圆台形空冷单元供风方式优化数值模拟研究

程友良， 张 宁

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003)

圆台形空冷单元供风方式优化数值模拟研究

程友良， 张 宁

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003)

鉴于圆台形空冷单元换热中存在的诸多问题，保证空冷凝汽器单元的安全长久运行，通过在冷却壁面下部添加引风环，风机从侧面进风来改善圆台型空冷单元的换热效果。首先利用Fluent软件对出风口狭缝宽度以及倾斜角度对空冷单元换热特性的影响进行模拟分析，确定较优宽度与倾角，得出针对单个空冷单元较优的侧面供风结构；其次将空冷岛分散供风改为集中供风，将新型供风方式下空冷单元换热特性及经济性与原有供风方式进行对比，得到换热性能较好、经济性较好的供风方式。

空冷单元； 圆台形； 引风环； 侧面供风； 集中供风

0 引 言

我国电力日益增长的需求和北方富煤缺水的矛盾，使直接空冷机组得以快速发展。但其运行过程中存在着诸多不足，所以改进直接空冷机组的结构是研究的必然趋势[1]。为了加强空冷单元的冷却能力，Owen等[2]提出在合适的风速下提高风机的入口温度的方法来提高空冷凝汽器的换热效果。Moore等[3]和Chen等[4]分别研制了新型聚光式太阳能空冷凝汽器和垂直排列的空冷凝汽器，改善了空冷凝汽器的热流动性能，提高换热能力。杨建国等[5]利用试验风洞对翅片管的换热性能进行试验研究，结果表明，风机的风量和受迎面风速分布均影响翅片管的换热性能，当迎面风速沿翅片管轴向从下至上呈升高趋势分布时，换热效果更好。石维柱等[6]和周兰欣等[7]优化了空冷单元喷淋冷却系统，进而提高空冷单元的换热效果。程友良等[8，9]提出空冷单元内部导流板不同的布置方式和弓形导流板。贾宝荣等[10]提出加装空气导流装置削弱环境横向风的不利影响，提高冷却空气流量，改善空冷单元的传热状况。练海晴等[11]提出合理利用凝结水系统蓄能的方法。周兰欣等[12]研究了安装弧形消旋导流板来改变空冷单元内部冷却空气场的分布。程友良等[13]提出两种新型空冷单元，不仅降低了空冷凝汽器背压并减少了煤耗，且得出换热效果最好是在顶部挡板空隙率为0的时候。

众所周知，加大空气流量、提高空气流速是改善和增强空冷岛换热的重要途经，但这样会增加冷却风机的功耗而不利于机组的经济运行。因此，改进空冷散热单元的结构以实现最大限度的提高和利用空气流量，成为业内人士研究的重要课题。

本文在圆台形空冷单元的基础上，在冷却壁面下部设置引风环，将风机置于空冷单元侧面进行供风，造成负压，从而引导更多的空气通入空冷单元内部，加大空气量、提高空气流速，增强换热效果，得出针对单个空冷单元较优的侧面供风方式，这种改进已经申请了发明专利。在此基础上，对传统的空冷岛结构进行了改进，将传统的分散供风改为集中供风，此结构已申请发明专利，目前已授权[14]，对一台风机供两个和三个空冷单元利用Fluent进行了模拟研究，验证其优劣，并进行了经济性分析计算。

1 控制方程和边界条件

由于本文忽略空冷单元附近环境风的影响，故空冷单元附近的大气运动可认为是不可压缩定常流动，流体区域的流动应满足以下三维流动控制方程。

连续性方程：

(1)

动量守恒方程：

(2)

本构方程：

(3)

标准k-ε湍流模型：

(4)

由于考虑本文空冷平台有热交换，需采用能量方程，即

(5)

式中：ρ为空气的密度；u为速度；u，为脉动速度；p为空气的压强；μ为动力学黏度；ul为速度张量；xl为速度方向张量；μt为紊流动力黏性系数；k为紊动能；vi为一阶速度张量，vij为二阶速度张量；τij为应力张量；εij为应变力张量；i=1,2,3，j，k同理；E为内能；q为空气热流密度；T是温度。

空冷单元采用直径为15 m、高为12 m的圆柱形计算区域，风机入口的质量流量设为530.9 kg/s。壁面设为没有换热的墙面，将圆台形翅片管孔隙率设置成0.567，模拟环境为夏季，取环境温度为306 K。

2 针对单个空冷单元侧面供风结构

2.1 几何模型和网格划分

圆台形空冷单元是将原“Λ”形空冷单元的矩形底面置换为能够和风机更好匹配的圆形底面，顶截面和底截面的半径取2.35 m和4.877 m，垂直高度为9 m。由于运行时圆台形空冷单元存在局部高温等情况，故在冷却壁面下部设置送风环，引风环上下部分高度分别为2.5 m、0.7 m，对引风环出风口狭缝宽度δ和倾斜角度θ进行研究，将风机置于空冷单元侧面进行供风，风机通入的空气量通过单元送风管道进入引风环，由出风口狭缝吹出的空气流通速度被增大数倍，并携带周围的空气一起吹入空冷单元内部，增加了空气流量和流速。基本结构如图1所示。使用71万、95万、164万三种数量不同的网格进行无关性验证，最终确定该模型的网格数量为95万。

图1 几何模型Fig.1 Physical model

图2 模型网格Fig.2 Schematic diagram

2.2 模拟结果与分析

2.2.1 传统空冷单元

由图3知，最高温度为348.07 K，平均温度为335.29 K，换热面存在局部高温情况。

图3 x=0截面“Λ”形空冷单元温度和速度分布Fig.3 Temperature and velocity distributions of “Λ” shaped air cooled unit at x=0 section

2.2.2 圆台形空冷单元

由图4知，出口最高温度为335.86 K，平均温度为334.30 K，高温区域主要集中在空冷单元中下部区域，速度分布均匀，且温度较传统的空冷单元有明显的降低。

图4 x=0截面圆台形空冷单元温度和速度分布Fig.4 Temperature and velocity distributions of frustum cone-like air cooled unit at x=0 section

2.2.3 圆台形空冷单元侧面供风结构

本文分别设计模拟了出风口狭缝宽度δ在0.02～0.06 m范围内，以及倾斜角度θ为16°、17°、18°这15种不同结构的模型，θ和δ的具体位置如图1(b)中所示，记名方式为：狭缝宽度δ-倾斜角度θ(例如0.03-16)，模拟的温度和流线图结果如图5所示。

图5 在不同尺寸出风口狭缝宽度和倾斜角度下侧面供风结构的温度分布和流线图Fig.5 Temperature distributions and streamlined diagram under different slit width of outlet and inclination of side air supply structure

由图5所示，添加引风环后圆台形空冷单元内速度场和温度场都发生了较大改变。均降低了“Λ”字形和圆台形空冷单元换热面的高温问题。进口冷却空气速度剧增，从而带动了周围空气的流动，但是由于中间速度低，引风环附近速度高，也造成了涡旋和部分回流现象，从图5中可以看出，在倾斜角度为17°，狭缝出口宽度为0.03 m时，模型中的涡旋最轻微，而且此时温度最低，较其他结构都比较好，换热效果得到了明显的提高。将不同尺寸的单个空冷单元侧面供风结构模拟出的最高温度与平均温度绘制成了曲线图，如图6所示。

图6 在不同尺寸的出风口狭缝宽度和倾斜角度下各类空冷单元的温度变化趋势Fig.6 Variation tendency of temperature under different slit width of outlet and inclination of air cooled units

由图6可以看出，在倾斜角度一定时，随着出风口狭缝宽度的增大，即从0.02 m到0.06 m变化时，空冷单元换热面出口的最高温度先降低后升高，在出风口狭缝宽度为0.03 m时出现最低温度，倾斜角度为16°时为318.33 K，倾斜角度为17°时为317.28 K，倾斜角度为18°时为317.61 K，对应的平均温度分别为315.18 K、313.56 K、313.96 K，可以看出换热效果最好的结构是倾斜角度为17°且出风口狭缝宽度0.03 m时，此时的侧面供风结构，最高温度与环境温度306 K相差11.28 K，平均温度与环境温度相差7.56 K，均与环境温度最接近，换热效果较“Λ”形空冷单元和圆台形空冷单元有明显的提高，达到了历史新高。

3 新型集中供风方式

在现有的技术中，空冷岛的每一台空气冷却散热器的下面要配套一台风机，风机产生的风力吹向散热器表面，用来降低散热器的温度。这种分散供风的空冷岛不仅占地面积大且散热器的风机耗电量很高。解决此技术问题的思路是提供一种发电厂的新型集中供风方式，它可使一台风机同时供两个空冷单元或三个或更多的空冷单元来降温，降低发电厂空冷散热器的总体耗电量；本文第2节中设计研究了单个空冷单元侧面供风结构，得出了针对单个空冷单元较优的侧面供风结构，其最高温度和平均温度均比较低，既可以单独使用，同时也可以用此结构来降低电厂的总体耗电量，提高经济效益。本节在此基础上，对一台风机供两个和三个空冷单元进行了数值模拟研究，以期取得较好的经济性。

3. 1 几何模型和网格划分

一台风机供两个或三个空冷单元的基本尺寸、初始及边界条件均与本文第2节单个空冷单元侧面供风结构保持一致，风机的直径为9.754 m，风机入口的边界条件依然设为质量流量为530.9 kg/s的流量入口保持不变等，即在不改变风机的大小、风量的条件下，依靠每个空冷单元的出风口狭缝造成负压来吸收环境中的空气进行换热，进而达到降低煤耗，增加发电量的良好经济效益。依旧采用分块划分法划分网格，在保证网格质量的前提下，当一台风机供两个空冷单元时，经过无关性验证确定使用网格数量为198万的模型；当一台风机供三个空冷单元时，经过无关性验证确定使用网格数量为276万的模型。基本结构如图7所示。下面我们从一台风机供两个空冷单元进行验证。

图7 一台风机供多个侧面供风的空冷单元的基本结构Fig.7 The structure of a fan for multiple air cooled units

图8 一台风机供两个侧面供风空冷单元的温度分布图和流线图Fig.8 Temperature distributions and streamlined diagram of a fan for two air cooled units

3.2 一台风机供两个空冷单元

由于空气由图7主风道的左侧通向右侧，右侧单元送风管道吸入的空气量比较多，所以在相同的空冷单元的结构下，右侧空冷单元出风口狭缝的速度相对来说比较大，可从环境中吸入更多的空气量，进而造成温度分布不均，流动不稳定的情况，模拟的温度和流线图由图8所示。当一台风机供两个空冷单元时，最高温度为327.82 K，平均温度为321.26 K，比未加引风环的单个圆台形空冷单元的换热效果更好，降低了煤耗，节省了风机的用电量，并且两个空冷单元共用一台风机，省了一台风机，降低了购买成本。

3.3 一台风机供三个空冷单元

通风方式与一台风机供两个空冷单元的相同，模拟结果如图9所示，由于此时一台风机在相同的530.9 kg/s风量下同时供三个空冷单元，所以单个空冷单元送风管道吸入的空气量较少，但是单元送风管道吸入的空气量流经空冷单元出风口狭缝，流速增加，造成负压，吸收环境中更多的空气通入空冷单元内部进行换热，从而提高了换热效果，此时，换热效果较一台风机供两个空冷单元有所降低，最高温度为340.90 K，平均温度为329.13 K，整体换热效果还是优于传统的“Λ”形空冷单元，并且省了两台风机，降低购买成本，节省风机用电量。

图9 一台风机供三个侧面供风空冷单元的温度分布图和流线图Fig.9 Temperature distributions and streamlined diagram of a fan for three air cooled units

3.4 经济性分析

以一台风机供两个空冷单元为例进行说明：某电厂56台风机，风机的额定功率为132 kW，机组负荷600 MW，一年按300天计算，若一台风机供两个空冷单元，则可节省风机28台。

(1)节省风机用电量

W=Pt=9.5×105kW·h/年，按0.245元/kW·h计算，则共可节省652.4万元/年。

此处的计算过程中，忽略了节省风机所需的购买成本，若添加此部分，节省成本更高，经济性更好。

(2)降低煤耗

计算中锅炉效率取94%，管道效率取99%。由计算结果可得排汽温度每降低1 ℃，标准发电煤耗率降低1.74 g/kW·h。

则节省标准煤7516.8 t/年，按1吨煤300元计算，可节省近225.5万元/年。

(3)增加发电量

若将一年节省的煤7516.8 t用来发电，可多发电2.3×107kW·h/年，标准煤耗率按330 g/kW·h计算，可增加收入近563.5万元/年。

总结，按降低煤耗计算，可大约节省652.4+225.5=877.9万元/年；按增加发电量计算，可大约节省652.4万元/年，增加收入563.5万元/年。

将“Λ”形、圆台形、单个圆台形空冷单元侧面供风结构及集中供风方式下的空冷单元结构的温度、煤耗的变化及经济性分析总结成表1所示。

表1 不同供风形式的空冷单元温度、煤耗的变化及经济性分析

由表1可以看出，单个空冷单元新型供风结构由于引风环和侧面供风的作用，引导大量周围环境中的空气与空冷凝汽器进行换热，最高温度与平均温度均比圆台形空冷单元有明显的降低，减小了与环境温度的差值，此时的汽轮机排气温度更接近于通入的空气温度，显然换热效果更优于传统的“Λ”字形空冷单元；当一台风机供两个或三个空冷单元时，与传统 “Λ”字形和圆台形空冷单元进行比较，根据相关计算过程得到相应的煤耗变化，从表中可看出煤耗均有明显的降低；从表1中经济性分析一列可得出，经济性最好的是一台风机供三个空冷单元。

4 结 论

(1)单个空冷单元侧面供风结构，在倾斜角度为17°，出风口狭缝宽度为0.03 m时，换热效果最好，结构最优。均能够解决“Λ”形和圆台形空冷单元换热面存在的局部高温问题。

(2)集中供风方式下，即一台风机供两个或三个空冷单元时，在保证换热效果均优于传统“Λ”字形空冷单元下，能减少风机的使用数量，从根本上节省风机的用电量，降低煤耗，提高经济效益。

(3)比较不同供风形式的空冷结构，换热效果最好的是单个空冷单元侧面供风结构；经济性最好的是在集中供风方式下一台风机供三个空冷单元。

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Numerical Simulation Study of Air Supply Mode Optimization for Frustum Cone-like Air Cooled Unit

CHENG Youliang, ZHANG Ning

(School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

Considering the heat transfer problems of the frustum cone-like air cooled unit, the induced air ring is added at the lower part of the cooling wall, with side air supply from the fan, to improve heat transfer conditions of the frustum cone-like air cooled unit and ensure the safety and long-term operation of the air-cooled condenser unit. Firstly, the Fluent software is used to analyze the effect of the slit width of the outlet and the inclination on heat transfer characteristics of air cooled unit and determine the optimal width and inclination, thus obtaining a better side air supply structure for single air-cooled unit. Next, the disperse air supply of air cooling island is changed to centralized air supply, and obtain an air supply mode with better heat transfer performance and more economical system by comparing the heat transfer characteristics and economy of air cooled unit under the new air supply mode with those of the original one.

air-cooled unit; frustum cone-like; induced air ring; side air supply; centralized air supply

2017-04-20.

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2016MS154).

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2017.06.12

TK264.1

A

1007-2691(2017)06-0075-07

程友良(1963-)，男，教授，博士生导师，主要从事流体动力学及流体设备与节能方面的研究工作。