利用二次回歸正交試驗的空冷島擋風(fēng)墻優(yōu)化設(shè)計

李路江，杜 威，王昌欣，韓 旭

（1.國網(wǎng)河北能源技術(shù)服務(wù)有限公司，河北 石家莊 050000；2.華北電力大學(xué)河北省低碳高效發(fā)電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室，河北 保定 071003）

1 引言

在富煤少水的三北地區(qū)長期存在水資源缺乏的問題，直接空冷技術(shù)能夠利用當(dāng)?shù)刎S富的煤礦資源，采用“以煤換水”的方式，大大減少火電廠的水資源需求［1］。同時，直接空冷技術(shù)的使用不僅為廠方帶來了節(jié)水的優(yōu)勢，由于直接空冷島需求的占地條件限制更加靈活，火電廠的選址也更加能夠注重其他因素的考量，利于能源與經(jīng)濟(jì)性的效率最大化?？绽鋶u是機(jī)組末端不可或缺的部分，其換熱性能受空冷單元外部因素的影響較大，大風(fēng)等工況下造成的換熱不足不僅嚴(yán)重影響機(jī)組的生產(chǎn)，還會導(dǎo)致各種影響安全生產(chǎn)的問題。國內(nèi)外學(xué)者對影響空冷島的多個因素進(jìn)行了分析，并得出了空冷島優(yōu)化設(shè)計方案。外部流場方面，文獻(xiàn)［1-2］考慮外部流場對空冷島的影響，對換熱性能影響主導(dǎo)因素進(jìn)行了權(quán)重分析，提出加裝復(fù)合導(dǎo)流板后能夠明顯提高換熱量，對外部流場導(dǎo)流優(yōu)化提供了可行的參考。內(nèi)部流場方面，文獻(xiàn)［3-4］從空冷島內(nèi)部渦流以及環(huán)境風(fēng)的角度探討了環(huán)境風(fēng)速與熱空氣羽團(tuán)的關(guān)系，研究了其對換熱效率的影響。擋風(fēng)墻在流場中的影響方面，文獻(xiàn)［5-7］從擋風(fēng)墻設(shè)置角度，討論了其在流場中的作用，確定了對換熱效率的影響，加裝擋風(fēng)墻可以在一定程度上增加或降低換熱。以上研究都從單一變量進(jìn)行了細(xì)致的研究，但多變量協(xié)同優(yōu)化的相關(guān)研究還存在欠缺，且并未從擋風(fēng)墻優(yōu)化角度考慮包括擋風(fēng)墻高度、孔隙率和距離三個因素的設(shè)置。實(shí)際上，擋風(fēng)墻的設(shè)置能夠大幅度影響空冷單元的換熱量。以某高位布置空冷島為研究對象，基于二次回歸正交試驗方法研究擋風(fēng)墻設(shè)置對空冷島換熱量的影響，采用CFD數(shù)值模擬技術(shù)對不同擋風(fēng)墻高度、孔隙率和擋風(fēng)墻距離下的空冷機(jī)組進(jìn)行模擬計算，得到特定環(huán)境工況下的空冷島最佳擋風(fēng)墻參數(shù)設(shè)置，為電廠空冷島工程建設(shè)提供切實(shí)可行的方案。

2 模型建立

環(huán)境因素設(shè)置時，環(huán)境溫度以及風(fēng)速設(shè)置參考當(dāng)?shù)囟嗉練夂颍謩e為27℃、5m/s?？绽錂C(jī)組工作流域內(nèi)為三維、非穩(wěn)態(tài)、可壓縮湍流流動條件，使用控制方程對該過程進(jìn)行描述，采用ANSYS CFX軟件對流場進(jìn)行模擬。各空冷島的邊界條件較為復(fù)雜，在模擬中進(jìn)行了相關(guān)簡化如下：在計算域使用一個大空間六面體代替環(huán)境，內(nèi)部流體為不可壓縮理想氣體，進(jìn)口面則為迎風(fēng)面，出口面為背風(fēng)面，下?lián)躏L(fēng)墻以及肋片設(shè)置為多孔介質(zhì)。對于風(fēng)機(jī)使用無限薄的平板代替，設(shè)置為壓力躍升表面，風(fēng)機(jī)壓頭設(shè)置為動參數(shù)，以更大程度模擬風(fēng)機(jī)葉片入口處的實(shí)際流體流動情況，性能曲線系數(shù)分別為140.8、-5.86、-0.81。所設(shè)置的計算區(qū)域廣闊且需進(jìn)行多個模型的優(yōu)化計算，為使計算結(jié)果與時間效率最大化，模型采用四面體網(wǎng)格并對機(jī)組空冷單元以及周邊擋風(fēng)墻設(shè)施進(jìn)行了局部加密。網(wǎng)格無關(guān)性驗證表明，采用312萬以上網(wǎng)格數(shù)量的劃分方式符合標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)格的總壓比計算后最大差值為0.8%，滿足其小于1%的要求。各部分示意圖，如圖1所示。

圖1 空冷島模型網(wǎng)格Fig.1 Model and Mesh of Air Cooling Island

3 擋風(fēng)墻設(shè)置優(yōu)化研究

在空冷島實(shí)際建設(shè)中，為保證空冷島換熱量最佳，需進(jìn)行空冷島擋風(fēng)墻的參數(shù)設(shè)計。在擋風(fēng)墻設(shè)置參數(shù)中，設(shè)計了z1（擋風(fēng)墻高度）、z2（孔隙率）和z3（擋風(fēng)墻距離）三個因素。結(jié)合實(shí)際空冷島設(shè)置，保證機(jī)組正常運(yùn)行情況下維持一定的換熱量，對各個因素在合適的范圍內(nèi)進(jìn)行取值，則得：z1=（5～25）m，z2=（0.1～0.6），z3=（1～5）m。基于正交試驗，對各水平進(jìn)行編碼，如表1所示。為了簡化計算，設(shè)置相對換熱量Q替代空冷島實(shí)際換熱量Qa進(jìn)行計算：

表1 三因素五水平編碼表Tab.1 Three-Factor Five-Level Coding Table

式中：Q—相對換熱量，J；Qa—空冷島換熱量，J；Q0—未設(shè)置擋風(fēng)墻情況下空冷島換熱量，J。

根據(jù)三元二次正交試驗理論設(shè)計方案，初步擬設(shè)回歸方程，然后設(shè)計17組方案進(jìn)行試驗。計算結(jié)果，如表2、表3所示。

表2 正交試驗方案及結(jié)果Tab.2 Orthogonal Experiment Scheme and Results

表3 正交試驗計算格式表Tab.3 Orthogonal Experiment Calculation Format Table

對于相對換熱量Q，交互項x1x2、x1x3、x2x3的回歸系數(shù)b12、b13和b23為相對極小量，故可以不代入回歸方程進(jìn)行計算。所以，回歸方程轉(zhuǎn)化為：

回歸方程檢驗：

回歸方程在整個研究范圍內(nèi)的擬合情況為：

該回歸方程檢驗成功，符合設(shè)計要求，得出：

4 結(jié)果分析

由擬合得到的回歸曲線，對擋風(fēng)墻高度、孔隙率和擋風(fēng)墻距離對相對換熱量的影響進(jìn)行分析。擋風(fēng)墻高度對相對換熱量的影響，如圖2所示。

圖2 擋風(fēng)墻高度對相對換熱量的影響Fig.2 Influence of Height of Windbreak Wall on Relative Heat Transfer Quantity

隨著擋風(fēng)墻高度的提高，相同孔隙率或相同擋風(fēng)墻距離的情況下，相對換熱量在擋風(fēng)墻高度為7.5m時達(dá)到最低，風(fēng)機(jī)周圍的流場同時受橫向環(huán)境風(fēng)與擋風(fēng)墻前部反向渦流的影響，換熱性能輕微下降，例孔隙率為0.35 時，相對換熱量由0.3967J 下降至0.3551J，隨后恢復(fù)到0.3792J。隨后隨著擋風(fēng)墻高度的提升而增大，這是因為隨著擋風(fēng)墻高度的增加，橫向環(huán)境風(fēng)對風(fēng)機(jī)風(fēng)道的影響逐漸降低，且擋風(fēng)墻內(nèi)部產(chǎn)生的渦流逐漸增大，進(jìn)一步強(qiáng)化的換熱。實(shí)際擋風(fēng)墻高度的設(shè)置需要進(jìn)一步考慮安全、經(jīng)濟(jì)等因素，且實(shí)際空冷島高度存在限制。因此即使擋風(fēng)墻高度設(shè)置在10m以上能夠隨著高度的增加提高換熱效率，但存在上限，實(shí)際設(shè)置往往在（10～15）m左右。

孔隙率對相對換熱量的影響見圖，隨著孔隙率的增加，相對換熱量均存在最大極值。對于擋風(fēng)墻距離為3m的情況，在孔隙率為0.4125時達(dá)到大；對于擋風(fēng)墻高度為15m的情況，均在孔隙率為0.44375時達(dá)到最大。這是由于在孔隙率（0～0.4125）之間，隨著孔隙率的增大，橫向環(huán)境風(fēng)通過擋風(fēng)墻的風(fēng)量逐漸增大，補(bǔ)充了縱向進(jìn)入風(fēng)機(jī)風(fēng)道的風(fēng)量，從而強(qiáng)化換熱。

在孔隙率（0.44375～0.6）之間，由于孔隙率的提升，橫向環(huán)境風(fēng)大量通過擋風(fēng)墻，部分參與風(fēng)機(jī)風(fēng)道縱向風(fēng)量補(bǔ)充外，對風(fēng)道橫向氣流施加了橫向風(fēng)速，從而造成了與風(fēng)機(jī)垂直方向的氣體流動，最終降低了風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)量，降低了換熱。當(dāng)擋風(fēng)墻高度為15m，擋風(fēng)墻距離為3m情況下，孔隙率由0.35增加到0.44375，相對換熱量由1.4839J增加至1.8114J，隨后在孔隙率由0.44375到0.6的變化中降低至0.1448。

擋風(fēng)墻高度對相對換熱量的影響，如圖4所示。由圖4可知，隨著擋風(fēng)墻距離的增加，相對換熱量在固定擋風(fēng)墻高度以及孔隙率情況下均存在最大極值。隨著擋風(fēng)墻距離的增加，擋風(fēng)墻與空冷單元之間的距離增大，隨著橫向環(huán)境風(fēng)以及風(fēng)機(jī)雙重影響下產(chǎn)生的渦流越大，進(jìn)一步強(qiáng)化換熱，均在3.75m取得最大相對換熱量。隨著擋風(fēng)墻距離進(jìn)一步的提高，相對換熱量逐漸降低甚至低于未設(shè)置擋風(fēng)墻的情況，這是由于擋風(fēng)墻距離的增加在風(fēng)機(jī)流道末端與擋風(fēng)墻之間產(chǎn)生了反向渦流，造成了風(fēng)機(jī)流道內(nèi)風(fēng)量的降低，從而降低了換熱。當(dāng)孔隙率為0.35，擋風(fēng)墻高度為15m 時，擋風(fēng)墻距離由3m 提升到3.75m 過程中相對換熱量由1.4839J增加至2.5041J，隨后隨著擋風(fēng)墻距離增加至5m，相對換熱量降低至-0.8081J。

圖4 擋風(fēng)墻距離對相對換熱量的影響Fig.4 Influence of Distance Between Windbreak Wall and Air Cooling System on Relative Heat Transfer Quantity

5 結(jié)論

使用回歸正交試驗得到了相對換熱量與擋風(fēng)墻高度、孔隙率和擋風(fēng)墻距離之間關(guān)系的回歸方程，經(jīng)檢驗為顯著不失擬，在整個回歸區(qū)域擬合度好，為非線性關(guān)系，該實(shí)驗符合理論為合理。在試驗范圍內(nèi)，相對換熱量隨著擋風(fēng)墻高度的增加而增加，與孔隙率以及擋風(fēng)墻距離在一定范圍內(nèi)存在正相關(guān)，達(dá)到極值后呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。最終最佳擋風(fēng)墻距離設(shè)置為3m，最佳孔隙率設(shè)置為（0.4125～0.44375），最佳擋風(fēng)墻高度參考實(shí)際因素在（10～15）m。根據(jù)回歸正交試驗獲得的回歸方程，可在限定擋風(fēng)墻高度下尋求最佳擋風(fēng)墻孔隙率及擋風(fēng)墻距離設(shè)置，對于實(shí)際空冷島工程建設(shè)提供更佳地?fù)躏L(fēng)墻參數(shù)設(shè)置方案。