自然風(fēng)對(duì)地下進(jìn)風(fēng)方式空冷島換熱的影響

張明智，吳紅杰，齊陽(yáng)陽(yáng)

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引言

直接空冷機(jī)組是利用環(huán)境空氣冷卻汽輪機(jī)排汽的，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速稍大時(shí)，容易造成空冷凝汽器的一些空冷單元出現(xiàn)熱風(fēng)回流和“倒灌”[1]現(xiàn)象，從而導(dǎo)致其傳熱惡化。本文提出采用地下通道進(jìn)風(fēng)方式，利用流體力學(xué)計(jì)算軟件，對(duì)其進(jìn)行數(shù)值研究，分析不同環(huán)境風(fēng)速對(duì)其換熱效率的影響。

1 模型的建立及計(jì)算方法

1.1 幾何模型的建立及網(wǎng)格劃分

圖1 地下通道進(jìn)風(fēng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of underground passage inlet

以某600 MW直接空冷凝汽器為例，采用地下通道進(jìn)風(fēng)設(shè)計(jì)思路如圖1，物理模型如圖2。整個(gè)空冷凝汽器由7×8個(gè)空冷單元組成，上擋風(fēng)墻高度為10 m，空冷平臺(tái)下沿距地面8 m，16根鋼筋水泥支柱直徑均為4 m。根據(jù)計(jì)算得到的3個(gè)地下通道長(zhǎng)為100 m，橫截面積均為60×30 m，地下風(fēng)室為100×90×30 m。鍋爐房為60×35×90 m;汽機(jī)房為60×35×35 m。整個(gè)計(jì)算區(qū)域?yàn)?00×600×200 m。

圖2 地下通道進(jìn)風(fēng)直接空冷機(jī)組幾何模型Fig.2 Geometric model of underground passage inlet direct air cooling unit

利用Gambit軟件生成相應(yīng)的幾何模型及計(jì)算網(wǎng)格。為減少網(wǎng)格數(shù)量，采用分塊劃分方法，用結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，如圖3所示。通過(guò)采用不同的網(wǎng)格劃分，檢驗(yàn)了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性。

圖3 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分Fig.3 Meshing of the computational domain

1.2 湍流模型及主控方程

該模擬對(duì)象為三維不可壓湍流流動(dòng)過(guò)程，所用控制方程[2～3]如下:

連續(xù)性方程:

本構(gòu)方程:

動(dòng)量方程:

采用標(biāo)準(zhǔn)k-e湍流模式:

能量方程:

式中:v為速度;ρ為空氣密度;i，j，k=1，2，3;μ為流體動(dòng)力粘性系數(shù);p為壓力;εij為應(yīng)變率張量;τij為應(yīng)力張量。

1.3 邊界條件

本模型數(shù)值方向?yàn)閆軸，在Z軸設(shè)定重力加速度。模型下部為壁面，計(jì)算區(qū)域按環(huán)境風(fēng)的主導(dǎo)風(fēng)向設(shè)置兩個(gè)速度入口 (velocity-inlet)邊界，其余均為壓力出口 (pressure-outlet)邊界，風(fēng)機(jī)進(jìn)口處的邊界條件設(shè)置為風(fēng)扇 (fan)邊界;空冷凝汽器的柱子、空冷島擋風(fēng)墻墻體以及地面的邊界條件均采用墻壁 (wall)邊界。

1.3.1 風(fēng)速邊界的設(shè)定

模擬環(huán)境進(jìn)口采用大氣邊界層函數(shù)即迪肯(Deacon)的冪定律[4～8]:

式中:z0為氣流達(dá)到均勻流時(shí)的高度;μ0為z0處來(lái)流平均風(fēng)速;zi為任意高度值;μi為高度處的平均風(fēng)速;α為地面粗糙系數(shù)，地面的粗糙度越大α的值也就越大，文中取0.2[9]。該條件利用自定義邊界條件編程加載。

1.3.2 多孔區(qū)域邊界條件的設(shè)定

本模型散熱器采用多孔介質(zhì)[10～12]模型，就是在動(dòng)量方程中增加一個(gè)代表動(dòng)量的源項(xiàng)來(lái)模擬出多孔介質(zhì)的作用。源項(xiàng)由粘性損失項(xiàng)和慣性損失項(xiàng)組成，公式如下:

式中:sj為動(dòng)量方程中應(yīng)附加的源項(xiàng);μ為粘性系數(shù);vj為j方向的速度;vmag為速度大小;1/α為粘性阻力系數(shù);C2為慣性阻力系數(shù)。

根據(jù)實(shí)際測(cè)試的翅片阻力特性數(shù)據(jù)擬合得到阻力壓降與散熱器法向速度之間的關(guān)系:

考慮到空冷單元模型通流面積約為實(shí)際凝汽器迎風(fēng)面積的一半，多孔介質(zhì)模型厚度為10 m，得到散熱器模型單位長(zhǎng)度阻力壓降與速度之間的關(guān)系式為:

由式 (8)和式 (10)可求得多孔介質(zhì)模型通流方向的粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)分別為35 179和0.313。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 換熱量及換熱效率

以某600 MW直接空冷機(jī)組為例，如下計(jì)算條件為:在額定工況下，當(dāng)環(huán)境溫度33℃，環(huán)境壓力97.4 kPa時(shí)，機(jī)組56個(gè)空冷單元的排汽熱量為785 MW，每個(gè)空冷單元熱負(fù)荷為14.02 MW，風(fēng)機(jī)風(fēng)量437 m3/s。

空冷凝汽器換熱效率定義為實(shí)際換熱量Qr除以機(jī)組的排熱量Q所得到的無(wú)量綱數(shù)，空冷凝汽器換熱效率的計(jì)算公式如下:

其中，空冷島實(shí)際換熱量[13]的計(jì)算公式如下:

式中:Qr為56個(gè)空冷凝汽器吸熱量，MW;Di為空冷凝汽器空氣流量，kg/s;Δti為凝汽器空氣進(jìn)出口溫差，℃;Cp為空氣定壓比熱容，J/(g·℃);η為空冷凝汽器換熱效率。

2.2 地下進(jìn)風(fēng)方式外部流場(chǎng)溫度分布

該機(jī)組俯視圖如圖4，圖中箭頭方向?yàn)槿曛鲗?dǎo)風(fēng)向。

圖4 空冷島風(fēng)向示意圖Fig.4 Schematic diagram of the prevailing wind direction

環(huán)境風(fēng)速0 m/s時(shí)，散熱器上方熱氣呈羽流狀，溫度等值線如圖5。環(huán)境風(fēng)速為3 m/s時(shí)，熱氣隨風(fēng)擴(kuò)散，溫度等值線如圖6。環(huán)境風(fēng)速為5 m/s時(shí)，羽流狀繼續(xù)被破壞，熱氣隨風(fēng)擴(kuò)散，但沒(méi)有如地上進(jìn)風(fēng)的熱風(fēng)回流，溫度等值線如圖7。環(huán)境風(fēng)速7 m/s以后，熱氣被風(fēng)吹向更遠(yuǎn)方向，但沒(méi)有如地上進(jìn)風(fēng)的“倒灌”，溫度等值線如圖8。

圖5 溫度等值線圖(v=0 m/s)Fig.5 Temperature contour map(v=0 m/s)

圖6 溫度等值線圖(v=3 m/s)Fig.6 Temperature contour map(v=3 m/s)

圖7 溫度等值線圖(v=5 m/s)Fig.7 Temperature contour map(v=5 m/s)

圖8 溫度等值線圖(v=7 m/s)Fig.8 Temperature contour map(v=7 m/s)

2.3 兩種進(jìn)風(fēng)方式下通風(fēng)量比較

在主導(dǎo)風(fēng)向下，研究環(huán)境風(fēng)速分別為0，3 m/s，5 m/s，7 m/s，9 m/s，12 m/s對(duì)空冷凝汽器通風(fēng)量的影響。兩種不同進(jìn)風(fēng)方式的通風(fēng)量如圖9所示。

圖9 兩種進(jìn)風(fēng)方式下風(fēng)機(jī)風(fēng)量的變化Fig.9 Fan flow changes in the two air intake mode

可以看出，當(dāng)風(fēng)速在0～1 m情況下，地上進(jìn)風(fēng)方式大于地下進(jìn)風(fēng)方式的風(fēng)量，這是因?yàn)榈叵逻M(jìn)風(fēng)方式有風(fēng)道流動(dòng)阻力導(dǎo)致;之后隨著環(huán)境風(fēng)速的增大，兩種進(jìn)風(fēng)方式總通風(fēng)量的差別也隨之增大。當(dāng)風(fēng)速超5 m/s時(shí)，地下進(jìn)風(fēng)方式的通風(fēng)量隨風(fēng)速的增加而增大，這是因?yàn)樵谥鲗?dǎo)風(fēng)向下(如圖4)，2，3號(hào)風(fēng)道的進(jìn)風(fēng)增加量大于1號(hào)風(fēng)道的進(jìn)風(fēng)減小量;而地上進(jìn)風(fēng)的迎風(fēng)面前兩排空冷單元出現(xiàn)局部熱風(fēng)回流，導(dǎo)致通風(fēng)量有所減少如圖10～11。當(dāng)環(huán)境風(fēng)速超過(guò)7 m/s，地上進(jìn)風(fēng)的通風(fēng)量急劇下降，“倒灌”成為影響通風(fēng)量和換熱效率的主導(dǎo)因素，而地下進(jìn)風(fēng)方式依然平穩(wěn)，沒(méi)有上述情況發(fā)生，如圖12～13。當(dāng)環(huán)境風(fēng)速12 m/s時(shí)，地下進(jìn)風(fēng)通風(fēng)量比地上進(jìn)風(fēng)多14 198 kg/s;經(jīng)計(jì)算，地下進(jìn)風(fēng)量比地上進(jìn)風(fēng)平均提高52.57%

圖10 空氣流量圖 (v=5 m/s，地下通道進(jìn)風(fēng))Fig.10 Air flow of underground passage inlet v=5 m/s

圖11 空氣流量圖 (v=5 m/s，45m標(biāo)高)Fig.11 Air flow of 45 m elevation v=5 m/s

圖12 空氣流量圖 (v=7 m/s，地下通道進(jìn)風(fēng))Fig.12 Air flow of underground passage inlet v=7 m/s

2.4 兩種進(jìn)風(fēng)方式下凝汽器換熱效率的比較

兩種進(jìn)風(fēng)方式下凝汽器換熱效率隨風(fēng)速變化情況如圖14所示?？梢钥闯觯厣线M(jìn)風(fēng)方式空冷凝汽器換熱效率隨風(fēng)速的增加逐漸降低[14～15];而地下進(jìn)風(fēng)方式受環(huán)境風(fēng)速影響不大，且換熱效率一直很高，平均換熱效率為71.74%，平均比地上進(jìn)風(fēng)高24.4%。

圖13 空氣流量圖 (v=7 m/s，45m標(biāo)高)Fig.13 Air flow of 45 m elevation v=7 m/s

圖14 兩種進(jìn)風(fēng)方式下平均換熱效率的比較Fig.14 Average heat transfer in the two air intake mode

3 結(jié)論

針對(duì)直接空冷機(jī)組存在的問(wèn)題，提出了采用地下進(jìn)風(fēng)的方式。模擬結(jié)果表明:

(1)空冷凝汽器外部流場(chǎng)受環(huán)境風(fēng)變化的影響很小，不存在回流和倒灌，且風(fēng)機(jī)通風(fēng)量較穩(wěn)定，比地上進(jìn)風(fēng)平均提高52.57%。

(2)地下風(fēng)室空氣流場(chǎng)穩(wěn)定，整體換熱效率平均提高24.4%。

(3)因地下進(jìn)風(fēng)方式是首次提出，并無(wú)設(shè)計(jì)借鑒，可能地下挖土方工程投資較大，尚需進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析。

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