直接空冷凝汽器單元流場分析

呂正凱， 趙蘭萍， 黃 維， 楊志剛

（1.同濟(jì)大學(xué)制冷及低溫工程研究所，上海2018 04；2.同濟(jì)大學(xué)上海地面交通工具風(fēng)洞中心，上海2018 04）

0 引言

直接空冷凝汽器將空氣作為冷卻介質(zhì)，使得它的節(jié)水效果大大提高。研究發(fā)現(xiàn)，采用直接空冷系統(tǒng)發(fā)電廠的用水量比采用水冷系統(tǒng)的節(jié)約70%左右，使得直接空冷凝汽器在水資源短缺的地方得到了迅速的發(fā)展[1～5]。

直接空冷凝汽器框架內(nèi)的流場分布對空冷系統(tǒng)的換熱特性有很大影響。而框架內(nèi)流場是復(fù)雜的三維流動(dòng)問題，受不同速度的來流橫風(fēng)、來流風(fēng)向角、幾何結(jié)構(gòu)等因素的影響。因此利用數(shù)值研究的方法分析直接空冷系統(tǒng)在多種工況下的運(yùn)行特性[6～9]，對于直接空冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)和安全高效運(yùn)行有著重要意義。

本文的研究對象為容量600 MW的直接空冷凝汽器，利用Fluent軟件對多種工況下運(yùn)行的流場特性進(jìn)行了研究，包括不同的來流橫風(fēng)和來流風(fēng)向角。

圖1 空冷凝汽器構(gòu)成圖

1 空冷凝汽器模型

1.1 物理模型

圖1所示，直接空冷系統(tǒng)由空冷凝汽器、風(fēng)機(jī)、支撐結(jié)構(gòu)等構(gòu)成，其中凝汽器由單排蛇形扁管管束組成，并且左右兩組換熱器管束呈“A”字形布置。正下方為軸流風(fēng)機(jī)，它的直徑為9.14 m，對應(yīng)的功率為80 kW。蒸汽分配管設(shè)置于換熱器的頂端，其管徑為1.5 m。由于熱回流的影響，在換熱器平臺(tái)的四周設(shè)置擋風(fēng)墻。下圖為蛇形翅片扁管示意圖和空冷凝汽器單元示意圖。

圖2 蛇形翅片扁管示意圖

圖3 蛇形翅片管結(jié)構(gòu)尺寸（側(cè)面）

圖4 蛇形翅片管結(jié)構(gòu)尺寸（剖面）

1.2 數(shù)學(xué)模型

數(shù)值模擬的傳熱過程包括風(fēng)機(jī)、翅片管束，采用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型進(jìn)行描述?？绽淦髦械姆旨壓蜕咝纬崞夤軗Q熱器分別處理成一個(gè)平面和多孔介質(zhì)。控制空氣流動(dòng)的微分方程如下：

質(zhì)量守恒方程：

動(dòng)量方程：

湍動(dòng)能耗散率方程：

湍動(dòng)能方程：

式中 ρ—流體密度，kg/m3；

u—流體速度，m/s；

i，j，f—自由指標(biāo)，取1，2，3；

P—流體靜壓，Pa；

Fi—外部體積力，N；

Gk—由平均速度梯度而產(chǎn)生的湍動(dòng)能，m2/s2

Gb—由浮生力產(chǎn)生的湍動(dòng)能，m2/s2；

k —湍流動(dòng)能，m2/s2；

ε—湍流耗散率，m2/s3；

μeff—流體有效動(dòng)力粘度，Pa·S；

μt—湍流粘滯系數(shù)，m2/s。

1.3 邊界條件

平臺(tái)以上15 m四面風(fēng)墻設(shè)為對稱面邊界條件，蒸汽分配管設(shè)為壁面邊界條件，風(fēng)機(jī)以下的四個(gè)平面亦設(shè)為對稱邊界條件。計(jì)算區(qū)域進(jìn)出口條件分別為速度進(jìn)口和壓力出口，其余面設(shè)為對稱性邊界。按照集總參數(shù)法的思想，將風(fēng)機(jī)看作一個(gè)薄面，在計(jì)算模型中輸入的風(fēng)機(jī)靜壓與法向速度之間的關(guān)系式由風(fēng)機(jī)性能曲線確定。

利用最小二乘法依據(jù)圖4的風(fēng)機(jī)性能變化曲線擬合出相應(yīng)的關(guān)聯(lián)式：

Pst=0.939 V3-16.9219 V2+73.7647 V+41.5745（5）

式中 Pst—風(fēng)機(jī)靜壓，Pa；

V—法向速度，m/s。

關(guān)于蛇形翅片扁管換熱器的模擬，本文采用由Patankar等人提出的模型[10]，即把蛇形翅片管束處理成多孔介質(zhì)。相應(yīng)的關(guān)系式為：

圖5 風(fēng)機(jī)性能曲線

式中 Si—附加源項(xiàng)，Pa/m；

μ —?jiǎng)恿︷ば韵禂?shù)，Pa·S；

C2—慣性阻力系數(shù)矩陣。

其中，1 a和C2可根據(jù)蛇形扁管換熱器的流動(dòng)阻力的變化曲線確定。

圖6 蛇形翅片管的氣側(cè)流動(dòng)阻力變化圖

根據(jù)圖6擬合得到換熱器的阻力與迎面風(fēng)速的關(guān)系：

ΔP=2.0345 V2+12.9655 V （7）

本文采用環(huán)境溫度為30℃，根據(jù)式（7）可以得到內(nèi)部阻力系數(shù)為3168 500，黏性系數(shù)C2為15.3489。

1.4 網(wǎng)格劃分

本文計(jì)算區(qū)域選取一個(gè)完整的空冷流場單元，包括蛇形扁管換熱器組成的凝汽器、軸流風(fēng)機(jī)、蒸汽分配管等。采用Gambit軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了減小進(jìn)口處流場的不均勻性的影響同時(shí)避免出口處產(chǎn)生回流，將模擬計(jì)算區(qū)域在空冷器的上下分別延長30 m。結(jié)構(gòu)規(guī)則的區(qū)域使用六面體網(wǎng)格，結(jié)構(gòu)不規(guī)則的區(qū)域使用四面體網(wǎng)格。同時(shí)對重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，進(jìn)出口段使用粗網(wǎng)格。通過多套網(wǎng)格的計(jì)算檢測了網(wǎng)格無關(guān)性，最終使用的網(wǎng)格的單元總數(shù)約為70萬。網(wǎng)格劃分如圖7、圖8所示。

圖7 模擬計(jì)算區(qū)域

圖8 網(wǎng)格劃分示意圖

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1.1 正Z方向橫風(fēng)對空冷凝汽器流場的影響

橫風(fēng)會(huì)增強(qiáng)熱回流的影響，同時(shí)削弱了汽輪機(jī)的出力，使得單元流場的不均勻性增大。本文考察了五個(gè)不同工況下的空冷單元流場的特性，對應(yīng)的來流橫風(fēng)的速度是：2 m/s、3 m/s、4 m/s、5 m/s、6 m/s。

（1）橫風(fēng)速度為2 m/s時(shí)的等值線圖如圖9所示。

（2）橫風(fēng)速度為6 m/s時(shí)的等值線圖如圖10所示。

圖9 橫風(fēng)速度為2 m/s時(shí)的等值線圖

圖10 橫風(fēng)速度為6 m/s時(shí)的等值線圖

從圖9和圖10可以看出，當(dāng)風(fēng)向?yàn)檎齴方向時(shí)，凝汽器單元左右兩側(cè)的速度分布是對稱的，氣體流經(jīng)風(fēng)機(jī)時(shí)類似于通過一個(gè)突縮和突擴(kuò)的空間，氣流組織變得更加紊亂，在風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口處的流速最大。由于速度深受橫風(fēng)作用的影響，在換熱管束上的流場分布中，高速度區(qū)域向出口方向有所傾斜。隨著來流速度的增大，壓制了軸流風(fēng)機(jī)的鼓風(fēng)作用，風(fēng)向被壓低。

圖11 正Z方向橫風(fēng)空氣體積流量與來流速度的關(guān)系

從圖11可以看出，隨著橫風(fēng)流速的增加，通過換熱器的空氣流量隨之下降。當(dāng)來流速度為2 m/s時(shí)，對應(yīng)軸流風(fēng)機(jī)的吸風(fēng)量約為385 m3/s，當(dāng)來流速度為6 m3/s時(shí)，對應(yīng)的吸風(fēng)量為231 m3/s，下降了40%，說明橫風(fēng)流速的增大，較大幅度的降低了軸流風(fēng)機(jī)的吸風(fēng)能力。還可以看出，左右側(cè)換熱器的空氣體積流量的變化曲線基本重合，說明流經(jīng)左右兩側(cè)換熱器的空氣量大體相同，這是由于兩側(cè)換熱器流場的速度分布是對稱的。

2.1.2 正X方向橫風(fēng)對空冷凝汽器流場的影響

（1）橫風(fēng)速度為2 m/s時(shí)的等值線圖如圖12所示。

圖12 橫風(fēng)速度為2 m/s時(shí)的速度等值線圖

（2）橫風(fēng)速度為6 m/s時(shí)的等值線圖如圖13所示。

圖13 橫風(fēng)速度為6 m/s時(shí)的速度等值線圖

圖14 正X方向橫風(fēng)空氣體積流量與來流速度的關(guān)系

由圖14可知，當(dāng)來流橫風(fēng)為正X方向時(shí)，由于來流橫風(fēng)的沖擊作用，阻礙了迎風(fēng)側(cè)換熱器的流出空氣的上升，并在蒸汽分配管頂部形成繞流。橫風(fēng)同時(shí)又促進(jìn)了背風(fēng)側(cè)換熱器流出的空氣的流動(dòng)，使得流出空氣的流速大于迎風(fēng)側(cè)。所以在相同的風(fēng)速下，迎風(fēng)側(cè)的空氣流量小于背風(fēng)側(cè)的。對于迎風(fēng)側(cè)換熱器，對應(yīng)的排風(fēng)量隨著流速的增大而減小，下降趨勢比背風(fēng)側(cè)的更加明顯。

2.2 來流風(fēng)向角對凝汽器流場的影響

本文主要考慮不同風(fēng)向角的流體對凝汽器單元流場特性的影響。共建立3個(gè)幾何模型，分別是（0°，90°），（30°，60°），（45°，45°），流體的迎面風(fēng)速為4 m/s。圖15，16和17分別是來流風(fēng)向角為30°、45°、60°時(shí)的速度截面分布圖。

圖15 來流風(fēng)向角30°速度分布

圖16 來流風(fēng)向角45°速度分布

圖17 來流風(fēng)向角60°速度分布

由圖可知，流體風(fēng)向角有效地影響了換熱器出口位置的速度分布，使得不同風(fēng)向角下的冷凝器單元流場差異很大。并且45°角對應(yīng)的速度場更加紊亂。由于在背風(fēng)側(cè)有漩渦形成，會(huì)產(chǎn)生氣體的回流。

圖18 空氣體積流量隨風(fēng)向角的變化曲線

由圖18可知，當(dāng)風(fēng)向角相同時(shí)，流經(jīng)迎風(fēng)側(cè)的空氣量小于背風(fēng)側(cè)的，原因在于換熱器外面的流體對流經(jīng)迎風(fēng)側(cè)空氣的阻礙作用增加了流體的阻力。對于迎風(fēng)側(cè)，風(fēng)向角為0°～45°時(shí)，換熱器的排風(fēng)量越來越小，而當(dāng)風(fēng)向角為45°～60°時(shí)，換熱器的排風(fēng)量呈明顯的增加趨勢，在風(fēng)向角為60°～90°時(shí)，通過換熱器的空氣流量基本不變對于背風(fēng)側(cè)散熱器，隨著風(fēng)向角的增大排風(fēng)量逐漸增大，在60°后又呈逐漸減小的趨勢，但變化幅度較小。

3 結(jié)語

以600 MW典型空冷凝汽器為研究對象，建立了三維流動(dòng)的模型，并進(jìn)行了空冷凝汽器多種工況下運(yùn)行的模擬分析，得出以下結(jié)論：

（1）橫風(fēng)風(fēng)速的增加不利于空冷器的排風(fēng)，隨著風(fēng)速的增加，換熱器的迎面風(fēng)速逐漸減小。對于背風(fēng)側(cè)換熱器，正Z風(fēng)向?qū)ζ溆骘L(fēng)速的影響大于正X風(fēng)向的；對于迎風(fēng)側(cè)換熱器，二者對迎面風(fēng)速的影響基本相當(dāng)。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)和運(yùn)行中要特別注意正Z方向的橫風(fēng)。

（2）來流風(fēng)向角對空冷單元流場的影響比較大。對于軸流風(fēng)機(jī)而言，它的吸風(fēng)量隨著來流風(fēng)向角的增加而增大，升高幅度約為15%。為此在實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)考量當(dāng)?shù)爻Ｄ曛鲗?dǎo)風(fēng)向，以此確定空冷系統(tǒng)的布局，使換熱器的90°角朝著本地常年風(fēng)向。

[1]Taweny R，Khan J，Zachary J. Economic and performance evaluation ofheat sink options in combined cycle applications[J]. Journal of Engineeringfor Gas Turbines and Power，2005，127（2）：397～403.

[2]趙之東，楊豐利．直接空冷凝汽器的發(fā)展和現(xiàn)狀[J].華北電力技術(shù)，2004，7（5）：44～50.

[3]Meyer C J，KR-GER D G. Air cooled heat exchanger inlet flow losses[J].Applied Thermal Engineering，2001，21（9）：771～786.

[4]Meyer C J，Kroger D G，Thiart G D. Numerical investigation of fan performancein a forced draft air-cooling steam condenser[J]. Applied ThermalEngineering，2006，26（8-9）：846～852.

[5]馬義偉．發(fā)電廠空冷技術(shù)的現(xiàn)狀與進(jìn)展[J]．電力設(shè)備，2006，7（3）：5～7.

[6]屠珊，楊冬，黃錦濤，等.橢圓翅片管空冷器流動(dòng)傳熱特性的研究[J].熱能動(dòng)力工程，2000，15（29）：455～458.

[7]楊立軍，杜小澤，楊勇平.空氣凝汽器全工況運(yùn)行特性分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28（8）：24～28.

[8]胡漢波，李隆鍵，張義華，等.直接空冷凝汽器三維流場特性的數(shù)值分析[J].動(dòng)力工程，2007，27（4）：592～595.

[9]石磊，石誠，黃湘，等.直接空冷凝汽器單元樣機(jī)流動(dòng)和傳熱性能研究[J].熱能動(dòng)力工程，2009，24（1）：73～76.

[10]Pantankar S V，Spalding D B. Calculation procedure for the transient andsteady-state behavior of shell-and-tube heat exchangers [J]. Heat Exchangers，Design and Theory Source book，Edited by Afgan N. and Sciener.E. U，Scripta Boook Company，Washington，D. C. 1974 ，26（6）：36～41.