周蘭欣, 崔皓程, 仲博學(xué)

(華北電力大學(xué)電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,保定071003)

近年來,空冷機(jī)組在我國發(fā)展迅猛,在建廠初期都會涉及廠房總體布局及機(jī)組主導(dǎo)風(fēng)向的問題.對于主導(dǎo)風(fēng)向角度的選擇各有差別,有的機(jī)組是根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件參考其他電廠來確定主導(dǎo)風(fēng)向[1-3].運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明:正確的主導(dǎo)風(fēng)向?qū)绽淠鞯膿Q熱效率影響很大.因此,本文將從主導(dǎo)風(fēng)向的角度探討其對空冷凝汽器換熱效果的影響.

以2臺600 MW空冷機(jī)組為例,利用Fluent軟件對空冷島外部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析了在不同風(fēng)速條件下主導(dǎo)風(fēng)向?qū)绽淠鲹Q熱效率的影響規(guī)律及其原因,從而得到在換熱效率最高時主導(dǎo)風(fēng)向與空冷平臺的位置關(guān)系,為空冷機(jī)組的設(shè)計(jì)及廠房總體布局提供了理論參考.

1 模型的建立及計(jì)算方法

1.1 模型的建立以及網(wǎng)格的劃分

根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)尺寸,設(shè)定空冷平臺高度為45 m,上擋風(fēng)墻高度為10 m,鍋爐房高度為90 m,汽機(jī)房高度為40 m,每臺機(jī)組有7×8=56個空冷單元.由于不考慮空冷單元內(nèi)部的流動,因此不必在建立模型時體現(xiàn)出空冷凝汽器散熱片的鰭狀幾何外形.在保證計(jì)算正確性的前提下,考慮計(jì)算的效率,對空冷單元進(jìn)行簡化,用小正方體代表空冷單元,其橫截面積為10 m×10 m.模型示于圖1.

圖1 空冷島幾何模型Fig.1 Geometric model of the air-cooling island

利用Ganbit軟件生成相應(yīng)的幾何模型以及計(jì)算網(wǎng)格.在劃分網(wǎng)格時,考慮到模擬計(jì)算精度的要求、計(jì)算機(jī)硬件性能的限制以及空冷島本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對整個計(jì)算區(qū)域采用分塊劃分網(wǎng)格的方法,對空冷島和廠房采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分,余下計(jì)算區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格.計(jì)算區(qū)域?yàn)?00 m×800 m×600 m的長方體,圖2為計(jì)算區(qū)域與主導(dǎo)風(fēng)向的示意圖.

1.2 計(jì)算方法

1.2.1 湍流模型的選擇

標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型是從實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出來的,其適用范圍廣、計(jì)算精度合理.最簡單的完整湍流模型是2個方程的模型,需要求解速度和長度2個變量.在Fluent軟件中,自從標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型被 Launder和Spalding提出后,就成為工程流場計(jì)算中的主要工具,在工業(yè)流場和熱交換模擬中獲得了廣泛的應(yīng)用.

圖2 計(jì)算區(qū)域與主導(dǎo)風(fēng)向示意圖Fig.2 Schematic diagram of the calculation region and the prevailing wind direction

1.2.2 主控方程

對于空冷平臺,由于環(huán)境風(fēng)速遠(yuǎn)小于當(dāng)?shù)芈曀俚?/3,因此空冷平臺周圍的大氣運(yùn)動可認(rèn)為是不可壓縮定常流動.

流體區(qū)域的流動應(yīng)滿足三維流動控制方程,數(shù)值模擬則采用雷諾應(yīng)力平均N-S方程[4-6].

連續(xù)性方程:

動量守恒方程:

本構(gòu)方程:

標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型:

式中:k為紊動能項(xiàng).

本文涉及熱量交換問題,采用的能量方程如下:

式中:ρ為空氣密度;u、v為流體速度;i,j,k=1,2,3;p為壓力;μ為流體動力粘性系數(shù);τij為應(yīng)力張量為熱流量.

空冷散熱器內(nèi)部的換熱情況可利用Fluent軟件內(nèi)嵌的熱交換模塊進(jìn)行計(jì)算.計(jì)算中控制微分方程的離散化采用了有限差分法中的控制容積公式法,針對對流項(xiàng)的離散,采用了上風(fēng)差分格式,動量方程的離散化采用了交錯網(wǎng)格的方法,流場的計(jì)算則采用典型的Simple算法.

1.2.3 邊界條件

整個流動計(jì)算區(qū)域的進(jìn)口采用大氣邊界層函數(shù)計(jì)算:

式中:z0為氣流達(dá)到均勻流時的高度;u0為z0處來流平均風(fēng)速;zi為任意高度;ui為zi處平均風(fēng)速;α為地面粗糙系數(shù),粗糙度越大,α越大.

根據(jù)電廠的地形地貌,取 α=0.2及 z0=10,該條件利用Fluent自帶的udf(自定義函數(shù))邊界條件編程加載,每個空冷換熱單元的下部布置軸流風(fēng)機(jī),此界面采用風(fēng)扇邊界條件,換熱單元上部視為流體內(nèi)點(diǎn)區(qū)域,每個換熱單元的四周、擋風(fēng)墻、柱子均采用墻壁邊界,整個計(jì)算域的底面是大地,為壁面邊界,主導(dǎo)風(fēng)向的迎風(fēng)面采用速度入口邊界條件,其余面采用壓力出口邊界條件.

2 計(jì)算結(jié)果及分析

在風(fēng)速分別為3 m/s、6 m/s和9 m/s,風(fēng)向角β分別為 0°、30°、45°、60°、90°、120°、135°、150°、180°、225°、270°和 315°的條件下,模擬了風(fēng)向及風(fēng)速對空冷凝汽器整體換熱效率的影響.為了方便說明問題,定義風(fēng)向角β為主導(dǎo)風(fēng)向與空冷平臺(x軸正向)的夾角(圖2).

引進(jìn)一個無量綱參數(shù)——換熱效率,定義為空冷單元的實(shí)際換熱量與標(biāo)準(zhǔn)工況下空冷單元的標(biāo)準(zhǔn)換熱量之比[7-8].另外,將每秒流過空冷單元的空氣質(zhì)量流量也作為比較的參數(shù)之一,并規(guī)定通過空冷平臺的空氣質(zhì)量流量與風(fēng)機(jī)吹風(fēng)方向一致時為正,反之為負(fù).

2.1 計(jì)算結(jié)果

由數(shù)值模擬,得到不同環(huán)境風(fēng)速下空冷凝汽器的換熱效率隨主導(dǎo)風(fēng)向的變化關(guān)系,結(jié)果示于圖3.由圖3可知,空冷凝汽器的換熱效率受環(huán)境風(fēng)速和風(fēng)向的影響很大.風(fēng)速越大,換熱效率越低,在同一風(fēng)向條件下,風(fēng)速從3 m/s增大到9 m/s,換熱效率降低了14.3%.在相同風(fēng)速條件下,風(fēng)向角β在30°～ 45°、135°～ 150°內(nèi) ,空冷凝汽器效率最高 ,在 270°附近時,換熱效率最低,兩者效率之差高達(dá)8.7%.

圖3 平均換熱效率隨主導(dǎo)風(fēng)向的變化關(guān)系Fig.3 Average heat transfer efficiency vs.the prevailing wind direction

2.2 結(jié)果分析

以風(fēng)速=6 m/s為例,分別從不同角度對比分析不同主導(dǎo)風(fēng)向?qū)绽淠鲹Q熱效率的影響.圖4～圖6為不同主導(dǎo)風(fēng)向下?lián)Q熱單元的空氣質(zhì)量流量分布.其中,數(shù)字 16表示2臺機(jī)組每排有16個換熱單元,s1-s7代表每列有7個換熱單元.

圖4 風(fēng)向角β=90°時空氣質(zhì)量流量的分布Fig.4 Air mass flow distribution in the case of β=90°

圖5 風(fēng)向角β=150°時空氣質(zhì)量流量的分布Fig.5 Air mass flow distribution in the case of β=150°

圖6 風(fēng)向角β=270°時空氣質(zhì)量流量的分布Fig.6 Air mass flow distribution in the case of β=270°

由模擬結(jié)果可知,當(dāng)風(fēng)向角β=150°時,參與換熱的冷空氣流量比β=90°時增加了9 704 kg/s,比β=270°時增加了31 534 kg/s,相應(yīng)的換熱量提高了15.80%和22.71%.

當(dāng)風(fēng)速達(dá)到6 m/s時,無論從哪個方向的來風(fēng),都會使空冷平臺邊緣的換熱單元發(fā)生倒灌和熱風(fēng)回流,只是產(chǎn)生熱風(fēng)回流和倒灌的換熱單元及程度不同.當(dāng)風(fēng)向角β≤180°時,凝汽器的迎風(fēng)面換熱單元會出現(xiàn)“倒灌”,并且在尾部形成熱風(fēng)回流,尤其是當(dāng)風(fēng)向角β=90°或者 180°時,由于在空冷平臺和汽機(jī)房之間的狹長過道產(chǎn)生負(fù)壓區(qū),使得靠近汽機(jī)房的換熱單元出現(xiàn)嚴(yán)重的熱回流,此時熱風(fēng)回流率達(dá)到最高[9-11],凝汽器的換熱效果明顯惡化.而主導(dǎo)風(fēng)向角在135°～150°時,由于此方向上熱風(fēng)回流率較低,擋風(fēng)墻迎風(fēng)面最大,發(fā)生熱風(fēng)回流和“倒灌”的現(xiàn)象明顯減弱,使得通過空冷風(fēng)機(jī)的空氣流量增大,相應(yīng)地,換熱單元的換熱量達(dá)到最大,換熱效率最高.

當(dāng)風(fēng)向角β＞180°時,風(fēng)從鍋爐房的后方吹來,習(xí)慣上稱為爐后來風(fēng)或者爐側(cè)來風(fēng).由于鍋爐房的阻擋作用,空冷島周圍的環(huán)境風(fēng)場發(fā)生了變化,風(fēng)流經(jīng)高大的鍋爐房后得到加速,并在汽機(jī)房上方形成一個巨大的負(fù)壓漩渦區(qū),阻礙了空氣的正常流通,空氣在到達(dá)空冷平臺時,一部分加速向下,削弱了風(fēng)機(jī)向上的抽吸作用;另一部分則是加速向前,破壞了空冷平臺上方熱空氣的擴(kuò)散,使得從翅片上散發(fā)的熱空氣突然被壓回到空冷平臺下方,導(dǎo)致風(fēng)機(jī)入口的空氣溫度升高[12-14],造成強(qiáng)烈的熱風(fēng)回流和“倒灌”現(xiàn)象.

圖7和圖8分別為β=270°時空冷島外部流場的溫度分布和速度矢量分布.從圖中可以看出,從鍋爐正后方吹來的夏季高溫大風(fēng),使得靠近汽機(jī)房的前兩排甚至前三排的空冷單元出現(xiàn)了強(qiáng)烈的熱風(fēng)回流和“倒灌”,相應(yīng)空冷單元的空氣流量和換熱端差減小,與 β=150°時相比,風(fēng)機(jī)流量減少了39.5%,平均換熱效率降低了22.71%,嚴(yán)重影響機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行.

圖7 β=270°時空冷島外部流場的速度矢量分布Fig.7 Velocity vectors of the ex ternal flow field outside air cooling island in the case of β =270°

圖8 β=270°時空冷島外部流場的溫度分布(單位:K)Fig.8 Temperature distribution of the external flow field outside air cooling island in the case of β=270°(Unit:K)

由以上分析可知,無論是從鍋爐的斜后方還是正后方來風(fēng),都會因廠房的影響而不利于空冷凝汽器的換熱,使得機(jī)組的整體換熱效率下降.因此,空冷島的設(shè)計(jì)要以爐后來風(fēng)的風(fēng)頻風(fēng)速最小為宜.

2.3 模擬結(jié)果與實(shí)際環(huán)境風(fēng)向的對比分析

在以往的研究中,人們習(xí)慣上認(rèn)為主導(dǎo)風(fēng)向正對空冷平臺,即風(fēng)向角β=90°,但實(shí)際上大多數(shù)空冷機(jī)組的空冷島并不是正對著主導(dǎo)方向,而是與其形成了一定的夾角,使得主導(dǎo)風(fēng)向和夏季來風(fēng)在全年范圍內(nèi)盡可能多的出現(xiàn)在有利于空冷平臺換熱的一側(cè),有效地降低了夏季爐后來風(fēng)對機(jī)組的不利影響.

圖9是北方某地的風(fēng)向玫瑰圖.圖中用不同線表示了全年、夏季、冬季各個風(fēng)向上出現(xiàn)風(fēng)的頻率和大小,出現(xiàn)頻率最高的風(fēng)向是N(按照本文風(fēng)向角的定義,N 方向的風(fēng)向角 β=150°),通常把N方向稱為當(dāng)?shù)氐闹鲗?dǎo)風(fēng)向,由模擬結(jié)果可知,在此主導(dǎo)風(fēng)向上空冷凝汽器的換熱效率最高.

圖9 風(fēng)向玫瑰圖Fig.9 Rose diagram of wind direction

3 結(jié) 論

(1)不同的電廠主導(dǎo)風(fēng)向與空冷島朝向的位置關(guān)系有所不同,但總體上應(yīng)該保證主導(dǎo)風(fēng)向在換熱最高時的風(fēng)向角范圍內(nèi),以減少夏季爐后風(fēng)對空冷凝汽器換熱的影響,使機(jī)組在全年范圍內(nèi)維持在最高的換熱水平.

(2)空冷凝汽器的換熱效率受環(huán)境風(fēng)速的影響很大.在同一主導(dǎo)風(fēng)向下,風(fēng)速越大,換熱效率越低,當(dāng)風(fēng)速從3 m/s增大到9 m/s時,換熱效率降低了14.3%.

(3)空冷凝汽器的換熱效率不僅受風(fēng)速的影響,還受風(fēng)向的影響.在相同風(fēng)速條件下,當(dāng)主導(dǎo)風(fēng)向與空冷平臺夾角成135°～ 150°或者30°～ 45°時,空冷凝汽器的換熱效率最高;當(dāng)風(fēng)向角在270°附近時,效率最低,兩者效率之差達(dá)8.7%.

(4)主導(dǎo)風(fēng)向的確定對空冷島的結(jié)構(gòu)布局以及廠區(qū)的總體規(guī)劃有著重要的影響,除了應(yīng)考慮當(dāng)?shù)囟嗄甑臍庀髼l件外,還要綜合考慮廠區(qū)地理位置以及周圍建筑物對風(fēng)向的影響,這有待于進(jìn)一步深入研究.

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