環(huán)境風(fēng)影響直接空冷凝汽器換熱的研究綜述

高沛，張學(xué)鐳

（電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)），河北省保定市 071003）

0 引言

在我國(guó)富煤缺水地區(qū)，空冷機(jī)組以其良好的節(jié)水性能得到了快速發(fā)展。隨著世界范圍內(nèi)水資源的減少，空冷機(jī)組又將迎來(lái)新的發(fā)展契機(jī)。但是，空冷技術(shù)還有很多不完善的地方，其中，環(huán)境風(fēng)影響下空冷島換熱效率的降低是直接空冷機(jī)組目前面臨的普遍問(wèn)題。環(huán)境風(fēng)的風(fēng)速、風(fēng)向，空冷平臺(tái)的高度和間距，以及擋風(fēng)墻的高度都能夠影響空冷島的換熱性能。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者通過(guò)對(duì)空冷島的數(shù)值模擬分析，基本掌握了空冷系統(tǒng)的環(huán)境風(fēng)效應(yīng)機(jī)理，揭示了環(huán)境風(fēng)影響下空冷系統(tǒng)性能的變化規(guī)律，給出了很多應(yīng)對(duì)環(huán)境風(fēng)不利影響原則，并提出了一些改善的方法，為空冷機(jī)組的優(yōu)化運(yùn)行提供了一些參考。本文在之前學(xué)者研究成果的基礎(chǔ)上，針對(duì)環(huán)境風(fēng)對(duì)空冷島換熱影響的問(wèn)題進(jìn)行分析和討論。

1 環(huán)境風(fēng)對(duì)空冷島換熱的影響

空冷島換熱受環(huán)境風(fēng)的影響主要體現(xiàn)在橫向風(fēng)和空冷島結(jié)構(gòu)2個(gè)方面。當(dāng)橫向風(fēng)和空冷島接觸時(shí)，由于空冷島的阻礙作用會(huì)使空冷島周圍的流場(chǎng)發(fā)生改變。圖1為無(wú)環(huán)境風(fēng)時(shí)空冷島周圍的流場(chǎng)分布，從圖中可以看出，在無(wú)環(huán)境風(fēng)作用的情況下，風(fēng)機(jī)入口的氣流分布均勻，可以保證風(fēng)機(jī)正常出力。圖2為左側(cè)有橫向風(fēng)吹來(lái)的情況，從圖中可以看出，由于橫向風(fēng)的影響，風(fēng)機(jī)入口氣流的角度會(huì)發(fā)生偏斜，從而使風(fēng)機(jī)入口氣流分布不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)進(jìn)氣量減少。影響空冷島換熱問(wèn)題的原因是多方面的，本文主要從橫向風(fēng)和空冷島結(jié)構(gòu)2個(gè)方面進(jìn)行分析和討論。

1.1 橫向風(fēng)的影響

橫向風(fēng)的影響主要分為風(fēng)速的影響和風(fēng)向的影響2個(gè)方面，針對(duì)氣候條件的特點(diǎn)，將風(fēng)速分為3，6，9m／s 3種情況進(jìn)行研究。橫向風(fēng)在受到建筑物的阻擋時(shí)，其流動(dòng)的速度和方向都會(huì)發(fā)生改變，這樣就會(huì)對(duì)周圍的流場(chǎng)造成不利的影響。空冷凝汽器的換熱性能降低的主要原因就是空冷島的流場(chǎng)發(fā)生了改變。

文獻(xiàn)［1］分析了風(fēng)速為3，6，9m／s 3種不同情況下空冷島的速度場(chǎng)分布，得出隨著橫向風(fēng)速的增大，迎風(fēng)側(cè)的風(fēng)機(jī)的進(jìn)氣量會(huì)明顯減少的結(jié)論。該文獻(xiàn)指出，由于風(fēng)機(jī)的抽吸作用會(huì)使風(fēng)機(jī)入口前形成一個(gè)負(fù)壓區(qū)，空氣垂直于風(fēng)機(jī)入口向上流動(dòng)，但是當(dāng)受到橫向風(fēng)的影響時(shí)，空氣垂直向上運(yùn)動(dòng)的方向?qū)l(fā)生改變，導(dǎo)致進(jìn)入風(fēng)機(jī)入口的空氣量減少，使空冷凝汽器換熱能力減弱。越靠近迎風(fēng)側(cè)的空冷單元，其受橫向風(fēng)的影響越大，所以前排風(fēng)機(jī)的換熱性能會(huì)有很大的降低。隨著橫向風(fēng)速的不斷加大，這種影響也越來(lái)越嚴(yán)重。

文獻(xiàn)［2］分析了爐后來(lái)風(fēng)和爐前來(lái)風(fēng)這2種不同風(fēng)向的環(huán)境風(fēng)對(duì)空冷凝汽器換熱性能的影響。指出，當(dāng)橫向風(fēng)由鍋爐房側(cè)吹來(lái)時(shí)，來(lái)流方向位于空冷島的上游區(qū)域，由于建筑物的遮擋使風(fēng)機(jī)吸風(fēng)量減少，同時(shí)由于熱風(fēng)回流的作用，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)入口氣流的溫度升高。橫向風(fēng)由爐后方向吹來(lái)時(shí)，來(lái)流方向位于空冷島的下游區(qū)域，避開(kāi)了建筑物的遮擋，凝汽器的換熱情況得到改善。

環(huán)境風(fēng)的風(fēng)速和風(fēng)向?qū)绽鋶u的影響是同時(shí)存在的。當(dāng)不利風(fēng)向伴有較高的風(fēng)速時(shí)，空冷凝汽器的換熱性能會(huì)受到很嚴(yán)重的影響。在這種情況下，空冷凝汽器的換熱性能是最低的。

1.2 空冷島結(jié)構(gòu)的影響

在橫向風(fēng)的風(fēng)速和風(fēng)向不變的情況下，空冷島的平臺(tái)高度、平臺(tái)間距和擋風(fēng)墻高度，會(huì)影響機(jī)組的換熱性能。橫向風(fēng)在受到建筑物的阻擋時(shí)，其流場(chǎng)會(huì)發(fā)生改變，平臺(tái)下方的風(fēng)速會(huì)有所增加，這樣就造成進(jìn)入風(fēng)機(jī)入口氣流的角度發(fā)生偏斜，進(jìn)而使風(fēng)機(jī)進(jìn)氣量減少。

文獻(xiàn)［3－4］分析了不同風(fēng)速下空冷島平臺(tái)高度對(duì)凝汽器換熱效率的影響，并通過(guò)數(shù)值模擬的方法得到了最佳的空冷平臺(tái)的高度。文中指出，當(dāng)空冷平臺(tái)的高度很低時(shí)，橫向風(fēng)在空冷島平臺(tái)下方的流通面積減少，根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，流通面積減少會(huì)導(dǎo)致流速的增加。因?yàn)?，進(jìn)入風(fēng)機(jī)的氣流會(huì)保持橫向風(fēng)的慣性，所以風(fēng)機(jī)入口氣流的角度會(huì)向后方傾斜，從而對(duì)風(fēng)機(jī)性能造成不利的影響。

文獻(xiàn)［5］分析了不同的平臺(tái)間距對(duì)空冷凝汽器換熱效率的影響。當(dāng)橫向風(fēng)吹向空冷島時(shí)，由于2個(gè)平臺(tái)之間存在狹長(zhǎng)的過(guò)道，會(huì)形成過(guò)道風(fēng)，風(fēng)速突然增大使空冷平臺(tái)上方的熱空氣被向下卷入，隨之被靠近擋風(fēng)墻側(cè)的風(fēng)機(jī)吸入，造成風(fēng)機(jī)入口溫度的升高，進(jìn)而導(dǎo)致凝汽器換熱性能的降低。平臺(tái)間距的增大，可以減弱熱風(fēng)回流現(xiàn)象對(duì)凝汽器換熱性能的影響，并且隨著空冷平臺(tái)間距的增大，產(chǎn)生熱風(fēng)回流的換熱單元也會(huì)向后排推移。

文獻(xiàn)［6］分析了不同的擋風(fēng)墻高度對(duì)空冷凝汽器換熱性能的影響。在空冷島四周沒(méi)有擋風(fēng)墻時(shí)，橫向風(fēng)的作用會(huì)導(dǎo)致凝汽器出口氣流發(fā)生偏移，風(fēng)機(jī)入口溫度升高，進(jìn)而導(dǎo)致整體換熱性能的降低。在加裝擋風(fēng)墻后，換熱效率隨著擋風(fēng)墻高度的增加而增加，但是當(dāng)擋風(fēng)墻的高度超過(guò)一定的程度后，換熱效率會(huì)隨著高度的增加而降低。

在有橫向風(fēng)吹來(lái)時(shí)，空冷平臺(tái)的支撐柱子也會(huì)對(duì)空冷島周圍的流場(chǎng)造成影響。支撐柱子對(duì)空冷平臺(tái)起支撐的作用，為保證承重的要求，柱子間的間距不能太大。當(dāng)有橫向風(fēng)吹來(lái)時(shí)，柱子阻擋部分的風(fēng)的流速會(huì)有所降低，而柱子間隙部分的風(fēng)的流速會(huì)有所升高。這樣就會(huì)形成風(fēng)速不一的流場(chǎng)分布，也必然會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)性能造成一定的影響。目前還沒(méi)有相關(guān)的文獻(xiàn)研究、討論這個(gè)問(wèn)題。

2 改善環(huán)境風(fēng)影響的方法

針對(duì)環(huán)境風(fēng)對(duì)空冷凝汽器換熱性能的影響，學(xué)者們通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究提出了一些改進(jìn)的方法。有些方法已經(jīng)在實(shí)際工程中有所應(yīng)用，并且取得了不錯(cuò)的效果。

2.1 加裝下?lián)躏L(fēng)墻

在上擋風(fēng)墻的基礎(chǔ)上加設(shè)下?lián)躏L(fēng)墻的方法是最早被提出來(lái)的方法。文獻(xiàn)［7－8］指出，在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)環(huán)境橫向風(fēng)速較大時(shí)，從散熱器翅片管上擴(kuò)散出去的熱空氣會(huì)被壓回，然后又很快地被風(fēng)機(jī)卷吸，使進(jìn)入風(fēng)機(jī)入口空氣的溫度升高，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)Q熱器換熱性能惡化。加裝下?lián)躏L(fēng)墻以后，可以有效防止壓回的熱空氣重新被風(fēng)機(jī)吸入，進(jìn)而能夠降低風(fēng)機(jī)入口空氣的溫度，提高換熱的效率。圖3為加裝下?lián)躏L(fēng)墻示意圖。

圖3 加裝下?lián)躏L(fēng)墻Fig.3 Installation of lower wind－break wall

加裝下?lián)躏L(fēng)墻以后，雖然對(duì)熱風(fēng)回流起一定的阻擋作用，但同時(shí)也阻礙了空氣進(jìn)入風(fēng)機(jī)，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)出力減小。并且，在加裝一定高度的下?lián)躏L(fēng)墻以后，導(dǎo)致空冷島下方區(qū)域橫向風(fēng)的流通面積減少、橫向風(fēng)速增加，從而對(duì)風(fēng)機(jī)出力造成不利影響。考慮上述情況，有學(xué)者提出了加裝曲面擋風(fēng)墻［9］的方法。曲面擋風(fēng)墻能夠?qū)M向風(fēng)起導(dǎo)流的作用，可以減少因橫向風(fēng)速增大而造成風(fēng)機(jī)出力的下降。

空冷島是懸空布置的，加裝擋風(fēng)墻后會(huì)增加空冷島的整體質(zhì)量，而支柱的設(shè)計(jì)承重是有一定限度的，考慮到安全運(yùn)行，加裝下?lián)躏L(fēng)墻的方法在實(shí)際工程中沒(méi)有得到應(yīng)用。

2.2 加裝防風(fēng)網(wǎng)

防風(fēng)網(wǎng)作為一種特殊的多孔屏障，能夠改變流場(chǎng)、溫度分布、透氣率等多方面的環(huán)境參數(shù)。防風(fēng)網(wǎng)對(duì)流場(chǎng)的改變主要體現(xiàn)在以下2個(gè)方面［10－11］。

（1）由于來(lái)流的阻礙，以及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)本身的摩擦作用，造成來(lái)流的能量損失，使網(wǎng)后的平均風(fēng)速明顯地降低。防風(fēng)網(wǎng)的多孔結(jié)構(gòu)，對(duì)來(lái)流中的大尺度渦旋有過(guò)濾的作用，可以降低網(wǎng)后的湍流度，從而降低脈動(dòng)風(fēng)速。

（2）相對(duì)于擋風(fēng)墻而言，防風(fēng)網(wǎng)很好地彌補(bǔ)了擋風(fēng)墻的不足。防風(fēng)網(wǎng)只是對(duì)橫向風(fēng)的風(fēng)速起減弱作用，可以保證風(fēng)機(jī)入口空氣流動(dòng)通暢，避免了風(fēng)機(jī)出力不足。加裝防風(fēng)網(wǎng)后，空冷單元的空氣流量和換熱量明顯增加。隨著環(huán)境風(fēng)速的增大，防風(fēng)網(wǎng)的防風(fēng)效果越來(lái)越明顯。

防風(fēng)網(wǎng)的布置高度和開(kāi)孔率是影響防風(fēng)網(wǎng)防風(fēng)效果的重要因素。防風(fēng)網(wǎng)已經(jīng)在實(shí)際工程中得到應(yīng)用。在實(shí)際安裝時(shí)，防風(fēng)網(wǎng)一般布置在擋風(fēng)墻的下沿位置，通過(guò)固定裝置固定在空冷平臺(tái)的鋼梁上?？紤]到壽命問(wèn)題，一般選取聚乙烯材料的防風(fēng)網(wǎng)。圖4為加裝防風(fēng)網(wǎng)示意圖。

圖4 加裝防風(fēng)網(wǎng)Fig.4 Installation of windproof net

現(xiàn)以某300 MW 直接空冷機(jī)組為例，分析加裝防風(fēng)網(wǎng)后空冷島換熱效率的變化。該空冷島共有30臺(tái)空冷風(fēng)機(jī)，所用防風(fēng)網(wǎng)的開(kāi)孔率為40%，厚度為0.65mm。加裝防風(fēng)網(wǎng)后，空冷凝汽器換熱性能的變化情況如表1所示。由表1可知，加裝防風(fēng)網(wǎng)后其換熱性能得到明顯改善。

表1 加裝防風(fēng)網(wǎng)后空冷島換熱效率的變化Tab.1 Change of air cooling island's heat exchange efficiency after windproof net installed

2.3 導(dǎo)流裝置

橫向風(fēng)的存在，嚴(yán)重影響了風(fēng)機(jī)的正常出力。相對(duì)防風(fēng)網(wǎng)而言，導(dǎo)流裝置［12］不是通過(guò)降低橫向風(fēng)的風(fēng)速而是通過(guò)改變橫向風(fēng)的風(fēng)向來(lái)達(dá)到削弱橫向風(fēng)不利影響的目的。

導(dǎo)流裝置安裝在擋風(fēng)墻的下部，安裝角度為45°，使橫向風(fēng)經(jīng)過(guò)導(dǎo)流葉片后其方向由橫向變?yōu)槌蚩绽滹L(fēng)機(jī)的吸入口，以削弱橫向風(fēng)的不利影響。在環(huán)境風(fēng)速很大的情況下，由于導(dǎo)流的作用還能夠使進(jìn)入風(fēng)機(jī)的風(fēng)量超過(guò)額定值，更有利于空冷單元的換熱。

導(dǎo)流的作用雖然能夠改善前排風(fēng)機(jī)出力的情況，但會(huì)對(duì)后排風(fēng)機(jī)造成不利的影響，因?yàn)闄M向風(fēng)速的改變，會(huì)導(dǎo)致流經(jīng)后排風(fēng)機(jī)的空氣量減少，進(jìn)而影響整體的換熱性能?；谝陨峡紤]，在導(dǎo)流裝置的基礎(chǔ)上，提出了導(dǎo)流網(wǎng)的設(shè)想。

所謂導(dǎo)流網(wǎng)［13］就是采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流裝置，使其兼顧導(dǎo)流板和防風(fēng)網(wǎng)的雙重作用。導(dǎo)流網(wǎng)不僅可以改變橫向風(fēng)的風(fēng)向，而且還能減弱橫向風(fēng)的風(fēng)速。因?yàn)閷?dǎo)流網(wǎng)是加裝在擋風(fēng)墻的下方，不會(huì)影響下游空冷單元的進(jìn)風(fēng)量，而且還能增大前排風(fēng)機(jī)的進(jìn)氣量。圖5為加裝導(dǎo)流網(wǎng)示意圖。

圖5 加裝導(dǎo)流網(wǎng)Fig.5 Installation of wind guiding nets

目前，導(dǎo)流網(wǎng)還處在設(shè)想階段，其在空冷平臺(tái)下的安裝方法是亟待解決的問(wèn)題。從數(shù)值模擬的結(jié)果分析，導(dǎo)流網(wǎng)對(duì)空冷凝汽器換熱性能的改善效果要好于防風(fēng)網(wǎng)的改善效果，可以預(yù)見(jiàn)導(dǎo)流網(wǎng)的應(yīng)用前景也要好于已經(jīng)在工程上得到應(yīng)用的防風(fēng)網(wǎng)。

3 結(jié)語(yǔ)

綜合分析國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究成果，得出如下結(jié)論：橫向風(fēng)和空冷平臺(tái)的結(jié)構(gòu)是影響空冷凝汽器換熱的主要原因，這種影響主要體現(xiàn)在風(fēng)機(jī)入口溫度的升高和風(fēng)機(jī)出力的降低2個(gè)方面；擋風(fēng)墻、防風(fēng)網(wǎng)、導(dǎo)流裝置等可以有效改善空冷凝汽器的換熱性能。

隨著世界空冷機(jī)組技術(shù)的快速發(fā)展和科研水平的提高，環(huán)境風(fēng)對(duì)空冷島換熱的影響作為一個(gè)課題也不斷有新的研究成果出現(xiàn)。對(duì)此課題，未來(lái)研究的方向和內(nèi)容主要有以下2個(gè)方面：

（1）數(shù)值模擬方法和實(shí)驗(yàn)室模型實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（2）針對(duì)瞬間變化的環(huán)境風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行針對(duì)性的模擬研究，尋找惡劣環(huán)境下的應(yīng)對(duì)措施。

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