环境风作用下小规模直接空冷系统流动传热性能分析

刘 学， 李国栋， 张瑞颖， 陈 磊， 杨立军

(1.华电重工股份有限公司， 北京 100070；2.华北电力大学 能源动力与机械工程学院， 北京 102206)

0 引 言

相对于其他电站冷端系统，空冷系统在节约水资源方面具有天然优势。其中，直接空冷系统具有初投资低的特点，广泛应用于我国内陆干旱地区电站。受实验复杂性的限制，直接空冷系统的流动换热性能通常采用数值方法来模拟得出[1]。利用数值方法，现有研究针对大规模直接空冷系统(通常机组容量为300 MW及以上)，研究了环境风对直接空冷系统的负面影响，并且提出了相应的解决方案。YANG等[2]阐明了环境风对空冷凝汽器的不利影响及其衰减机理，其中考虑了热流再循环现象。HE等[3]研究了轴流风扇的进气温度分布，并揭示了高温区形成的机理。为了限制风的影响，研究了多种类型的挡风玻璃[4，5]。VENTER等[6]研究了挡风玻璃对轴流风机的作用机理，并提出了合理的挡风玻璃高度。此外，CHEN等[7，8]提出了在水平轴向上安装了感应式轴流风机和轴流风机这一种新的空冷凝汽器布局，从而显着提高了冷却性能。不仅如此，还很好的研究了主动调整风机阵列的方法。为了减弱横风对空冷凝汽器的不利影响，KONG等[9，10]提出了具有圆形排列和成一直线配置的翅片管束的空冷凝汽器新颖布局。HE等[11，12]研究了轴流风机的转速和设定角规则，发现整个风机阵列调整性能最佳。在我们之前的研究中[13]，提出了轴流风扇的调整策略以优化发电效率。

现有研究大多针对大规模直接空冷机组进行研究，通常为发电功率为300 MW以上的空冷机组，其流动换热性能变化规律，尤其是环境横向风的不利影响及其优化调整措施已得到了较为全面的理解。然而，小规模直接空冷系统的环境风作用机理及规律与大规模直接空冷机组并不相同，此方面的研究较为缺乏。因此，本文以某50 MW光热电站3×4小规模直接空冷系统为研究对象，深入研究了环境气象条件对其流动换热性能及机组背压的影响规律。其中，环境温度包括19.2 ℃、38 ℃和45.1 ℃。环境风向为0°、90°、180°和270°。环境风速为3 m/s、6 m/s、9 m/s和12 m/s。通过本文的研究，可以为小规模直接空冷系统的经济运行和优化研究提供参考。

1 数值模型

1.1 控制方程

空气侧流动换热控制方程的一般形式为[3]

(1)

式中：φ代表相关变量，Γ表示扩散项，S是源项。

对于连续性方程，φ=1，Γ=0，S=0。关于能量方程，φ=cpT，Γ=μe/σT，S=0。对于i，j方向的动量方程和k，源项S的表达式如下。

(2)

用可实realizablek-ε模型模拟湍流，湍动能和湍流耗散率表示如下。

S=Gk+Gb-ρε

(3)

(4)

式中：k为湍动能；ε为湍流耗散率；i、j、k为不同方向；ρ为空气密度；u为气流速度；μ为空气的动力粘度；σ为湍流普朗特数；Gk和Gb分别为由层流速度梯度和浮力产生的湍动能。

1.2 几何模型及边界条件

如图1所示，表示的是空冷岛及其周边主要建筑物的几何模型。由于集热塔热量主要集中在塔顶部，距离空冷岛平台较远，可以忽略其对空冷岛的影响。因此，主要考虑建筑物外形对流场的影响。通过建立与实际尺寸相一致的几何模型，并建立如图2所示的环境大空间计算域，进行如图3所示的网格划分，导入数值模拟软件中进行模拟计算。其中，计算域尺寸应足够大，以消除不真实外边界对计算结果的影响。网格独立性验证采用的是在设计工况下，比较生成不同网格数量的模型模拟所得的计算热负荷与设计热负荷之间的相对误差，如表1所示。可以看出，最后两套网格数量之间，计算热负荷误差最大为0.043 6%，因此选取网格数量为19, 598, 791。同时，论文中所使用空冷单元模型已在发表论文[9]的模化实验验证部分进行了模型实验验证，保证了计算结果的准确性。

表1 网格无关性验证Tab.1 Grid independence verification

图1 光热电站几何模型Fig. 1 Geometric model of solar-thermal power plant

图2 计算域示意图Fig. 2 Schematic of computational domain

图3 网格划分Fig. 3 Illustration of meshes

计算域的边界条件选取如下：将有风一侧计算域边界设置为速度入口(velocity-inlet)，相对一侧设为压力出口界条件(pressure-outlet)，底部为地面(wall)，内部计算域分块辅助面为内部面(interior)，主厂房等设置为等热流壁面(wall)。流体为理想不可压空气。

用稳态模型处理带有非稳态特性的工况，残差的收敛情况仅是一个计算过程的参考因素，不再是决定收敛与否的判据。空冷单元模型计算结果的收敛准则采用如下标准：最小绝对压强为1 Pa；最大绝对压强限制是5e+10 Pa；最小和最大温度为1 K、5 000 K；监测实体风机模型出口平面的体积流量；监测换热器换热量，监测数值与设定换热器参数所使用的实际数据之间的差值范围是否合理。检查流入和流出整个系统的质量、动量、能量是否守恒。若守恒，则认为计算收敛。计算过程中，所监测的空冷岛各性能参数之间的误差，包括空冷岛冷却空气流量、热负荷等参数少于0.1%，也可以认为计算是收敛的。

在计算过程中，采用的是simple算法，为了加速计算收敛，可以先计算流场，再计算温度场，这样可以有效的提高计算效率，同时可以有效的防止计算过程中出现计算发散的情况产生，尤其是在高风速的情况下，流场比较紊乱，给模拟造成很大困难，在此过程中可以首先采用上述方法。也可以通过修改松弛因子，来控制计算过程，达到比较好的收敛效果。

1.3 迭代计算流程

如图4所示，表示的是数值计算过程中的迭代计算流程图。可以看出，在给定汽轮机排汽流量的情况下，首先，通过假设机组背压设置初值，可以查取相应的排汽温度，将其作为空冷凝汽器翅片管束Radiator模型的参考温度，进行冷却空气与翅片管束内蒸汽的换热模拟。其次，给定轴流风机模型性能参数和空冷凝汽器翅片管束流动换热性能参数，实现空冷系统流动换热过程的模拟。再次，通过统计数值计算结果，包括空冷凝汽器冷却空气流量和入口空气温度，计算得到机组背压计算值。最终，通过比较机组背压设置初值和计算值，若误差在允许范围内，则认为计算收敛；否则，重新假定背压初值，直到计算收敛。通过数值计算，可以获得不同环境气象条件下的机组背压、空气侧流动换热性能变化规律，实现环境风对空冷机组不利影响的研究。

图4 计算迭代流程图Fig. 4 Schematic of iterative procedure

2 结果及讨论

如图5所示，表示的是空冷岛与厂区建筑物及风向角之间的相对位置关系，并对空冷单元进行了编号。可以看出，该小规模空冷岛空冷凝汽器单元成矩阵式分布，包含4行3列共12个单元。

图5 空冷凝汽器单元编号及风向角方位Fig. 5 Serial number of air-cooled condenser and wind directions

2.1 空气流场及温度场分布

为了直观地展示环境气象条件对空冷岛流动换热性能的影响，下面以设计环境温度19.2 ℃为例，图6至图9展示了0°、90°、180°和270°共4个风向角下，环境风速为3 m/s和12 m/s时，沿风速方向竖直截面内空气流场和温度场分布情况。其中，彩色云图表示的是温度场，带线头的曲线簇表示的是流场分布情况。

图6 0°风向角下不同风速截面温度速度分布(℃)Fig. 6 Temperature and flow field in cross section under different wind speeds at wind direction of 0° (℃)

图7 90°风向角下不同风速截面温度速度分布(℃)Fig. 7 Temperature and flow field in cross section under different wind speeds at wind direction of 90° (℃)

图8 180°风向角下不同风速截面温度速度分布(℃)Fig. 8 Temperature and flow field in cross section under different wind speeds at wind direction of 180° (℃)

图9 270°风向角下不同风速截面温度速度分布(℃)Fig. 9 Temperature and flow field in cross section under different wind speeds at wind direction of 270° (℃)

可以看出，各个风向角下，迎风面空冷凝汽器单元内部流场紊乱，空气温度较高，导致该位置凝汽器单元流动换热性能差。造成这种现象的原因是环境风作用下迎风侧空冷凝汽器单元轴流风机入口条件恶化，其气动性能受到环境风的严重不利影响，最终导致通过轴流风机冷却空气流量下降，该位置空冷凝汽器单元流动换热性能恶化。并且，随环境风速不断增加，轴流风机气动性能持续恶化，导致迎风侧单元内部空气流程紊乱程度加剧，冷却空气流量降低，空冷凝汽器单元流动换热性能进一步恶化。另一方面，随环境风速增加，空冷岛出口热空气抬升高度明显降低，导致环境风对空冷岛出口热空气的压制作用愈发明显，不利于空冷岛整体的流动换热性能。不同的是，在270°风向角下，由于上游建筑物的遮挡，在空冷岛上游形成了明显扰动，导致该风向角下空冷岛流动换热性能与其他风向角差异较大。总之，不同风向角下，空冷岛迎风侧空冷凝汽器单元流动换热性能将受到环境风的不利影响，并且风速越大，环境风的不利影响越明显。

2.2 轴流风机流量和入口空气温度分布

为了评价环境气象条件对空冷岛流动换热性能的影响，下面以设计环境温度19.2 ℃为例，以柱状体的形式，统计了0 °、90 °、180 °和270 °共4个风向角下，当环境风速为3 m/s和12 m/s时，各空冷凝汽器单元轴流风机冷却空气流量及其入口空气温度变化情况，如图10～17所示。

图10 0°风向角下不同风速各轴流风机流量分布Fig. 10 Flow rate distributions of axial flow fans under different wind speeds at wind direction of 0°

图11 0° 风向角下不同风速各空冷凝汽器单元入口空气温度分布Fig. 11 Inlet air temperature distributions of condenser cells under different wind speeds at wind direction of 0°

图12 90°风向角下不同风速各轴流风机流量分布Fig. 12 Flow rate distributions of axial flow fans under different wind speeds at the wind direction of 90°

图13 90°风向角下不同风速各轴流风机入口空气温度分布Fig. 13 Inlet air temperature distributions of condenser cells under different wind speeds at wind direction of 90°

图14 180°风向角下不同风速各轴流风机流量分布Fig. 14 Flow rate distributions of axial flow fans under different wind speeds at wind direction of 180°

图15 180°风向角下不同风速各空冷凝汽器单元入口空气温度分布Fig. 15 Inlet air temperature distributions of condenser cells under different wind speeds at wind direction of 180°

图16 270°风向角下不同风速各轴流风机流量分布Fig. 16 Flow rate distributions of axial flow fans under different wind speeds at wind direction of 270°

图17 270°风向角下不同风速各空冷凝汽器单元入口空气温度分布Fig. 17 Inlet air temperature distributions of condenser cells under different wind speeds at wind direction of 270°

可以看出，在0°风向角下，迎风侧第一列空冷凝汽器单元轴流风机流量最低，入口空气温度相对较高，导致迎风侧空冷凝汽器单元流动换热性能恶化。尤其是高风速12 m/s条件下，环境风的不利影响明显增强。下游第二、三列空冷凝汽器单元受环境风影响较弱。在90°风向角下，迎风侧第四行空冷凝汽器单元轴流风机流量随风速增加而下降，其入口空气温度随风速增加而上升。在180°风向角下，第三列空冷凝汽器单元处于迎风位置，明显受到环境风的不利影响。在270°风向角下，由于建筑物的遮挡，使得通过各个位置的轴流风机冷却空气流量差异较小。相对于其他风向角，轴流风机入口空气温度整体相对较高。然而，处于空冷岛中心的第二例空冷凝汽器单元入口空气温度最高，并且随风速增加，空冷凝汽器单元入口空气温度变化并不明显。总之，不同风向角下，环境风的不利影响主要体现在空冷岛迎风侧空冷凝汽器单元冷却空气流量和入口空气温度的变化，并且下游空冷凝汽器单元受环境风影响并不明显。在270°特殊风向角下，环境风受建筑物的干扰作用，虽然空冷凝汽器相互间差异不明显。

2.3 机组背压

最终，在不同环境气象条件下，环境风的不利影响将反映在机组背压的变化。如图18至图20所示，展示的是不同环境风向、风速和温度条件下机组背压变化情况。

图18 环境温度为19.2 ℃下背压随风速和方向的变化Fig. 18 Variation of turbine back pressure versus wind speed and direction under 19.2 ℃

图19 环境温度为38 ℃下背压随风速和方向的变化Fig. 19 Variation of turbine back pressure versus wind speed and direction under 38 ℃

图20 环境温度为45.1 ℃下背压随风速和方向的变化Fig. 20 Variation of turbine back pressure versus wind speed and direction under 45.1 ℃

可以看出，不同环境气象条件下，直接空冷机组背压变化趋势基本一致。随风速增加，机组背压呈不同程度的上升趋势；随环境气温增加，机组背压整体有所上升。另一方面，90°和270°风向角下，机组背压在所有风速范围内均较低。然而，0°和180°风向角下，机组背压在所有风速范围内均较高。这是由于90°和270°风向角下，受环境风不利影响的迎风侧空冷凝汽器单元数量高于0°和180°风向角，使得直接空冷系统流动换热性能整体下降，最终导致机组背压上升。同时，90°风向角下，空冷岛上游并无遮挡，使得其流动换热性能最佳，机组背压最低。

3 结 论

本文采用数值模拟方法，建立了某50 MW光热电的直接空冷系统数学物理模型，研究了不同环境气象条件下该小规模直接空冷系统流动换热性能变化规律，获得了不同工况下空气侧流场及温度场分布规律，并对空冷岛各空冷凝汽器单元轴流风机冷却空气流量和入口空气温度进行了统计，绘制了机组背压随环境气象条件的变化曲线。通过对计算结果进行分析，得出以下结论：

(1)迎风侧空冷凝汽器单元受环境风不利影响影响较大，并且随风速增加，影响程度逐渐加深，下游空冷凝汽器单元受影响并不明显；

(2)在所有风向角下，机组背压随风速增加而上升，随环境温度上升而上升；

(3)0°和180°风向角下，空冷岛流动换热性能受影响程度比90°和270°风向角高；

(4)建筑物的扰流作用对直接空冷系统流动换热性能具有不利影响。