防風網(wǎng)對直接空冷機組的防風效果分析

鄭 偉，陳海平，張 才

(1.華北電力大學，北京 102206;2.河北國華滄東發(fā)電有限公司，河北 滄州 061113)

直接空冷凝汽器系統(tǒng)的機組比濕冷凝汽器機組節(jié)水70%以上[1]，在我國富煤缺水地區(qū)建設空冷機組是今后發(fā)展的主要方向之一。直接空冷機組的汽輪機排汽經(jīng)營管道送到空冷凝汽器中，軸流冷卻風機使空氣流過散熱器外表面，將排汽凝結(jié)成水，得到的凝結(jié)水由凝結(jié)水泵送至回熱系統(tǒng)，經(jīng)抽汽加熱后作為鍋爐給水循環(huán)使用[2]。直接空冷機組的冷端尤其是空氣冷凝器的換熱效率是影響空冷機組運行熱效率的關鍵因素之一?？绽淠鞑贾迷诃h(huán)境風場中，通過軸流風機強制通風，利用周圍的空氣作為冷卻介質(zhì)對汽輪機排汽進行冷卻，所以環(huán)境風場必然會對空冷凝汽器的正常運行產(chǎn)生很大影響。為此，研究防風網(wǎng)對直接空冷機組空冷島換熱性能的影響，以確?？绽錂C組端系統(tǒng)處于最優(yōu)運行狀態(tài)具有重要意義。

目前，研究環(huán)境風對空冷機組運行性能的影響主要是根據(jù)當?shù)仫L況和空冷機組結(jié)構(gòu)及運行特點，對空冷島進行數(shù)值建模，運用數(shù)值模擬方法，研究環(huán)境風的風速、風向、風溫及流場分布對空冷機組的換熱規(guī)律。何緯峰等指出，隨著環(huán)境風風速的增大，空冷風機吸入風量減少，導致空冷單元換熱量下降[3];隨著環(huán)境溫度升高，環(huán)境風速增大，空冷散熱器進口空氣溫度升高，進口空氣流量減小，導致凝汽器壓力升高，機組運行經(jīng)濟性變差[4－5];周蘭欣等對2臺600 MW直接空冷機組的空冷島外部流場進行數(shù)值模擬，在相同風速條件下，模擬不同風向?qū)绽淠鲹Q熱情況的影響[6]。

環(huán)境風對空冷島換熱性能的不利影響主要有以下 3 個方面[7－8]。

a. 環(huán)境風快速吹過空冷風機入口，風機吸入的冷空氣流量會大幅減小，導致凝汽器換熱效率降低，機組運行熱經(jīng)濟性變差。

b. 從空冷散熱器出來的熱空氣由于環(huán)境風或空冷系統(tǒng)的布置等因素可能會發(fā)生熱風回流，即被空冷風機重新吸入。

c. 散熱器出口的熱空氣由于受到自然風的影響而不能順利散出，造成換熱器一直處于高溫狀態(tài)，使換熱溫差減小。隨著環(huán)境溫度的升高，空冷散熱器的入口空氣溫度相應升高，換熱溫差減小，在排汽熱負荷保持不變的條件下，導致空冷凝汽器冷凝效果變差。環(huán)境風速越大，風溫越高，凝汽器換熱效果越差，背壓越高，從而機組運行熱經(jīng)濟性越差。針對上述情況，在空冷島擋風墻下部設置防風網(wǎng)，可在一定程度上減輕環(huán)境風對空冷散熱器換熱效果的影響。

1 防風網(wǎng)的防風原理

防風網(wǎng)通過具有一定開孔率的網(wǎng)材或板材，能有效降低風速，控制場內(nèi)紊流度。當流通的空氣通過防風網(wǎng)時，氣流從防風網(wǎng)的開孔通過，在防風網(wǎng)內(nèi)側(cè)出現(xiàn)分離和附著2種現(xiàn)象，同時形成上下干擾的氣流，降低來流風的風速，使其動能減小。同時避免來流風渦流現(xiàn)象，減小來流風湍流度，以達到防風網(wǎng)外側(cè)強風、內(nèi)側(cè)弱風或外側(cè)小風、內(nèi)側(cè)無風的效果。研究表明，來流風通過防風網(wǎng)形成湍流旋渦氣流后，風速、風壓衰減幅度與風速平方成正比，風速越大，防風網(wǎng)防風效果就越明顯[9－10]。

2 防風網(wǎng)在空冷單元的防風效果分析

2.1 無環(huán)境風條件下空冷單元附近流場情況

無環(huán)境風或環(huán)境風較小時，空冷風機的轉(zhuǎn)動使冷空氣被吸入空冷單元內(nèi)，與管束進行換熱，但由于空冷凝汽器的各風機吸入口距離較近，當各風機同時以恒定轉(zhuǎn)速運行時，受交叉氣流的沖擊，導致吸入口的負壓值不同，吸入空氣量也不同，直觀表現(xiàn)就是各臺風機的輸入電流和功率不同。無外界風場時，一般情況下中間的風機電流偏大，兩邊的風機電流偏小[11]。無環(huán)境風條件下空冷單元附近流場情況如圖1所示。

圖1 無環(huán)境風時空冷單元附近流場情況

2.2 有環(huán)境風條件下空冷單元附近流場情況

當環(huán)境風 (風速＞3 m/s)快速吹過空冷凝汽器時，迎風面和背風面的風機受到的影響是不同的。迎風面的前幾列風機由于受到環(huán)境風的影響，入口區(qū)域周圍出現(xiàn)2個方向的負壓區(qū)，一個是垂直于地面的，一個是平行于地面的，導致風機消耗相同的功率下吸入的空氣量大幅度減少。但在后邊的風機入口處，產(chǎn)生高密度的空氣團，被吸入到風機入口，加大了風機的出口風量，相應使功率和電流增大。對應的空冷散熱器的換熱性能也較強[12]，但總體上看，整個冷凝器的換熱能力下降。有環(huán)境風條件下空冷單元附近流場情況如圖2所示。

圖2 有環(huán)境風時空冷單元附近流場情況

2.3 有環(huán)境風、有防風網(wǎng)條件下空冷單元附近流場情況

當在空冷島擋風墻的下部設置部分防風網(wǎng)時，一部分環(huán)境風氣流穿過防風網(wǎng)，風速比網(wǎng)前大幅下降，這就使得最外排空冷凝汽器入口的靜壓力比不加防風網(wǎng)時要高，使得風機抽力增大;另一部分環(huán)境風氣流向下繞過防風網(wǎng)后由于其速度比穿過網(wǎng)的氣流速度大，形成較大的速度差，會產(chǎn)生向上的速度，這樣使原本快速吹過風機入口的氣流速度降低，從而對進入空冷風機入口的環(huán)境風減速增壓。加裝防風網(wǎng)后，增大了風機吸入的空氣量，保證了風機的正常出力，使空冷凝汽器的整體換熱效率提高。有環(huán)境風、有防風網(wǎng)條件下空冷單元附近流場情況如圖3所示。

圖3 有環(huán)境風、有防風網(wǎng)時空冷單元附近流場情況

3 防風網(wǎng)布置和結(jié)構(gòu)形式對空冷島防風效果的影響分析

防風網(wǎng)的開孔率、布置位置、高度等均對空冷平臺換熱有一定影響。由于爐后來風對凝汽器的影響在于熱風回流而不是降低空冷風機的冷空氣吸入量，同時鍋爐側(cè)對風有阻礙作用，因此在布置防風網(wǎng)時一般會采用U型結(jié)構(gòu)，鍋爐房一側(cè)不布置，其它三側(cè)進行布置。丁常富以蒙達600 MW直接空冷機組為例，模擬了橫向風速為5 m/s，開口率為45%、25%、13%、6%的防風網(wǎng)換熱效率[13]。不同開孔率下防風網(wǎng)高度與空冷凝汽器換熱效率的關系如圖4所示。由圖4可見，換熱效率并不是隨著防風網(wǎng)的高度增加而增大，開孔率為6%的防風網(wǎng)的凝汽器換熱效率在7 m時達到最大，之后呈下降趨勢，安裝其它開孔率防風網(wǎng)的凝汽器換熱效率開始均隨著高度增加而增大，但達到11 m后，防風網(wǎng)對凝汽器換熱效率的提高效果不明顯。

圖4 不同開孔率下防風網(wǎng)高度與空冷凝汽器換熱效率的關系

4 結(jié)論

a. 環(huán)境風的風速、風向、風溫及流場分布均對空冷凝汽器的換熱產(chǎn)生影響，進而影響空冷機組的背壓和熱經(jīng)濟性。針對由環(huán)境風引起的空冷風機吸入的冷空氣量減小，可在空冷島擋風墻下部設置防風網(wǎng)，以提高空冷凝汽器換熱效率。

b. 環(huán)境風的速度不同，對應防風網(wǎng)的最佳開孔率和高度也不相同，要根據(jù)當?shù)仫L況和空冷機組運行情況，找到最合適的結(jié)構(gòu)形式，以提高風機和空冷凝汽器的換熱效率。

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