自然通风直接空冷系统蒸汽分配管阻力特性研究

刘学，李国栋，张瑞颖，侯一晨，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）

相对其他类型电站冷端系统，空冷系统在节约水资源方面具有天然优势。其中，传统机械通风直接空冷系统具有初期投资低的优点，但存在厂用电率高、噪音大、热风回流和夏季运行背压高等问题，不利于机组安全经济运行。自然通风直接空冷系统结合了直接空冷系统和间接空冷系统的优点，具有安全环保、易于维修和经济性高的特点，可有效促进电站空冷系统的进一步创新发展[1-2]。

针对传统电站直接空冷系统的研究较为成熟，但受限于实验的复杂性，通常采用数值模拟的手段对电站空冷系统的流动换热性能进行研究[3]。李健等[4]应用灰色差分微增量关联分析直冷系统，指出通过控制关联度较高的空冷单元风机转速来控制机组背压，能有效达到节能的目的。张贝等[5]在考虑风机集群效应的前提下，提出影响经济背压的主要因素是环境温度。Yang 等人[6]研究了环境风对直接空冷系统的不利影响及其衰减机理，并考虑了热风回流的影响。He 等人[7]研究了风机入口空气温度的分布规律，揭示了其高温区域形成的机理。Marincowitz[8]和Zhang[9]等人提出了多种形式的挡风墙，用于抑制环境风的不利影响。Venter 等人[10]研究了挡风墙对轴流风机性能的影响机理，并提出了最佳挡风墙高度。Chen 等人[11-12]提出了新型的空冷岛布置方式，可有效提高空冷岛冷却性能。Kong等人[13-14]提出了圆形和线形布置的翅片管束对空冷岛换热性能的影响规律。He 等人[15-16]研究了风机转速和安装角调整对空冷岛流动换热性能的影响规律。Chen 等人[17]研究了不同风机转速调节策略对发电效率的影响。王海涛等[18]针对百万千瓦级核电空冷机组排气管道流量分配进行了研究，指出核电空冷机组排气管道的流场特性与火电空冷机组基本一致。崔超等[19]针对自然通风直接空冷系统设计出一种新型倾斜翅片结构，为直接空冷系统布局优化提供了新的技术途径。李开建等[20]对塔式直接空冷系统的可行性进行了分析，与传统直接空冷、间冷系统相比，可有效提高经济效益。杨照[2]和王军亮[21]均对自然通风直冷塔冬季防冻问题进行了研究，提出启动、运行和停运3 个方面的防冻措施。刘志云等[22]采用多孔介质简化模型分析了侧向风对自然通风直冷塔性能的影响，指出迎风侧底部的漩涡区会减少空冷塔入口处的流体有效流通面积及空冷塔风量。Zhao 等人[23]设计了10 MW 熔盐反应堆的自然通风风冷凝汽器，增强了反应堆的安全性和可靠性。文献[24-26]针对传统直接空冷系统蒸汽管道的阻力特性进行了数值模拟分析，为传统直接空冷机组蒸汽管道的优化设计提供了参考。

可以看出，现有研究大多针对传统直接空冷系统环境风的不利影响及其应对策略，对新型自然通风直接空冷系统研究相对较少，且大多研究仅针对直接空冷系统空气侧流动流动换热性能，缺乏针对自然通风直接空冷系统蒸汽管道阻力特性方面的研究。本文通过自然通风直接空冷系统空气侧流动换热与蒸汽分配管蒸汽侧阻力特性耦合模拟的方法，研究了双层空冷凝汽器空气各冷却三角空气侧流动换热性能分布规律，并获得了树形蒸汽分配管道蒸汽分配特性及阻力特性变化规律，可为自然通风直接空冷系统的优化设计提供参考。

1 数值模型

1.1 数学模型

计算中涉及的主要数学模型如下：翅片管束采用Radiator 模型进行模拟，将空冷散热器翅片管束简化为散热器（Radiator）平面，在该平面上设置压力损失系数、换热系数等，其厚度简化为无限薄，且流经Radiator 模型的流动阻力以及经验损失系数均与流体的动压头有关[11]。空气流经翅片管束的压降Δp与迎面风速v的关系为：

式中：ρ为空气密度；v为空气流经管束的速度；kL为无量纲压力损失系数，通常用多项式表达为流速的函数：

式中：rn为多项式系数；当N=3 时，r1=71.689，r2=31.707，r3=4.798。

在传热模型的建立方面，空气流过翅片管束的换热量q，在翅片管束模型中表示为：

式中：twa为循环冷却水温度，在忽略水侧对流换热热阻和管壁导热热阻的情况下，该温度等于管壁外表面温度，在直接空冷系统中twa可取为饱和蒸汽凝结温度ts；ta为翅片管束进出口空气平均温度；h为对流换热系数，表示为流速的多项式形式：

式中：hn为多项式系数；当N=3 时，h1=536.993，h2=2 013.089，h3=97.772。

1.2 物理模型及边界条件

图1、图2 为自然通风直接空冷系统直冷塔、空冷凝汽器翅片管束及树杈形蒸汽分配管道等主要设备的物理模型。该系统采用的是“三塔合一”的结构形式，烟气流量为 1 000 kg/s，温度为48.7 ℃。由图1 可见，直冷塔为双曲线型钢筋混凝土塔，烟囱及脱硫塔布置在直冷塔中心，双层空冷凝汽器冷却三角翅片管束竖直布置在直冷塔入口，该系统几何尺寸见表1。

表1 自然通风直接空冷系统几何参数Tab.1 Geometric parameters of the natural draft direct air cooling system

图1 自然通风直接空冷系统结构示意Fig.1 Geometric illustration of the natura draft direct air cooling system

树杈形蒸汽分配管道共分为8 个扇区（图2），每个扇区均分为上下2 层，并与空冷凝汽器双层冷却三角翅片管束相连。空冷凝汽器冷却三角装配示意图如图3 所示。由图3 可见，主蒸汽管道通过二级分支，将汽轮机乏汽输送至各个扇区，通过扇区上下2 层分支出口，分别将乏汽输送至空冷凝汽器上下2 层冷却三角左右两侧翅片管束。

图2 蒸汽管道结构示意及空冷凝汽器扇区编号Fig.2 Geometric illustration of the steam distribution pipe and serial number of the air cooling condenser sector

图3 冷却三角布置及其装配示意Fig.3 Schematic diagram of the cooling deltas layout and assembly

在模拟计算自然通风直接空冷系统空气侧流动换热性能时，空冷塔计算域示意如图4 所示。由图4 可见，所采用的计算域为方形计算域，自然通风直接空冷系统位于模型计算域的中心位置。为消除不真实外边界对数值计算结果准确性的影响，所采用计算域的尺寸应足够大。自然通风直冷塔网格划分如图5 所示。对计算域进行网格划分，复杂结构采用四面体网格，规则几何体则采用六面体网格进行划分，同时注意网格尺寸间的过渡，以获得高质量的网格。在对蒸汽管道内蒸汽流动阻力进行数值计算时，蒸汽分配管道网格划分如图6 所示，采用四面体网格进行划分。经过网格无关性验证，最终确定空气侧数值计算网格数为7 259 991，蒸汽分配管道阻力计算网格为3 331 126。本论文采用的相关模型与文献[16]中所采用的模型一致，可间接验证本文数值模拟模型的准确性。同时，在机组设计工况下，通过比较数值模拟与实际运行时空冷系统热负荷，可进一步验证模型的准确性。在TMCR 工况下，当环境风速和温度分别为3 m/s 和14 ℃时，数值模拟结果与实际运行参数间的对比结果见表2，两者间的误差为0.3%，在合理范围内，说明了数值计算结果的可靠性。

图4 自然通风直冷塔计算域示意Fig.4 Computational domain of the natural draft direct air cooling system

图5 自然通风直冷塔网格划分Fig.5 Mesh generation of the natural draft direct air cooling tower

图6 蒸汽分配管道网格划分示意Fig.6 Mesh generation of the steam distribution pipes

表2 数值模拟结果与设计参数对比Tab.2 Comparison between numerical simulation result and designed parameters

1.3 数值迭代计算流程

由于自然通风直接空冷系统空气侧和蒸汽侧的几何结构及流动换热情况复杂，无法实现空气侧与蒸汽侧的同步模拟。本文采用空气侧流动传热与蒸汽管道内部蒸汽流动分步模拟的方法，具体计算流程如图7 所示。将空气侧流动换热的模拟结果作为蒸汽分配管道阻力计算的边界条件，实现空气侧与蒸汽侧的耦合模拟，获得更为真实的蒸汽分配管道阻力特性。具体计算流程如下。

图7 分步数值计算迭代流程Fig.7 Iterative diagram of step wise numerical simulation

1）在空气侧流动传热迭代计算过程中，首先假设冷却三角饱和蒸汽温度tsi，并同时设置空冷凝汽器冷却三角Radiator 模型参考温度为tsi；其次，通过数值计算，获得各冷却三角计算热负荷Φi′及饱和蒸汽温度tsi′，当假设温度tsi和计算温度tsi′误差、设计热负荷Φ和计算热负荷Φ′误差均在允许范围内，则认为计算收敛，否则重新设置初值，直到计算收敛；最终，可获得各冷却三角入口蒸汽流量分布情况。

2）在蒸汽侧阻力特性迭代计算过程中，假设蒸干度随压力变化保持不变，首先将空气侧模拟计算所得各三角入口蒸汽流量作为蒸汽分配管道出口蒸汽流量目标值，并设置蒸汽分配管道入口压力；最终，计算获得管道阻力特性变化规律。

2 结果及讨论

为进一步分析自然通风直接空冷系统空气侧流动传热性能对蒸汽管道阻力特性的影响规律，本节首先分析了不同环境气象条件下该自然通风直接空冷系统空气侧不同截面内空气流动传热情况，包括不同截面内的空气压力场、流场和温度场分布规律。通过分步模拟计算，最终获得自然通风直接空冷系统蒸汽分配管道阻力特性分布规律。

2.1 空气侧各物理场分布规律

通过分析不同气象条件下自然通风直接空冷系统的流动传热特性变化规律，可为蒸汽侧流动阻力特性的分析提供参考依据。以设计环境气温14 ℃为例，模拟分析了无风条件和环境风速为3 m/s 时，直冷塔内水平截面和竖直截面内的压力场、温度场和流场的分布情况。

图8 为无风条件下自然通风直接空冷系统空气侧水平和竖直截面内各物理场分布情况。其中：图8a)、图8c)为第1 层凝汽器管束1/2 高度处水平截面内压力场、温度场和流场分布；图8b)、图8d)为第2 层凝汽器管束1/2 高度处水平截面内压力场、温度场和流场分布；图8e)、图8f)为通过直冷塔轴线竖直截面内压力场、温度场和流场分布。

图8 无风条件下各截面内压力场、温度场及流场分布Fig.8 Counters of pressure field,temperature field,and flow fields in the absence of wind

由图8 可见，无风条件下，由于凝汽器冷却三角进出口条件基本一致，冷却空气流经凝汽器翅片管束，在其周围形成的压力场、温度场及流场基本呈中心对称的分布规律。由于蒸汽管道和烟道的布置，导致了部分冷却三角的空缺，这会对各物理场的均匀分布产生一定的影响。由于塔内外空气密度差，在塔内形成了逆压梯度，并产生浮升力，驱动冷却空气流经空冷凝汽器冷却三角进行换热，带走汽轮机排汽冷凝所放出的热量。另一方面，可以看出，不同高度第1 层和第2 层空冷凝汽器水平截面内压力分布并不相同，导致空冷凝汽器2 层冷却三角的流动换热性能不同。总之，在无风条件下，空冷系统各物理场近似于对称分布，使得空冷凝汽器相同层内的各冷却三角流动换热性能趋于一致，层与层间却不同。

图9 为风速为3 m/s 时，不同截面内压力场、温度场及流场分布。

由图9 可见：由于冷却三角沿直冷塔进口圆周进行布置，在环境风作用下，空冷凝汽器外围流场类似于圆柱绕流，冷却空气流速在侧风扇区流速上升，动压头上升，静压头下降；相反，迎风侧和背风侧扇区冷却空气静压则有所增加，使得该位置冷却三角流动换热性能优于侧风面冷却三角；在塔内，由于空冷凝汽器左右侧风扇区冷却三角冷却空气流量小，前后迎风扇区和背风扇区冷却空气流量大，在侧风面冷却三角出口附近形成了明显的涡流，并逐步向直冷塔内发展扩散，造成额外的阻力损失；另一方面，由于空冷凝汽器内布置了高度不同的两层冷却三角，且环境风大小沿高度方向呈增加趋势，使得处于不同高度冷却三角流动换热性能存在差异。总之，环境风作用下，沿空冷凝汽器圆周方向，各个位置冷却三角流动换热性能不同，并且处于两层不同高度的冷却三角流动换热性能也存在差异。

图9 3 m/s 风速下各截面内压力场、温度场及流场分布Fig.9 Counters of pressure field,temperature field and flow field at the wind speed of 3 m/s

2.2 蒸汽流量分布规律

通过对不同位置冷却三角蒸汽流量的分布情况进行分析，可有效反映不同环境气象条件下，自然通风直接空冷系统流动换热性能的变化规律。

图10 为环境风速为0、3 m/s 时，通过不同位置冷却三角翅片管束冷凝蒸汽流量分布情况。为便于分析，将通过同一层冷却三角的同侧翅片管束冷凝蒸汽流量绘制为一条曲线。由图10a)可见：无风条件下，同层内各冷却三角翅片管束冷凝蒸汽流量分布沿圆周方向大小基本一致，约为2.0 kg/s，且流过同一冷却三角a、b 侧翅片管束的冷凝蒸汽流量也基本一致，但空冷凝汽器第2 层内的冷却三角翅片管束冷凝蒸汽流量均比第1 层大0.3 kg/s 左右；编号为1 的冷却三角由于直接连接至主管道，导致该位置冷却三角冷凝蒸汽流量稍微偏大。

由图10b)可见：环境风作用下，空冷凝汽器不同位置冷却三角流动换热性能存在明显差异，且不同位置冷却三角a、b 侧翅片管束流动换热性能也不同。一方面处于迎风扇区的冷却三角a、b 侧翅片管束冷凝蒸汽流量基本相同，在侧风扇区冷却三角a、b 侧翅片管束间会出现相对的迎风和背风位置，使得处于迎风位置的翅片管束流动换热性能优于背风位置的翅片管束，导致迎风位置翅片管束冷凝蒸汽流量明显高于背风位置的翅片管束，从而形成图中曲线向一侧偏移的现象；另一方面，类似于圆柱绕流，在空冷凝汽器背风扇区冷却三角入口会出现流动分离，形成涡流，导致背风扇区冷却三角翅片管束冷凝蒸汽流量变化出现波动的现象。总体上看，在无风和有风工况，第2 层冷却三角翅片管束冷凝蒸汽流量都较第1 层大。

图10 不同风速下各冷却三角翅片管束冷凝蒸汽流量分布（kg/s）Fig.10 Steam flow rate distributions in cooling deltas at different wind speeds (kg/s)

2.3 蒸汽分配管道阻力特性分布规律

通过对直接自然通风直冷塔各物理场及各冷却三角翅片管束冷凝蒸汽流量分布规律的分析，可获得该系统空冷凝汽器冷却三角空气侧流动换热性能与蒸汽侧热负荷的耦合作用结果。在以上分析的基础上，针对蒸汽管道阻力特性分布规律进行分析。

图11 和图12 为无风条件和3 m/s 风速下，各冷却三角入口压力以及蒸汽分配管道压降变化规律。由图11、图12 可见：无风条件下，各冷却三角翅片管束入口压力基本一致，与空气侧各物理场分布和蒸汽流量分布规律相同；塔内空气流场受到烟道及蒸汽管道的影响，使得部分位置冷却三角冷凝蒸汽流量出现波动，结合蒸汽管道的固有结构，导致翅片管束出口及蒸汽管道压降存在波动的现象；当风速为3 m/s 时，由于空冷凝汽器不同位置冷却三角流动换热性能存在差异，使得其冷凝蒸汽流量不尽相同，导致翅片管束入口压力和蒸汽分配管道压降存在相同的变化规律，即翅片管束入口压力和蒸汽分配管道压降均向侧风扇区偏移。

图11 无风条件下冷却三角翅片管束入口压力及蒸汽分配管道压降分布（kPa）Fig.11 Pressure at the cooling delta inlets and pressure drop of steam distribution pipes in the absence of wind (kPa)

图12 3 m/s 风速下冷却三角翅片管束入口压力及蒸汽分配管道压降分布（kPa）Fig.12 Pressure at the cooling delta inlets and pressure drop of steam distribution pipes at wind speed of 3 m/s (kPa)

2.4 自然通风直接空冷系统总体性能参数

通过对比不同环境气象条件下，自然通风直接空冷系统总体性能参数变化，可以揭示环境气象条件对空冷系统流动换热性能的影响规律。表3 列出了不同环境风速下，自然通风直接空冷系统蒸汽侧和空气侧总体性能参数的变化。由表3 可知：与3 m/s 风速工况相比，无风条件下，自然通风直接空冷系统蒸汽入口压力较低，蒸汽流量较高；同时，空冷塔出口温度较低，冷却空气流量较高，空冷系统具有更好的流动换热性能。

表3 自然通风直接空冷系统总体性能参数Tab.3 Overall performance parameters of the natural draft direct air cooling system

3 结论

本文采用数值模拟方法，建立了自然通风直接空冷系统直冷塔及蒸汽分配管道流动传热的数学、物理模型，利用空气侧与蒸汽侧耦合计算控制逻辑，研究了不同环境风速条件下自然通风直接空冷系统流动传热特性，获得了不同工况下空气侧压力场、温度场及流场分布规律以及空冷凝汽器冷却三角翅片管束蒸汽流量分布规律。在此基础上，对树杈形蒸汽分配管道阻力特性进行了分析研究，获得了冷却三角翅片管束入口压力和树杈形蒸汽分配管道压降变化规律。通过对计算结果进行分析，得出以下结论：

1）建立了自然通风直接空冷系统分步模拟方法，可以实现空冷凝汽器空气侧流动换热与蒸汽分配管道内蒸汽的耦合模拟计算。

2）无风条件下，自然通风直接空冷系统各物理场、各冷却三角蒸汽流量分布和蒸汽管道阻力特性分布均呈对称分布规律。3 m/s 风速工况下，类似于圆柱绕流，迎风扇区和侧风扇区流动换热性能存在较大差异，导致冷却三角左右两侧翅片管束冷凝蒸汽流量分布曲线和蒸汽管道助力特性曲线向侧风扇区偏移。

3）通过数值模拟分析可以看出，无风条件下，树形蒸汽分配管道蒸汽流量和阻力特性分布具有良好的均匀性，设计较为合理，可为新型自然通风直接空冷系统的设计和运行提供参考。