曹慧哲1,趙天利1,瞿家港,翟金房3,蔡偉華

(1.哈爾濱工業(yè)大學建筑學院，寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學與技術工業(yè)和信息化部重點實驗室 黑龍江 哈爾濱 150090; 2.哈爾濱工業(yè)大學 能源科學與工程學院,黑龍江 哈爾濱 150001;3.中國電力工程顧問集團 東北電力設計院有限公司,吉林 長春 130021)

0 引 言

火力發(fā)電廠汽機房由于其特殊的生產工藝過程，其內部有眾多產熱設備以及與其相連接的復雜熱力管道，產生的大量熱量聚集在機房頂部，為保障夏季室內生產環(huán)境，常設置屋頂風機將熱量排除。位于嚴寒或寒冷地區(qū)的汽機房，其底部需設置暖風機(或大量散熱器)以滿足供暖需求[1]。若將夏季通風系統(tǒng)與冬季熱風供暖系統(tǒng)有機結合，利用屋頂風機反轉將機房頂部的余熱送至下部工作層平臺，充分利用機房內設備散熱進行汽機房冬季自平衡供暖，滿足建筑物自身供暖需求，從而達到很好的節(jié)能效果。

一直以來，汽機房夏季通風環(huán)境數值模擬受到的關注較多，而對其冬季供暖通風的氣流組織數值模擬很少。康逸翁[2]利用CFD對汽機房的四種通風方案進行數值模擬，以便找出最優(yōu)方案。DU[3]利用CFD對電廠汽機房室內熱環(huán)境進行了分析研究。將模擬結果與現場測量數據進行比較得出：完整的CFD模擬方法適用于典型汽機房的室內熱環(huán)境研究。張弘[4]對句容、長春、石河子三個地區(qū)的電廠汽機房的數值模擬，給出適合不同地區(qū)的電廠汽機房的通風方案，并給出了汽機房通風設計的定量改進意見。陳耀南[5]等人以某一實際火力發(fā)電廠主廠房為測試對象，實測結果顯示汽機房室內溫度存在明顯的分層現象，并指出冬季工況下門窗的密閉性對主廠房內的溫度影響巨大。事實上，汽機房內的冬季熱環(huán)境更加復雜，主要表現在[3]：汽機房內的設備產生大量熱量，使空氣受熱上升，垂向形成較大的溫度梯度；水平方向的溫度分布也不均勻性，如圍護結構壁面處的溫度要遠低于中心設備附近溫度；工作區(qū)域與非工作區(qū)域對溫度的需求差異較大。

汽機房屬于高大空間建筑，實驗與模擬相結合的方法也表明其氣流組織的復雜性及自然通風時的多解性[6]，因此，不能單獨考慮湍流模擬在各個情況下的優(yōu)劣[7]，應結合大空間建筑的實測與模擬結果選擇合適的湍流模型[8-9]主廠房模型時國內學者都采取了大量的簡化處理，很多模型無法正確反映實際工況，如現有文章中鮮有表現出運轉層通風格柵與設備周圍復雜的管線。劉元坤[10]將大空間生產車間的復雜設備簡化為多孔介質，該方法不僅可以避免對復雜的管線進行建模，且仍然能表現出真實的氣流組織。因此，需對火力發(fā)電廠主廠房的實際模型進行適當簡化，將熱力管道與產熱設備合并處理，簡化相關產熱設備的幾何外形，使其易于網格劃分并減少模擬時的計算量。

1 汽機房模型建立

1.1 工程概況

本文主要研究的電廠汽輪機房尺寸為108 m×39 m×44 m。廠房整體幾何模型和氣流組織模擬過程中考慮的主要散熱設備如圖1所示，其頂部均勻布置4×10個送風射流口。

1.2 數學模型與邊界條件

本文在Fluent模擬中選用Realizablek-ε模型來更好地描述射流的擴散速度，空氣符合Boussinesq假設；針對汽機房的散熱量較高的情況，采用DO輻射模型。

邊界條件設定主要涉及壁面、熱源、風口和格柵區(qū)域，具體設置列于表1。采用SIMPLE算法進行控制方程的求解，數值模擬中湍流耗散率、壓力、動量、湍動能以及能量離散格式均采用二階迎風格式，連續(xù)性方程、速度、能量、k、ε和輻射項收斂精度均為10-6，待整個流場速度的體積分布、流場的平均溫度達到穩(wěn)定，且各殘差隨著計算步數的增加趨于穩(wěn)定時，則判定計算收斂。

表1 邊界條件設置

1.3 網格無關性驗證

本文采用結構化網格，鑒于此單體建筑體積較大，在網格無關性驗證之后，最終其計算網格數選擇為450萬[11]。

2 汽機房自平衡通風供暖數值模擬

2.1 適用性因素

影響自平衡供暖的適用性顯然有兩個關鍵的因素[12]。首先是內部因素，即汽機房的規(guī)格差異。汽機房的主要規(guī)格有100 MW、300 MW、600 MW、1 000 MW等，這些不同規(guī)格的汽機房內部散熱設備的散熱量存在很大的差異；然后是外部因素，即地區(qū)性差異。不同地區(qū)的冬季室外溫度有很大差距，這就意味著不同地區(qū)的汽機房冬季供暖熱負荷也有很大差別。這兩個因素都對自平衡通風供暖的適用范圍有很大的影響，本文將從這兩方面進行研究。

2.2 不同規(guī)格汽機房的研究方案與分析

以東營地區(qū)供暖室外計算溫度-6.6℃為例，不同規(guī)格的汽機房其設備散熱量不同，如表2所示。為適當減少工作量，將不同規(guī)格汽機房簡化為相同尺寸模型，在保證機房內5 Pa微正壓且室內保持最低通風量的工況下開啟屋頂反轉風機，進行自平衡通風采暖適用性的模擬分析。

表2 不同規(guī)格汽機房中設備的散熱量

不同規(guī)格的汽機房數值模擬得到的各層平均溫度與其規(guī)格正相關，如表3所示，即汽機房規(guī)格越大，其平均溫度越高。不同規(guī)格的汽機房溫度分布類似，僅存在數值差異。圖2給出了100 MW汽機房和1 000 MW汽機房的溫度場和速度場模擬結果，顯然100 MW汽機房較1 000 MW汽機房速度場分布要更為均勻，而300 MW汽機房與100 MW汽機房類似，600 MW汽機房與1 000 MW汽機房類似。由于100 MW汽機房和300 MW汽機房的設備散熱量不足以完全支持整個汽機房的自平衡供暖熱負荷，此時屋頂風機反轉從室外帶來的冷量，使室內的熱壓梯度降低，在廠房頂部不足以形成較高熱壓。

表3 不同規(guī)格汽機房各層平均溫度

2.3 不同地區(qū)汽機房的研究方案與分析

在對地區(qū)性差異進行研究時，選用600 MW的汽機房作為研究對象，選取嚴寒及寒冷地區(qū)的北京、錦州、沈陽、哈爾濱這四個具有代表性的城市進行研究，其分區(qū)與供暖室外計算溫度[13]表4所示。

表4 四個典型城市供暖室外計算溫度

不同汽機房各層平均溫度如表5所示，汽機房內平均溫度與供暖室外計算溫度同樣正相關。由于發(fā)電廠主廠房要求冬季供暖溫度不低于5℃，即在此之上的溫度為合格溫度，可以看出北京、錦州和沈陽均在“合格線”以上，而哈爾濱則未達到規(guī)范中主廠房冬季供暖要求。由沈陽到哈爾濱的數值插值得，室外溫度低于-20℃時，汽機房室內平均溫度將低于5℃，不宜采用自平衡供暖方式。

表5 不同地區(qū)汽機房各層平均溫度

對北京、錦州、沈陽、哈爾濱四個不同冬季室外溫度的地區(qū)進行數值模擬，其總體速度場和溫度場如圖3所示。由于這四個地區(qū)的室外溫度差異，導致的冬季供暖熱負荷各異，雖然四個地區(qū)的溫度場分布上差異較小，但在數值大小上有明顯差異。隨著冬季室外平均溫度的降低，采用冬季自平衡供暖的汽機房室內溫度也逐漸降低。當冬季室外溫度降低到哈爾濱室外溫度水平時，如圖3所示，汽機房內大部分區(qū)域溫度已經低于零度，這時機房內的速度場也有較大變化，速度場相比于北京、錦州和沈陽，速度場的分布更為均勻。這是由于室內溫度較低，已經不足以在空間內形成熱壓，因此速度場分布較為均勻。

3 結 論

本文研究了影響冬季自平衡通風供暖適用性的兩個關鍵性因素，利用CFD模擬針對不同因素情況下的汽機房內通風供暖進行分析，并得出以下結論：

(1)不同規(guī)格的汽機房采用自平衡供暖系統(tǒng)時，各層平均溫度分布類似，數值差異較大。由于發(fā)電廠主廠房要求冬季供暖溫度不低于5℃，以東營地區(qū)為例，1 000 MW、600 MW汽機房可采用自平衡采暖，且能夠達到很好的效果，300 MW汽機房需要布置輔助散熱器；而100 MW汽機房只采用自平衡供暖時，汽機房平均溫度與所要求的最低溫度相差較遠，故只能輔助供暖。

(2)不同地區(qū)汽機房在自平衡供暖系統(tǒng)設計時，應綜合考慮冬季室內外供暖設計溫度和圍護結構熱工性能基礎上詳細計算供暖熱負荷，特別是通風導致的冷風侵入量估算、屋頂風機反轉所帶來的附加熱負荷以及機房內設備散熱量等項。對于本文算例汽機房圍護結構下，室外溫度低于-20℃的地區(qū)就不宜采用自平衡供暖方式，在室外溫度-15℃以下的地區(qū)需布置散熱器以輔助自平衡供暖。

(3)由于不同規(guī)格的汽機房在設備布置上的差異，汽機房在反轉風機影響下的氣流組織往往有很大的不同。為了避免自平衡供暖通風系統(tǒng)中出現氣流組織死角，產生供熱盲區(qū)，在其設計過程中，針對具體汽機房和當地氣候參數進行相應的CFD模擬，進而確定設計方案十分必要。