汽机房余热回收供热系统适用范围分析

曹慧哲1,赵天利1,瞿家港,翟金房3,蔡伟华

(1.哈尔滨工业大学建筑学院，寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室 黑龙江 哈尔滨 150090; 2.哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院,黑龙江 哈尔滨 150001;3.中国电力工程顾问集团 东北电力设计院有限公司,吉林 长春 130021)

0 引 言

火力发电厂汽机房由于其特殊的生产工艺过程，其内部有众多产热设备以及与其相连接的复杂热力管道，产生的大量热量聚集在机房顶部，为保障夏季室内生产环境，常设置屋顶风机将热量排除。位于严寒或寒冷地区的汽机房，其底部需设置暖风机(或大量散热器)以满足供暖需求[1]。若将夏季通风系统与冬季热风供暖系统有机结合，利用屋顶风机反转将机房顶部的余热送至下部工作层平台，充分利用机房内设备散热进行汽机房冬季自平衡供暖，满足建筑物自身供暖需求，从而达到很好的节能效果。

一直以来，汽机房夏季通风环境数值模拟受到的关注较多，而对其冬季供暖通风的气流组织数值模拟很少。康逸翁[2]利用CFD对汽机房的四种通风方案进行数值模拟，以便找出最优方案。DU[3]利用CFD对电厂汽机房室内热环境进行了分析研究。将模拟结果与现场测量数据进行比较得出：完整的CFD模拟方法适用于典型汽机房的室内热环境研究。张弘[4]对句容、长春、石河子三个地区的电厂汽机房的数值模拟，给出适合不同地区的电厂汽机房的通风方案，并给出了汽机房通风设计的定量改进意见。陈耀南[5]等人以某一实际火力发电厂主厂房为测试对象，实测结果显示汽机房室内温度存在明显的分层现象，并指出冬季工况下门窗的密闭性对主厂房内的温度影响巨大。事实上，汽机房内的冬季热环境更加复杂，主要表现在[3]：汽机房内的设备产生大量热量，使空气受热上升，垂向形成较大的温度梯度；水平方向的温度分布也不均匀性，如围护结构壁面处的温度要远低于中心设备附近温度；工作区域与非工作区域对温度的需求差异较大。

汽机房属于高大空间建筑，实验与模拟相结合的方法也表明其气流组织的复杂性及自然通风时的多解性[6]，因此，不能单独考虑湍流模拟在各个情况下的优劣[7]，应结合大空间建筑的实测与模拟结果选择合适的湍流模型[8-9]主厂房模型时国内学者都采取了大量的简化处理，很多模型无法正确反映实际工况，如现有文章中鲜有表现出运转层通风格栅与设备周围复杂的管线。刘元坤[10]将大空间生产车间的复杂设备简化为多孔介质，该方法不仅可以避免对复杂的管线进行建模，且仍然能表现出真实的气流组织。因此，需对火力发电厂主厂房的实际模型进行适当简化，将热力管道与产热设备合并处理，简化相关产热设备的几何外形，使其易于网格划分并减少模拟时的计算量。

1 汽机房模型建立

1.1 工程概况

本文主要研究的电厂汽轮机房尺寸为108 m×39 m×44 m。厂房整体几何模型和气流组织模拟过程中考虑的主要散热设备如图1所示，其顶部均匀布置4×10个送风射流口。

1.2 数学模型与边界条件

本文在Fluent模拟中选用Realizablek-ε模型来更好地描述射流的扩散速度，空气符合Boussinesq假设；针对汽机房的散热量较高的情况，采用DO辐射模型。

边界条件设定主要涉及壁面、热源、风口和格栅区域，具体设置列于表1。采用SIMPLE算法进行控制方程的求解，数值模拟中湍流耗散率、压力、动量、湍动能以及能量离散格式均采用二阶迎风格式，连续性方程、速度、能量、k、ε和辐射项收敛精度均为10-6，待整个流场速度的体积分布、流场的平均温度达到稳定，且各残差随着计算步数的增加趋于稳定时，则判定计算收敛。

表1 边界条件设置

1.3 网格无关性验证

本文采用结构化网格，鉴于此单体建筑体积较大，在网格无关性验证之后，最终其计算网格数选择为450万[11]。

2 汽机房自平衡通风供暖数值模拟

2.1 适用性因素

影响自平衡供暖的适用性显然有两个关键的因素[12]。首先是内部因素，即汽机房的规格差异。汽机房的主要规格有100 MW、300 MW、600 MW、1 000 MW等，这些不同规格的汽机房内部散热设备的散热量存在很大的差异；然后是外部因素，即地区性差异。不同地区的冬季室外温度有很大差距，这就意味着不同地区的汽机房冬季供暖热负荷也有很大差别。这两个因素都对自平衡通风供暖的适用范围有很大的影响，本文将从这两方面进行研究。

2.2 不同规格汽机房的研究方案与分析

以东营地区供暖室外计算温度-6.6℃为例，不同规格的汽机房其设备散热量不同，如表2所示。为适当减少工作量，将不同规格汽机房简化为相同尺寸模型，在保证机房内5 Pa微正压且室内保持最低通风量的工况下开启屋顶反转风机，进行自平衡通风采暖适用性的模拟分析。

表2 不同规格汽机房中设备的散热量

不同规格的汽机房数值模拟得到的各层平均温度与其规格正相关，如表3所示，即汽机房规格越大，其平均温度越高。不同规格的汽机房温度分布类似，仅存在数值差异。图2给出了100 MW汽机房和1 000 MW汽机房的温度场和速度场模拟结果，显然100 MW汽机房较1 000 MW汽机房速度场分布要更为均匀，而300 MW汽机房与100 MW汽机房类似，600 MW汽机房与1 000 MW汽机房类似。由于100 MW汽机房和300 MW汽机房的设备散热量不足以完全支持整个汽机房的自平衡供暖热负荷，此时屋顶风机反转从室外带来的冷量，使室内的热压梯度降低，在厂房顶部不足以形成较高热压。

表3 不同规格汽机房各层平均温度

2.3 不同地区汽机房的研究方案与分析

在对地区性差异进行研究时，选用600 MW的汽机房作为研究对象，选取严寒及寒冷地区的北京、锦州、沈阳、哈尔滨这四个具有代表性的城市进行研究，其分区与供暖室外计算温度[13]表4所示。

表4 四个典型城市供暖室外计算温度

不同汽机房各层平均温度如表5所示，汽机房内平均温度与供暖室外计算温度同样正相关。由于发电厂主厂房要求冬季供暖温度不低于5℃，即在此之上的温度为合格温度，可以看出北京、锦州和沈阳均在“合格线”以上，而哈尔滨则未达到规范中主厂房冬季供暖要求。由沈阳到哈尔滨的数值插值得，室外温度低于-20℃时，汽机房室内平均温度将低于5℃，不宜采用自平衡供暖方式。

表5 不同地区汽机房各层平均温度

对北京、锦州、沈阳、哈尔滨四个不同冬季室外温度的地区进行数值模拟，其总体速度场和温度场如图3所示。由于这四个地区的室外温度差异，导致的冬季供暖热负荷各异，虽然四个地区的温度场分布上差异较小，但在数值大小上有明显差异。随着冬季室外平均温度的降低，采用冬季自平衡供暖的汽机房室内温度也逐渐降低。当冬季室外温度降低到哈尔滨室外温度水平时，如图3所示，汽机房内大部分区域温度已经低于零度，这时机房内的速度场也有较大变化，速度场相比于北京、锦州和沈阳，速度场的分布更为均匀。这是由于室内温度较低，已经不足以在空间内形成热压，因此速度场分布较为均匀。

3 结 论

本文研究了影响冬季自平衡通风供暖适用性的两个关键性因素，利用CFD模拟针对不同因素情况下的汽机房内通风供暖进行分析，并得出以下结论：

(1)不同规格的汽机房采用自平衡供暖系统时，各层平均温度分布类似，数值差异较大。由于发电厂主厂房要求冬季供暖温度不低于5℃，以东营地区为例，1 000 MW、600 MW汽机房可采用自平衡采暖，且能够达到很好的效果，300 MW汽机房需要布置辅助散热器；而100 MW汽机房只采用自平衡供暖时，汽机房平均温度与所要求的最低温度相差较远，故只能辅助供暖。

(2)不同地区汽机房在自平衡供暖系统设计时，应综合考虑冬季室内外供暖设计温度和围护结构热工性能基础上详细计算供暖热负荷，特别是通风导致的冷风侵入量估算、屋顶风机反转所带来的附加热负荷以及机房内设备散热量等项。对于本文算例汽机房围护结构下，室外温度低于-20℃的地区就不宜采用自平衡供暖方式，在室外温度-15℃以下的地区需布置散热器以辅助自平衡供暖。

(3)由于不同规格的汽机房在设备布置上的差异，汽机房在反转风机影响下的气流组织往往有很大的不同。为了避免自平衡供暖通风系统中出现气流组织死角，产生供热盲区，在其设计过程中，针对具体汽机房和当地气候参数进行相应的CFD模拟，进而确定设计方案十分必要。