汽機(jī)房余熱回收供熱系統(tǒng)適用范圍分析

曹慧哲1,趙天利1,瞿家港,翟金房3,蔡偉華

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院，寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 黑龍江 哈爾濱 150090; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001;3.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán) 東北電力設(shè)計(jì)院有限公司,吉林 長(zhǎng)春 130021)

0 引 言

火力發(fā)電廠汽機(jī)房由于其特殊的生產(chǎn)工藝過(guò)程，其內(nèi)部有眾多產(chǎn)熱設(shè)備以及與其相連接的復(fù)雜熱力管道，產(chǎn)生的大量熱量聚集在機(jī)房頂部，為保障夏季室內(nèi)生產(chǎn)環(huán)境，常設(shè)置屋頂風(fēng)機(jī)將熱量排除。位于嚴(yán)寒或寒冷地區(qū)的汽機(jī)房，其底部需設(shè)置暖風(fēng)機(jī)(或大量散熱器)以滿足供暖需求[1]。若將夏季通風(fēng)系統(tǒng)與冬季熱風(fēng)供暖系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，利用屋頂風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)將機(jī)房頂部的余熱送至下部工作層平臺(tái)，充分利用機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備散熱進(jìn)行汽機(jī)房冬季自平衡供暖，滿足建筑物自身供暖需求，從而達(dá)到很好的節(jié)能效果。

一直以來(lái)，汽機(jī)房夏季通風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬受到的關(guān)注較多，而對(duì)其冬季供暖通風(fēng)的氣流組織數(shù)值模擬很少。康逸翁[2]利用CFD對(duì)汽機(jī)房的四種通風(fēng)方案進(jìn)行數(shù)值模擬，以便找出最優(yōu)方案。DU[3]利用CFD對(duì)電廠汽機(jī)房室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行了分析研究。將模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較得出：完整的CFD模擬方法適用于典型汽機(jī)房的室內(nèi)熱環(huán)境研究。張弘[4]對(duì)句容、長(zhǎng)春、石河子三個(gè)地區(qū)的電廠汽機(jī)房的數(shù)值模擬，給出適合不同地區(qū)的電廠汽機(jī)房的通風(fēng)方案，并給出了汽機(jī)房通風(fēng)設(shè)計(jì)的定量改進(jìn)意見(jiàn)。陳耀南[5]等人以某一實(shí)際火力發(fā)電廠主廠房為測(cè)試對(duì)象，實(shí)測(cè)結(jié)果顯示汽機(jī)房室內(nèi)溫度存在明顯的分層現(xiàn)象，并指出冬季工況下門窗的密閉性對(duì)主廠房?jī)?nèi)的溫度影響巨大。事實(shí)上，汽機(jī)房?jī)?nèi)的冬季熱環(huán)境更加復(fù)雜，主要表現(xiàn)在[3]：汽機(jī)房?jī)?nèi)的設(shè)備產(chǎn)生大量熱量，使空氣受熱上升，垂向形成較大的溫度梯度；水平方向的溫度分布也不均勻性，如圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面處的溫度要遠(yuǎn)低于中心設(shè)備附近溫度；工作區(qū)域與非工作區(qū)域?qū)囟鹊男枨蟛町愝^大。

汽機(jī)房屬于高大空間建筑，實(shí)驗(yàn)與模擬相結(jié)合的方法也表明其氣流組織的復(fù)雜性及自然通風(fēng)時(shí)的多解性[6]，因此，不能單獨(dú)考慮湍流模擬在各個(gè)情況下的優(yōu)劣[7]，應(yīng)結(jié)合大空間建筑的實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果選擇合適的湍流模型[8-9]主廠房模型時(shí)國(guó)內(nèi)學(xué)者都采取了大量的簡(jiǎn)化處理，很多模型無(wú)法正確反映實(shí)際工況，如現(xiàn)有文章中鮮有表現(xiàn)出運(yùn)轉(zhuǎn)層通風(fēng)格柵與設(shè)備周圍復(fù)雜的管線。劉元坤[10]將大空間生產(chǎn)車間的復(fù)雜設(shè)備簡(jiǎn)化為多孔介質(zhì)，該方法不僅可以避免對(duì)復(fù)雜的管線進(jìn)行建模，且仍然能表現(xiàn)出真實(shí)的氣流組織。因此，需對(duì)火力發(fā)電廠主廠房的實(shí)際模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，將熱力管道與產(chǎn)熱設(shè)備合并處理，簡(jiǎn)化相關(guān)產(chǎn)熱設(shè)備的幾何外形，使其易于網(wǎng)格劃分并減少模擬時(shí)的計(jì)算量。

1 汽機(jī)房模型建立

1.1 工程概況

本文主要研究的電廠汽輪機(jī)房尺寸為108 m×39 m×44 m。廠房整體幾何模型和氣流組織模擬過(guò)程中考慮的主要散熱設(shè)備如圖1所示，其頂部均勻布置4×10個(gè)送風(fēng)射流口。

1.2 數(shù)學(xué)模型與邊界條件

本文在Fluent模擬中選用Realizablek-ε模型來(lái)更好地描述射流的擴(kuò)散速度，空氣符合Boussinesq假設(shè)；針對(duì)汽機(jī)房的散熱量較高的情況，采用DO輻射模型。

邊界條件設(shè)定主要涉及壁面、熱源、風(fēng)口和格柵區(qū)域，具體設(shè)置列于表1。采用SIMPLE算法進(jìn)行控制方程的求解，數(shù)值模擬中湍流耗散率、壓力、動(dòng)量、湍動(dòng)能以及能量離散格式均采用二階迎風(fēng)格式，連續(xù)性方程、速度、能量、k、ε和輻射項(xiàng)收斂精度均為10-6，待整個(gè)流場(chǎng)速度的體積分布、流場(chǎng)的平均溫度達(dá)到穩(wěn)定，且各殘差隨著計(jì)算步數(shù)的增加趨于穩(wěn)定時(shí)，則判定計(jì)算收斂。

表1 邊界條件設(shè)置

1.3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

本文采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，鑒于此單體建筑體積較大，在網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證之后，最終其計(jì)算網(wǎng)格數(shù)選擇為450萬(wàn)[11]。

2 汽機(jī)房自平衡通風(fēng)供暖數(shù)值模擬

2.1 適用性因素

影響自平衡供暖的適用性顯然有兩個(gè)關(guān)鍵的因素[12]。首先是內(nèi)部因素，即汽機(jī)房的規(guī)格差異。汽機(jī)房的主要規(guī)格有100 MW、300 MW、600 MW、1 000 MW等，這些不同規(guī)格的汽機(jī)房?jī)?nèi)部散熱設(shè)備的散熱量存在很大的差異；然后是外部因素，即地區(qū)性差異。不同地區(qū)的冬季室外溫度有很大差距，這就意味著不同地區(qū)的汽機(jī)房冬季供暖熱負(fù)荷也有很大差別。這兩個(gè)因素都對(duì)自平衡通風(fēng)供暖的適用范圍有很大的影響，本文將從這兩方面進(jìn)行研究。

2.2 不同規(guī)格汽機(jī)房的研究方案與分析

以東營(yíng)地區(qū)供暖室外計(jì)算溫度-6.6℃為例，不同規(guī)格的汽機(jī)房其設(shè)備散熱量不同，如表2所示。為適當(dāng)減少工作量，將不同規(guī)格汽機(jī)房簡(jiǎn)化為相同尺寸模型，在保證機(jī)房?jī)?nèi)5 Pa微正壓且室內(nèi)保持最低通風(fēng)量的工況下開(kāi)啟屋頂反轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)，進(jìn)行自平衡通風(fēng)采暖適用性的模擬分析。

表2 不同規(guī)格汽機(jī)房中設(shè)備的散熱量

不同規(guī)格的汽機(jī)房數(shù)值模擬得到的各層平均溫度與其規(guī)格正相關(guān)，如表3所示，即汽機(jī)房規(guī)格越大，其平均溫度越高。不同規(guī)格的汽機(jī)房溫度分布類似，僅存在數(shù)值差異。圖2給出了100 MW汽機(jī)房和1 000 MW汽機(jī)房的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)模擬結(jié)果，顯然100 MW汽機(jī)房較1 000 MW汽機(jī)房速度場(chǎng)分布要更為均勻，而300 MW汽機(jī)房與100 MW汽機(jī)房類似，600 MW汽機(jī)房與1 000 MW汽機(jī)房類似。由于100 MW汽機(jī)房和300 MW汽機(jī)房的設(shè)備散熱量不足以完全支持整個(gè)汽機(jī)房的自平衡供暖熱負(fù)荷，此時(shí)屋頂風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)從室外帶來(lái)的冷量，使室內(nèi)的熱壓梯度降低，在廠房頂部不足以形成較高熱壓。

表3 不同規(guī)格汽機(jī)房各層平均溫度

2.3 不同地區(qū)汽機(jī)房的研究方案與分析

在對(duì)地區(qū)性差異進(jìn)行研究時(shí)，選用600 MW的汽機(jī)房作為研究對(duì)象，選取嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)的北京、錦州、沈陽(yáng)、哈爾濱這四個(gè)具有代表性的城市進(jìn)行研究，其分區(qū)與供暖室外計(jì)算溫度[13]表4所示。

表4 四個(gè)典型城市供暖室外計(jì)算溫度

不同汽機(jī)房各層平均溫度如表5所示，汽機(jī)房?jī)?nèi)平均溫度與供暖室外計(jì)算溫度同樣正相關(guān)。由于發(fā)電廠主廠房要求冬季供暖溫度不低于5℃，即在此之上的溫度為合格溫度，可以看出北京、錦州和沈陽(yáng)均在“合格線”以上，而哈爾濱則未達(dá)到規(guī)范中主廠房冬季供暖要求。由沈陽(yáng)到哈爾濱的數(shù)值插值得，室外溫度低于-20℃時(shí)，汽機(jī)房室內(nèi)平均溫度將低于5℃，不宜采用自平衡供暖方式。

表5 不同地區(qū)汽機(jī)房各層平均溫度

對(duì)北京、錦州、沈陽(yáng)、哈爾濱四個(gè)不同冬季室外溫度的地區(qū)進(jìn)行數(shù)值模擬，其總體速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)如圖3所示。由于這四個(gè)地區(qū)的室外溫度差異，導(dǎo)致的冬季供暖熱負(fù)荷各異，雖然四個(gè)地區(qū)的溫度場(chǎng)分布上差異較小，但在數(shù)值大小上有明顯差異。隨著冬季室外平均溫度的降低，采用冬季自平衡供暖的汽機(jī)房室內(nèi)溫度也逐漸降低。當(dāng)冬季室外溫度降低到哈爾濱室外溫度水平時(shí)，如圖3所示，汽機(jī)房?jī)?nèi)大部分區(qū)域溫度已經(jīng)低于零度，這時(shí)機(jī)房?jī)?nèi)的速度場(chǎng)也有較大變化，速度場(chǎng)相比于北京、錦州和沈陽(yáng)，速度場(chǎng)的分布更為均勻。這是由于室內(nèi)溫度較低，已經(jīng)不足以在空間內(nèi)形成熱壓，因此速度場(chǎng)分布較為均勻。

3 結(jié) 論

本文研究了影響冬季自平衡通風(fēng)供暖適用性的兩個(gè)關(guān)鍵性因素，利用CFD模擬針對(duì)不同因素情況下的汽機(jī)房?jī)?nèi)通風(fēng)供暖進(jìn)行分析，并得出以下結(jié)論：

(1)不同規(guī)格的汽機(jī)房采用自平衡供暖系統(tǒng)時(shí)，各層平均溫度分布類似，數(shù)值差異較大。由于發(fā)電廠主廠房要求冬季供暖溫度不低于5℃，以東營(yíng)地區(qū)為例，1 000 MW、600 MW汽機(jī)房可采用自平衡采暖，且能夠達(dá)到很好的效果，300 MW汽機(jī)房需要布置輔助散熱器；而100 MW汽機(jī)房只采用自平衡供暖時(shí)，汽機(jī)房平均溫度與所要求的最低溫度相差較遠(yuǎn)，故只能輔助供暖。

(2)不同地區(qū)汽機(jī)房在自平衡供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮冬季室內(nèi)外供暖設(shè)計(jì)溫度和圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能基礎(chǔ)上詳細(xì)計(jì)算供暖熱負(fù)荷，特別是通風(fēng)導(dǎo)致的冷風(fēng)侵入量估算、屋頂風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)所帶來(lái)的附加熱負(fù)荷以及機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備散熱量等項(xiàng)。對(duì)于本文算例汽機(jī)房圍護(hù)結(jié)構(gòu)下，室外溫度低于-20℃的地區(qū)就不宜采用自平衡供暖方式，在室外溫度-15℃以下的地區(qū)需布置散熱器以輔助自平衡供暖。

(3)由于不同規(guī)格的汽機(jī)房在設(shè)備布置上的差異，汽機(jī)房在反轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)影響下的氣流組織往往有很大的不同。為了避免自平衡供暖通風(fēng)系統(tǒng)中出現(xiàn)氣流組織死角，產(chǎn)生供熱盲區(qū)，在其設(shè)計(jì)過(guò)程中，針對(duì)具體汽機(jī)房和當(dāng)?shù)貧夂騾?shù)進(jìn)行相應(yīng)的CFD模擬，進(jìn)而確定設(shè)計(jì)方案十分必要。