利用二次回归正交试验的空冷岛挡风墙优化设计

李路江，杜 威，王昌欣，韩 旭

（1.国网河北能源技术服务有限公司，河北 石家庄 050000；2.华北电力大学河北省低碳高效发电技术重点实验室，河北 保定 071003）

1 引言

在富煤少水的三北地区长期存在水资源缺乏的问题，直接空冷技术能够利用当地丰富的煤矿资源，采用“以煤换水”的方式，大大减少火电厂的水资源需求［1］。同时，直接空冷技术的使用不仅为厂方带来了节水的优势，由于直接空冷岛需求的占地条件限制更加灵活，火电厂的选址也更加能够注重其他因素的考量，利于能源与经济性的效率最大化。空冷岛是机组末端不可或缺的部分，其换热性能受空冷单元外部因素的影响较大，大风等工况下造成的换热不足不仅严重影响机组的生产，还会导致各种影响安全生产的问题。国内外学者对影响空冷岛的多个因素进行了分析，并得出了空冷岛优化设计方案。外部流场方面，文献［1-2］考虑外部流场对空冷岛的影响，对换热性能影响主导因素进行了权重分析，提出加装复合导流板后能够明显提高换热量，对外部流场导流优化提供了可行的参考。内部流场方面，文献［3-4］从空冷岛内部涡流以及环境风的角度探讨了环境风速与热空气羽团的关系，研究了其对换热效率的影响。挡风墙在流场中的影响方面，文献［5-7］从挡风墙设置角度，讨论了其在流场中的作用，确定了对换热效率的影响，加装挡风墙可以在一定程度上增加或降低换热。以上研究都从单一变量进行了细致的研究，但多变量协同优化的相关研究还存在欠缺，且并未从挡风墙优化角度考虑包括挡风墙高度、孔隙率和距离三个因素的设置。实际上，挡风墙的设置能够大幅度影响空冷单元的换热量。以某高位布置空冷岛为研究对象，基于二次回归正交试验方法研究挡风墙设置对空冷岛换热量的影响，采用CFD数值模拟技术对不同挡风墙高度、孔隙率和挡风墙距离下的空冷机组进行模拟计算，得到特定环境工况下的空冷岛最佳挡风墙参数设置，为电厂空冷岛工程建设提供切实可行的方案。

2 模型建立

环境因素设置时，环境温度以及风速设置参考当地多季气候，分别为27℃、5m/s。空冷机组工作流域内为三维、非稳态、可压缩湍流流动条件，使用控制方程对该过程进行描述，采用ANSYS CFX软件对流场进行模拟。各空冷岛的边界条件较为复杂，在模拟中进行了相关简化如下：在计算域使用一个大空间六面体代替环境，内部流体为不可压缩理想气体，进口面则为迎风面，出口面为背风面，下挡风墙以及肋片设置为多孔介质。对于风机使用无限薄的平板代替，设置为压力跃升表面，风机压头设置为动参数，以更大程度模拟风机叶片入口处的实际流体流动情况，性能曲线系数分别为140.8、-5.86、-0.81。所设置的计算区域广阔且需进行多个模型的优化计算，为使计算结果与时间效率最大化，模型采用四面体网格并对机组空冷单元以及周边挡风墙设施进行了局部加密。网格无关性验证表明，采用312万以上网格数量的划分方式符合标准，网格的总压比计算后最大差值为0.8%，满足其小于1%的要求。各部分示意图，如图1所示。

图1 空冷岛模型网格Fig.1 Model and Mesh of Air Cooling Island

3 挡风墙设置优化研究

在空冷岛实际建设中，为保证空冷岛换热量最佳，需进行空冷岛挡风墙的参数设计。在挡风墙设置参数中，设计了z1（挡风墙高度）、z2（孔隙率）和z3（挡风墙距离）三个因素。结合实际空冷岛设置，保证机组正常运行情况下维持一定的换热量，对各个因素在合适的范围内进行取值，则得：z1=（5～25）m，z2=（0.1～0.6），z3=（1～5）m。基于正交试验，对各水平进行编码，如表1所示。为了简化计算，设置相对换热量Q替代空冷岛实际换热量Qa进行计算：

表1 三因素五水平编码表Tab.1 Three-Factor Five-Level Coding Table

式中：Q—相对换热量，J；Qa—空冷岛换热量，J；Q0—未设置挡风墙情况下空冷岛换热量，J。

根据三元二次正交试验理论设计方案，初步拟设回归方程，然后设计17组方案进行试验。计算结果，如表2、表3所示。

表2 正交试验方案及结果Tab.2 Orthogonal Experiment Scheme and Results

表3 正交试验计算格式表Tab.3 Orthogonal Experiment Calculation Format Table

对于相对换热量Q，交互项x1x2、x1x3、x2x3的回归系数b12、b13和b23为相对极小量，故可以不代入回归方程进行计算。所以，回归方程转化为：

回归方程检验：

回归方程在整个研究范围内的拟合情况为：

该回归方程检验成功，符合设计要求，得出：

4 结果分析

由拟合得到的回归曲线，对挡风墙高度、孔隙率和挡风墙距离对相对换热量的影响进行分析。挡风墙高度对相对换热量的影响，如图2所示。

图2 挡风墙高度对相对换热量的影响Fig.2 Influence of Height of Windbreak Wall on Relative Heat Transfer Quantity

随着挡风墙高度的提高，相同孔隙率或相同挡风墙距离的情况下，相对换热量在挡风墙高度为7.5m时达到最低，风机周围的流场同时受横向环境风与挡风墙前部反向涡流的影响，换热性能轻微下降，例孔隙率为0.35 时，相对换热量由0.3967J 下降至0.3551J，随后恢复到0.3792J。随后随着挡风墙高度的提升而增大，这是因为随着挡风墙高度的增加，横向环境风对风机风道的影响逐渐降低，且挡风墙内部产生的涡流逐渐增大，进一步强化的换热。实际挡风墙高度的设置需要进一步考虑安全、经济等因素，且实际空冷岛高度存在限制。因此即使挡风墙高度设置在10m以上能够随着高度的增加提高换热效率，但存在上限，实际设置往往在（10～15）m左右。

孔隙率对相对换热量的影响见图，随着孔隙率的增加，相对换热量均存在最大极值。对于挡风墙距离为3m的情况，在孔隙率为0.4125时达到大；对于挡风墙高度为15m的情况，均在孔隙率为0.44375时达到最大。这是由于在孔隙率（0～0.4125）之间，随着孔隙率的增大，横向环境风通过挡风墙的风量逐渐增大，补充了纵向进入风机风道的风量，从而强化换热。

在孔隙率（0.44375～0.6）之间，由于孔隙率的提升，横向环境风大量通过挡风墙，部分参与风机风道纵向风量补充外，对风道横向气流施加了横向风速，从而造成了与风机垂直方向的气体流动，最终降低了风机的进风量，降低了换热。当挡风墙高度为15m，挡风墙距离为3m情况下，孔隙率由0.35增加到0.44375，相对换热量由1.4839J增加至1.8114J，随后在孔隙率由0.44375到0.6的变化中降低至0.1448。

挡风墙高度对相对换热量的影响，如图4所示。由图4可知，随着挡风墙距离的增加，相对换热量在固定挡风墙高度以及孔隙率情况下均存在最大极值。随着挡风墙距离的增加，挡风墙与空冷单元之间的距离增大，随着横向环境风以及风机双重影响下产生的涡流越大，进一步强化换热，均在3.75m取得最大相对换热量。随着挡风墙距离进一步的提高，相对换热量逐渐降低甚至低于未设置挡风墙的情况，这是由于挡风墙距离的增加在风机流道末端与挡风墙之间产生了反向涡流，造成了风机流道内风量的降低，从而降低了换热。当孔隙率为0.35，挡风墙高度为15m 时，挡风墙距离由3m 提升到3.75m 过程中相对换热量由1.4839J增加至2.5041J，随后随着挡风墙距离增加至5m，相对换热量降低至-0.8081J。

图4 挡风墙距离对相对换热量的影响Fig.4 Influence of Distance Between Windbreak Wall and Air Cooling System on Relative Heat Transfer Quantity

5 结论

使用回归正交试验得到了相对换热量与挡风墙高度、孔隙率和挡风墙距离之间关系的回归方程，经检验为显著不失拟，在整个回归区域拟合度好，为非线性关系，该实验符合理论为合理。在试验范围内，相对换热量随着挡风墙高度的增加而增加，与孔隙率以及挡风墙距离在一定范围内存在正相关，达到极值后呈现负相关。最终最佳挡风墙距离设置为3m，最佳孔隙率设置为（0.4125～0.44375），最佳挡风墙高度参考实际因素在（10～15）m。根据回归正交试验获得的回归方程，可在限定挡风墙高度下寻求最佳挡风墙孔隙率及挡风墙距离设置，对于实际空冷岛工程建设提供更佳地挡风墙参数设置方案。