸汽分配管顶部形成绕流。横风同时又促进了背风侧换热器流出的空气的流动，使得流出空气的流速大于迎风侧。所以在相同的风速下，迎风侧的空气流量小于背风侧的。对于迎风侧换热器，对应的排风量随着流速的增大而减小，下降趋势比背风侧的更加明显。

2.2 来流风向角对凝汽器流场的影响

本文主要考虑不同风向角的流体对凝汽器单元流场特性的影响。共建立3个几何模型，分别是（0°，90°），（30°，60°），（45°，45°），流体的迎面风速为4 m/s。图15，16和17分别是来流风向角为30°、45°、60°时的速度截面分布图。

图15 来流风向角30°速度分布

图16 来流风向角45°速度分布

图17 来流风向角60°速度分布

由图可知，流体风向角有效地影响了换热器出口位置的速度分布，使得不同风向角下的冷凝器单元流场差异很大。并且45°角对应的速度场更加紊乱。由于在背风侧有漩涡形成，会产生气体的回流。

图18 空气体积流量随风向角的变化曲线

由图18可知，当风向角相同时，流经迎风侧的空气量小于背风侧的，原因在于换热器外面的流体对流经迎风侧空气的阻碍作用增加了流体的阻力。对于迎风侧，风向角为0°～45°时，换热器的排风量越来越小，而当风向角为45°～60°时，换热器的排风量呈明显的增加趋势，在风向角为60°～90°时，通过换热器的空气流量基本不变对于背风侧散热器，随着风向角的增大排风量逐渐增大，在60°后又呈逐渐减小的趋势，但变化幅度较小。

3 结语

以600 MW典型空冷凝汽器为研究对象，建立了三维流动的模型，并进行了空冷凝汽器多种工况下运行的模拟分析，得出以下结论：

（1）横风风速的增加不利于空冷器的排风，随着风速的增加，换热器的迎面风速逐渐减小。对于背风侧换热器，正Z风向对其迎面风速的影响大于正X风向的；对于迎风侧换热器，二者对迎面风速的影响基本相当。因此，在实际设计和运行中要特别注意正Z方向的横风。

（2）来流风向角对空冷单元流场的影响比较大。对于轴流风机而言，它的吸风量随着来流风向角的增加而增大，升高幅度约为15%。为此在实际运行中应考量当地常年主导风向，以此确定空冷系统的布局，使换热器的90°角朝着本地常年风向。

[1]Taweny R，Khan J，Zachary J. Economic and performance evaluation ofheat sink options in combined cycle applications[J]. Journal of Engineeringfor Gas Turbines and Power，2005，127（2）：397～403.

[2]赵之东，杨丰利．直接空冷凝汽器的发展和现状[J].华北电力技术，2004，7（5）：44～50.

[3]Meyer C J，KR-GER D G. Air cooled heat exchanger inlet flow losses[J].Applied Thermal Engineering，2001，21（9）：771～786.

[4]Meyer C J，Kroger D G，Thiart G D. Numerical investigation of fan performancein a forced draft air-cooling steam condenser[J]. Applied ThermalEngineering，2006，26（8-9）：846～852.

[5]马义伟．发电厂空冷技术的现状与进展[J]．电力设备，2006，7（3）：5～7.

[6]屠珊，杨冬，黄锦涛，等.椭圆翅片管空冷器流动传热特性的研究[J].热能动力工程，2000，15（29）：455～458.

[7]杨立军，杜小泽，杨勇平.空气凝汽器全工况运行特性分析[J].中国电机工程学报，2008，28（8）：24～28.

[8]胡汉波，李隆键，张义华，等.直接空冷凝汽器三维流场特性的数值分析[J].动力工程，2007，27（4）：592～595.

[9]石磊，石诚，黄湘，等.直接空冷凝汽器单元样机流动和传热性能研究[J].热能动力工程，2009，24（1）：73～76.

[10]Pantankar S V，Spalding D B. Calculation procedure for the transient andsteady-state behavior of shell-and-tube heat exchangers [J]. Heat Exchangers，Design and Theory Source book，Edited by Afgan N. and Sciener.E. U，Scripta Boook Company，Washington，D. C. 1974 ，26（6）：36～41.