火電廠汽機(jī)房通風(fēng)優(yōu)化模擬研究

趙紅霞 劉剛 李夢雪 解紫茹

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

0 引言

汽機(jī)房是火電廠的重要組成部分，其內(nèi)部布置有多種高溫發(fā)熱設(shè)備，各層通風(fēng)換氣量對內(nèi)部氣流組織以及溫度分布有一定影響[1]。若通風(fēng)設(shè)計(jì)不合理，會(huì)造成工作地帶溫度高于設(shè)計(jì)要求，對工作人員正常工作造成影響，嚴(yán)重的話還會(huì)使電力設(shè)備產(chǎn)生故障，對電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來隱患?？梢姾侠淼耐L(fēng)設(shè)計(jì)顯得尤為重要。

隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)的成熟，國內(nèi)外學(xué)者對電廠通風(fēng)進(jìn)行了大量模擬研究。例如，秦文慧等[2]研究了全面自然通風(fēng)及自然進(jìn)風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)通風(fēng)方式在寒冷地區(qū)主廠房的可行性。孫文龍等[3]對不同屋頂風(fēng)機(jī)位置及風(fēng)量對室內(nèi)熱環(huán)境的影響進(jìn)行了研究。Chul Hwan Kim[4]通過改變百葉窗豎向位置及開孔尺寸研究其對電廠鍋爐房通風(fēng)降溫效果的影響。目前對汽機(jī)房的研究側(cè)重于各種通風(fēng)方案的選取，對通風(fēng)進(jìn)行優(yōu)化也主要是增加排風(fēng)量或改變其建筑結(jié)構(gòu)，對廠房本身運(yùn)行進(jìn)行調(diào)節(jié)控制的較少。

本文采用CFD 方法，對某采用自然進(jìn)風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)的四層汽機(jī)房高層溫度超標(biāo)問題進(jìn)行研究，改變百葉窗阻力系數(shù)，分析各層風(fēng)量分配對其內(nèi)部溫度分布的影響，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，通過模擬驗(yàn)證，解決高層溫度超標(biāo)的問題，為今后電廠的通風(fēng)運(yùn)行控制提供參考。

1 工程概況

本文所研究汽機(jī)房共有四層，其一層、二層、三層、四層樓板標(biāo)高分別為0 m、8.6 m、17 m、31 m，各層發(fā)熱量及進(jìn)風(fēng)窗比例如表1 所示（其中一層進(jìn)風(fēng)窗面積中包含門的面積）。設(shè)計(jì)院采用的通風(fēng)方式為：在汽機(jī)房每層正面以及兩側(cè)設(shè)置建筑外窗及百葉窗進(jìn)風(fēng)，并在四層增設(shè)機(jī)械補(bǔ)風(fēng)，低溫空氣進(jìn)入后受熱通過樓板格柵開孔向上運(yùn)動(dòng)，由布置在屋頂?shù)妮S流風(fēng)機(jī)排出，帶走內(nèi)部余熱，降低室內(nèi)溫度。經(jīng)過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，該廠房四層工作面平均溫度為35.74 ℃，超過設(shè)計(jì)院提出的35 ℃的要求，分析發(fā)現(xiàn)其通風(fēng)量（見表1，其中四層通風(fēng)量中包括機(jī)械補(bǔ)風(fēng)量）偏少是該層溫度較高的主要原因，加大排風(fēng)量來解決不符合節(jié)能要求，且底層溫度有上升的空間，因此本文在保持排風(fēng)量不變的基礎(chǔ)上，采用減少底層通風(fēng)量，從而使高層通風(fēng)量增加的方法，降低四層工作面平均溫度，使其達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表1 各層發(fā)熱量及進(jìn)風(fēng)窗比例

2 數(shù)值模擬方法

2.1 物理模型及其簡化

該四層汽輪機(jī)房經(jīng)簡化后幾何尺寸為長（X）×寬（Y）×高（Z）=103 m×118 m×40 m，實(shí)際工程的汽機(jī)房內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，為了提高計(jì)算速度，對其模型作如下簡化：忽略梁、柱等對空氣流動(dòng)的影響，汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)用半圓柱體近似代替，高低壓加熱器簡化為圓柱體，水泵、管道等用長方體近似代替。其各層平面布置如圖1 所示。

圖1 各層平面布置及監(jiān)測點(diǎn)位置示意圖

2.2 數(shù)學(xué)模型及控制方程

本文采用Realizable k-ε 湍流模型，并運(yùn)用有限容積法和壓強(qiáng)速度耦合算法中SIMPLEC 算法對控制方程進(jìn)行離散和求解，為減少由于低階格式的假擴(kuò)散誤差加劇湍流計(jì)算結(jié)果的不準(zhǔn)確，動(dòng)量方程、能量方程及k 方程和ε 方程均采用二階迎風(fēng)離散格式。為了便于計(jì)算，對以下方面做出假設(shè)：①室內(nèi)空氣為低速流動(dòng)，且密度變化不大，可視作不可壓縮流動(dòng)。②流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。③滿足Boussinesq 假設(shè)，認(rèn)為密度變化僅對浮升力造成影響。④忽略外界風(fēng)的影響。

2.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件

由于廠房結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模型不規(guī)則，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對計(jì)算區(qū)域進(jìn)行劃分，并在需要研究的特殊部位，如設(shè)備表面、進(jìn)風(fēng)窗、排風(fēng)口等處作加密處理。

門窗進(jìn)風(fēng)口采用進(jìn)口通風(fēng)邊界條件，進(jìn)風(fēng)溫度采用當(dāng)?shù)叵募就L(fēng)室外計(jì)算干球溫度31 ℃[6-7]。機(jī)械補(bǔ)風(fēng)采用速度入口邊界條件，進(jìn)風(fēng)溫度31 ℃。排風(fēng)口采用速度出口邊界條件，速度根據(jù)排風(fēng)量及風(fēng)口面積進(jìn)行計(jì)算。散熱設(shè)備采用固壁邊界條件，并給定熱流密度。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 各層風(fēng)量分配對其內(nèi)部工作面溫度的影響

3.1.1 數(shù)值模擬工況介紹

本節(jié)采用改變百葉窗阻力系數(shù)的方法來改變各層通風(fēng)量，進(jìn)而改變各層風(fēng)量分配比例，討論風(fēng)量分配對室內(nèi)工作面平均溫度的影響。其模擬工況分別為百葉窗阻力系數(shù)0.5、4.5、9、18，依次編為工況1-4（其中工況2 為設(shè)計(jì)院原始設(shè)計(jì)工況）。工作面指各層離地高度1.5 m 處的工作區(qū)域，但本文認(rèn)為整個(gè)1.5 平面上的溫度在靠近進(jìn)風(fēng)區(qū)域較低，設(shè)備周圍較高，取其平均溫度并不能代表工作面平均溫度，因此本文在工作地帶布置監(jiān)測點(diǎn)（如圖1 所示），其中一層、二層、三層、四層的監(jiān)測點(diǎn)個(gè)數(shù)分別為28、28、31、12 個(gè)，點(diǎn)的位置經(jīng)過設(shè)計(jì)院認(rèn)可，后文中工作面平均溫度均由這些點(diǎn)的平均溫度代替。

3.1.2 結(jié)果與分析

表2 為各層建筑外窗及百葉窗進(jìn)風(fēng)量隨百葉窗阻力系數(shù)的變化情況。

表2 不同百葉窗阻力系數(shù)下的數(shù)值模擬結(jié)果

從表2 中可以看出：

1）百葉窗阻力系數(shù)改變對建筑外窗及百葉窗進(jìn)風(fēng)量均有影響。隨著百葉窗阻力系數(shù)增加，進(jìn)風(fēng)阻力隨之增大，底下三層百葉窗進(jìn)風(fēng)量逐漸減少，建筑外窗進(jìn)風(fēng)量逐漸增加。

2）當(dāng)百葉窗阻力系數(shù)為0.5 時(shí)，四層建筑外窗存在逆流現(xiàn)象，隨著百葉窗阻力系數(shù)增加，該層通過百葉窗進(jìn)入的風(fēng)量先增加后減少，且逆流現(xiàn)象消失。這是因?yàn)樵搶咏ㄖ獯八谖恢门杂幸粰z修豎井，下層空氣受熱后在浮升力作用下直接通過該豎井進(jìn)入四層并繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，一部分上升氣流在該區(qū)域上方堆積，形成相對高壓區(qū)，使得該區(qū)域“中和面”位置低于建筑外窗所在位置，導(dǎo)致該層建筑外窗出現(xiàn)逆流現(xiàn)象，隨著百葉窗阻力系數(shù)增加，“中和面”位置上移（如圖2 所示），逆流現(xiàn)象消失。

圖2 x=98 m 截面（垂直四層建筑外窗截面）壓力分布等勢圖

綜合上述分析可知：對于同一汽輪機(jī)房，選用不同阻力系數(shù)的百葉窗，其各層建筑外窗及百葉窗的進(jìn)風(fēng)情況各不相同，各層風(fēng)量比例也會(huì)不同，廠房中和面位置也有所不同。

圖3 為各層通風(fēng)量比例及工作面平均溫度隨百葉窗阻力系數(shù)變化情況。

從圖3 中可以看出：

1）隨著百葉窗阻力系數(shù)的增加，各層風(fēng)量分配發(fā)生變化，其中一層與二層通風(fēng)量逐漸減少，三層及四層通風(fēng)量逐漸增加。

2）一層與二層工作面平均溫度隨著通風(fēng)量減少逐漸上升，但仍然低于35 ℃，滿足設(shè)計(jì)要求。三層工作面平均溫度隨著通風(fēng)量增加基本保持不變，低于35 ℃，滿足設(shè)計(jì)要求。分析其原因?yàn)椋阂粚庸ぷ髅嫫骄鶞囟戎饕獩Q定因素為該層風(fēng)量大小，因此其溫度隨著通風(fēng)量減少由31.91 ℃上升到32.21 ℃。二層及三層工作面平均溫度則主要由其下一層通過檢修豎井、格柵進(jìn)入該層的被加熱空氣以及通過進(jìn)風(fēng)窗進(jìn)入的室外冷空氣的多少所決定。通過進(jìn)風(fēng)窗進(jìn)入二層風(fēng)量逐漸減少，且從一層通過格柵進(jìn)入的空氣溫度較高，導(dǎo)致二層工作面平均溫度由33.08 ℃上升到了33.44 ℃。雖然從二層通過格柵進(jìn)入三層的空氣溫度有所上升，但由于三層風(fēng)量逐漸增加，因此該層工作面平均溫度基本保持不變。

圖3 各層通風(fēng)量比例及工作面平均溫度隨百葉窗阻力系數(shù)變化規(guī)律

3）四層工作面平均溫度隨著通風(fēng)量增加逐漸下降，該層通風(fēng)量由39.8 kg/s 增加到77.2 kg/s，比例由3.6%上升到7.3%時(shí)，溫度從36.38 ℃下降到了35.33 ℃，下降了約1 ℃。

從上述分析可知：各層風(fēng)量分配對廠房內(nèi)部工作面平均溫度有較大影響。底層通風(fēng)量減少雖然會(huì)引起底層平均溫度的上升，但仍比設(shè)計(jì)要求低2.8 ℃，而四層通風(fēng)量增加使得該層平均溫度有所下降，但仍超過35 ℃的設(shè)計(jì)要求，因此本文接下來采用將一層百葉窗全部關(guān)閉的方法，繼續(xù)降低一層通風(fēng)量，增加四層通風(fēng)量，與設(shè)計(jì)院原始工況（工況2）進(jìn)行比較。

3.2 一層百葉窗關(guān)閉對各層工作面溫度的影響

3.2.1 數(shù)值模擬工況介紹

本節(jié)采用關(guān)閉一層百葉窗的方法來改變其各層風(fēng)量大小，討論其通風(fēng)量變化對室內(nèi)工作面平均溫度的影響，命名為工況5，與工況2（設(shè)計(jì)院原始設(shè)計(jì)工況）進(jìn)行對比。

3.2.2 結(jié)果與分析

表3 為工況2 及工況5 各層通風(fēng)量比例及工作面

表3 不同工況數(shù)值模擬結(jié)果

從表3 中可以看出：

1）一層百葉窗關(guān)閉對各層通風(fēng)量均有影響。其中該層通風(fēng)量由597.3 kg/s 減少到460.3 kg/s，比例由54.1%下降到41.7%。二層、三層及四層通風(fēng)量分別由256.3 kg/s、183.1 kg/s、67.4 kg/s 增 加 到321.6 kg/s、229.4 kg/s、92.8 kg/s，比例分別由23.2%、16.6%、6.1%上升到29.1%、20.8%、8.4%。

2）一層百葉窗關(guān)閉后，各層工作面平均溫度均發(fā)生變化。其中底下三層工作面平均溫度均上升，分別由32 ℃、33.15 ℃、34.37 ℃上升到32.91 ℃、33.49 ℃、34.42 ℃，但均滿足不超過35 ℃設(shè)計(jì)要求。四層工作面平均溫度由35.74 ℃下降至34.81 ℃，達(dá)到了設(shè)計(jì)院不超過35 ℃的要求，且溫度分布更加均勻。

綜上所述，采用將0 m 層百葉窗關(guān)閉的方法來解決該廠房四層工作面平均溫度超標(biāo)問題是可行的。

4 結(jié)論

以上數(shù)值模擬分析了采用自然進(jìn)風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)的四層汽輪機(jī)房在不同工況下的各層通風(fēng)及溫度分布情況，可以得到如下結(jié)論：

1）百葉窗阻力系數(shù)對各層風(fēng)量比例有一定影響。在同樣排風(fēng)量，散熱量分布及開窗面積的情況下，選用不同阻力系數(shù)的百葉窗，各層風(fēng)量比例有所不同，阻力系數(shù)較小時(shí)，高層進(jìn)風(fēng)窗容易出現(xiàn)逆流現(xiàn)象。

2）該四層汽輪機(jī)房將一層百葉窗關(guān)閉后，各層通風(fēng)量為460.3 kg/s、321.6 kg/s、229.4 kg/s、92.8 kg/s，比例約為41.7%、29.1%、20.8%、8.4%，此時(shí)各層工作面溫度為32.91 ℃、33.49 ℃、34.42 ℃、34.81 ℃，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

3）在排風(fēng)量保持一定的前提下，汽輪機(jī)房各層風(fēng)量比例是影響其內(nèi)部溫度分布的重要因素。底層進(jìn)風(fēng)量減少，工作面溫度上升，但仍然滿足設(shè)計(jì)要求，高層進(jìn)風(fēng)量隨之增加，降低了其工作面平均溫度。因此在實(shí)際廠房設(shè)計(jì)中可以適當(dāng)減少底層進(jìn)風(fēng)窗面積，或者對于已經(jīng)建好的廠房。當(dāng)?shù)讓訙囟容^低，而高層溫度超標(biāo)時(shí)，可以通過采用減小底層百葉窗開度甚至直接將其關(guān)閉的方法，使底層通風(fēng)量減少，從而增加高層通風(fēng)量，降低其工作面溫度。