（工程热物理专业论文）火电厂直接空冷凝汽器蛇形翅片管流动换热性能数值研究.pdf

摘要 摘要 在水资源日益稀缺的今天，直接空冷系统以其显著的节水性能被广泛应用 于各大空冷电厂中，尤其是在“富煤缺水”地区。直接空冷系统由若干个直接 空冷凝汽器单元组成，每一单元都包括呈“人字形”布置的凝汽器管束和位于 单元底部的大型轴流风机，汽轮机排汽在装有翅片的凝汽器管束内流动，环境 空气通过风机加压提速后穿过凝汽器管束，带走汽轮机排汽的热量，将排汽冷 凝为水。因此，直接空冷系统的核心元件是翅片管束，翅片管的散热性能直接 决定了整个空冷凝汽器的换热性能。可以看出：提高空冷凝汽器的换热性能必 须从提高凝汽器翅片管束的散热性能着手，这对整个空冷系统的优化设计有着 至关重要的作用。 目前为止，已有不少学者对扁平管钎焊蛇形翅片管呈水平布置时进行了研 究，并取得了一定成果，但是实际应用中翅片管呈6 0 。夹角的“人字形 布置， 夹角的存在会影响换热系数和进出口压降的变化。因此，本文在前人的基础上 对翅片管水平布置和呈“人字形 布置分别进行了数值模拟，通过分析其速度 场、温度场的不同知道了两者之间的区别与联系，通过比较平均换热系数和进 出口压力损失随迎面风速的变化趋势得到了相应的数学关联式；针对不同的放 置方式，对翅片某一确定位置处进行换热系数的分析比较，找到了翅片表面平 行于空气流动方向上和垂直于空气流动方向上换热系数的变化规律，并分析了 造成这种变化的主要影响因素。 另外，本文还对翅片管的优化设计进行了研究，通过寻求一种结构简单、 对原制作工艺影响不大的技术方法对翅片管进行优化改进，以达到提高翅片管 的换熟系数、减小空冷系统冷却面积的目的：如在翅片表面布置扰流孔来增强 换热。通过对不同扰流孔距的翅片管建立数学模型并进行模拟研究，分析了不 同扰流孔距下不同迎面风速时换热系数和流动阻力损失的变化规律，并找到了 在平行于空气流动方向上和垂直于空气流动方向上换热系数的不同以及导致其 不同的主要原因，经过综合分析比较得到了较优的扰流孔距优化方案。 关键词：蛇形翅片管；数值模拟；迎面风速：换热系数；流动损失； v a b s t r a c t a b s t r a c t t o d a y , w a t e rr e s o u r c ei sg r o w i n gm o r ea n dm o r es c a r c e ，d i r e c ta i rc o o l i n gs y s t e m f o ri t sr e m a r k a b l ep e r f o r m a n c eh a sb e e nw i d e l yu s e di nv a r i o u sw a t e r - s a v i n g a i r - c o o l e dp o w e rp l a n t s ，e s p e c i a l l yi nt h e ”r i c hc o a l w a t e r ”a r e a s d i r e c ta i rc o o l i n g s y s t e mc o n s i s t so fan u m b e ro fd i r e c ta i rc o o l i n gu n i t s ，e a c hu n i t i n c l u d e st h e c o n d e n s e rt u b e sb u n d l es h o w e da ”c h e v r o n ”a r r a n g e m e n ta n dal a r g ea x i a lf l o wf a n a tt h eb o t t o mo fu n i t ，t u r b i n ee x h a u s ts t e a mf l o w si nt h ef i n n e dt u b e s ，a m b i e n ta i ri s p r e s s u r e db yt h ef a na n dg ot h r o u g ht h ec o n d e n s e r t u b e s ，s ot u r b i n ee x h a u s th e a ti s t a k e na w a yb yt h ea m b i e n ta i ra n dt h ee x h a u s ts t e a mc o n d e n s e si n t ow a t e r t h e r e f o r e ，f i n n e dt u b e sa r et h ec o r ec o m p o n e n ti nad i r e c ta i rc o o l i n gs y s t e m ，t h e i r t h e r m a ld i s s i p a t i o np e r f o r m a n c ed e t e r m i n e st h ea i rc o o l e dc o n d e n s e r sh e a tt r a n s f e r p e r f o r m a n c ed i r e c t l y t h ed e v e l o p m e n to ff i nt u b eb u n d l e sc o m e st h r o u g hs e v e r a lr o w so ft u b e s ，t w o r o w so ft u b e sa n dt h ec o m m o n l yu s e ds i n g l e - r o wt u b e s ，a n df l a tt u b e sb r a z i n gw i t h s n a k e 1 i k ef i n sa r et h em a i n l yf o r mo fs i n g l e - r o wt u b ef l a tt u b e s s of a r , m a n y s c h o l a r sh a v eb e e ns t u d i e dt h ef l a tt u b e sb r a z i n gw i t hs n a k e - l i k ef i n s ，g o tc e r t a i n r e s u l t sa n do b t a i n e dt h er e l a t i o n a lf o r m u l a so fh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n dp r e s s u r e l o s sw i t ht h eh e a d w i n ds p e e dr e l a t i o n t h ea i ri n l e tv e l o c i t yh a sa6 0 o a n g l ew i t h t h eh o r i z o n t a lp l a n eb e c a u s eo ft h ef i n n e dt u b e sp r e s e n t e di nt h e ”c h e v r o n a r r a n g e m e n t ，b u tp r e v i o u ss t u d i e sa l m o s th a v en o tt a k e nt h ea n g l ei n t oa c c o u n t c o n s i d e r i n g t h ea n g l ec o u l da f f e c tt h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n dp r e s s u r ed r o p ， t h i s p a p e rm a k e sn u m e r i c a l s i m u l a t i o n so ft h ef i n n e dt u b e sw i t hh o r i z o n t a l a r r a n g e m e n ta n d ”c h e v r o n ”a r r a n g e m e n to nt h eb a s i so ft h ep r e v i o u ss t u d i e s w e k n o wt h ed i f f e r e n c ea n dc o n n e c t i o nb e t w e e nt h et w oa r r a n g e m e n t sb ya n a l y z i n gt h e d i f f e r e n c eo ft h ev e l o c i t yf i e l da n d t h e t e m p e r a t u r ef i e l d ，a n d h a v et h e c o r r e s p o n d i n gm a t h e m a t i c a lr e l a t i o n a lf o r m u l a sb yc o m p a r i n gt h ev a r i e t yt r e n d so f t h ea v e r a g eh e a tt r a n s f e rt o e f n c i e n ta n dp r e s s u r el o s sw i t hd i f f e r e n tf a c ev e l o c i t i e s i na d d i t i o n ，t h i sa r t i c l ea l s oo p t i m i z e dt h ed e s i g no ft h ef i n n e dt u b e sb ys e e k i n ga s i m p l e ，l i t t l ee f f e c to nt h eo r i g i n a lp r o d u c t i o np r o c e s st e c h n o l o g ya n dm e t h o d s ，i n o r d e rt oa c h i e v et h ep u r p o s e so fi m p r o v i n gh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n dr e d u c i n g v 山东大学硕士学位论文 t h ea r e ao fa i rc o o l i n gs y s t e m t h em e t h o di sm a k i n gs e v e r a lh o l e so nt h ef i nt o i m p r o v et h ed i s t u r b a n c eo ft h ea i rf l o w , t h e nm a k e ss e v e r a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o n s o fd i f f e r e n th o l ep i t c h e s ，a tl a s ts t u d i e st h ec h a n g eo ft h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t a n df l o wl o s si no r d e rt of i n da no p t i m a ls o l u t i o n k e y w o r d s ：s n a k e - l i k ef i n n e dt u b e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；f a c ev e l o c i t y ；h e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n t ；f l o wl o s s ； 符号说明 符号说明 凝汽器迎面风速，m s 散热器的传热面积，m z 散热器的迎风面积，m z 用户自定义经验常数 惯性阻力因子，m 五 空气的定压比热，j ( k g k ) 模型常量 汽轮机乏汽流量，k g h 风机容积效率 空气温升率 体积力，k g m s 2 重力加速度，m s 2 重力加速度在第f 方向的分量，m s 2 空气质量流量，k e d s 浮力引起的湍动能k 的产生项 平均速度梯度引起的湍动能k 的产生项 对流换热系数，k w ( m 2 k ) 汽轮机凝结水焓，k j k g 汽轮机排气焓，k j k g 湍动能，m 2 s 2 传热系数，w ( m 2 k ) 无量纲损失系数 空气的压强，p a 热流通量，k w 热量，k w 空冷凝汽器的实际散热量，k w i x y 彳厶c o g q 协 p e 如 g 舒g佛gk几七 k 缸 p g q 9 山东大学硕士学位论文 g 眦空冷凝汽器的最大散热量，k w s第f 个动量方程中的源项 丁 ，温度， ，口j进口空气温度， 锄出口空气温度， 厶蒸汽温度， t o d散热器下游温度， 流体的参考温度， 蜘幻处来流平均风速，m s 蜥乃处平均风速，m s 侧风速度，m s 散热器管束迎面风速，m s 幻气流达到均匀流时的高度，m 希腊字母 8 湍动能耗散率，m 2 s 3 以 的湍流普朗特数 以湍动能k 的湍流普朗特数 叩散热器效率，1 0 0 p 空气密度，k g m 3 却压差，p a 彳，温差， 4 ，口 空气温差， 彳对数平均温差， z ， 空气湍流动力粘度，k g ( m s ) 咖变量 厂扩散系数 无量纲数 丹普朗特数 e容积效率 缸无量纲损失系数 x 符号说明 下角标 a e x t i d 1 n l 0 u t r x y z 空气 参考点 理想工况 入口 左侧 出口 右侧 坐标分量 x i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及其研究意义 1 9 9 3 年1 月，第1 4 届联合国大会根据 2 1 世纪行动议程中提出的建议， 将每年的3 月2 日定为世界水日，旨在加强水资源保护，推动水资源的统筹规 划和管理，解决日益严峻的缺水问题。1 9 9 8 年，我国的中科院地质部发表中 国水问题的出路一文，文中强调，针对我国目前的状况，缓解水资源危机应 以节流为本并不断强化统一管理。节流就是在工业、农业和矿业生产中以及城 市生活用水等方面做到不浪费、不过度开采，通过节约而使水资源可以被后续 利用，通过节流而被利用的水资源潜力巨大，不仅能缓解水资源供应不足的问 题，也必将对我国社会经济的可持续发展产生积极影响。 社会经济不断发展，进入2 1 世纪后水资源的先天匮乏与人类的消耗矛盾日 渐突出，节约用水已成为我国刻不容缓的首要任务。为此国家经贸委转发国 家电力公司火电厂节约用水管理办法的通知，管理办法中明确指出电厂设 计时应重点考虑在特别缺水地区采用空冷技术，并且应通过“临界水费 来确 定是否选用空冷系统【5 1 。地处缺水地区的山西省进行了更为直接和明确的强制 性规定：凡空冷技术已成熟的新、扩、改建火电厂必须采用空冷技术，即使有 些地区水资源相对充足，也必须从保护水资源利用和长远发展地区经济的要求 以及保护生态环境的角度出发采用空冷技术【5 1 。国家电网公司曾明确指出：“在 电站用水方面，北方缺水地区，禁止取用地下水，鼓励利用中水或其他废水， 山东大学硕士学位论文 原则上应建设大型空冷机组，扩建项目应对原有机组进行节水改造，尽量做到 增容不增水。 1 - 5 】 我国水资源相对贫乏，人均占有水量不到世界人均占有水量的1 4 ，处于 贫水国家之列，且水资源时空分布不平衡，在我国的西北、东北、华北等富煤 地区，水资源十分贫乏，其中西北和华北地区的平均产水模数还不及全国平均 数的1 3 5 3 1 。根据我国的能源结构，今后以燃煤为主的火电机组仍是我国电力 行业的主力，但是这些机组的耗水量也是非常可观的，水资源的缺乏使得发电 机组所用冷却水量不够充分，增加了这些地区进行火力发电的难度。因此空冷 技术的采用是非常有必要的，可有效缓解三北地区水资源日趋不足的供应局面。 在“富煤缺水 地区以及电力负荷中心建立空冷电厂，可大大减少凝汽器的冷 却用水，进而可使得整个电厂用水量有效降低。 目前空冷系统主要有三种形式，即直接空冷系统、表面式凝汽器的间接空 冷系统( 或称哈蒙系统) 和混合式凝汽器的间接空冷系统( 或称海勒系统) 。直 接空冷系统是指在空冷凝汽器内利用空气横掠凝汽器管束，将管束内流动的汽 轮机排汽热量带走并将蒸汽冷凝为水的一种冷却系统。由于直接空冷系统的冷 却介质为空气，而一般的湿冷系统冷却介质为循环冷却水，因此直接空冷系统 在整个冷却过程中可节约大量水资源，其中其冷却系统本身可节水9 7 以上， 全厂性节水约可达6 5 ，为有效解决富煤贫水地区的缺水问题提供了可靠保 证。直接空冷系统跟两种间接空冷系统相比具有结构简单、所需空冷元件较少、 投资较低等特点，在世界上获得了快速发展【5 3 1 。 2 第1 章绪论 与常规湿冷电厂相比，直接空冷电厂具有良好的节水性能，但由于作为空 冷系统组成单元的空冷凝汽器直接暴露在环境空气中，而凝汽器对环境条件的 变化极其敏感，环境参数( 包括风速、风向以及风温) 的变化将直接影响空冷 凝汽器的运行性能，进而决定空冷电厂能否安全高效运行，因此开展对直接空 冷凝汽器的研究势在必行且意义深远。 对空冷凝汽器进行研究主要是对其流动和换热特性进行研究，目前主要有 试验和数值模拟两种手段。进行现场试验研究可以准确定位空冷系统的工作条 件，得到较为准确的结果，但同时现场试验也具有很大的局限性，环境参数的 不可控性性和随机大，影响因素多，正在运行的机组无法满足不同运行条件的 要求，而通过建造相应比例的缩小模型进行试验，耗资巨大，且结果也会存在 一定的误差，同时进行试验之后的试验数据的处理十分复杂。因此目前主要采 用数值模拟方法进行研究，数值模拟方法相对现场试验而言具有快速、便捷、 易调节和低投资等的特点，对直接空冷凝汽器进行数学建模，可以研究不同运 行条件下空冷凝汽器的工作情况，进而得到所需结果，可以方便对其进行优化 改进。 1 2 国内外直接空冷凝汽器发展现状 1 2 1 直接空冷凝汽器国外的发展历程 直接空冷技术最早出现于上世纪3 0 年代，自第二次世界大战爆发以来，其 发展一直很缓慢，没有得到足够的重视。从上世纪7 0 年代开始，空冷技术开始 3 山东大学硕士学位论文 在火电厂中应用，且发展迅速，到8 0 年代直接空冷技术在大型电厂中的应用范 围不断扩大，其技术发展也日臻完善。其中对空冷机组的应用最为广泛的是伊 朗、南非和美国。目前为止，采用直接空冷技术的典型电站有如下几个：1 9 3 8 年，德国一个工业电站安装了第一台直接空冷凝汽器；1 9 5 8 年，意大利投运了 该国第一座装有直接空冷凝汽器的公用电站，装机容量为2 x 3 6 m w ，运行5 0 余年的时间未出现故障；1 9 6 8 年，西班牙投运一台1 6 0 m w 燃煤空冷电站，运 行状况良好；1 9 7 8 年，美国在怀俄明州的w o d o k 电站中3 6 5 m w 的机组上采用 直接空冷技术；1 9 8 7 年南非m a r i m b a 电站将6 x 6 6 5 m w 的机组全部采用空冷技 术，这在当时来说具有不可估量的意义【1 1 。 进入7 0 年代后，空冷技术之所以有着快速的发展是因为受到水源不足的限 制，直接空冷技术作为一项可有效节水的发电措施开始备受重视，并发展迅速 1 2 】。关于空冷技术的研究也相继开展，这些研究主要针对如何提高管束的性能 进行，即如何提高其冷却效果和防冻性能，此后空冷凝汽器翅片管束的发展经 历了多排管、两排管、单排管的过程。 在空冷凝汽器的应用早期，凝汽器管束主要由圆钢管套圆翅片的多排管组 成，多排管管束容易造成翅片管内外温差差别较大，饱和蒸汽热负荷以及管束 冷却能力的不均衡，另外多排管的存在加大了空气的流动阻力，这些缺点所导 致的直接后果就是管束间可能会出现流动死区、冬季时凝结水易受冷结冰等， 这些不利因素严重制约了直接空冷技术的发展和推广。 4 从8 0 年代开始，制造工艺的发展更新使空冷凝汽器获得了突破性进展，比 第l 章绪论 圆管圆翅片管束具有更好流动特性和传热特性的椭圆管矩形翅片开始出现，椭 圆管相比圆管来说有其自身的优点：基管直径增大、管长度加长、多排管减少 为两排管，所以在空冷凝汽器中开始逐渐用性能好的椭圆管翅片代替圆管翅片， 大大改善了空冷系统的流动性能，降低了空气侧的压损，并可有效防止冬季冻 结，提高了系统运行稳定性，这是8 0 年代时期技术最成熟和应用最广泛的管束， 直至目前仍有许多空冷电厂采用这种管束。 进入9 0 年代后，由大直径扁钢管焊接蛇形翅片管组成的单排管束开始出 现，它是由比利时哈蒙公司提出的，由这种管束组成的空冷凝汽器( 简称s r c ) 代表着直接空冷技术的全新发展。蛇形翅片管的基管为具有较大纵宽比的大直 径扁管，汽轮机排汽进入这种大直径扁管时具有较高的入口速度，另外翅片的 两侧都有空气流过，有利于基管内汽液的分离和防冻，并且使得空气更易带走 翅片上的热量，目前火电厂直接空冷凝汽器所用翅片管大多采用这种形式。 1 2 2 直接空冷凝汽器在我国的发展历程 相比世界范围内对空冷技术的研究而言，我国于6 0 年代开始进行空冷技术 的研究和对空冷电厂的选点进行现场试验【3 1 。从6 0 年代到8 0 年代，先后在哈 尔滨工业大学5 0 k w 机组的试验电站、山西侯马电厂1 5 m w 的空冷机组以及 庆阳石化总厂3 m w 机组的自备电站上投运直接空冷系统并进行试验研究。 上世纪9 0 年代开始，我国的水资源日趋紧张，为有效保护水资源和解决我 国北方地区干旱缺水的问题，空冷技术的应用和研究提上日程。之前我国的空 冷技术以国外引进为主，为了提高技术的国产化率，我国于2 0 0 1 年9 月在山西 山东大学硕士学位论文 交城义望铁合金厂自备电厂投产一台单机容量为6 m w 的空冷机组，这是由我 国自主设计、制造和安装的首台空冷机组。截止目前，山西、内蒙古的大部分 地区已有大批发电厂采用空冷系统，并逐步实现设计制造完全国产化【4 】。空冷 技术在我国的应用研究已经开始，但也仅限于装机容量较小的机组。2 0 0 3 年， 装机容量为2 2 2 0 m w 的山西大唐云冈热电厂1 、2 号机组顺利建成并相继投 产，该电厂空冷系统采用德国g e a 直接空冷技术，但在工程建设中进行自主 调试和自主运行并大胆采用国产设备，该机组的出现填补了我国大型直接空冷 机组的空白，为大型直接空冷机组的在我国能顺利发展和进行自主化研究提供 了宝贵经验。 近几年我国直接空冷技术不管是在机组容量还是在直接空冷技术的使用范 围上都有着迅猛的发展，大批大容量机组相继投产并发电运行，2 0 0 5 年4 月， 山西大同第二发电厂投产了我国首台6 0 0 m w 直接空冷机组，这表明我国大容 量空冷机组的相关设备和研究技术正在不断走向成熟。宁夏灵武电厂一期工程 为两台6 0 0 m w 亚临界直接空冷机组，该电厂也成为西北地区首座6 0 0 m w 级 空冷电站。2 0 1 0 年1 2 月28 日，灵武发电厂二期工程3 号机组顺利通过满负 荷试运行，这是一座百万千瓦级的超超临界空冷机组，这标志着全球首台百万 千瓦级超超临界空冷机组在我国宁夏正式投产运行，我国对3 号机组的核心设 备和核心技术拥有自主知识产权，首台百万千瓦级超超临界空冷机组的投产必 将推进我国大型空冷技术设备的国产化进程，让空冷技术由国外引进逐渐变为 国内自行产销。2 0 1 0 年止，我国在“三北”地区有3 4 台单机容量6 0 0 m w 级 6 第1 章绪论 直接空冷机组群投产运行，届时装机总容量可达2 0 4 g w 。这将进一步提高火 电厂中大容量机组所占比重以及空冷机组的占有率。 目前，空冷机组不断增多，国产化率也在不断提高，但是其中的关键技术 还主要靠从国j , l , i j l 进，运行经验也比较欠缺。我国应用空冷技术的电厂大多聚 集在“富煤缺水 的西北地区，那里气候恶劣，昼夜温差大、大风、沙尘天气 频繁，不同于国外应用空冷技术的气候条件，因此运行中还存在不少问题，如 夏季高温能否保证电力、冬季低温条件能否有效防冻满发以及积灰和低真空等， 这些问题都将直接关系到新建空冷机组的运行状况。 1 3 直接空冷系统流动与换热特性研究现状 空冷汽轮机、直接空冷凝汽器与大型轴流风机是构成大型火电直接空冷机 组的三大关键设备。而翅片管管束的发展历程则直接决定了整个空冷技术的发 展速度，采用何种翅片管束就表明了空冷技术的发展处于何种阶段；另外由于 直接空冷系统的组成单元一空冷凝汽器直接暴露于外界环境中，其运行特性受 环境条件的影响非常明显；再者大直径轴流风机的运行性能也将影响到空冷单 元中空气的流量与入口速度，因此对直接空冷技术的研究主要有以下几个方面： 空冷凝汽器流动与传热的研究、环境条件的变化对直接空冷系统的影响、大直 径轴流风机的优化选型技术、空冷凝汽器平台结构设计以及空冷凝汽器的变工 况运行特性研究等。国外的空冷技术已经有七十多年的研究历史，相关研究成 果也比较成熟，但由于商业机密原因很难找到，其中在所能搜索的文献中以南 非学者k r o g e r t 6 9 】所做的研究最为全面和具有代表性。 7 山东大学硕士学位论文 1 3 1 直接空冷凝汽器流动和换热特性的数值研究 空冷凝汽器流动与换热的最核心元件为翅片管，提高整个空冷系统的传热 效果和减少流动阻力的关键在于增强翅片管的换热和降低其流动阻力损失。翅 片管的发展经历了多排的圆管圆翅片、双排的椭圆管矩形翅片以及单排的蛇形 翅片管，其相关研究也主要针对这三种管型来展开。不同管型影响其流动与传 热特性的主要因素有迎面风速、r e 、翅片尺寸、翅片间距等，国内外学者也主 要在这些方面通过实验和数值模拟的方法进行研究。 首先，对于不同类型的翅片管，其管排数、迎面风速、翅片间距和翅片尺 寸能显著影响空冷凝汽器的换热效果，国外文献 1 0 - 1 2 】中在对翅片管进行动态 建模和分析，研究了其流动和换热特性，并对增强凝汽器的凝结换热提出若干 有效建议。2 0 0 0 年r i c a r d o l l 3 1 借助流场可视化技术和数值方法对平板间绕圆柱 的流动与换热问题进行了研究，分析了多排管中翅片间距对流动与传热性能有 不同的影响趋势。同年w a n g 和c h i t l 4 1 通过实验确定了平板翅片管的管排数、 基管直径和翅片间距对传热系数和压降损失的作用。华南理工大学的马晓茜和 梁淑华在1 9 9 7 年的文献 1 5 】中利用风洞实验台，对椭圆基管矩形翅片的管束和 圆管圆形翅片管束进行对比实验，分别得到了换热系数与阻力损失的无因次经 验公式，实验表明，椭圆基管矩形翅片管较圆管圆翅片管具有较优的换热效果 和较低的阻力损失，另外，文中还对椭圆基管矩形翅片空冷凝汽器的优化展开 了讨论。何江海通过对椭圆双排管整体翅片进行数值模拟发现：风速在 0 5 3 5 m s 范围内，对流换热系数及压降均随迎面风速呈线性增大。m o n 等t 1 7 】 8 第1 章绪论 通过数值模拟研究，进一步证实了翅片间距对椭圆翅片管换热的影响主要取决 于翅片表面附近边界层的发展。张来等【1 8 1 利用数值模拟的方法，对有扰流孔存 在的翅片管流动与换热特性进行数值模拟，比较了扰流孔的尺寸、数目和位置 对管外空气侧流动与换热的影响，结果表明：扰流孔尺寸对流动与换热存在明 显影响，而扰流孔数目和位置的影响相对比较小。王厚华口0 1 等通过实验研究了 空气外掠蛇形翅片单排管时翅片管的流动与换热特性，发现在基管尾部区域存 在流动死区，这个区域可使换热恶化：当雷诺数r e = 1 7 4 x 1 0 4 时，如不考虑尾 流区，其最大换热系数与最小换热系数之比约为5 ：1 ，如考虑尾流区，则比值 变为3 3 ：l 。另外，尾流区域内流体温度远高于翅片表面平均温度，这说明热 流体在尾流区内形成流动死区，在使换热恶化的同时增加了外耗功率。因此， 减小尾流区可明显提高蛇形翅片单排管的换热情况，并减小外耗功率。 空气经过凝汽器时的换热强度和阻力损失是我们首先关注的凝汽器器性能 指标。文献【1 9 】对人字形布置的大直径扁管钎焊蛇形翅片的单排管凝汽器做了测 试：发现空气通过凝汽器时的入口损失与通过凝汽器的平均迎面速度无关，入 口损失随着空气速度方向与凝汽器表面法线所成夹角的减少而增加。文献 2 2 】 对多排翅片管空冷凝汽器空气侧的风阻特性进行了数值模拟，分析了不同入口 风速下阻力的变化规律以及温度的变化规律：通过f l u e n t 模拟计算得到阻力随 顺风方向管排数的增加而增大，随风速的增大而增大，与最窄界面处的风速呈 指数变化规律；在排数相对较少时，风速的影响更为显著，随着管排数的增加， 风速的影响也趋向稳定。徐百平等【2 4 1 对平直单翅片管凝汽器通道内的传热与流 9 山东大学硕士学位论文 阻进行了数值模拟计算。得到了传热系数与阻力系数的沿程分布，以及速度场 和温度场的分布状况。计算结果表明，由于基管的存在，空气进入凝汽器翅片 间通道内的空气量分布不均匀，且在基管后面存在流动死区，空气温度较高， 甚至还会出现空气加热翅片的回热现象。空气阻力损失分布也不均匀，在翅片 前后缘和近管壁区中前部的局部阻力较大，但此区域的传热效果并未见显著增 加；局部阻力最大值所在位置随着r e 数的不同而有所不同。空气迎面风速不 断增加，传热效果不断加强，阻力系数也相应增大。 进风角度也是影响空冷凝汽器流动和换热特性的重要因素。无论凝汽器是 竖直布置、水平布置还是成一定角度布置，都普遍存在着空气入口方向与凝汽 器管束不正交的问题。1 9 9 7 年张鹏【2 3 】等人对椭圆管矩形翅片管束组成的凝汽器 进行了阻力特性实验研究并得到相应结论：进风角度的变化对传热系数的影响 不显著，而且随风速的增大，进风角度对传热系数的影响愈来愈小；但进风角 度对气流阻力影响较大：在风速相同的条件下进风角度愈大，气流阻力随进风 角度的增加而增加越大；在进风角度相同的条件下，气流阻力随迎面风速的增 大而增大。杨立军等【2 1 1 对单排蛇形翅片扁平管结构空冷凝汽器的冷却空气流场 和温度场进行了模拟，发现随“a 型管束半顶角增加，空气对流换热增强， 流动阻力增加。 1 3 2 空冷平台流场特性的数值研究 直接空冷凝汽器位于3 0 4 0 m 高的空冷平台上并露天布置，底部有大直径 轴流风机强制通风，冷却介质为环境大气的空气。周围空气的温度及流场特性 l o 第1 章绪论 将直接影响空冷平台的流场特性，进而影响空冷凝汽器的流动和换热特性。因 此研究空冷平台的流场特性需考虑空气动力学、传热传质学和气象学等多种学 科知识，将当地的气象条件、邻近建筑物的形状、大小和总体布局、空冷平台 的建筑结构、几何尺寸以及冷却风机的效率等因素作为影响空冷平台流场特性 的决定因素。 首先，环境侧风是影响空冷凝汽器空气侧流场的主要因素，它会使得经过 轴流风机的空气量减少，进而进入空冷凝汽器的空气量减少，对冷却效果不利， 同时，侧风还会导致热风再循环，即从空冷凝汽器中出来的热空气在环境侧风 和风机引力的作用下再次被吸入风机内进而进入空冷凝汽器内，被加热过的热 空气吸热能力有限，将导致凝汽器内的真空度显著下降，从而发电量下降，影 响机组的安全经济运行，严重时甚至造成机组停机。 1 9 5 1 年成立的冷却塔学会主要进行强制通风空冷凝汽器中热风再循环引 起的回流率的测量和研究 2 5 - 2 6 1 。m a r t i np v a ns t a d e n 2 7 1 和c o n r a d i e 等【3 0 】作为 该学会的典型代表，采用数值模拟的方法模拟了环境条件对直接空冷机组的影 响，通过给出空冷系统周围空气的速度场和温度场分布显示，空冷岛四周的空 冷单元受到的影响要比内部单元所受影响大，其空气质量流量较低，内部空冷 单元的空气质量流量相对来说较高，越到中心处越大。这是因为外围的空冷单 元在受环境侧风影响的同时还需带动外界的静态空气，负担较重。针对不同运 行工况以及环境因素对凝汽器单元流场特性产生的不同影响规律，我国的胡汉 波【3 1 】和石磊【3 2 】等人也利用f l u e n t 软件，对成“人字形 布置的单排管束直 山东大学硕士学位论文 接空冷凝汽器单元建立数学物理模型，并进行模拟计算和分析研究，得到环境 空气在凝汽器上部速度较高，下部速度较低，且在下部联箱处存在流动死区和 热风回流，此处的空气温度较高；并且随着环境侧风速度的增大和侧风温度的 升高，单元流场表现出来的不利影响愈加明显，平均入口迎面风速随着侧风速 度的增大线性减少。 另外北京大学力学工程系【3 3 。3 4 1 利用f l u e n t 软件模拟空冷换热平台流场 和温度场也取得了较大成功，并已将其研究成果应用于我国第一台6 0 0 m w 直 接空冷机组等国内众多电厂的空冷机组。另外针对热风回流产生的原因及对空 冷机组的影响，许多学者利用计算流体力学软件做了相关数值模拟并提出了相 应的改进措施，文献【3 5 3 9 ，4 1 4 2 】针对上述问题对汽轮机空冷系统周围不同 环境风场进行了数值模拟，指出随着环境侧风风速的增加，从空冷凝汽器出来 的热空气不易排出且平台上部热空气的自由扩散受到严重阻碍，热空气被侧风 压到平台下部又被风机重新吸入而形成热风回流，并通过对计算结果的对比分 析，找到了环境侧风对空冷系统的有利风向和不利风向以及热风再循环随风速 的变化规律，提出了减少热风回流的措施：如适当增加空冷平台上部挡风墙高 度以及将挡风墙下端继续向下延伸一段长度，或通过提高空冷平台四周处风机 的转速等方式，来减弱热风回流的影响、提高凝汽器的散热效率，同时这些文 献也通过数值模拟结果验证了这些措施的可行性。 数值模拟方法因其简便、快捷、易操作的特点广泛适用于空冷研究中，但 如果没有试验的验证很难证明数值模拟是否准确，因此，试验研究作为科学研 1 2 第1 章绪论 究中一种必不可少的研究方法，通过试验对空冷系统外部流场分布规律进行验 证是可行而必要的。国外的o u 等【2 8 。2 9 1 讨论了电厂空冷凝汽器风洞模拟实验的 准则及实验手段，通过风洞模拟发现来流风向角、风速和空冷平台高度对凝汽 器的安全经济运行有着重要影响，并提出了几个有用措施用于减小侧风不利影 响。我国的彭焕炳等h 4 专门对国内一个6 m w 空冷机组做了热回流影响程度测 试来验证热风回流带来的影响。测试结果显示，凝汽器四周热回流的影响程度 有大有小，不尽相同。热回流使散热量最大减小约1 3 3 ，平均减小5 5 。刘 保民f 4 5 】等对干式冷却塔内成a 字形布置的凝汽器进行了表面风速、风温等的分 布规律的实验研究，结果表明越靠近外围处，风速较小，风温较高，越向内侧 则风速增加，风温降低，趋于相对平稳。而且风速风温在散热器表面的分布极 不均匀，呈现上部风速高，风温低，下部风速低，风温高的特点。北京大学也 利用试验手段于2 0 0 1 年完成了“大同一电厂空冷系统风效应风洞模拟试验 ， 2 0 0 3 年又对内蒙托克托电厂三、四期工程系统进行了风洞模拟试验【4 6 4 7 1 ，并提 出了风对空冷凝汽器效率影响程度的概念一回流率，并通过实验说明了环境风 的方向和大小对回流率以及空冷凝汽器的冷却效率有一定影响。 另外，由于电厂中特殊的厂房布置，空冷系统附近会有汽机房和锅炉房的 存在，当环境大风从汽机房和锅炉房位置吹过时，热回流现象会表现更加明显， 这是由于厂房背风面回流区范围内处于低压区，从空冷凝汽器排出的热气流受 其影响更易发生热风再回流的现象。另外，由于汽机房和锅炉房本身温度就高 于环境空气，所以会加热迎面而来的空气，使得热回流影响更为严重，因此， 1 3 山东大学硕士学位论文 要尽可能减少或防止热风回流，就必须设法减小厂房背风面的回流区。前人对 此方面也展开了研究，并找到了减小此影响的相关措施：对于未建机组，应设 法加大厂房与空冷系统的距离，寻找最优的整体布局，减小回流区的影响；对 于已建并正在运行的空冷系统，改变建筑物形状、尺寸以及整体布局是不可能 的，只能对已存在建筑物的原有结构进行改进，如加装挡板、加挡风墙、提高 风机转速等方式来提高空冷单元进风量，保证系统正常运行。 石磊【4 0 】通过对直接空冷凝汽器全厂空气速度场和温度场的数值模拟、分析 和研究，指出炉后大风使空冷凝汽器换热性能有较大幅度降低，而锅炉前侧大 风对空冷凝汽器换热性能无明显影响，而炉后大风使空冷凝汽器的实际散热量 比设计散热量降低约1 8 5 。吕燕等 4 3 1 也利用数值模拟手段对我国北方的直接 空冷凝汽器进行了数值模拟，不仅分析了空冷机组周围的高山、建筑、主厂房 等对空冷机组性能的影响，同时针对不同风速、风向以及加装不同高度挡风板 下的空气速度场和温度常进行了模拟分析。研究表明：当风向角为1 8 0 。时， 热风回流现象较其他风向更为严重，且在此风向下，当风速小于2 5 m s 时，热 风回流率与风速成正比关系，但是当风速超过2 5 m s ，热风回流率逐渐下降。 在上述研究中，通过对不同风向、风速、气温条件等气象环境对空冷系统 的影响程度的数值模拟和风洞试验，得到了换热效率、热风回流量、风机入口 温度升高值等随气象条件的变化规律；同时得到了环境侧风影响下，空冷系统 的有利风向区域、较有利风向区域、不受影响风向区域、不利风向区域、较不 利风向区域等；另外，通过数值模拟和实验研究也得到了空冷平台高度、风机 1 4 第1 章绪论 流量和挡风墙高度的建议值。 近几年来，直接空冷机组在我国的应用日趋广泛，由于其良好的节水性能 得到了我国政府对新建电厂利用空冷技术进行散热的大力支持和鼓励，并取得 了明显的节水效果，与直接空冷凝汽器相关的研究工作和研究成果也有了较大 发展和进步。然而，整个凝汽器系统运行的规律除受上述影响因素外还受更多 因素的影响，例如冬季大风降温、凝汽器表面积灰以及采用不同型号不同性能 的风机等，这些因素都会影响凝汽器的运行性能。因此，要想对空冷凝汽器有 一个更全面的认识，必须从多方面考虑影响因素、进一步对整个空冷岛的流场 特性进行分析和研究。 i 1 4 本课题的研究任务 为了提高直接空冷凝汽器的工作性能，前面的研究中针对直接空冷式凝汽器 流动与换热问题进行了数学模拟和实验研究，但是目前仍然存在如下几个问题： ( 1 ) 空冷系统在实际运行过程中受到众多因素的影响( 包括环境温度，迎 面风速，周围建筑群等) ，所以常常会在偏离设计工况的情况下运行，尤其是热 风再循环及冬季冻结的问题将严重影响空冷系统的工作性能和安全性能，由于 受外部条件的制约，在各种运行工况下，不同的空冷单元会表现出不同的工作特 性，这就要求针对具体位置的空冷单元开展不同的数学模拟研究。 ( 2 ) 空气冷却翅片管束时的对流换热系数和压力损失随进风风速的大小而 变化，对其变化规律的认识是设计空冷凝汽器的基础，目前这个问题已有不少 研究，并获得了各种不同的数学关联式，但是在利用这些数学关联式进行具体 1 5 山东大学硕士学位论文 的空冷凝汽器设计或校核计算时却发现，利用不同的关联式得到的计算结果相 差很大，这意味着要获得能够真正应用于工程实际的数学关联式还需要做更进 一步的深入研究。 ( 3 ) 在人字形空冷系统单元中，由于翅片管的布置和风机呈6 0 。左右的夹 角，因此从轴流风机出来的空气进入空冷凝汽器时并不是无夹角的直接进入， 而是在空气发生流向转角之后才能进入空冷凝汽器翅片管束，因此在这个过程 中流动的空气会产生动量损失和压力损失，目前对这方面的研究还很少，也没 有相应的措施可以解决。 为了能够更好地认识空冷凝汽器的运行规律和不同影响因素对其运行性能 的作用，从而可以为直接空冷凝汽器的优化设计和安全高效运行提供依据，有 必要对直接空冷凝汽器整体以及凝汽器的基本组成部件一翅片管束进行更全面 的研究。为此，本文主要通过a n s y s 模拟软件对直接空冷系统进行数值模拟， 研究内容主要包括以下几个方面： 1 ) 对目前常用的翅片管呈“人字形 布置和水平布置两种方式进行研究， 找到其流动和换热方式的相同点和不同点。 2 ) 对翅片管呈“人字形布置和水平布置方式分别进行数值模拟，得到不 同进风风速时空冷凝汽器的对流换热系数和流动损失随迎面风速的变化规律并 得到相应地数学关联式，该关联式可为直接空冷凝汽器的优化设计提供参考， 为不同环境、不同气象条件下机组的顺利运行提供参数依据。 1 6 3 ) 对目前所用翅片管提出进一步的优化措施，在对流动损失不造成太大影 第1 章绪论 响的前提下，能尽可能高的提高翅片管的换热系数。 主要步骤可分为以下几步： 1 、研读文献，了解国内外直接空冷机组的发展、研究现状以及应用特点， 明确自己所做研究的目的和方向。 2 、根据所要研究的目标建立相应的数学物理模型。有些细节对所做研究不 太重要但又比较繁琐时可以进行适当的简化假设，建立经过简化假设后能准确 反映所研究内容的物理模型，并对物理模型划分网格，得到合适的离散化模型。 3 、应用a n s y s 软件进行数值计算，对已经离散化后的物理模型来进行边界 条件和初始条件的的定义，选取合适的求解器并定义收敛准则。 4 、计算结果的处理。通过a n s y s 自带的后处理软件对所得流体的速度场和 温度场进行分析处理，并计算和输出通风量、换热量、换热系数以及压力损失 等所需数值。 5 、分析所得结果。对目前空冷凝汽器翅片管束的两种放置方式进行探讨研 究，找到其相同点和不同点，并得到空气侧换热系数和流动阻力的数学关联式， 为进一步优化空冷凝汽器及选择翅片管束的布置方式提供数值参考。 6 、进行翅片管的优化设计时所需步骤同上。在前人的研究基础上，提出优 化改进翅片管的方案，并通过数值模拟以及对模拟结果进行分析研究，从而找 到最优可行方案。 1 7 第2 章直接空冷凝汽器数值计算基本理论 第2 章直接空冷凝汽器数值计算基本理论 2 1 直接空冷凝汽器的传热理论 2 1 1 直接空冷凝汽器的种类及换热方式 直接空冷系统是在