风速对600 MW 地下进风空冷岛换热影响的数值模拟

曹旖旎，盛 伟

（沈阳工程学院a.能源与动力学院；b.发展规划处，辽宁 沈阳 110136）

在我国极度缺水的华北地区，火电厂的建设受制于水源，为了满足此类缺水地区的电力需求，采用节水效果明显的空冷技术对火电厂进行优化。因此，空冷机组得到了高速发展。放在45 m 高的空冷平台上的空冷凝汽器利用环境风来冷凝汽轮机排放的蒸汽［1］。由于放置的地方过高，使其受环境风的影响非常大。在夏季，风速大或温度高的热风发生回流和倒灌，将导致机组的换热效率下降［2］。对此，有学者提出了一种采用地下风道进风的方式，即将空冷平台降低至近地面，挖空空冷平台的底部，形成巨大的地下风室，冷却空气从百米外的进口处通过地下风道进入地下风室，然后通过安置在空冷平台上的轴流风机送入凝汽器的翅片管束，冷却汽轮机排放的蒸汽，冷却产生的热空气向上排放到环境中，生成的凝结水进入凝结水箱［3］。地下风道进风空冷岛的结构如图1所示。

图1 地下风道进风空冷岛的结构

1 地下进风空冷岛的优点

1.1 避免了热风回流和倒灌

将空冷平台降低后，可以利用挡风墙将空冷岛距离地面的部分围住，使空冷平台下方变成一个封闭的空间。当风从百米外的进风口经过地下风道进入地下风室时，空冷凝汽器出口的热风将不能返回到风机入口，这就避免了热风回流［4］。由于添加了下挡风墙，风机入口处几乎没有横向吹过的风，空气流动稳定，风机的迎风侧下方不会产生低压区，避免了热风倒灌。

1.2 地下风室冬暖夏凉

地下的土壤不会受外界环境的影响，温度近似恒定，并且还有冬暖夏凉的功能。因此，在温度较高的夏季，空气经过地下通道后，温度会降低，有效地减少了翅片氧化，避免了温度过高而使换热量减少；在寒冷的冬季，土壤会使环境风的温度上升，有效地缓解了凝汽器管道的冻结［5］。

1.3 净化空气，回收除盐水

通过地下风道进风，可以在进风的位置加设空气滤网，除掉空气中的一些杂质。在高温的夏季，利用除盐水进行喷雾增湿，在降低空气温度的同时净化了空气，使进入地下风室的空气清新、干净，减少了散热器表面的污秽，提升凝汽器的换热效果。在地下风道和风室内壁装不锈钢板，回收使用后剩余的除盐水，再将除盐水净化处理后可再次使用，节约了水资源［6］。

2 地下进风空冷岛的模型及计算方法

2.1 地下进风空冷岛的模型及网格划分

以600 MW 直接空冷机组为研究对象。空冷平台的横截面积是70 m×80 m，由56个空冷单元构成，每个空冷单元都是10 m×10 m×10 m 的小立方体，代表空冷凝汽器。空冷平台的下表面距离地面的高度为10 m，建造挡风墙。地下风室的水平截面积是70 m×80 m，深度是40 m。3 个风道的横截面积分别为70 m×30 m、70 m×30 m 和80 m×30 m，长度均是100 m，将其中2个风道设置成45°的斜风道［7］。利用ANSYS软件中的Space claim 画出几何模型，将风向设置为-X方向，如图2所示。在Mesh中生成网格，考虑到对计算准确性的要求及计算机性能的阻碍，对56 个空冷单元、地下风道和地下风室采用了四面体网格划分［8］，网格质量扭曲度最大为0.80 且数量很少，较精确，网格数量约为1.12×105，然后导入到Fluent 中进行模拟计算。网格划分情况如图3所示。

图2 地下进风空冷岛的简化模型

图3 网格划分

2.2 空冷单元编码

对空冷单元编号，距离汽轮机房和锅炉房较远的地方设为第1 行，距离进风口1 较近的位置设为第1列，具体的编号如图4所示。

图4 空冷单元的编号

2.3 控制方程

为了研究地下进风空冷岛风道和风室内空气的流动过程及每个空冷机组的换热过程，采用连续性方程、本构方程、动量方程、能量守恒方程、标准k-e湍流模式［9］。

连续性方程：

式中，u和ν是流体的速度；ρ是空气的密度；i=1，j=2，k=3；μ是流体的动力粘性系数；P是压力；τij是应力张量；εij是应变率张量。

2.4 边界条件的设置

在Y轴设置重力加速度，然后将56 个空冷单元的入口设置为空气进口边界（interior），下挡风墙、地下风道和地下风室的外表面设置为墙边界（wall），内部设置为1 个流域（fluid-air）。每个空冷单元的入口设置源项代替1 个动力，56 个空冷单元出口设置为压力出口边界条件（pressureout），3 个进风口设置为速度进口边界条件（veloc‐ity-in）［11］。

3 模拟计算结果及分析

3.1 空冷单元流量

不同进口风速下，地下进风空冷岛的空冷单元流量如图5所示。

图5 地下进风空冷岛的空冷单元流量

由图5 可知：当风速较低时，由于地下的阻力作用，地下进风空冷岛的总流量比地上低；当进口风速为3 m/s 时，距离2#进风口较近位置的空冷单元流量较低，但也可以达到270 kg/s 以上，四周受下挡风墙影响，空冷单元流量较中间低；当进口风速大于5 m/s 时，空冷单元流量从距离2#进风口较近位置向较远位置逐渐增加，这是因为背风侧风机入口压力升高，空冷单元流量增加，而迎风侧压力降低，空冷单元流量减少，并且随着风速逐渐增加，迎风侧受影响的空冷单元越来越多，但56 个空冷单元总流量随风速的增加而增加，增加幅度较稳定，最大增量约为150 kg/s。

地上进风空冷岛的空冷单元流量如图6所示。

图6 地上进风空冷岛的空冷单元流量

由图6 可知：当风速为5 m/s 时，地上进风空冷岛的迎风侧前两行出现了热风回流，导致空冷单元流量较低，甚至出现负值；当风速到达9 m/s 时，热风倒灌成为影响空冷单元流量的主要原因，前两行空冷单元流量仅为10 kg/s左右［12］。

地下进风空冷岛与地上进风空冷岛相比，总流量平均提高了9 512.01 kg/s，如图7所示。

图7 地上和地下进风空冷岛总流量的变化

3.2 空冷单元出口温度

图8 为地上和地下进风空冷岛空冷单元出口温度的变化曲线。

图8 地上和地下进风空冷岛空冷单元出口温度的变化

由图8 可知：随着风速增大，地下进风空冷岛的空冷单元出口温度未发生较大变化，平均温度在329 K 左右，换热效果稳定；由于热风回流和倒灌，地上进风空冷岛的空冷单元出口温度随风速增加而下降，换热效果逐渐变差［13］。

3.3 空冷单元的换热效率

式中，Qr是56个空冷单元的实际吸热量；Di是空冷单元空气流量；Δti是空冷单元出入口风温；cp是空气的定压比热容；η是凝汽器的换热效率。

计算条件：额定工况下，外界温度是300 K，空冷机组的排汽总热量是770 MW，每个空冷单元的热量是13.75 MW，空冷单元的流量是428 kg/s。

地下进风空冷岛空冷单元的换热效率如图9所示。

图9 地下进风空冷岛空冷单元的换热效率

由图9 可知：地下进风空冷岛的空冷单元换热效率的变化与流量的变化基本一致；随着风速增加，空冷单元的换热效率稳定，这是因为地下风室是密闭的，阻挡了热风回流和倒灌，风机的入口温度几乎不受影响，空冷单元的换热效率主要由流量决定；随着-X方向上风速的改变，地下进风空冷岛的换热效率逐渐增加，增加的幅度不大，换热效率平均达到75.09%；采用地上进风方式的直接空冷机组的空冷岛换热效率随风速增加而下降，且下降幅度很大［16-17］，地下进风和地上进风相比，空冷岛换热效率平均提高了29.19%，如图10所示。

图10 地上和地下进风空冷岛换热效率的变化

4 结论

1）采用地下风道进风的空冷岛没有出现热风回流和倒灌的情况，空冷单元流量受风速影响较小，与地上进风相比，总流量平均提高了9 502.01 kg/s。

2）采用地下风道进风的空冷岛空冷单元出口温度受风速影响较小，温度一直在329 K左右。

3）空冷单元换热效率变化与空冷单元流量变化相似，地下进风的空冷岛换热效率比地上平均提高29.19%。

4）地下风道进风的方法还没有进行实施，施工投资较大，需要进行经济性讨论。