火電廠汽輪機(jī)房局部機(jī)械通風(fēng)數(shù)值模擬及優(yōu)化

張弘，黃亞繼，盛幫明，陸云，劉明濤，王靚

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火電廠汽輪機(jī)房局部機(jī)械通風(fēng)數(shù)值模擬及優(yōu)化

張弘1，黃亞繼1，盛幫明2，陸云2，劉明濤2，王靚1

(1. 東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京，210096；2. 中國能建江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇南京，211102)

為了改善汽輪機(jī)房通風(fēng)效果，保障人員舒適工作和設(shè)備安全運(yùn)行，通過數(shù)值模擬研究江蘇某2×1 000 MW機(jī)組汽輪機(jī)房內(nèi)空氣溫度場和速度場的分布情況并驗(yàn)證模擬結(jié)果準(zhǔn)確性，引入新型局部機(jī)械通風(fēng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，研究機(jī)械通風(fēng)流量及角度對(duì)溫度場的影響。研究結(jié)果表明：當(dāng)?shù)讓油L(fēng)流量達(dá)6 m3/s、運(yùn)轉(zhuǎn)層通風(fēng)流量達(dá)10 m3/s以上時(shí)，可以將人員主要活動(dòng)區(qū)溫度降至設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)；對(duì)于底層通風(fēng)口，通風(fēng)角度在0°~10°范圍內(nèi)，機(jī)械通風(fēng)會(huì)將廠房內(nèi)熱空氣排擠向自然進(jìn)風(fēng)口附近，抑制底層自然進(jìn)風(fēng)，該情況在實(shí)際工程中需要避免；當(dāng)角度大于20°時(shí)抑制作用消失，但通風(fēng)角度過大會(huì)使得廠房東側(cè)溫度升高，綜合考慮通風(fēng)角度選擇20°較為合理。

汽輪機(jī)房；數(shù)值模擬；局部機(jī)械通風(fēng)；優(yōu)化改進(jìn)

作為大型工業(yè)廠房，火力發(fā)電廠汽輪機(jī)房內(nèi)部包含多種高溫發(fā)熱設(shè)備，且熱源呈離散化分布；同時(shí)各類型號(hào)的管路設(shè)計(jì)緊湊、錯(cuò)綜復(fù)雜，增加了空氣流動(dòng)阻力。因此，如果汽輪機(jī)房布局和通風(fēng)設(shè)計(jì)不合理，極易產(chǎn)生局部高溫、空氣流通不暢等不理想?yún)^(qū)域[1]，從而導(dǎo)致內(nèi)部工作環(huán)境惡劣，不利于人員進(jìn)行巡檢和維護(hù)，更有可能影響設(shè)備安全運(yùn)行，威脅人員生命安全。綜上，合理設(shè)計(jì)汽輪機(jī)房結(jié)構(gòu)布局，選擇最佳通風(fēng)調(diào)節(jié)方式具有積極而重要的意義[2]。目前，汽輪機(jī)房所采用的通風(fēng)方式主要有：自然進(jìn)風(fēng)、自然排風(fēng)；自然進(jìn)風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)；機(jī)械進(jìn)風(fēng)、自然排風(fēng)；機(jī)械進(jìn)風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)；以及局部自然、機(jī)械相結(jié)合的送風(fēng)等方式[3?4]。從成本和能耗上分析，自然、局部、機(jī)械通風(fēng)的成本依次增加；而從通風(fēng)效果上看，采用機(jī)械通風(fēng)一般比自然通風(fēng)效果好。因此需要根據(jù)實(shí)際情況合理選擇不同的通風(fēng)方式，從而達(dá)到控制成本、優(yōu)化通風(fēng)的效果。隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，采用數(shù)值模擬方法來研究工業(yè)廠房及建筑內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)和傳熱得到廣泛應(yīng)用。例如AFLAKI等[5]討論了炎熱天氣下自然通風(fēng)存在的問題，并研究了通風(fēng)井、窗戶與墻壁面積比、建筑朝向?qū)ψ匀煌L(fēng)效果的影響；ARGHAND等[6]研究了3種不同的空氣分配系統(tǒng)對(duì)敞開式辦公室的影響，并改變熱負(fù)荷及送風(fēng)量觀察其對(duì)3種通風(fēng)方式的影響；謝良珊等[7]分別比較了風(fēng)壓單獨(dú)作用、熱壓單獨(dú)作用、二者共同作用、自然進(jìn)風(fēng)機(jī)械排風(fēng)4種工況下的通風(fēng)效果；余宇峰[8]探究了汽機(jī)房在春夏季節(jié)下機(jī)械通風(fēng)所需要的通風(fēng)量變化規(guī)律；陳金華等[9]利用相似理論和數(shù)值模擬研究了進(jìn)口不同送風(fēng)溫度對(duì)廠房內(nèi)平均溫度和最高溫度的影響；陳勇等[10]通過改變進(jìn)風(fēng)面積、風(fēng)壓、開孔位置研究其對(duì)室內(nèi)通風(fēng)量的影響效果。以往文獻(xiàn)主要側(cè)重于籠統(tǒng)地調(diào)整進(jìn)出口通風(fēng)形式、通風(fēng)面積、送風(fēng)量、送風(fēng)溫度等因素來優(yōu)化通風(fēng)，但由于改進(jìn)均較為宏觀，并未對(duì)廠房內(nèi)部區(qū)域結(jié)構(gòu)和空氣流動(dòng)形態(tài)有明顯調(diào)整，雖然對(duì)靠近進(jìn)排風(fēng)口區(qū)域的空氣流動(dòng)會(huì)有增益效果，但當(dāng)廠房的大空間將新風(fēng)的改進(jìn)效果稀釋后，在遠(yuǎn)離進(jìn)排風(fēng)口的汽輪機(jī)房內(nèi)部空氣流動(dòng)依然可能存在問題，原本局部通風(fēng)不理想?yún)^(qū)域的改進(jìn)效果并不明顯。而本文主要側(cè)重于對(duì)人員主要活動(dòng)區(qū)域和局部不理想?yún)^(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)優(yōu)化改進(jìn)，因?yàn)槿藛T主要活動(dòng)區(qū)域的舒適度直接影響工作人員正常作業(yè)，是檢驗(yàn)通風(fēng)效果好壞的重要指標(biāo)，更具有迫切性和必要性；而對(duì)于局部不理想?yún)^(qū)域，宏觀上的改進(jìn)措施效果較弱，需要更具有針對(duì)性的改善方法。本文通過引入新型局部通風(fēng)方式，并對(duì)比和調(diào)整相關(guān)參數(shù)不僅使得改進(jìn)更合理、明顯、具有針對(duì)性，還兼顧節(jié)能和改造成本，對(duì)工程實(shí)際具有積極指導(dǎo)意義。

1 工程簡介

本文研究對(duì)象為江蘇某2×1 000 MW超超臨界機(jī)組，汽輪機(jī)房的長×寬×高為200 m(軸)×41 m(軸)×43 m(軸)。廠房共分3層，即底層(=0 m)、夾層(=8.6 m)和運(yùn)轉(zhuǎn)層(=17 m)，C排為北側(cè)外墻，A排為南側(cè)外墻，B排為人員檢修通道。1號(hào)和3號(hào)高壓加熱器位于運(yùn)轉(zhuǎn)層以上(=25 m)，2號(hào)高壓加熱器和5號(hào)低壓加熱器位于運(yùn)轉(zhuǎn)層(=17 m)，6號(hào)，7號(hào)和8號(hào)低壓加熱器位于夾層(=8.6 m)，除氧器位于室外(=34.5 m)。已有的通風(fēng)方式為自然進(jìn)風(fēng)、自然排風(fēng)，新風(fēng)從底層大門或百葉窗進(jìn)入，在風(fēng)壓和熱壓[11?12]的共同作用下經(jīng)過天井、各層間格柵、孔洞間隙流向上方，最終通過屋頂天窗排出，過程中吸收并帶走廠房內(nèi)多余熱量。具體廠房結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

1—進(jìn)風(fēng)天井及百葉窗；2—汽輪機(jī)；3—小汽輪機(jī)；4—凝汽器；5—1號(hào)高加和3號(hào)高加；6—2號(hào)高加和5號(hào)低加；7—6號(hào)低加；8—7號(hào)和8號(hào)低加；9—除氧器；10—屋頂排風(fēng)口。

2 模型建立及邊界條件設(shè)定

2.1 物理模型建立及簡化

根據(jù)汽輪機(jī)房設(shè)計(jì)圖紙中所繪制的結(jié)構(gòu)及設(shè)備尺寸位置，建立相應(yīng)的物理模型。由于汽輪機(jī)房內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備眾多，為了便于模型建立及網(wǎng)格劃分，對(duì)模型進(jìn)行以下簡化：

1) 本研究對(duì)象為兩機(jī)一控，認(rèn)為汽輪機(jī)房以集控室中截面呈鏡面對(duì)稱，只建立一臺(tái)機(jī)組的物理模型以簡化不必要的計(jì)算量；并定義中截面與底層C排的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)。

2) 汽輪機(jī)房內(nèi)各熱源的外表面形狀近似為規(guī)則物體，如標(biāo)準(zhǔn)的圓柱體、立方體等。

3) 由于除氧器及相關(guān)管道位于室外，建模時(shí)不考慮該部分設(shè)備。

4) 由于現(xiàn)場測量過程中機(jī)組負(fù)荷無明顯變化，認(rèn)為各熱力設(shè)備處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，多次多點(diǎn)測量的表面平均溫度即為其表面溫度。

5) 忽略表面溫度與環(huán)境溫度之差在2 ℃以內(nèi)、直徑小于0.5 m的細(xì)小管路，若有局部細(xì)小管路集中部分，等效為相應(yīng)直徑的大管路。

由于B排為工作人員主要檢修通道及活動(dòng)區(qū)域，該位置附近溫度場及速度場分布的合理性顯得尤為重要；而在模擬中發(fā)現(xiàn)底層和運(yùn)轉(zhuǎn)層B排溫度分布不理想，因此在原汽輪機(jī)房結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，分別在底層(=0 m)、運(yùn)轉(zhuǎn)層(=17 m)B排附近增加直徑為0.9 m的機(jī)械通風(fēng)口，具體位置如圖2所示。為了減少機(jī)械送風(fēng)能耗和改造成本，更充分利用每一股新風(fēng)，擴(kuò)大其影響范圍和降溫效果，并防止B排附近熱力設(shè)備對(duì)新風(fēng)的阻擋，經(jīng)過多次嘗試后確定底層通風(fēng)口布置4個(gè)，中心點(diǎn)坐標(biāo)分別為(39.5，0.5，14)，(52.5，0.5，14)，(60，0.5，14)，(75，0.5，14)；運(yùn)轉(zhuǎn)層通風(fēng)口布置3個(gè)，中心點(diǎn)坐標(biāo)分別為(34.5，17.5，12)，(50，17.5，12)，(65，17.5，12)。新風(fēng)送向C排，并定義通風(fēng)角度為送風(fēng)方向與C排墻面垂線方向之間夾角，沿垂線順時(shí)針方向?yàn)檎?/p>

2.2 數(shù)學(xué)模型

1) 汽輪機(jī)房內(nèi)空氣的流動(dòng)及傳熱滿足連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程，見文獻(xiàn)[13?15]。

2) 經(jīng)計(jì)算雷諾數(shù)介于287 500~555 000之間，流體處于湍流狀態(tài)，湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)?模型。

3) 空氣流速遠(yuǎn)小于聲速，馬赫數(shù)＜1，認(rèn)為空氣為不可壓縮的黏性流體。

4) 由于汽輪機(jī)房內(nèi)部含有多個(gè)熱源，輻射模型選擇DO模型。

5) 通風(fēng)量平衡方程：

其中：gate為底層大門進(jìn)風(fēng)量，kg/s；window為窗戶進(jìn)風(fēng)量，kg/s；leak為各層漏風(fēng)量，漏進(jìn)為正，漏出為負(fù)，kg/s；machinery為機(jī)械進(jìn)風(fēng)量，kg/s；out為屋頂排風(fēng)量，kg/s。

6) 通風(fēng)熱平衡方程：

(2)

其中：in和out分別為自然通風(fēng)進(jìn)、出口空氣焓，J/kg；和分別為機(jī)械通風(fēng)進(jìn)、出口空氣焓，J/kg；和分別為漏風(fēng)進(jìn)、出口空氣焓，J/kg；con為汽輪機(jī)房內(nèi)熱力設(shè)備對(duì)流散熱量，W；rad為熱力設(shè)備輻射散熱量，W；solar為太陽輻射熱量，W；wall為墻壁散熱量，對(duì)廠房內(nèi)散熱為正，對(duì)外散熱為負(fù)，W。

(a) 底層(Y=0 m)；(b) 運(yùn)轉(zhuǎn)層(Y=17 m)

2.3 邊界條件

使用熱線風(fēng)速儀、紅外熱像儀對(duì)空氣溫度、流速、熱力設(shè)備表面溫度等物理量進(jìn)行實(shí)地測量(如圖3所示)，測量時(shí)間為夏季炎熱時(shí)期，室外環(huán)境溫度32 ℃，多次多點(diǎn)測量取平均值作為最終邊界條件設(shè)定值，具體情況如下：

1) 自然進(jìn)風(fēng)口如大門、百葉窗、運(yùn)轉(zhuǎn)層窗戶為速度入口邊界條件，速度為實(shí)測值，溫度為室外溫度。

2) 屋頂排風(fēng)口為表壓0 Pa的壓力出口邊界條件。

3) 中截面為對(duì)稱面邊界條件。

4) 各熱源、管道、樓板、墻壁為無滑移壁面定溫邊界條件，具體數(shù)值如表1所示。

表1 主要熱源溫度邊界條件參數(shù)(環(huán)境溫度為32 ℃)

圖3 汽輪機(jī)低壓缸及發(fā)電機(jī)表面溫度(紅外熱像儀拍攝)

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 模擬結(jié)果準(zhǔn)確性驗(yàn)證

在實(shí)地測量過程中，各層均選取了多個(gè)具有代表性的位置，如高溫區(qū)域附近、人員活動(dòng)頻繁區(qū)域附近、各層格柵開口附近等，作為特征點(diǎn)用來檢驗(yàn)?zāi)M結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文所研究的溫度場及速度場位置均為相應(yīng)樓層地板以上1.5 m處。特征點(diǎn)①~⑩具體選取位置及地理坐標(biāo)方位如圖4所示。

特征點(diǎn)溫度和速度的實(shí)驗(yàn)及模擬結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出：實(shí)驗(yàn)和模擬的結(jié)果基本吻合，溫度誤差都控制在1 ℃以內(nèi)，速度誤差控制在0.1 m/s以內(nèi)，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性和計(jì)算的正確性。但其中底層天井和轉(zhuǎn)角附近的誤差較高，這是因?yàn)樵趯?shí)地測量過程中，由于外部時(shí)常有陣風(fēng)出現(xiàn)，導(dǎo)致天井進(jìn)風(fēng)口的空氣流速有所波動(dòng)，進(jìn)風(fēng)流量不穩(wěn)定；并且進(jìn)風(fēng)面積較大，使得進(jìn)口平均風(fēng)速的測量誤差較大。

3.2 模擬結(jié)果分析

從圖4(a)可以看出：由于底層北側(cè)集中了多個(gè)高溫?zé)崃υO(shè)備及管道(如前置泵的表面溫度為86.3 ℃)，對(duì)流輻射散熱量巨大，在廠房北側(cè)中部形成了局部高溫區(qū)域；同時(shí)，由于自然進(jìn)風(fēng)空氣動(dòng)力不足，而且廠房南北跨度較大，從大門和百葉窗進(jìn)入廠房的空氣只能影響入口附近，對(duì)于較遠(yuǎn)的B排和C排影響效果有限，因此，廠房高溫區(qū)域相應(yīng)的空氣流動(dòng)較為緩慢，形成局部高溫流動(dòng)死區(qū)，不利于人員在此作業(yè)。由圖5可知：在B排人員檢修區(qū)域的局部溫度高達(dá)36 ℃以上，無法滿足《火力發(fā)電廠采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》(以下簡稱《規(guī)程》)[16]中所要求的：在環(huán)境溫度為32 ℃時(shí)，工作區(qū)域溫度不得超過35 ℃。

從圖4還可以看出：下層空氣可以經(jīng)過天井和層間開設(shè)的鏤空格柵流向上層，增大附近空氣流動(dòng)，并且使得周圍溫度有所降低，因此，在滿足其他結(jié)構(gòu)要求的情況下，適當(dāng)增大格柵面積有助于提升汽輪機(jī)房內(nèi)空氣流動(dòng)及降低溫度。

從圖4(e)和4(f)可以看出：由于本文模擬工況為運(yùn)轉(zhuǎn)層玻璃全部打開的情況(為了驗(yàn)證在最大通風(fēng)量的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)層溫度場是否能滿足《規(guī)程》要求)，因此A排空氣流通效果較好，溫度較低，但在小汽輪機(jī)北側(cè)B排和C排中部，由于各熱力設(shè)備的阻擋，空氣流動(dòng)效果有限，圖5中的⑧號(hào)測點(diǎn)也反映了存在局部溫度高于35 ℃的區(qū)域；然而實(shí)際情況中考慮到空氣質(zhì)量及短路風(fēng)流[17]等問題，只會(huì)打開其中一部分，因此運(yùn)轉(zhuǎn)層溫度將會(huì)有所升高，空氣流通效果將會(huì)較大幅度降低。

(a) Y=1.5 m溫度場；(b) Y=1.5 m速度場；(c) Y=10.1 m溫度場；(d) Y=10.1 m速度場；(e) Y=18.5 m溫度場；(f) Y=18.5 m速度場

1—實(shí)驗(yàn)值；2—模擬值。

4 優(yōu)化改進(jìn)

4.1 局部機(jī)械通風(fēng)方式

根據(jù)以上分析可以確定本研究對(duì)象所采用的自然通風(fēng)方式在夏季炎熱時(shí)期已經(jīng)無法達(dá)到《規(guī)程》中所要求的通風(fēng)效果，因此本文引入新型局部機(jī)械通風(fēng)方式(已申請(qǐng)發(fā)明專利并已公示)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，具體通風(fēng)口的布置位置在圖2中已經(jīng)標(biāo)明。優(yōu)化目標(biāo)是使得B排溫度在所研究的工況下達(dá)到《規(guī)程》所要求的35℃以下。

新型局部機(jī)械通風(fēng)方式的基本工作原理為：夏季炎熱時(shí)期，開啟風(fēng)機(jī)正吹，將外界溫度相對(duì)較低的空氣(若環(huán)境溫度過高則需要對(duì)新風(fēng)進(jìn)行冷卻)引入廠房，增大空氣流動(dòng)速度，降低高溫區(qū)域溫度；冬季寒冷時(shí)期，開啟風(fēng)機(jī)反吹，將汽輪機(jī)房內(nèi)上部熱空氣引入底層，防止冷風(fēng)滲透，減少低溫區(qū)域，增加熱空氣循環(huán)次數(shù)。

4.2 機(jī)械通風(fēng)流量對(duì)溫度場的影響

在本文研究的夏季炎熱工況下，將局部機(jī)械通風(fēng)口的出口溫度設(shè)定為環(huán)境溫度32 ℃，不同機(jī)械通風(fēng)流量下，底層和運(yùn)轉(zhuǎn)層B排溫度分布情況如圖6所示。

從圖6可以看出：對(duì)于底層，通風(fēng)流量6 m3/s基本可以使得工作區(qū)域的溫度控制在35 ℃以內(nèi)，且流量越大溫度最高值越?。欢S著通風(fēng)流量的繼續(xù)增加，大部分區(qū)域的通風(fēng)效果繼續(xù)增強(qiáng)，但在靠近自然進(jìn)風(fēng)口位置，過多的機(jī)械新風(fēng)會(huì)將汽輪機(jī)房內(nèi)的熱空氣排擠至自然進(jìn)風(fēng)口(=0 m)附近，對(duì)自然進(jìn)風(fēng)產(chǎn)生抑制作用，導(dǎo)致圖中水平方向=20~40 m范圍內(nèi)機(jī)械送風(fēng)的溫度比自然進(jìn)風(fēng)的溫度高；且通風(fēng)流量越高，熱空氣被排擠向自然進(jìn)風(fēng)口的距離越大，該現(xiàn)象是實(shí)際工程中所不希望發(fā)生的。對(duì)于運(yùn)轉(zhuǎn)層，隨著通風(fēng)流量的增大，溫度降低，考慮節(jié)能需求，通風(fēng)流量10 m3/s基本能滿足《規(guī)程》要求。

4.3 機(jī)械通風(fēng)角度對(duì)溫度場的影響

為了消除底層機(jī)械通風(fēng)對(duì)自然進(jìn)風(fēng)可能產(chǎn)生的抑制作用，改變底層機(jī)械通風(fēng)角度，研究不同通風(fēng)角度對(duì)底層B排溫度場分布的影響，具體溫度場分布情況如圖7所示。

(a) 底層(Y=1.5 m)；(b) 運(yùn)轉(zhuǎn)層(Y=18.5 m)

從圖7可以看出：當(dāng)通風(fēng)流量為2 m3/s時(shí)，由于流量太低，新風(fēng)在流動(dòng)過程中很容易因?yàn)樵O(shè)備及管道的阻擋而喪失流動(dòng)能力，因此B排溫度場隨通風(fēng)角度的變化趨勢并不明顯，改進(jìn)效果有限；當(dāng)通風(fēng)流量繼續(xù)增大時(shí)(由6 m3/s變化至14 m3/s)，隨著通風(fēng)角度的逐漸增大，B排最高溫度均逐漸降低，因此在0°~40°范圍內(nèi)，通風(fēng)角度越大，底層B排最高溫度越低。

對(duì)比通風(fēng)流量分別為6，10，14 m3/s時(shí)的溫度場變化可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)通風(fēng)角度為0°和10°時(shí)，均會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)房內(nèi)熱空氣被擠向自然進(jìn)風(fēng)口附近，抑制自然進(jìn)風(fēng)效果，使得=20~40 m范圍內(nèi)的溫度比原通風(fēng)方案的溫度高；當(dāng)通風(fēng)角度繼續(xù)增大至40°時(shí)，機(jī)械通風(fēng)對(duì)自然進(jìn)風(fēng)的抑制作用逐漸消退，=20~40 m范圍內(nèi)的溫度與原通風(fēng)方案基本相同，都處于較低水平，因此實(shí)際工程中盡量保證通風(fēng)角度大于20°。

機(jī)械通風(fēng)流量/(m3?s?1)：(a) 2；(b) 6；(c) 10；(d) 14

進(jìn)一步觀察任意某通風(fēng)流量下=80~100 m范圍內(nèi)的溫度隨角度的變化情況可以看出，隨著通風(fēng)角度的增大，該范圍內(nèi)溫度也相應(yīng)升高，這是因?yàn)榻嵌仍酱?，新風(fēng)沿軸正方向上的速度分量越大，更易將高溫區(qū)域的熱空氣推向汽輪機(jī)房東側(cè)(=100 m)，導(dǎo)致該區(qū)域溫度更高，因此在保證不影響自然進(jìn)風(fēng)的前提下，選擇20°的通風(fēng)角度更合適。當(dāng)通風(fēng)角度相同時(shí)，隨著機(jī)械通風(fēng)流量的增大，=80~100 m范圍內(nèi)的溫度逐漸降低，這是因?yàn)闄C(jī)械通風(fēng)流量越大，新風(fēng)具有更好的延續(xù)性，衰減過程更長，降溫范圍更廣闊，因此在減少能耗和保證最高溫度滿足《規(guī)程》要求的前提下，選擇6~10 m3/s的機(jī)械通風(fēng)流量較為合適。

5 結(jié)論

1) 通過模擬結(jié)果與實(shí)地測量的特征點(diǎn)相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，確定模擬結(jié)果準(zhǔn)確性；通過對(duì)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，原有的汽輪機(jī)房自然通風(fēng)方案存在局部高溫流動(dòng)死區(qū)、通風(fēng)效果無法滿足《火力發(fā)電廠采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》的要求等問題。

2) 引入新型局部機(jī)械通風(fēng)方式，模擬后發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)讓油L(fēng)流量達(dá)到6 m3/s以上、運(yùn)轉(zhuǎn)層達(dá)到10 m3/s以上時(shí)，能使各層B排人員工作區(qū)的最高溫度降到《規(guī)程》要求范圍內(nèi)，提高人員工作環(huán)境舒適度；但隨著底層通風(fēng)流量增大，會(huì)將汽輪機(jī)房內(nèi)熱空氣排擠向自然進(jìn)風(fēng)口，從而抑制自然進(jìn)風(fēng)，增大進(jìn)風(fēng)口附近空氣溫度，因此需要調(diào)整通風(fēng)角度。

3) 當(dāng)機(jī)械通風(fēng)角度從0°變化到40°的范圍內(nèi)，通風(fēng)角度越大，底層B排最高溫度越低，但會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)房東側(cè)(=100 m)附近空氣溫度越高。

4) 當(dāng)機(jī)械通風(fēng)角度處于0°~10°范圍內(nèi)時(shí)，底層機(jī)械通風(fēng)對(duì)自然進(jìn)風(fēng)會(huì)產(chǎn)生抑制作用，導(dǎo)致自然進(jìn)風(fēng)口附近空氣溫度升高；當(dāng)通風(fēng)角度大于20°時(shí)，抑制作用消失，自然進(jìn)風(fēng)口附近空氣溫度處于較低水平。

5) 由于通風(fēng)角度低于20°可能會(huì)抑制自然進(jìn)風(fēng)，過高會(huì)使廠房東側(cè)溫度升高，因此機(jī)械通風(fēng)角度選擇20°較為合適；同時(shí)通風(fēng)流量越大，廠房東側(cè)空氣溫度越低，在既保證降低能耗又能滿足《規(guī)程》要求的情況下，機(jī)械通風(fēng)流量選擇6~10 m3/s較為合適。

[1] 鄒聲華, 翁培奮, 張登春, 等. 熱源廠房通風(fēng)有效性的數(shù)值分析[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2007, 36(1): 74?78. ZHOU Shenghua, WENG Peifen, ZHANG Dengchun, et al. Numerical analysis of validity of ventilation in heat workshop[J]. Journal of Central South University (Natural Science), 2007, 38(1): 74?78.

[2] 竟峰, 張旭, 楊潔. 我國部分城市辦公建筑自然通風(fēng)潛力分析[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2008, 36(1): 92?96. JING Feng, ZHANG Xu, YANG Jie. Natural ventilation potential analysis of office building in China[J]. Journal of Tongji University (Natural Science), 2008, 36(1): 92?96.

[3] CHEN H, JANBAKHSH S, LARSSON U. Numerical investigation of ventilation performance of different air supply devices in an office environment[J]. Building and Environment, 2015, 90(1): 37?50.

[4] 楊其才, 劉剛. 電廠通風(fēng)方式選擇的可行性分析[J]. 建筑節(jié)能, 2010(10): 20?22, 52. YANG Qicai, LIU Gang. Feasibility analysis of ventilation in power plant[J]. Building Energy Saving, 2010(10): 20?22, 52.

[5] AFLAKI A, MAHYUDDIN N, MAHMOUD Z A, et al. A review on natural ventilation applications through building facade components and ventilation openings in tropical climates[J]. Energy and Buildings, 2015, 101: 153?162.

[6] ARGHAND T, KARIMIPANAH T, AWBI H B, et al. An experimental investigation of the flow and comfort parameters for under-floor, con?uent jets and mixing ventilation systems in an open-plan office[J]. Building and Environment, 2015, 92(3): 48?60.

[7] 謝良珊, 劉剛, 楊其才, 等. 常規(guī)島主廠房通風(fēng)換氣方案的研究[J]. 東華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2013, 39(1): 117?123. XIE Liangshan, LIU Gang, YANG Qicai, et al. Study of ventilation scheme in main power house for conventional island[J]. Journal of Donghua University (Natural Science), 2013, 39(1): 117?123.

[8] 余宇峰. 龍灘地下水電站全廠機(jī)械通風(fēng)(空調(diào))模型試驗(yàn)研究[D]. 重慶: 重慶大學(xué)城市建筑與環(huán)境工程學(xué)院, 2005: 39?66. YU Yufeng. Experiment study on mechanical ventilation (air condition) model of Longtan underground hydropower station[D]. Chongqing: Chongqing University. Institute of Urban Architecture and Environmental Engineering, 2005: 39?66.

[9] 陳金華, 馬晴, 夏磊, 等. 云南干河泵站地下廠房通風(fēng)系統(tǒng)模型試驗(yàn)[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2014, 41(4): 107?112. CHEN Jinhua, MA Qing, XIA Lei, et al. Experiment on the ventilation system model of the underground powerhouse of Yunan’s Ganhe pumping station[J]. Journal of Hunan University (Natural Science), 2014, 41(4): 107?112.

[10] 陳勇, 王旭, 孫炳楠, 等. 單體房間室內(nèi)通風(fēng)多影響因素的試驗(yàn)研究[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2012, 46(4): 658?664. CHEN Yong, WANG Xu, SUN Bingnan, et al. Wind tunnel experimental study on single room ventilation affected by miscellaneous factors[J]. Journal of Zhejiang University (Natural Science), 2012, 46(4): 658?664.

[11] 周軍莉. 建筑蓄熱與自然通風(fēng)耦合作用下室內(nèi)溫度計(jì)算及影響因素分析[D]. 長沙: 湖南大學(xué)土木工程學(xué)院, 2009: 11?15. ZHOU Junli. Indoor temperature calculation and influence factors analysis under the coupling effect of building thermal storage and natural ventilation[D]. Changsha: Hunan University. Institute of Civil Engineering, 2009: 11?15.

[12] 閆鳳英, 王新華, 吳有聰. 基于CFD的室內(nèi)自然通風(fēng)及熱舒適性的模擬[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 42(5): 407?412. YAN Fengying, WANG Xinhua, WU Youcong. Simulation of interior natural ventilation and thermal comfort based on CFD[J]. Journal of Tianjin University, 2009, 42(5): 407?412.

[13] 霍菲陽, 李勇, 李偉力, 等. 大型空冷汽輪發(fā)電機(jī)定子通風(fēng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的計(jì)算與分析[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2010, 30(6): 69?75. HUO Feiyang, LI Yong, LI Weili, et al. Calculation and analysis on stator ventilation structure of different optimization proposal in air-cooled turbogenerator[J]. Proceedings of the CSEE, 2010, 30(6): 69?75.

[14] 吳飛青, 張立彬, 胥芳, 等. 機(jī)械通風(fēng)條件下玻璃溫室熱環(huán)境數(shù)值模擬[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2010, 41(1): 153?158. WU Feiqing, ZHANG Libin, XU Fang, et al. Numerical simulation of the thermal environment in a mechanically ventilated greenhouse[J]. Transaction of the Chinese Society for Agriculture Machinery, 2010, 41(1): 153?158.

[15] 路義萍, 陳朋飛, 李俊亭, 等. 某新型空冷汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通風(fēng)方式的流場分析[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2010, 30(6): 63?68. LU Yiping, CHEN Pengfei, LI Junting, et al. Flow field analysis of new type ventilation method in one air-cooled turbogenerator rotor[J]. Proceedings of the CSEE, 2010, 30(6): 63?68.

[16] DL/T 5035—2004. 火力發(fā)電廠采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程[S]. DL/T 5035—2004. Thermal power plant heating ventilation and air conditioning design procedures[S].

[17] KANG J H, LEE S J. Improvement of natural ventilation in a large factory building using a louver ventilator[J]. Building and Environment, 2008, 43(12): 2132?2141.

(編輯 趙俊)

Numerical simulation and optimization on local mechanical ventilation in steam turbine room of thermal power plant

ZHANG Hong1, HUANG Yaji1, SHENG Bangming2, LU Yun2, LIU Mingtao2, WANG Liang1

(1. Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education,Southeast University, Nanjing 210096, China;2. Jiangsu Power Design Institute Co., Ltd., China Energy Engineering Group, Nanjing 211102, China)

In order to improve the ventilation effect and guarantee the comfort of staffs and the security of equipments, numerical simulation was employed to research the distribution of temperature and velocity field of the air in one of the 2×1 000 MW power unit steam turbine room and the accuracy of simulation results were verified. The new local mechanical ventilation was introduced into optimization. The effect of changing mechanical ventilation flow rate and degree on temperature field was studied. The results show that the temperature of operation region can be reduced to the requirement when the ventilation flow rates are more than 6 m3/s and 10 m3/s respectively in the ground floor and operation floor. The situation should be avoided because mechanical ventilation would restrain natural ventilation by pushing the hot air towards the entrance when the ventilation degree is 0°?10°. When the degree is larger than 20°, the restrain effect disappears but the temperature rises in the east area, and so the ventilation degree should be set at 20°.

steam turbine room; numerical simulation; local mechanical ventilation; optimization

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.06.033

TK 284.8

A

1672?7207(2017)06?1659?08

2016?07?18；

2016?10?29

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11190015)(Project (11190015) supported by the National Natural Science Foundation of China)

黃亞繼，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事電廠節(jié)能環(huán)保研究；E-mail：heyyj@seu.edu.cn