环境风影响下空冷风机群的分区调节

黄 鹤，赵廷进

(1.国家电投集团贵州金元股份有限公司，贵州 贵阳 550081：东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012)

环境风影响下空冷风机群的分区调节

黄 鹤1，赵廷进2

(1.国家电投集团贵州金元股份有限公司，贵州 贵阳 550081：东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012)

外界环境风对直接空冷机组风机运行有较大影响。基于环境风对不同位置空冷凝汽器的影响规律，提出了空冷风机转速分区调节的运行方案。以某330MW直接空冷机组为例，采用数值模拟，获得了各空冷单元的空气流量和出口平均温度；将转速调节由整个风机群具体到风机排，开展分区调节优化运行的研究。结果表明：位于环境风上游的空冷单元，其空气流量受环境风影响较大，平台上流场与温度场存在一致性；随着环境温度或风速的升高，各排风机最佳转速也随之增大。利用机组净收益的计算模型，能够确定5个不同分区轴流风机的转速，使机组净收益最大化。轴流风机转速分区调节方案，可为空冷机组节能运行提供参考。

直接空冷机组；环境风；分区调节；优化运行

直接空冷技术作为一种有效的节水方式，在我国富煤缺水地区获得了较快的发展。但其运行中存在着背压高，环境风影响大，风机群耗电量大等诸多问题。实际运行中，环境空气温度、风向和风速等参数[1]会不断变化，导致各空冷单元的入口平均温度、空气流量发生变化，使传热效果下降。此外空冷机组运行调节手段单一[2]，研究风机群的运行特性[3，4]，合理地调配不同位置轴流风机在不同环境参数下的转速是提高经济性的有效途径之一。周兰欣[5]采用传热单元数法，建立了某300 MW直接空冷机组冷端系统变工况特性的数学模型，分析了凝汽器压力及管道压损的变工况特性，得到了冷端系统的特性曲线。李慧君[6]通过研究直接空冷机组的运行优化，确定了风机最佳转速。刘丽华[7]对某2×330 MW直接空冷机组，将所有风机分成9个区，开展热力性能实验。通过分析实验数据，得到了风机群分区调节对机组背压的影响规律。本文以330 MW直接空冷机组为例，通过数值方法，得到各空冷单元空气流量和出口温度分布。将30个空冷风机按排分成5排，对每排风机转速进行区别调节，并与CFD方法相结合，计算不同环境风条件下机组功率和风机耗功的差值即机组净收益，建立风机转速分区调节机组净收益计算模型，以净收益最大化为目标，得到各排风机运行转速的最佳值。

1 空冷平台数值分析模型

1.1 几何模型与网格划分

以国内某330 MW直接空冷电站为例，采用CFD前处理软件Gambit进行物理建模，运用Fluent软件对处于环境风条件下的空冷平台进行了数值模拟。空冷平台由空冷凝汽器组合安装构成，与汽机房毗邻布置，如图1所示。

图1 空冷单元分布图图2 空冷机组模型网格划分

图3 环境风影响下总空气流量随网格数量的变化

图1给出了该机组锅炉房、汽机室、空冷平台的平面布置图。锅炉房长、宽、高分别为56 m，38 m，72 m。汽机室长，宽，高分别为76 m，51 m，40 m。锅炉房与汽机室之间的距离为20 m。空冷平台高度35 m，距离汽机室为15 m，由30个空冷凝汽器单元，6×5阵列布置组成。本模型采用Gambit进行建模和网格划分。鉴于模型计算区域很大，结构复杂，所以采用分块划分网格的方法，在保证计算精度的同时也减少了计算量，网格模型如图2所示。本文对网格总数分别为109万、125万和153万的空冷平台运行性能进行计算，进行网格无关性验证如图3所示。从图3中可以看出，随着网格数增加，空冷单元总空气流量在三种网格下计算结果变化很小，可认为109万的网格数已达到网格无关，最终确定网格数为109万。

1.2 数值计算方法及边界条件

环境风影响下的空冷系统换热特性是复杂流动换热过程，本例采用SIMPLE算法，选用标准k-ε湍流模型对空冷单元外流场进行模拟。对翅片散热管束进行必要的简化，设为无限薄的平面，换热流动特性利用多孔介质模型进行建模。空冷单元的风机直径设为9.7 m，设计静压为76 Pa。空冷单元轴流风机底面设置为风机模型，静压根据风机性能曲线设定。静压变化Δp表示为风机轴向流速的多项式函数为

(1)

式中：fn为多项式的系数；v为风机平面法向流体速度。根据风机性能曲线拟合获得的静压变化Δp与风机轴向流体速度的v关系式：

Δp=-0.004v4+0.093v3-1.097v2-3.831v+147.6，

(2)

计算域迎风面设置为速度入口边界，运用迪肯的幂定律描述风速沿高度的变化规律为

(3)

式中：z为任意高度；u10为距地面10 m高处的风速；m为地面粗糙度系数，结合电厂周围地表形貌，m取值为0.2。壁面和挡风墙设置为wall边界，支撑柱、汽机房和锅炉房都设置为固体边界，且不考虑锅炉和汽机的散热。

1.3 数值模拟结果及分析

以环境风正Y方向为计算工况，对空冷平台进行了数值模拟计算，环境空气温度为15.8 ℃，相对湿度为46%，风速设置为6 m/s，大气压力为92.4 kPa，排汽量为300 t/h，排汽比焓设为2 518 kJ/kg，风机运行转速均为60 r/min。假定计算区域内空气流动为稳态，不可压缩。依据穿过每个空冷单元的冷却空气流量和凝汽器单元出口平均温度来分析环境风对空冷平台换热性能的影响。

空冷单元空气流量分布，如图4所示。环境风会使穿过空冷单元的空气流量减少，第1排和第2排受环境风的影响较严重。处于中间区域的空冷单元较迎风面空冷单元受到的影响要小，最后排空冷单元的空气流量受环境风影响最小，基本上能达到设计值。造成这种现象的主要原因为轴流风机的抽吸作用使平台下方形成负压区，从而使正压区的空气向负压区流动。空气进入空冷凝汽器的路径为由下往上垂直于风机平面，但横向风的扰动，使空气不再以垂直速度流入空冷单元内部。同时环境风遇到外围的挡风墙时会产生漩涡，漩涡对外围空冷单元的流场有较大影响，越靠近迎风面影响越大。由此可知，空气流场的紊乱造成风机吸入的空气流量减少，导致风机出力不足。图5为空冷单元出口温度场分布，颜色的深浅表示出口温度的高低差异。由图5可知，所有风机运行频率相同时，空冷单元出口温度分布并不均匀，迎风面第一排风机温度明显高于其它部分，同时迎风面第二排部分温度也较高。冷却空气流量小，造成温升大。由空气流量分布图和凝汽器出口空气温度分布图可以发现，当所有风机运行频率相同时，各位置空冷单元流场分布并不均匀。越靠近迎风面影响越严重，空冷岛温度偏高区域同时也是冷却空气流量明显偏低的位置，即空冷平台上流场与温度场存在一致性。

图4 空冷单元空气流量分布图图5 空冷单元出口空气温度分布

2 机组净收益的计算模型

2.1 确定汽轮机排汽压力

在稳定工况下，汽轮机排汽的凝结放热量QV应等于冷却空气的吸热量[8]，有

(4)

(5)

式中：Qc为排汽热负荷，W；Cp为空气的定压比热容，J/(kg·K)；Fi为散热单元的传热面积，m2。凝汽器的饱和温度和饱和压力相互对应，经过拟合，饱和压力按下式进行计算：

(6)

计算排汽压力[9]时还应考虑排汽压损的存在对结果的影响，有

pc=f(ts)+Δp1+Δp2，

(7)

式中：Δp1为由管道、弯头和阀门等构件引起的压力损失；Δp2为从排汽口到凝汽器之间，由水蒸汽柱产生的压差，Pa。

2.2 确定风机耗功

风机额定转速为63 r/min，超速运行的最大值为110%的额定转速。依据某直接空冷机组的风机实测数据，将风机耗功率与转速之间的关系进行拟合，实测数据如表1 所示。由风机转速和耗功率之间的关系，拟合得：

Nf=2 136.3×n-5 181×n2+6 536.7×n3，

(8)

式中：Nf风机耗功率，kW。

表1 风机功率和转速的实测数据

图6 计算流程图

2.3 计算机组出力

依据汽机背压功率曲线[10]，可以确定机组在不同负荷下，机组出力与排汽压力的关系：

Nt=f(N,pc)，

(9)

式中：N为机组负荷，kW。

2.4 确定机组净收益

由公式(7)可得到风机转速变化后对应的机组排汽压力，由排汽压力可计算得机组功率Nt，由公式(8)可确定风机耗功率Nf，机组出力与风机耗功量之差为机组净收益，以净收益为目标函数进行计算，即当Δ(Nt-Nf)达到最大值时，所对应的各排风机转速即为最优运行方案。

3 分区调节的计算结果与分析

3.1 计算程序

计算程序的流程图，如图6所示。基于环境风对空冷平台的影响，使局部风量减小风机出力不足，进而引起空冷凝汽器换热的不均匀性。将30个空冷风机以排为单位分成5个分区，分别进行风机转速调节，在环境风向不变的情况下，考虑风速、风温的变化，建立机组净收益的目标函数，利用粒子群优化算法对模型中的参数进行优化，由排汽压力得到机组功率，分别得到机组功率和风机耗功功率随排汽压力变化的曲线。对两者求差值，当差值最大时，对应的5排风机转速为各自运行的最佳转速。

3.2 计算结果与分析

确定Y方向为环境风方向，在不同环境温度、风速条件下，对75%负荷工况进行计算，通过数值计算，获得了不同运行条件下5排风机的最佳风机转速。空冷机组在75%负荷，如图7所示，环境温度为10 ℃条件下运行，5排风机最佳转速与环境风速的关系。由图7可知，当机组负荷和环境温度不变时，随着风速的提高，空冷单元进风量减少，空冷凝汽器换热能力减弱，各排空冷单元最佳风机转速也随之提高。第1排风机转速相比其他部分风机转速有所提高，主要是因为风速越高对迎风面第1排空冷单元的换热影响越严重。其余四排风机受环境风影响差异不大，所以从第2排到第5排风机转速调节量大致相同。

图7 不同风速下各排风机最佳转速图8 不同温度下各排风机最佳转速

空冷机组在75%负荷，如图8所示，环境风速6 m/s条件下运行，5排风机最佳转速与环境温度的关系。由图8可知，温度为0 ℃时，风机转速明显低于其它温度条件，且各排风机转速差异更小，主要是随着外界空气温度的降低换热温差变大，空气流量对换热性能影响的权重降低。当机组负荷和环境风速一定的工况下，环境温度升高时，空冷凝汽器与冷却空气之间的换热温差变小；在换热量不变的情况下，则需要提高风机转速，增大空气流量，使空冷凝汽器达到所需的冷却效果。同时也对空气裕量大的风机进行转速调节，降低了风机耗功，减少了不必要的浪费。

4 结 论

(1)环境风的存在会使空冷单元各位置出现空气流量不均、凝汽器的出口温度不均的现象，尤其对迎风面第1排影响最严重，造成空冷系统换热性能下降。

(2)空冷凝汽器出口温度偏高区域对应着空气流量明显偏低区域，可知空冷平台上流场和温度场存在一致性，流场的变化引起了温度场的变化。

(3)随着环境风温度或风速的升高，各排风机最佳转速也随之增大，通过应用风机群分群调节机组净收益的计算模型，能够更准确调节各排风机的转速，为空冷电站风机群优化运行提供了参考。

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DivisionalRegulationofFanClusterforDirectAir-CooledUnitsinWindEnvironment

HuangHe1，ZhaoTingjin2

(1.SPIC Guzhou Jinyuan Co.,ltd.,Guiyang Guizhou 550081；2.Energy Resource and Power Engineering College，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012)

The ambient wind has a great impact on the operation of the direct air-cooling unit fan.The operation scheme of air-cooling fan speed divisional regulation is put forward，considering the influence of wind on the air-cooled condenser in different positions.Taking a 330MW direct air-cooling unit as example，The air flow rate and the outlet average temperature of each air-cooling unit are obtained by numerical simulation，The speed adjustment from the entire fan group to the fan row to carry out the optimization of divisional regulation study.The results show that：the air flow in the upstream of the ambient air is seriously affected by ambient wind，The flow field on the platform is consistent with the temperature field；With the ambient temperature or wind speed increases，the best speed of each exhaust fan also increases.Using the calculation model of the net income of the unit，it is possible to determine the rotational speed of the five different partition of the axial fan and maximize the net income of the unit.Axial fan speed partition regulation scheme can provide reference for energy saving operation of air-cooling unit.

Direct air-cooling unit；Environmental wind；Divisional regulation；Optimal operation

2016-11-23

黄 鹤(1969-)，男，高级工程师，主要研究方向：燃煤电厂节能减排、洁净燃烧、新能源、综合智慧能源供应等.

电子邮箱：huanhe@jyep.cn(黄鹤);1556738280@qq.com(赵廷进)

1005-2992(2017)06-0050-06

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