圓臺形空冷單元供風方式優(yōu)化數值模擬研究

程友良， 張 寧

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

圓臺形空冷單元供風方式優(yōu)化數值模擬研究

程友良， 張 寧

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

鑒于圓臺形空冷單元換熱中存在的諸多問題，保證空冷凝汽器單元的安全長久運行，通過在冷卻壁面下部添加引風環(huán)，風機從側面進風來改善圓臺型空冷單元的換熱效果。首先利用Fluent軟件對出風口狹縫寬度以及傾斜角度對空冷單元換熱特性的影響進行模擬分析，確定較優(yōu)寬度與傾角，得出針對單個空冷單元較優(yōu)的側面供風結構；其次將空冷島分散供風改為集中供風，將新型供風方式下空冷單元換熱特性及經濟性與原有供風方式進行對比，得到換熱性能較好、經濟性較好的供風方式。

空冷單元； 圓臺形； 引風環(huán)； 側面供風； 集中供風

0 引 言

我國電力日益增長的需求和北方富煤缺水的矛盾，使直接空冷機組得以快速發(fā)展。但其運行過程中存在著諸多不足，所以改進直接空冷機組的結構是研究的必然趨勢[1]。為了加強空冷單元的冷卻能力，Owen等[2]提出在合適的風速下提高風機的入口溫度的方法來提高空冷凝汽器的換熱效果。Moore等[3]和Chen等[4]分別研制了新型聚光式太陽能空冷凝汽器和垂直排列的空冷凝汽器，改善了空冷凝汽器的熱流動性能，提高換熱能力。楊建國等[5]利用試驗風洞對翅片管的換熱性能進行試驗研究，結果表明，風機的風量和受迎面風速分布均影響翅片管的換熱性能，當迎面風速沿翅片管軸向從下至上呈升高趨勢分布時，換熱效果更好。石維柱等[6]和周蘭欣等[7]優(yōu)化了空冷單元噴淋冷卻系統(tǒng)，進而提高空冷單元的換熱效果。程友良等[8，9]提出空冷單元內部導流板不同的布置方式和弓形導流板。賈寶榮等[10]提出加裝空氣導流裝置削弱環(huán)境橫向風的不利影響，提高冷卻空氣流量，改善空冷單元的傳熱狀況。練海晴等[11]提出合理利用凝結水系統(tǒng)蓄能的方法。周蘭欣等[12]研究了安裝弧形消旋導流板來改變空冷單元內部冷卻空氣場的分布。程友良等[13]提出兩種新型空冷單元，不僅降低了空冷凝汽器背壓并減少了煤耗，且得出換熱效果最好是在頂部擋板空隙率為0的時候。

眾所周知，加大空氣流量、提高空氣流速是改善和增強空冷島換熱的重要途經，但這樣會增加冷卻風機的功耗而不利于機組的經濟運行。因此，改進空冷散熱單元的結構以實現最大限度的提高和利用空氣流量，成為業(yè)內人士研究的重要課題。

本文在圓臺形空冷單元的基礎上，在冷卻壁面下部設置引風環(huán)，將風機置于空冷單元側面進行供風，造成負壓，從而引導更多的空氣通入空冷單元內部，加大空氣量、提高空氣流速，增強換熱效果，得出針對單個空冷單元較優(yōu)的側面供風方式，這種改進已經申請了發(fā)明專利。在此基礎上，對傳統(tǒng)的空冷島結構進行了改進，將傳統(tǒng)的分散供風改為集中供風，此結構已申請發(fā)明專利，目前已授權[14]，對一臺風機供兩個和三個空冷單元利用Fluent進行了模擬研究，驗證其優(yōu)劣，并進行了經濟性分析計算。

1 控制方程和邊界條件

由于本文忽略空冷單元附近環(huán)境風的影響，故空冷單元附近的大氣運動可認為是不可壓縮定常流動，流體區(qū)域的流動應滿足以下三維流動控制方程。

連續(xù)性方程：

(1)

動量守恒方程：

(2)

本構方程：

(3)

標準k-ε湍流模型：

(4)

由于考慮本文空冷平臺有熱交換，需采用能量方程，即

(5)

式中：ρ為空氣的密度；u為速度；u，為脈動速度；p為空氣的壓強；μ為動力學黏度；ul為速度張量；xl為速度方向張量；μt為紊流動力黏性系數；k為紊動能；vi為一階速度張量，vij為二階速度張量；τij為應力張量；εij為應變力張量；i=1,2,3，j，k同理；E為內能；q為空氣熱流密度；T是溫度。

空冷單元采用直徑為15 m、高為12 m的圓柱形計算區(qū)域，風機入口的質量流量設為530.9 kg/s。壁面設為沒有換熱的墻面，將圓臺形翅片管孔隙率設置成0.567，模擬環(huán)境為夏季，取環(huán)境溫度為306 K。

2 針對單個空冷單元側面供風結構

2.1 幾何模型和網格劃分

圓臺形空冷單元是將原“Λ”形空冷單元的矩形底面置換為能夠和風機更好匹配的圓形底面，頂截面和底截面的半徑取2.35 m和4.877 m，垂直高度為9 m。由于運行時圓臺形空冷單元存在局部高溫等情況，故在冷卻壁面下部設置送風環(huán)，引風環(huán)上下部分高度分別為2.5 m、0.7 m，對引風環(huán)出風口狹縫寬度δ和傾斜角度θ進行研究，將風機置于空冷單元側面進行供風，風機通入的空氣量通過單元送風管道進入引風環(huán)，由出風口狹縫吹出的空氣流通速度被增大數倍，并攜帶周圍的空氣一起吹入空冷單元內部，增加了空氣流量和流速?；窘Y構如圖1所示。使用71萬、95萬、164萬三種數量不同的網格進行無關性驗證，最終確定該模型的網格數量為95萬。

圖1 幾何模型Fig.1 Physical model

圖2 模型網格Fig.2 Schematic diagram

2.2 模擬結果與分析

2.2.1 傳統(tǒng)空冷單元

由圖3知，最高溫度為348.07 K，平均溫度為335.29 K，換熱面存在局部高溫情況。

圖3 x=0截面“Λ”形空冷單元溫度和速度分布Fig.3 Temperature and velocity distributions of “Λ” shaped air cooled unit at x=0 section

2.2.2 圓臺形空冷單元

由圖4知，出口最高溫度為335.86 K，平均溫度為334.30 K，高溫區(qū)域主要集中在空冷單元中下部區(qū)域，速度分布均勻，且溫度較傳統(tǒng)的空冷單元有明顯的降低。

圖4 x=0截面圓臺形空冷單元溫度和速度分布Fig.4 Temperature and velocity distributions of frustum cone-like air cooled unit at x=0 section

2.2.3 圓臺形空冷單元側面供風結構

本文分別設計模擬了出風口狹縫寬度δ在0.02～0.06 m范圍內，以及傾斜角度θ為16°、17°、18°這15種不同結構的模型，θ和δ的具體位置如圖1(b)中所示，記名方式為：狹縫寬度δ-傾斜角度θ(例如0.03-16)，模擬的溫度和流線圖結果如圖5所示。

圖5 在不同尺寸出風口狹縫寬度和傾斜角度下側面供風結構的溫度分布和流線圖Fig.5 Temperature distributions and streamlined diagram under different slit width of outlet and inclination of side air supply structure

由圖5所示，添加引風環(huán)后圓臺形空冷單元內速度場和溫度場都發(fā)生了較大改變。均降低了“Λ”字形和圓臺形空冷單元換熱面的高溫問題。進口冷卻空氣速度劇增，從而帶動了周圍空氣的流動，但是由于中間速度低，引風環(huán)附近速度高，也造成了渦旋和部分回流現象，從圖5中可以看出，在傾斜角度為17°，狹縫出口寬度為0.03 m時，模型中的渦旋最輕微，而且此時溫度最低，較其他結構都比較好，換熱效果得到了明顯的提高。將不同尺寸的單個空冷單元側面供風結構模擬出的最高溫度與平均溫度繪制成了曲線圖，如圖6所示。

圖6 在不同尺寸的出風口狹縫寬度和傾斜角度下各類空冷單元的溫度變化趨勢Fig.6 Variation tendency of temperature under different slit width of outlet and inclination of air cooled units

由圖6可以看出，在傾斜角度一定時，隨著出風口狹縫寬度的增大，即從0.02 m到0.06 m變化時，空冷單元換熱面出口的最高溫度先降低后升高，在出風口狹縫寬度為0.03 m時出現最低溫度，傾斜角度為16°時為318.33 K，傾斜角度為17°時為317.28 K，傾斜角度為18°時為317.61 K，對應的平均溫度分別為315.18 K、313.56 K、313.96 K，可以看出換熱效果最好的結構是傾斜角度為17°且出風口狹縫寬度0.03 m時，此時的側面供風結構，最高溫度與環(huán)境溫度306 K相差11.28 K，平均溫度與環(huán)境溫度相差7.56 K，均與環(huán)境溫度最接近，換熱效果較“Λ”形空冷單元和圓臺形空冷單元有明顯的提高，達到了歷史新高。

3 新型集中供風方式

在現有的技術中，空冷島的每一臺空氣冷卻散熱器的下面要配套一臺風機，風機產生的風力吹向散熱器表面，用來降低散熱器的溫度。這種分散供風的空冷島不僅占地面積大且散熱器的風機耗電量很高。解決此技術問題的思路是提供一種發(fā)電廠的新型集中供風方式，它可使一臺風機同時供兩個空冷單元或三個或更多的空冷單元來降溫，降低發(fā)電廠空冷散熱器的總體耗電量；本文第2節(jié)中設計研究了單個空冷單元側面供風結構，得出了針對單個空冷單元較優(yōu)的側面供風結構，其最高溫度和平均溫度均比較低，既可以單獨使用，同時也可以用此結構來降低電廠的總體耗電量，提高經濟效益。本節(jié)在此基礎上，對一臺風機供兩個和三個空冷單元進行了數值模擬研究，以期取得較好的經濟性。

3. 1 幾何模型和網格劃分

一臺風機供兩個或三個空冷單元的基本尺寸、初始及邊界條件均與本文第2節(jié)單個空冷單元側面供風結構保持一致，風機的直徑為9.754 m，風機入口的邊界條件依然設為質量流量為530.9 kg/s的流量入口保持不變等，即在不改變風機的大小、風量的條件下，依靠每個空冷單元的出風口狹縫造成負壓來吸收環(huán)境中的空氣進行換熱，進而達到降低煤耗，增加發(fā)電量的良好經濟效益。依舊采用分塊劃分法劃分網格，在保證網格質量的前提下，當一臺風機供兩個空冷單元時，經過無關性驗證確定使用網格數量為198萬的模型；當一臺風機供三個空冷單元時，經過無關性驗證確定使用網格數量為276萬的模型?；窘Y構如圖7所示。下面我們從一臺風機供兩個空冷單元進行驗證。

圖7 一臺風機供多個側面供風的空冷單元的基本結構Fig.7 The structure of a fan for multiple air cooled units

圖8 一臺風機供兩個側面供風空冷單元的溫度分布圖和流線圖Fig.8 Temperature distributions and streamlined diagram of a fan for two air cooled units

3.2 一臺風機供兩個空冷單元

由于空氣由圖7主風道的左側通向右側，右側單元送風管道吸入的空氣量比較多，所以在相同的空冷單元的結構下，右側空冷單元出風口狹縫的速度相對來說比較大，可從環(huán)境中吸入更多的空氣量，進而造成溫度分布不均，流動不穩(wěn)定的情況，模擬的溫度和流線圖由圖8所示。當一臺風機供兩個空冷單元時，最高溫度為327.82 K，平均溫度為321.26 K，比未加引風環(huán)的單個圓臺形空冷單元的換熱效果更好，降低了煤耗，節(jié)省了風機的用電量，并且兩個空冷單元共用一臺風機，省了一臺風機，降低了購買成本。

3.3 一臺風機供三個空冷單元

通風方式與一臺風機供兩個空冷單元的相同，模擬結果如圖9所示，由于此時一臺風機在相同的530.9 kg/s風量下同時供三個空冷單元，所以單個空冷單元送風管道吸入的空氣量較少，但是單元送風管道吸入的空氣量流經空冷單元出風口狹縫，流速增加，造成負壓，吸收環(huán)境中更多的空氣通入空冷單元內部進行換熱，從而提高了換熱效果，此時，換熱效果較一臺風機供兩個空冷單元有所降低，最高溫度為340.90 K，平均溫度為329.13 K，整體換熱效果還是優(yōu)于傳統(tǒng)的“Λ”形空冷單元，并且省了兩臺風機，降低購買成本，節(jié)省風機用電量。

圖9 一臺風機供三個側面供風空冷單元的溫度分布圖和流線圖Fig.9 Temperature distributions and streamlined diagram of a fan for three air cooled units

3.4 經濟性分析

以一臺風機供兩個空冷單元為例進行說明：某電廠56臺風機，風機的額定功率為132 kW，機組負荷600 MW，一年按300天計算，若一臺風機供兩個空冷單元，則可節(jié)省風機28臺。

(1)節(jié)省風機用電量

W=Pt=9.5×105kW·h/年，按0.245元/kW·h計算，則共可節(jié)省652.4萬元/年。

此處的計算過程中，忽略了節(jié)省風機所需的購買成本，若添加此部分，節(jié)省成本更高，經濟性更好。

(2)降低煤耗

計算中鍋爐效率取94%，管道效率取99%。由計算結果可得排汽溫度每降低1 ℃，標準發(fā)電煤耗率降低1.74 g/kW·h。

則節(jié)省標準煤7516.8 t/年，按1噸煤300元計算，可節(jié)省近225.5萬元/年。

(3)增加發(fā)電量

若將一年節(jié)省的煤7516.8 t用來發(fā)電，可多發(fā)電2.3×107kW·h/年，標準煤耗率按330 g/kW·h計算，可增加收入近563.5萬元/年。

總結，按降低煤耗計算，可大約節(jié)省652.4+225.5=877.9萬元/年；按增加發(fā)電量計算，可大約節(jié)省652.4萬元/年，增加收入563.5萬元/年。

將“Λ”形、圓臺形、單個圓臺形空冷單元側面供風結構及集中供風方式下的空冷單元結構的溫度、煤耗的變化及經濟性分析總結成表1所示。

表1 不同供風形式的空冷單元溫度、煤耗的變化及經濟性分析

由表1可以看出，單個空冷單元新型供風結構由于引風環(huán)和側面供風的作用，引導大量周圍環(huán)境中的空氣與空冷凝汽器進行換熱，最高溫度與平均溫度均比圓臺形空冷單元有明顯的降低，減小了與環(huán)境溫度的差值，此時的汽輪機排氣溫度更接近于通入的空氣溫度，顯然換熱效果更優(yōu)于傳統(tǒng)的“Λ”字形空冷單元；當一臺風機供兩個或三個空冷單元時，與傳統(tǒng) “Λ”字形和圓臺形空冷單元進行比較，根據相關計算過程得到相應的煤耗變化，從表中可看出煤耗均有明顯的降低；從表1中經濟性分析一列可得出，經濟性最好的是一臺風機供三個空冷單元。

4 結 論

(1)單個空冷單元側面供風結構，在傾斜角度為17°，出風口狹縫寬度為0.03 m時，換熱效果最好，結構最優(yōu)。均能夠解決“Λ”形和圓臺形空冷單元換熱面存在的局部高溫問題。

(2)集中供風方式下，即一臺風機供兩個或三個空冷單元時，在保證換熱效果均優(yōu)于傳統(tǒng)“Λ”字形空冷單元下，能減少風機的使用數量，從根本上節(jié)省風機的用電量，降低煤耗，提高經濟效益。

(3)比較不同供風形式的空冷結構，換熱效果最好的是單個空冷單元側面供風結構；經濟性最好的是在集中供風方式下一臺風機供三個空冷單元。

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Numerical Simulation Study of Air Supply Mode Optimization for Frustum Cone-like Air Cooled Unit

CHENG Youliang, ZHANG Ning

(School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

Considering the heat transfer problems of the frustum cone-like air cooled unit, the induced air ring is added at the lower part of the cooling wall, with side air supply from the fan, to improve heat transfer conditions of the frustum cone-like air cooled unit and ensure the safety and long-term operation of the air-cooled condenser unit. Firstly, the Fluent software is used to analyze the effect of the slit width of the outlet and the inclination on heat transfer characteristics of air cooled unit and determine the optimal width and inclination, thus obtaining a better side air supply structure for single air-cooled unit. Next, the disperse air supply of air cooling island is changed to centralized air supply, and obtain an air supply mode with better heat transfer performance and more economical system by comparing the heat transfer characteristics and economy of air cooled unit under the new air supply mode with those of the original one.

air-cooled unit; frustum cone-like; induced air ring; side air supply; centralized air supply

2017-04-20.

中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目(2016MS154).

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2017.06.12

TK264.1

A

1007-2691(2017)06-0075-07

程友良(1963-)，男，教授，博士生導師，主要從事流體動力學及流體設備與節(jié)能方面的研究工作。