環(huán)境風(fēng)對(duì)火電廠直接空冷系統(tǒng)熱回流影響的研究

王玲花，黃 鑫，喬文濤，張 楊

?

環(huán)境風(fēng)對(duì)火電廠直接空冷系統(tǒng)熱回流影響的研究

王玲花1，黃 鑫2，喬文濤3，張 楊1

（1. 華北水利水電大學(xué)電力學(xué)院，鄭州 450000；2. 四川省紫坪鋪開發(fā)有限責(zé)任公司，成都 610000；3. 黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，鄭州 450003）

本文利用Fluent軟件對(duì)某火電廠2×1000MW機(jī)組直接空冷系統(tǒng)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，研究了熱回流率隨環(huán)境風(fēng)向和風(fēng)速的變化規(guī)律以及擋風(fēng)墻高度對(duì)熱回流率的影響。計(jì)算結(jié)果表明：直接空冷系統(tǒng)的散熱性能對(duì)周圍風(fēng)環(huán)境很敏感，特別是從鍋爐房和間接空冷塔方向來流時(shí)，大風(fēng)對(duì)空冷島的散熱效果影響較大；其他風(fēng)向下，隨著來流風(fēng)速增加，熱回流率先增大后減小；適當(dāng)增加擋風(fēng)墻高度，可以有效降低熱回流率。

火電廠；環(huán)境風(fēng)；直接空冷系統(tǒng)；熱回流率；數(shù)值模擬

0 前言

近年來，大容量、高參數(shù)的大型汽輪機(jī)組不斷應(yīng)用于新建的火電廠中，這類機(jī)組在燃用大量煤炭的同時(shí)，又耗用了大量的水資源。由于我國(guó)受到煤和水分布不均的制約，在一些“富煤缺水”地區(qū)往往無法興建大型火電廠。為此，機(jī)組空氣冷卻系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱空冷系統(tǒng)）便應(yīng)運(yùn)而生，它包括直接空冷系統(tǒng)和間接空冷系統(tǒng)。直接空冷技術(shù)由于其基建投資省、占地面積少、防凍手段多、靈活可靠，明顯優(yōu)越于間接空冷技術(shù)。但直接空冷凝汽器暴露在空氣中，其散熱效果受環(huán)境因素影響較大。如果直接空冷凝汽器布置不當(dāng)或在環(huán)境風(fēng)影響下，空冷散熱器排出的熱空氣會(huì)重新回到空冷島底部，形成熱回流。熱回流對(duì)直接空冷凝汽器的散熱效果影響很大，會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)背壓升高，嚴(yán)重時(shí)甚至造成機(jī)組停機(jī)，危及整個(gè)電廠的運(yùn)行。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一系列研究[1-12]。

為解決工程實(shí)際問題，本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某火電廠2×1000MW直接空冷系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值研究。該電廠既有直接空冷機(jī)組又有間接空冷機(jī)組，間接空冷塔的存在對(duì)直接空冷島的散熱效果有何影響不是十分清楚，流場(chǎng)情況比較復(fù)雜，因此需要深入探討其流場(chǎng)流動(dòng)規(guī)律，為工程實(shí)際提供合理建議。

1 熱回流產(chǎn)生的機(jī)理

火電廠直接空冷系統(tǒng)對(duì)汽輪機(jī)乏汽的冷卻，是一個(gè)在環(huán)境風(fēng)作用下進(jìn)行強(qiáng)迫對(duì)流換熱的過程。在無風(fēng)情況下，軸流風(fēng)機(jī)從空冷島底部抽吸冷空氣進(jìn)入直接空冷凝汽器進(jìn)行換熱，排出的熱氣流呈羽流狀向上散發(fā)到大氣中。當(dāng)大風(fēng)從不利風(fēng)向吹過空冷島時(shí)，氣流在鍋爐房、汽機(jī)房、擋風(fēng)墻等建筑物邊緣發(fā)生分離，產(chǎn)生包含有大小不一旋渦的渦流區(qū)，從空冷凝汽器排出的熱空氣受到上升熱浮力、來流慣性力和旋渦紊動(dòng)剪切的共同作用，另外，由于風(fēng)機(jī)的抽吸作用，空冷島底部會(huì)形成低壓區(qū)，空冷平臺(tái)上方和下方形成壓差。在上述因素的共同影響下，本來呈羽流狀上升的熱氣流會(huì)被壓彎，一部分熱氣流會(huì)重新回到風(fēng)機(jī)進(jìn)口，形成熱回流。

2 模型及計(jì)算方法

2.1 物理模型及網(wǎng)格

對(duì)于該電廠的直接空冷系統(tǒng)，由于空冷島周圍流場(chǎng)不僅與當(dāng)?shù)貧庀髼l件有關(guān)，還與電廠主要建筑物的大小、形狀和位置有關(guān)，因此，本文主要對(duì)電廠較高建筑物（包括鍋爐房、汽機(jī)房、空冷島、兩座間接空冷塔）進(jìn)行建模，其實(shí)體模型如圖1所示。本模型中空冷島平臺(tái)高50m，寬97.8m，長(zhǎng)224m，平臺(tái)四周設(shè)置2m寬的過道，空冷凝汽器散熱面積2224833m2，凝汽管束長(zhǎng)10m；每臺(tái)機(jī)組配置軸流風(fēng)機(jī)80臺(tái)，單臺(tái)風(fēng)機(jī)直徑9.754m，靜壓113Pa，額定流量552m3/s，由此可得風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)速度為7.39m/s。

1-空冷島；2、3-間接空冷塔；4、5-鍋爐房；6-汽輪機(jī)房

計(jì)算域尺寸2480×2300×800m，從鍋爐房指向空冷島為X軸正方向，從空冷島指向間接空冷塔2為Y軸正方向，豎直向上為Z軸正方向。利用Gambit軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在風(fēng)向?yàn)?X方向、風(fēng)速7m/s、環(huán)境溫度30℃的工況下通過初步試算，選擇三套網(wǎng)格方案（290萬、341萬、449萬個(gè)網(wǎng)格）分別進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，三套網(wǎng)格所得風(fēng)機(jī)入口處的平均溫度相差不大。為了進(jìn)一步節(jié)約計(jì)算機(jī)內(nèi)存資源和提高計(jì)算速度，選用341萬網(wǎng)格進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。

2.2 計(jì)算方程及邊界條件

2.2.1 計(jì)算方程

由于空冷島周圍空氣流速較小，計(jì)算選擇不可壓縮理想氣體，雷諾時(shí)均控制方程。本文所用計(jì)算方程如下[13]：

連續(xù)方程為

動(dòng)量方程為

+=－

+[+]=

[(+)]++－（4）

++=[(+)]+－（5）

2.2.2 邊界條件

本計(jì)算是在環(huán)境溫度為30℃的情況下，考慮不同風(fēng)速、不同風(fēng)向?qū)绽湎到y(tǒng)熱回流的影響，如圖2所示。計(jì)算域入口設(shè)為速度入口，與之相對(duì)的為壓力出口，上頂面與側(cè)面為對(duì)稱邊界。計(jì)算域入口風(fēng)速大小采用迪肯的冪定律描述：=，式中，=10m；為處的風(fēng)速；為任意高度；為處的風(fēng)速；為地面粗糙系數(shù)，根據(jù)電廠實(shí)際地形，取=0.16，該條件用Fluent自帶的UDF編程加載。

1-空冷島； 2、3-間接空冷塔；4、5-鍋爐房；6-汽輪機(jī)房；7-全年風(fēng)頻；8-夏季風(fēng)頻

本計(jì)算中風(fēng)機(jī)和凝汽管束按無限薄面處理，均采用速度入口邊界條件[8]，風(fēng)機(jī)風(fēng)向豎直向上?？绽淠鞒隹陲L(fēng)速設(shè)為線性分布，靠近乏汽管道速度小，遠(yuǎn)離乏汽管道速度大，方向垂直于側(cè)面，如圖3所示，由流量守恒計(jì)算得空冷凝汽器出口的最大風(fēng)速0max=4.71m/s，該條件用Fluent自帶的UDF編程加載。凝汽器出口空氣溫度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，設(shè)為61.8℃。其他建筑物表面設(shè)置為壁面邊界條件。數(shù)值計(jì)算方法采用SIMPLE算法，迎風(fēng)格式采用默認(rèn)的二階格式。

1-風(fēng)機(jī)孔；2-凝氣管束；3-乏汽管道；4-空冷平臺(tái)；5-冷空氣；6-熱空氣

2.3 熱回流率的定義

為定量分析熱回流，本文定義熱回流率如下：

式中，T為風(fēng)機(jī)入口處平均溫度；T為環(huán)境溫度；0為空冷凝汽器出口溫度。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 風(fēng)速大小及風(fēng)向?qū)峄亓髀实挠绊?/p>

每隔45°取一個(gè)風(fēng)向，對(duì)風(fēng)速為3m/s、5m/s、7m/s、9m/s、15m/s共40種工況分別計(jì)算，繪制得到不同風(fēng)速、不同風(fēng)向下的熱回流率變化曲線，如圖4所示，圖中橫坐標(biāo)為風(fēng)向角，縱坐標(biāo)為熱回流率。

從圖4中可看出，在同一來流速度下，風(fēng)向角為0°~90°與270°~360°時(shí)，熱回流率明顯高于其他風(fēng)向，熱回流現(xiàn)象較嚴(yán)重；為90°~270°時(shí)，熱回流率較小。

從圖4還可看出，在0°、270°風(fēng)向角下，隨著風(fēng)速的增加，熱回流率逐漸增加，這是由于在兩種風(fēng)向角下，氣流分別流過上游側(cè)的鍋爐房和間接空冷塔時(shí)，在其頂部發(fā)生分離，產(chǎn)生大小不一的旋渦，導(dǎo)致下游側(cè)空冷島的熱流場(chǎng)被干擾，風(fēng)速越大，旋渦擾動(dòng)能力越強(qiáng)，就有更多的熱空氣被卷吸到空冷島底部，熱回流率也就越大。在45°、315°風(fēng)向角下，風(fēng)速在3m/s~5m/s范圍變化時(shí)，風(fēng)速增加，熱回流率增加；當(dāng)風(fēng)速大于5m/s時(shí)，隨著風(fēng)速的增加，熱回流率反而減小，這是因?yàn)轱L(fēng)速過大時(shí)，來流慣性力遠(yuǎn)大于空氣的熱浮力，冷空氣直接倒灌至空冷島底部，從而使熱回流率略有下降。在90°風(fēng)向角下，隨著風(fēng)速增加，熱回流率逐漸減小，這是因?yàn)?，在此風(fēng)向角下，下游的間接空冷塔對(duì)空冷島排出的熱空氣擴(kuò)散有一定的阻礙作用，來流風(fēng)速越大，這種阻礙作用越小，因此熱回流率也越小。

從圖4中對(duì)比90°和270°風(fēng)向角下的熱回流率可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)速增加時(shí)，后者明顯要高于前者。

在0°風(fēng)向角、風(fēng)速3m/s工況下，鍋爐房4中截面的溫度及流線分布如圖5所示。由圖可看出，空冷島靠近鍋爐房的一側(cè)，熱回流較明顯，遠(yuǎn)離鍋爐房的一側(cè)，熱回流相對(duì)較弱；來流在鍋爐房頂部發(fā)生分離，并在鍋爐房和汽機(jī)房的下游分別形成了兩個(gè)旋渦，在空冷島遠(yuǎn)離鍋爐房的一側(cè)，氣流流經(jīng)擋風(fēng)墻時(shí)發(fā)生分離，在空冷島下游形成了巨大的旋渦結(jié)構(gòu)。

圖4 風(fēng)速大小及風(fēng)向與熱回流率的關(guān)系

圖5 鍋爐房4中截面溫度及流線分布溫圖

3.2 擋風(fēng)墻高度對(duì)熱回流率的影響

本電廠擋風(fēng)墻設(shè)計(jì)高度為15m，計(jì)算時(shí)在此基礎(chǔ)上適當(dāng)增加擋風(fēng)墻高度（如增加1m、2m、3m、4m、5m），以分析擋風(fēng)墻高度對(duì)熱回流率的影響程度。

在0°風(fēng)向、風(fēng)速7m/s的工況下進(jìn)行計(jì)算，熱回流率隨擋風(fēng)墻高度的變化規(guī)律如圖6所示。由圖可看出，隨著擋風(fēng)墻高度的增加，熱回流率逐漸降低，但下降趨勢(shì)漸緩，特別是增加到18m后，再增加擋風(fēng)墻高度，熱回流率的下降較小。由此得出，擋風(fēng)墻高度在設(shè)計(jì)高度的基礎(chǔ)上適當(dāng)增加2~3m，熱回流率下降較明顯，隨著擋風(fēng)墻高度進(jìn)一步增加，熱回流率下降不明顯。對(duì)比分析擋風(fēng)墻高度為=15m、17m時(shí)的鍋爐房5中截面的溫度及流線分布圖規(guī)律（如圖7、8所示），發(fā)現(xiàn)擋風(fēng)墻高度增加后，空冷島底部的高溫區(qū)減小，空冷島兩側(cè)的旋渦結(jié)構(gòu)上移，旋渦的剪切作用以及邊緣風(fēng)機(jī)的抽吸作用減弱，減少了回到空冷島底部的熱空氣，熱回流率降低。

圖6 熱回流率與擋風(fēng)墻高度的變化關(guān)系

圖7 擋風(fēng)墻高度h=15m

圖8 擋風(fēng)墻高度h=17m

4 結(jié)論

通過對(duì)該火電廠2×1000MW直接空冷系統(tǒng)空冷島周圍熱態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算研究，得出：

（1）找出了環(huán)境風(fēng)速和風(fēng)向?qū)χ苯涌绽鋶u熱回流率的影響，發(fā)現(xiàn)來流速度相同，風(fēng)向角為0°~90°與270°~360°時(shí)，熱回流現(xiàn)象比其他風(fēng)向嚴(yán)重；風(fēng)向角為0°、270°時(shí)，隨著風(fēng)速的增加，熱回流率增加，風(fēng)向角為45°、315°時(shí)，隨著風(fēng)速的增加，熱回流率先增大后減小，在90°風(fēng)向角下，隨著風(fēng)速增加，熱回流率逐漸減小。

（2）擋風(fēng)墻高度增加2~3m可有效降低熱回流率，提高直接空冷凝汽器的散熱效率，隨著擋風(fēng)墻高度的進(jìn)一步增加，其降低熱回流率的效果不明顯。

[1] 顧志福, 張文宏, 李輝,等. 電廠直接空冷系統(tǒng)風(fēng)效應(yīng)風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)研究[J]. 熱能與動(dòng)力工程, 2003, 18(2):159-162,215.

[2] 趙萬里, 劉沛清. 環(huán)境風(fēng)對(duì)直接空冷系統(tǒng)塔下熱回流影響的試驗(yàn)研究[J]. 動(dòng)力工程, 2008, 28(3):390-394.

[3] Yang LJ, Du XZ, Yang YP. Space characteristics of the thermal performance for air-cooled condensers at ambient winds[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2011, 54(15-16):3109-3119.

[4] Yang L J, Du X Z, Yang Y P. Wind effect on the thermo-flow performances and its decay characteristics for air-cooled condensers in a power plant[J]. International Journal of Thermal Sciences, 2012(53):175-187.

[5] 陳海平, 仲雅娟. 防風(fēng)網(wǎng)對(duì)空冷島換熱性能影響的數(shù)值模擬[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2015, 35(4):898-905.

[6] 張曉魯, 汪建平. 火電機(jī)組直接空冷系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2011, 31(11):1-5.

[7] 趙文升, 王松嶺,等. 直接空冷系統(tǒng)中熱風(fēng)回流現(xiàn)象的數(shù)值模擬和分析[J]. 動(dòng)力工程, 2007, 27(4):487-491.

[8] Peiqing Liu, Huishen Duan, Wanli Zhao. Numerical investigation of hot air recirculation of air-cooled condensers at a large power plant[J]. Applied Thermal Engineering, 2009, 1927–1934.

[9] 卜永東, 楊立軍. 電站空冷系統(tǒng)變工況性能的數(shù)值研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2012, 32(35):66-73.

[10] 周蘭欣, 周書昌,等. 自然風(fēng)速對(duì)空冷機(jī)組風(fēng)機(jī)運(yùn)行影響的數(shù)值模擬[J]. 電力科學(xué)與工程, 2011, 27(1):44-48.

[11] 丁振宇, 陳巍,等. 環(huán)境風(fēng)對(duì)直接空冷島換熱的影響[J]. 汽輪機(jī)技術(shù), 2011, 53(3):195-198.

[12] 張學(xué)鐳, 王金平. 環(huán)境風(fēng)影響下直接空冷機(jī)組排汽壓力的計(jì)算模型[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2012, 32(23):40-47.

[13] 陳玉璞, 王惠民. 流體動(dòng)力學(xué)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2013:26-38.

[14] 王福軍. 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2004:124-126.

Study on the Effect of Environmental Wind on Thermal Recirculation Under Tower of Direct Air Cooled System in Thermal Power Plant

WANG Linghua1, HUANG Xin2, QIAO Wentao3, ZHANG Yang1

(1. Institute of Electric Power, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450000, China; 2. Sichuan Zipingpu Development Limited Liability Company, Chengdu610000, China; 3. Yellow River Engineering Consulting Co., Ltd., Zhengzhou 450003, China)

This paper uses Fluent to calculate the Flow field of a 2×1000MW direct air-cooled system in a thermal power plant, and researches the variation of thermal recirculation ratio with environmental wind speed and direction, as well as the height of wind wall’s influence to thermal recirculation ratio. The results show that, the heat radiation of direct air-cooled system is very sensitive to wind environment, especially from the direction of indirect air-cooled tower and boiler room, the effect of wind on heat radiation of air-cooled island is large. In the other directions, with the increase of flow, thermal recirculation ratio first increases and then decreases. Through increasing height of wind wall, thermal recirculation ratio can be reduced obviously.

thermal power plant; environmental wind; direct air-cooled system; thermal recirculation ratio; numerical simulation

TM621

A

1000-3983(2017)04-0076-05

2016-10-10

王玲花（1965-），博士，1987年本科畢業(yè)于華北水利水電學(xué)院水電站動(dòng)力設(shè)備專業(yè)，1993年碩士畢業(yè)于河海大學(xué)流體機(jī)械及流體動(dòng)力工程專業(yè)，2007年博士畢業(yè)于河海大學(xué)水利水電工程專業(yè)，研究方向?yàn)槟茉磁c動(dòng)力工程，教授。