環(huán)境風(fēng)作用下小規(guī)模直接空冷系統(tǒng)流動(dòng)傳熱性能分析

劉 學(xué)， 李國(guó)棟， 張瑞穎， 陳 磊， 楊立軍

(1.華電重工股份有限公司， 北京 100070；2.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院， 北京 102206)

0 引 言

相對(duì)于其他電站冷端系統(tǒng)，空冷系統(tǒng)在節(jié)約水資源方面具有天然優(yōu)勢(shì)。其中，直接空冷系統(tǒng)具有初投資低的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于我國(guó)內(nèi)陸干旱地區(qū)電站。受實(shí)驗(yàn)復(fù)雜性的限制，直接空冷系統(tǒng)的流動(dòng)換熱性能通常采用數(shù)值方法來(lái)模擬得出[1]。利用數(shù)值方法，現(xiàn)有研究針對(duì)大規(guī)模直接空冷系統(tǒng)(通常機(jī)組容量為300 MW及以上)，研究了環(huán)境風(fēng)對(duì)直接空冷系統(tǒng)的負(fù)面影響，并且提出了相應(yīng)的解決方案。YANG等[2]闡明了環(huán)境風(fēng)對(duì)空冷凝汽器的不利影響及其衰減機(jī)理，其中考慮了熱流再循環(huán)現(xiàn)象。HE等[3]研究了軸流風(fēng)扇的進(jìn)氣溫度分布，并揭示了高溫區(qū)形成的機(jī)理。為了限制風(fēng)的影響，研究了多種類型的擋風(fēng)玻璃[4，5]。VENTER等[6]研究了擋風(fēng)玻璃對(duì)軸流風(fēng)機(jī)的作用機(jī)理，并提出了合理的擋風(fēng)玻璃高度。此外，CHEN等[7，8]提出了在水平軸向上安裝了感應(yīng)式軸流風(fēng)機(jī)和軸流風(fēng)機(jī)這一種新的空冷凝汽器布局，從而顯著提高了冷卻性能。不僅如此，還很好的研究了主動(dòng)調(diào)整風(fēng)機(jī)陣列的方法。為了減弱橫風(fēng)對(duì)空冷凝汽器的不利影響，KONG等[9，10]提出了具有圓形排列和成一直線配置的翅片管束的空冷凝汽器新穎布局。HE等[11，12]研究了軸流風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和設(shè)定角規(guī)則，發(fā)現(xiàn)整個(gè)風(fēng)機(jī)陣列調(diào)整性能最佳。在我們之前的研究中[13]，提出了軸流風(fēng)扇的調(diào)整策略以優(yōu)化發(fā)電效率。

現(xiàn)有研究大多針對(duì)大規(guī)模直接空冷機(jī)組進(jìn)行研究，通常為發(fā)電功率為300 MW以上的空冷機(jī)組，其流動(dòng)換熱性能變化規(guī)律，尤其是環(huán)境橫向風(fēng)的不利影響及其優(yōu)化調(diào)整措施已得到了較為全面的理解。然而，小規(guī)模直接空冷系統(tǒng)的環(huán)境風(fēng)作用機(jī)理及規(guī)律與大規(guī)模直接空冷機(jī)組并不相同，此方面的研究較為缺乏。因此，本文以某50 MW光熱電站3×4小規(guī)模直接空冷系統(tǒng)為研究對(duì)象，深入研究了環(huán)境氣象條件對(duì)其流動(dòng)換熱性能及機(jī)組背壓的影響規(guī)律。其中，環(huán)境溫度包括19.2 ℃、38 ℃和45.1 ℃。環(huán)境風(fēng)向?yàn)?°、90°、180°和270°。環(huán)境風(fēng)速為3 m/s、6 m/s、9 m/s和12 m/s。通過(guò)本文的研究，可以為小規(guī)模直接空冷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和優(yōu)化研究提供參考。

1 數(shù)值模型

1.1 控制方程

空氣側(cè)流動(dòng)換熱控制方程的一般形式為[3]

(1)

式中：φ代表相關(guān)變量，Γ表示擴(kuò)散項(xiàng)，S是源項(xiàng)。

對(duì)于連續(xù)性方程，φ=1，Γ=0，S=0。關(guān)于能量方程，φ=cpT，Γ=μe/σT，S=0。對(duì)于i，j方向的動(dòng)量方程和k，源項(xiàng)S的表達(dá)式如下。

(2)

用可實(shí)realizablek-ε模型模擬湍流，湍動(dòng)能和湍流耗散率表示如下。

S=Gk+Gb-ρε

(3)

(4)

式中：k為湍動(dòng)能；ε為湍流耗散率；i、j、k為不同方向；ρ為空氣密度；u為氣流速度；μ為空氣的動(dòng)力粘度；σ為湍流普朗特?cái)?shù)；Gk和Gb分別為由層流速度梯度和浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能。

1.2 幾何模型及邊界條件

如圖1所示，表示的是空冷島及其周邊主要建筑物的幾何模型。由于集熱塔熱量主要集中在塔頂部，距離空冷島平臺(tái)較遠(yuǎn)，可以忽略其對(duì)空冷島的影響。因此，主要考慮建筑物外形對(duì)流場(chǎng)的影響。通過(guò)建立與實(shí)際尺寸相一致的幾何模型，并建立如圖2所示的環(huán)境大空間計(jì)算域，進(jìn)行如圖3所示的網(wǎng)格劃分，導(dǎo)入數(shù)值模擬軟件中進(jìn)行模擬計(jì)算。其中，計(jì)算域尺寸應(yīng)足夠大，以消除不真實(shí)外邊界對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證采用的是在設(shè)計(jì)工況下，比較生成不同網(wǎng)格數(shù)量的模型模擬所得的計(jì)算熱負(fù)荷與設(shè)計(jì)熱負(fù)荷之間的相對(duì)誤差，如表1所示?？梢钥闯?，最后兩套網(wǎng)格數(shù)量之間，計(jì)算熱負(fù)荷誤差最大為0.043 6%，因此選取網(wǎng)格數(shù)量為19, 598, 791。同時(shí)，論文中所使用空冷單元模型已在發(fā)表論文[9]的?；瘜?shí)驗(yàn)驗(yàn)證部分進(jìn)行了模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，保證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

表1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證Tab.1 Grid independence verification

圖1 光熱電站幾何模型Fig. 1 Geometric model of solar-thermal power plant

圖2 計(jì)算域示意圖Fig. 2 Schematic of computational domain

圖3 網(wǎng)格劃分Fig. 3 Illustration of meshes

計(jì)算域的邊界條件選取如下：將有風(fēng)一側(cè)計(jì)算域邊界設(shè)置為速度入口(velocity-inlet)，相對(duì)一側(cè)設(shè)為壓力出口界條件(pressure-outlet)，底部為地面(wall)，內(nèi)部計(jì)算域分塊輔助面為內(nèi)部面(interior)，主廠房等設(shè)置為等熱流壁面(wall)。流體為理想不可壓空氣。

用穩(wěn)態(tài)模型處理帶有非穩(wěn)態(tài)特性的工況，殘差的收斂情況僅是一個(gè)計(jì)算過(guò)程的參考因素，不再是決定收斂與否的判據(jù)?？绽鋯卧Ｐ陀?jì)算結(jié)果的收斂準(zhǔn)則采用如下標(biāo)準(zhǔn)：最小絕對(duì)壓強(qiáng)為1 Pa；最大絕對(duì)壓強(qiáng)限制是5e+10 Pa；最小和最大溫度為1 K、5 000 K；監(jiān)測(cè)實(shí)體風(fēng)機(jī)模型出口平面的體積流量；監(jiān)測(cè)換熱器換熱量，監(jiān)測(cè)數(shù)值與設(shè)定換熱器參數(shù)所使用的實(shí)際數(shù)據(jù)之間的差值范圍是否合理。檢查流入和流出整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量、動(dòng)量、能量是否守恒。若守恒，則認(rèn)為計(jì)算收斂。計(jì)算過(guò)程中，所監(jiān)測(cè)的空冷島各性能參數(shù)之間的誤差，包括空冷島冷卻空氣流量、熱負(fù)荷等參數(shù)少于0.1%，也可以認(rèn)為計(jì)算是收斂的。

在計(jì)算過(guò)程中，采用的是simple算法，為了加速計(jì)算收斂，可以先計(jì)算流場(chǎng)，再計(jì)算溫度場(chǎng)，這樣可以有效的提高計(jì)算效率，同時(shí)可以有效的防止計(jì)算過(guò)程中出現(xiàn)計(jì)算發(fā)散的情況產(chǎn)生，尤其是在高風(fēng)速的情況下，流場(chǎng)比較紊亂，給模擬造成很大困難，在此過(guò)程中可以首先采用上述方法。也可以通過(guò)修改松弛因子，來(lái)控制計(jì)算過(guò)程，達(dá)到比較好的收斂效果。

1.3 迭代計(jì)算流程

如圖4所示，表示的是數(shù)值計(jì)算過(guò)程中的迭代計(jì)算流程圖?？梢钥闯?，在給定汽輪機(jī)排汽流量的情況下，首先，通過(guò)假設(shè)機(jī)組背壓設(shè)置初值，可以查取相應(yīng)的排汽溫度，將其作為空冷凝汽器翅片管束Radiator模型的參考溫度，進(jìn)行冷卻空氣與翅片管束內(nèi)蒸汽的換熱模擬。其次，給定軸流風(fēng)機(jī)模型性能參數(shù)和空冷凝汽器翅片管束流動(dòng)換熱性能參數(shù)，實(shí)現(xiàn)空冷系統(tǒng)流動(dòng)換熱過(guò)程的模擬。再次，通過(guò)統(tǒng)計(jì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，包括空冷凝汽器冷卻空氣流量和入口空氣溫度，計(jì)算得到機(jī)組背壓計(jì)算值。最終，通過(guò)比較機(jī)組背壓設(shè)置初值和計(jì)算值，若誤差在允許范圍內(nèi)，則認(rèn)為計(jì)算收斂；否則，重新假定背壓初值，直到計(jì)算收斂。通過(guò)數(shù)值計(jì)算，可以獲得不同環(huán)境氣象條件下的機(jī)組背壓、空氣側(cè)流動(dòng)換熱性能變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)環(huán)境風(fēng)對(duì)空冷機(jī)組不利影響的研究。

圖4 計(jì)算迭代流程圖Fig. 4 Schematic of iterative procedure

2 結(jié)果及討論

如圖5所示，表示的是空冷島與廠區(qū)建筑物及風(fēng)向角之間的相對(duì)位置關(guān)系，并對(duì)空冷單元進(jìn)行了編號(hào)?？梢钥闯觯撔∫?guī)?？绽鋶u空冷凝汽器單元成矩陣式分布，包含4行3列共12個(gè)單元。

圖5 空冷凝汽器單元編號(hào)及風(fēng)向角方位Fig. 5 Serial number of air-cooled condenser and wind directions

2.1 空氣流場(chǎng)及溫度場(chǎng)分布

為了直觀地展示環(huán)境氣象條件對(duì)空冷島流動(dòng)換熱性能的影響，下面以設(shè)計(jì)環(huán)境溫度19.2 ℃為例，圖6至圖9展示了0°、90°、180°和270°共4個(gè)風(fēng)向角下，環(huán)境風(fēng)速為3 m/s和12 m/s時(shí)，沿風(fēng)速方向豎直截面內(nèi)空氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布情況。其中，彩色云圖表示的是溫度場(chǎng)，帶線頭的曲線簇表示的是流場(chǎng)分布情況。

圖6 0°風(fēng)向角下不同風(fēng)速截面溫度速度分布(℃)Fig. 6 Temperature and flow field in cross section under different wind speeds at wind direction of 0° (℃)

圖7 90°風(fēng)向角下不同風(fēng)速截面溫度速度分布(℃)Fig. 7 Temperature and flow field in cross section under different wind speeds at wind direction of 90° (℃)

圖8 180°風(fēng)向角下不同風(fēng)速截面溫度速度分布(℃)Fig. 8 Temperature and flow field in cross section under different wind speeds at wind direction of 180° (℃)

圖9 270°風(fēng)向角下不同風(fēng)速截面溫度速度分布(℃)Fig. 9 Temperature and flow field in cross section under different wind speeds at wind direction of 270° (℃)

可以看出，各個(gè)風(fēng)向角下，迎風(fēng)面空冷凝汽器單元內(nèi)部流場(chǎng)紊亂，空氣溫度較高，導(dǎo)致該位置凝汽器單元流動(dòng)換熱性能差。造成這種現(xiàn)象的原因是環(huán)境風(fēng)作用下迎風(fēng)側(cè)空冷凝汽器單元軸流風(fēng)機(jī)入口條件惡化，其氣動(dòng)性能受到環(huán)境風(fēng)的嚴(yán)重不利影響，最終導(dǎo)致通過(guò)軸流風(fēng)機(jī)冷卻空氣流量下降，該位置空冷凝汽器單元流動(dòng)換熱性能惡化。并且，隨環(huán)境風(fēng)速不斷增加，軸流風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能持續(xù)惡化，導(dǎo)致迎風(fēng)側(cè)單元內(nèi)部空氣流程紊亂程度加劇，冷卻空氣流量降低，空冷凝汽器單元流動(dòng)換熱性能進(jìn)一步惡化。另一方面，隨環(huán)境風(fēng)速增加，空冷島出口熱空氣抬升高度明顯降低，導(dǎo)致環(huán)境風(fēng)對(duì)空冷島出口熱空氣的壓制作用愈發(fā)明顯，不利于空冷島整體的流動(dòng)換熱性能。不同的是，在270°風(fēng)向角下，由于上游建筑物的遮擋，在空冷島上游形成了明顯擾動(dòng)，導(dǎo)致該風(fēng)向角下空冷島流動(dòng)換熱性能與其他風(fēng)向角差異較大?？傊?，不同風(fēng)向角下，空冷島迎風(fēng)側(cè)空冷凝汽器單元流動(dòng)換熱性能將受到環(huán)境風(fēng)的不利影響，并且風(fēng)速越大，環(huán)境風(fēng)的不利影響越明顯。

2.2 軸流風(fēng)機(jī)流量和入口空氣溫度分布

為了評(píng)價(jià)環(huán)境氣象條件對(duì)空冷島流動(dòng)換熱性能的影響，下面以設(shè)計(jì)環(huán)境溫度19.2 ℃為例，以柱狀體的形式，統(tǒng)計(jì)了0 °、90 °、180 °和270 °共4個(gè)風(fēng)向角下，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為3 m/s和12 m/s時(shí)，各空冷凝汽器單元軸流風(fēng)機(jī)冷卻空氣流量及其入口空氣溫度變化情況，如圖10～17所示。

圖10 0°風(fēng)向角下不同風(fēng)速各軸流風(fēng)機(jī)流量分布Fig. 10 Flow rate distributions of axial flow fans under different wind speeds at wind direction of 0°

圖11 0° 風(fēng)向角下不同風(fēng)速各空冷凝汽器單元入口空氣溫度分布Fig. 11 Inlet air temperature distributions of condenser cells under different wind speeds at wind direction of 0°

圖12 90°風(fēng)向角下不同風(fēng)速各軸流風(fēng)機(jī)流量分布Fig. 12 Flow rate distributions of axial flow fans under different wind speeds at the wind direction of 90°

圖13 90°風(fēng)向角下不同風(fēng)速各軸流風(fēng)機(jī)入口空氣溫度分布Fig. 13 Inlet air temperature distributions of condenser cells under different wind speeds at wind direction of 90°

圖14 180°風(fēng)向角下不同風(fēng)速各軸流風(fēng)機(jī)流量分布Fig. 14 Flow rate distributions of axial flow fans under different wind speeds at wind direction of 180°

圖15 180°風(fēng)向角下不同風(fēng)速各空冷凝汽器單元入口空氣溫度分布Fig. 15 Inlet air temperature distributions of condenser cells under different wind speeds at wind direction of 180°

圖16 270°風(fēng)向角下不同風(fēng)速各軸流風(fēng)機(jī)流量分布Fig. 16 Flow rate distributions of axial flow fans under different wind speeds at wind direction of 270°

圖17 270°風(fēng)向角下不同風(fēng)速各空冷凝汽器單元入口空氣溫度分布Fig. 17 Inlet air temperature distributions of condenser cells under different wind speeds at wind direction of 270°

可以看出，在0°風(fēng)向角下，迎風(fēng)側(cè)第一列空冷凝汽器單元軸流風(fēng)機(jī)流量最低，入口空氣溫度相對(duì)較高，導(dǎo)致迎風(fēng)側(cè)空冷凝汽器單元流動(dòng)換熱性能惡化。尤其是高風(fēng)速12 m/s條件下，環(huán)境風(fēng)的不利影響明顯增強(qiáng)。下游第二、三列空冷凝汽器單元受環(huán)境風(fēng)影響較弱。在90°風(fēng)向角下，迎風(fēng)側(cè)第四行空冷凝汽器單元軸流風(fēng)機(jī)流量隨風(fēng)速增加而下降，其入口空氣溫度隨風(fēng)速增加而上升。在180°風(fēng)向角下，第三列空冷凝汽器單元處于迎風(fēng)位置，明顯受到環(huán)境風(fēng)的不利影響。在270°風(fēng)向角下，由于建筑物的遮擋，使得通過(guò)各個(gè)位置的軸流風(fēng)機(jī)冷卻空氣流量差異較小。相對(duì)于其他風(fēng)向角，軸流風(fēng)機(jī)入口空氣溫度整體相對(duì)較高。然而，處于空冷島中心的第二例空冷凝汽器單元入口空氣溫度最高，并且隨風(fēng)速增加，空冷凝汽器單元入口空氣溫度變化并不明顯?？傊?，不同風(fēng)向角下，環(huán)境風(fēng)的不利影響主要體現(xiàn)在空冷島迎風(fēng)側(cè)空冷凝汽器單元冷卻空氣流量和入口空氣溫度的變化，并且下游空冷凝汽器單元受環(huán)境風(fēng)影響并不明顯。在270°特殊風(fēng)向角下，環(huán)境風(fēng)受建筑物的干擾作用，雖然空冷凝汽器相互間差異不明顯。

2.3 機(jī)組背壓

最終，在不同環(huán)境氣象條件下，環(huán)境風(fēng)的不利影響將反映在機(jī)組背壓的變化。如圖18至圖20所示，展示的是不同環(huán)境風(fēng)向、風(fēng)速和溫度條件下機(jī)組背壓變化情況。

圖18 環(huán)境溫度為19.2 ℃下背壓隨風(fēng)速和方向的變化Fig. 18 Variation of turbine back pressure versus wind speed and direction under 19.2 ℃

圖19 環(huán)境溫度為38 ℃下背壓隨風(fēng)速和方向的變化Fig. 19 Variation of turbine back pressure versus wind speed and direction under 38 ℃

圖20 環(huán)境溫度為45.1 ℃下背壓隨風(fēng)速和方向的變化Fig. 20 Variation of turbine back pressure versus wind speed and direction under 45.1 ℃

可以看出，不同環(huán)境氣象條件下，直接空冷機(jī)組背壓變化趨勢(shì)基本一致。隨風(fēng)速增加，機(jī)組背壓呈不同程度的上升趨勢(shì)；隨環(huán)境氣溫增加，機(jī)組背壓整體有所上升。另一方面，90°和270°風(fēng)向角下，機(jī)組背壓在所有風(fēng)速范圍內(nèi)均較低。然而，0°和180°風(fēng)向角下，機(jī)組背壓在所有風(fēng)速范圍內(nèi)均較高。這是由于90°和270°風(fēng)向角下，受環(huán)境風(fēng)不利影響的迎風(fēng)側(cè)空冷凝汽器單元數(shù)量高于0°和180°風(fēng)向角，使得直接空冷系統(tǒng)流動(dòng)換熱性能整體下降，最終導(dǎo)致機(jī)組背壓上升。同時(shí)，90°風(fēng)向角下，空冷島上游并無(wú)遮擋，使得其流動(dòng)換熱性能最佳，機(jī)組背壓最低。

3 結(jié) 論

本文采用數(shù)值模擬方法，建立了某50 MW光熱電的直接空冷系統(tǒng)數(shù)學(xué)物理模型，研究了不同環(huán)境氣象條件下該小規(guī)模直接空冷系統(tǒng)流動(dòng)換熱性能變化規(guī)律，獲得了不同工況下空氣側(cè)流場(chǎng)及溫度場(chǎng)分布規(guī)律，并對(duì)空冷島各空冷凝汽器單元軸流風(fēng)機(jī)冷卻空氣流量和入口空氣溫度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，繪制了機(jī)組背壓隨環(huán)境氣象條件的變化曲線。通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

(1)迎風(fēng)側(cè)空冷凝汽器單元受環(huán)境風(fēng)不利影響影響較大，并且隨風(fēng)速增加，影響程度逐漸加深，下游空冷凝汽器單元受影響并不明顯；

(2)在所有風(fēng)向角下，機(jī)組背壓隨風(fēng)速增加而上升，隨環(huán)境溫度上升而上升；

(3)0°和180°風(fēng)向角下，空冷島流動(dòng)換熱性能受影響程度比90°和270°風(fēng)向角高；

(4)建筑物的擾流作用對(duì)直接空冷系統(tǒng)流動(dòng)換熱性能具有不利影響。