（工程热物理专业论文）大型汽轮机房人工环境的仿真和通风调节方案的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 目前，我国的能源日趋短缺，绿色建筑己成为研究热点，建筑设计必须考虑能 源的节约利用。火力发电厂具有热负荷大、空间太及需求风量大的特点。在汽轮机 房运转层及其以下，有很多发热设备、加热器和热力管道，其通风方案的选取至关 重要。如果通风效果不好，有可能造成局部温度过高，不利于操作运行，甚至可能 造成设备的故障，影响电厂生产的安全性。现有的通风方案在设计过程中大多依赖 经验，很难有效地考虑到能源的节约和环境的优化，为此提出了应用f l u e n t 软件 研究火力发电厂的通风系统，对汽轮机房内人工环境进行仿真计算，以得到更为合 理、有效的通风设计方案，并为火力发电厂的汽轮机房通风和控制策略的研究提供 理论依据。 本文通过对汽轮机房内热力设备的合理简化，利用a u t o c a d 和g a m b i t 软件 建立模型和划分网格，然后建立数学模型、设定边界条件、进行区域离散，将复杂 的偏微分方程转化为代数方程，最后选用合理的计算方法。计算时采用多机并行计 算，提高了计算的效率。本文利用f l u e n t 仿真技术为工具，对不同季节汽轮机房 内温度和速度分布规律、自然通风和机械通风的影响、风机开度及其运行模式对室 内人工环境的影响、不同运行工况下特征点温度和速度变化规律以及控制方案等进 行了研究。 通过计算，本文得到了风机开度大小对室内温度场和速度场的影响情况、一定 风量下室外环境温度对室内特征点温度的影响、风机的运行模式对特征点温度和速 度的影响、自然通风下风速对室内温度的影响以及开窗通风对室内温度的影响等规 律。通过现场测试数据与理论计算进行比较，二者结果基本一致，因此证明了本文 的计算方法的可行性和计算模型的合理性。本文的研究结果和研究方法为电厂通风 供暖和空气调节的设计和研究提供了理论依据，对电厂汽机房通风方案的设计和改 进具有参考价值。 关键词：汽轮机房人工环境仿真通风 一一 一 塑坚查堂堡主兰垡堡塞 n o w a d a y s ，t h ee n e r g yr u n ss h o r ti no u rc o u n t r y e n e r g ys a v i n gi nb u i l d i n gh a s b e c o m eah o t s p o ti nr e s e a r c h ，a n ds h o u l da l s ob ec o n s i d e r e d d u r i n gt h eb u i l d i n g d e s i g n i n g t h e r m a lp o w e rp l a n th a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i 曲h e a tf l u xa n dv e n t i l a t i o n f l u x ，h i g ht e m p e r a t u r ea n dl a r g es p a c e ，e s p e c i a l l yi nt h et u r b i n em a c h i n er o o mb e c a u s e t h e r ea r em a n yt h e r m a le q u i p m e n t s ，h e a te x c h a n g e r sa n d h e a t i n gp i p e si ni t t h es e l e c t i o n o ft h et u r b i n em a c h i n er o o mv e n t i l a t i o np r o j e c ti sc r u c i a la si tm a yl e a dt os o m el o c a l h i g ht e m p e r a t u r e st h a ta r ei n c o n v e n i e n tf o ro p e r a t i o ni ft h ev e n t i l a t i o ni sn o tv e r yg o o d ， a n de v e nm i g h tc a u s em a l f u n c t i o no fs o m em a c h i n e sa n di m p a c tt h e s e c u r i t yo ft h e e l e c t r i c a lp o w e rp l a n t t h ev e n t i l a t i o nd e s i g n i n gd e p e n d sm o s t l yo i le x p e r i e n c eb e f o r e a n di ti sv e r yd i f f i c u l tt oc o n s i d e r i n ge n e r g ys a v i n g t h u st h er e s e a r c ho ft h ev e n t i l a t i o n s y s t e mo fp o w e rp l a n tb yc f dt e c h n i q u e si sp r o p o s e di nt h i sp a p e r b ys i m u l a t i n g a r t i f i c i a le n v i r o n m e n ti nt h et u r b i n em a c h i n er o o mb yf l u e n t ，t h ee f f e c t i v ea n dr e a s o n a b l e v e n t i l a t i o ns y s t e mw a so b t a i n e d t h e r m a le q u i p m e n ti nt h et h r e ef l o o r so f t h et u r b i n em a c h i n er o o mw a sp r e d i g e s t e d r e a s o n a b l yi no r d e rt of o t i nc a t c u l a b l em o d e l s ，g r i d sa n db o u n d a r yc o n d i t i o n ss e tu db v a u t o c a d f l u e n ta n dg a m b i ts o f t w a r e c o m p l i c a t e dp a r t i a ld i t y e r e n c ee q u a t i o n sh a v e b e e nt r a n s f e r r e di n t oa l g e b r ae q u a t i o nb yd o m a i nd i s c r e t i z a t i o n t h ec a t c u l a t i o nm e t h o d s w e r es e l e c t e dt os i m u l a t et h eb i gt u r b i n em a c h i n er o o m t h ep a r a l l e lc o m p u t a t i o nw a s u s e dt oi m p r o v ec o m p u t i o n a le f f i c i e n c ya n ds a v i n gt i m e t h et e m p e r a t u r ea n dv e l o c i t y p e r f o r m a n c ed u r i n gd i f f e r e n ts e a s o n s ，t h ec o m p a r i s o no ft h en a t u r a lv e n t i l a t i o nw i t ht h e m e c h a n i c a lv e n t i l a t i o n ，a n dt h ei n f l u e n c eo fo p e n i n gw i n d o wo nn a t u r a lv e n t i l a t i o n ，t h e e f f e c to ft h ef a np o w e ro nt h ea r t i f i c i a le n v i r o n m e n t ，t h ee f f e c t so fo p e r a t i n gc o n d i t i o n s s u c ha se n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r e ，w i n dv e l o c i t yo nt h ei n d o o rs p e c i a lp o i n t sa r es t u d i e d i n t h i sp 印e r i ti sp r o v e dt h a ti ti sf e a s i b l et os i m u l a t ev e n t i l a t i o na n dh e a tt r a n s f e rs y s t e m so f h u g et u r b i n er o o mb yf l u e n ta n dt h ep h y s i c a la n dm a t h e m a t i c a lm o d e lm a d ea r e a c c e p t a b l ea st h ee x p e r i m e n t a ld a t aa r ei d e n t i c a lw i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t s t h eo p e n i n g e x t e n to ft h ef a nh a sa ni n v e r s ep r o p o r t i o nw i t hi n d o o rt e m p e r a t u r e t h et e m p e r a t u r e c h a n g eo fs p e c i a lp o i n ti se f f e c t e do b v i o u s l yb yo u t d o o rt e m p e r a t u r ea n dw i n dv e l o c i t y o p e r a t i n gm o d ea n dt h eo p e n i n go ft h ef a n sa r ei m p o r t a n tf a c t o r st oa d j u s tt h ei n d o o r t e m p e r a t u r e n l et e m p e r a t u r eo fs p e c i a lp o i n t sr e d u c ew i t h t h ei n c r e a s eo fo p e n i n g e x t e n do ff a n sa n dn a t u r a lw i n dv e l o c i t y o p e r a t i n gm o d eh a s1 i t t l ei n f l u e n c eo nt h e t e m p e r a t u r eo fs p e c i a lp o i n t s 1 1 1 er e s u l t so b t a i n e di nt h i sp a p e rh a v ei m p o r t a n tv a l u e st o t h ei n v e s t i g a t i o na n dd e s i g n i n go ft h ea i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mi nt h eh u g et u r b i n e m a c h i n er o o mo f t h et h e r m a lp o w e rp l a n t k e y w o r i d s ：t u r b i n em a c h i n er o o m ；a r t i f i c i a le n v i r o n m e n t ；s i m u l a t i o n ；v e n t i l a t i o n 学号型型堕埠、j 性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝堑盘堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名：立 签字日期：埘年弓月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸i 三盘茔有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权迸鎏盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期抄年夕月7 7 日 电话： 邮编： 。荠 建朔 哆 年 名 步 签 凇 雠 时 作 ： 艾 钥 幻 彰 雠 辫 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 第一节研究的背景和意义 我国是世界上最大的发展中国家，长期以来坚持“能源开发与节约并重，把 节约放在首位”的能源方针，并取得了显著成绩。在我国当前的能源消费结构 中，煤炭仍然占全国能耗总量的7 5 以上，火电占全国总发电量的7 0 以上 而全国一次能源的总热效率只有不到4 0 ，比发达国家低1 0 左右，能源利用 率低。建筑能耗占国内能耗的比重是反映一个国家经济发展水平的重要指标。当 前发达国家建筑能耗约占其国内总能耗3 0 - - 4 0 ，而我国建筑能耗仅占全国 总能耗的1 2 左右按照发达国家建筑能耗增长的历程来看，我国目前正处在 建筑能耗高速度增长的时期。暖通空调能耗是建筑能耗中的大户，占其5 0 6 0 。暖通空调能耗分三部分：冷热源能耗、末端设备能耗和辅助类设备能耗( 如 泵、风机等) ，冷热源能耗占暖通空调能耗的大部分。可以预见我国建筑能耗特 别是暖通空调冷热源能耗占国内总能耗的比重会越来越大。我国当前的空调用能 主要还是以电力和化石能源( 煤、油、气) 特别是煤炭为主，能源结构不合理能 源利用率低，因此我国暖通空调冷热源领域的节能潜力还很大1 1 1 。 目前，火力发电厂的建设也要考虑节能的要求，火力发电厂汽轮机房空间 内的通风供暖有着重要的作用，因为主厂房内布置了主要的机械、电气设备以及 热力管道，是一个高热、高湿的地方。温度过高会造成房间内的工作条件恶劣， 工人无法正常操作；有的电气设备会出现故障，这样会给电厂的正常运行和安全 性带来威胁，所以必须排除余热，保持室内正常的工作的温度和湿度范围。减小 主厂房体积，降低工程造价，己成为火力发电厂的必然要求，随着主厂房体积的 减小，主厂房热强度必然增大，如何处理好这一矛盾，是主厂房通风设计必须解 决的问题之一“，合理的解决方案不仅要满足通风效果好，还要满足节能的要 求。 主厂房通风的特点有，主厂房设备的散热量大，汽轮机和电气设备以及各 种加热器和热力管道散发大量的余热。通风换气量大，大量的余热自然需要通风 浙江大学碗士学位论文 第一章绪论 换气量大以降低温度，排除余热。热压大，因为主厂房设备散热量大、厂房高大， 因此热压也大。由文献 3 可知，火力发电厂主厂房通风方案有： 1 ， 自然进风、自然排风方案。这种通风方式是一种全面通风方式。 自然通风是靠室内外的空气温度差而产生的热压来诱导空气流 动。主厂房自然通风的基本依据是全面通风理论，通过对厂房的 全面通风换气，消除室内设备散热量及散湿量，从而使厂房内的 环境温度达到设计的要求。这种方案的优点：充分利用自然能源， 不用电力，运行成本低，通风系统简单，投资少，运行部件少， 运行方便，维护简单。缺点：设备散热量大，进排风面积大，导 致冷风渗透量大，增加了冬季供暖热负荷，通风系统调节不方便， 气流组织不好控制，易产生气流死区，局部温度过高，过分依赖 环境工况； 2 ，自然进风、机械排风方案。这种排风系统实际是负压通风系统， 靠屋顶通风机的动力排除厂房内热空气，并自然地导致从厂房底 层、运转层进风。这种系统的优点：通风系统动力大，只要开屋 顶风机和进风窗就能运行，通风效果不受室外风速及风向的影响， 能较好地达到通风效果。其缺点：消耗电力大，运行费用高，屋 顶风机容易损害，维护管理麻烦。 3 ， 机械进风、自然排风系统。这个系统是正压通风，室外空气经过 进风装置过滤、冷却( 或加热) 处理后直接送入主厂房工作地带， 消除余热、余湿后的空气经过厂房顶部的排风装置排至室外。这 种通风系统比较适合北方干燥地区和南方炎热地区。这种通风系 统的优点：气流分配均匀，避免了通风死角，正压送风，减少了 冷风渗透量，减少了供暖热负荷，进风空气品质好，运行管理方 便，可以实现远程控制。其缺点是：设备风道占地面积大，不仅 麻烦，而且建设投资大，运行费用高，对运行管理的要求高。 4 ， 机械进风、机械排风方案。这种通风系统是全面机械通风系统。 室外空气通过进风装置处理后进入厂房，消除余热、余湿后，通 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 过机械排风装置排出室外。这种系统适合夏季炎热地区。其优点 有：通风效果理想，各季节可根据室外空气参数进行控制和调节， 控制和调节能实现远程控制。其缺点：建设初投资大，运行费用 高，对运行管理人员的素质要求高。 总之，从以上四种方案可以看出，方案四通风效果最好，但是成本最高，运 作和管理费用最高；第二、三次之，第一种通风方案效果最差，但是投资成本低， 便于管理和维护。目前有关这方面研究的文章很少，有关通风方案的设计和工程 计算主要有：热平衡法( 通风法) 和机组效率法。这种设计方法过于简单，虽能 解决实际问题，但是可能会造成资本和能源的浪费，起不到节能和节约的效果， 如果借助c f d 软件进行优化设计，这样能为具体工程提供合理和有效的通风方案， 避免能源、投资的浪费和运行成本的提高。 第二节基于大空问c f d 仿真技术的研究与应用现状 1 2 1 国内研究和应用现状 c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 即计算流体动力学，是目前国际上一 个强有力的研究领域，是进行“三传”( 传热、传质、动量传递) 及燃烧多相流 和化学反应研究的核心和重要技术，广泛应用于热能动力、航空航天、机械、土 木水力、环境化工等诸多领域。在c f d 软件中，f l u e n t 软件是目前国内外使用 最多、最流行的商业软件之一。 f l u e n t 软件在我国已经得到了较好的应用。由文献【4 】【5 】可知，在锅炉燃烧 方面，西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室借助f l u e n t 软件平台，应用 e u l e r i a n l a g r a n g i a n 方法，在3 种不同工况下对2 0 0 m w 四角切向燃烧煤粉锅炉炉 内的流动、传热以及燃烧进行了数值模拟，得到了炉膛内的速度场、温度场分布， 而且对炉内c o 、0 2 、c 0 2 的质量浓度分布给出了趋势图，给出了煤粉颗粒的运动 轨迹。同时，西安交通大学顾正萌，郭烈锦等人运用f l u e n t 5 4 8 软件对d f t 3 1 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 型滤简除尘器内部紊流气固两相流动进行了数值模拟，用以掌握滤筒除尘器内部 流动特征。采用k e 紊流模型和壁面函数法模拟气相流动，采用双向耦合拉格朗 日法追踪颗粒运动轨迹。对连续相速度和压力分布特征以及颗粒相运动轨迹进行 了分析，得出了不同工况条件下的系统阻力和颗粒沉积量分布规律，对比分析了重 力、布朗运动和紊流扩散作用对颗粒运动和沉积的影响。清华大学热能工程系由 长福等人比较了f l u e n t 软件提供的不同湍流模型：k e 模型、rn gk e 模型、 带旋流修正的r n g k e 模型、r e a l i z a b l e k e 模型、雷诺应力模型在对四角切向 燃烧煤粉锅炉内冷态气相流动进行数值模拟的效果；探讨了为减小数值伪扩散对 强旋流动的影响采用的减小网格尺寸和提高差分格式精度等措施的优劣，为理论 分析强旋湍流流动和对四角切向燃烧煤粉锅炉内流体流动的工程设计提供了参 考依据。同济大学热能工程系金颖等运用f l u e n t 软件模拟计算了小尺寸下的简单 烟气扩散规律，结果与正态分布假设下的高斯烟羽模型验证表明该软件能很好的 模拟出烟气扩散问题。该研究对象为缩小实验尺寸几何模型，用f l u e n t 计算所得 的烟气扩散与风速、烟速、烟气温度的关系与用正态分布假设下的统计规律一致。 文献【6 】 7 【8 】研究了c f d 技术在暖通空调行业中的应用。c f d 软件可以相 对准确的给出流体流动的细节，如温度场、速度场、压力场及浓度场分布的时变 特性，因而不仅可以准确预测流体产品的整体性能，而且很容易从对流场的分析 中发现产品或工程设计中的问题，据此提出的改进方案只需重新计算一次就可以 判断、评估改进是否有效，并更容易得到某些规律性的知识。为实现空调设计中 环境参数( 温湿度、气流、污染物浓度) 的合理控制，有必要把握其分布特性， c f d 是除模型实验外的可详细解析三维室内气流分布特性的唯一手段。 文献f 9 】f 】o 】以天津国际展览中心扩建工程b 展厅为研究对象，利用f l u e n t 对 分层空调改进方案热舒适性与气流组织进行了模拟研究。分析得出分层空调设计 方案应用于高大空间建筑不仅能保证工作区合理气流组织设计及热舒适性，而且 对降低初投资、节省运行费用、建筑节能有重大意义。同时表明该模拟研究对高 大空间建筑空调系统节能与优化设计具有重要的指导意义。对建筑通风供暖系统 的设计和室内的热舒适性具有预测的作用：文献【1 1 】利用c f d 仿真住宅小区的通 风环境质量，因为住宅小区环境正日益成为房地产开发商和购房者共同关心的话 题。建筑物风环境的合理与否，是住宅小区的规划设计是否合理的评价指标之 浙江大学烦士学位论文 第一章绪论 一。通过对住宅小区夏季风环境进行计算机模拟，对不同开e l 情况及多种入臼风 速的模拟结果进行比较，寻找住宅小区内各个区域内风环境的分布规律，对住宅 小区的规划设计提供指导；文献 1 2 】对高大的建筑群通风环境进行了模拟研究， 针对高层建筑物风场和风压力的问题得出了单个建筑物在不同风向下的风场和 风压力，并对高层建筑群进行了模拟，将其分布规律与单个建筑物进行了比较。 结果表明：风在受到第一个阻碍后的区域里的漩涡分布最强烈，压力梯度最大， 是最危险的受力区。在建筑群中，最靠近迎风面的建筑物所受负压最大，且建 筑物之间的间距也对风场有很大影响，因此研究结果对于减少高层建筑物中大尺 度的漩涡脱离区以及降低室内噪声具有指导价值，同时也显示了c f d 技术强大 的分析能力及其在工程应用领域中的广阔前景。 1 2 2 国外研究和应用现状 目前，国外有关大空间c f d 的研究，主要有室外空气环境的研究和建筑群通 风的研究以及室内空气品质的研究。研究的精度高，模型比较复杂，更加接近实 际和现实。文献 1 3 研究c f d 在建筑环境中成功的应用，研究了复杂模型非结构 型网格在建筑模型中的应用及其计算的精度，对比分析了大涡流模拟较r a n s 模 型在解决湍流模型中的优越性：文献 1 4 研究了研究所内具有复杂热源的室内空 气的热舒适性，模型非常的遥真，通过模拟计算得出室内温度、湿度、空气层的 分布格局和屋顶四边通风器的效果，为室内热源的合理布置以及室内通风系统的 设计提供了有力的理论依据；文献 1 5 1 8 研究c f d 仿真技术在不同应用背景下， 室内空气品质和通风效果的研究；文献f 1 9 】研究了一个中心庭的通风情况，建筑 的顶部布置了发热集成光电设备，系统研究了风口的位置、大小、通风开度对室 内环境冷却的效果以及光电设备的布置对风道的影响，通过模拟验证了f l u e n t 在处理通风温度调节中的优越性，并得出合理的风道布置方案； 文献 2 0 】研究室内空气品质时克服了传统以单一房间为研究对象，把建筑看 成一个整体来研究室内空间的温度、速度、湿度、湍流参数等，建立了双控制方 程。第一个c f d 是粗略的模拟房间的流场和温度场，利用计算值去估计室内流 场的参数，然后把这些参数赋值给每个边界条件；第二个c f d 是利用前者的结 果精确的计算房间内流场参数，能够更成功的预言流场的规律。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 国外现在利用c f d 仿真技术对城市的空气质量控制进行研究2 m8 1 ，因为 目前城市的环境受到建筑热负荷( 空调等) 、汽车尾气、城市生活污染的影响， 人t 1 的居住环境越来越差，利用c f d 仿真技术对城市交通枢纽、居住校区等地 方进行模拟计算空气质量( 温度、湿度、污染度) ，然后在空气质量恶化的地方 布置监控点，这样应用远程监控就能很好的管理大城市的空气质量，提高人们的 居住环境。 在国外c f d 成功的应用于建筑的规划设计和建筑通风的研究口9 3 9 1 ，因为 在高大建筑密集的区域，人居环境尤为重要，合理的规划使人们有获得太阳和风 的权利，提高人们的居住环境。利用f l u e n t 软件可以在建筑设计和规划中考 虑气候因素对建筑群的影响，设计出合理的建筑群间距、人行道的方位和布置， 避免形成局部的通风死区和风压过大的地方以及局部的建筑采光条件不好，给人 们的生活带来危害，所以在建筑规划中f l u e n t 的作用非常明显，它使设计更 加的合理并能更好的预测环境对建筑群的影响。利用c f d 技术还能对建筑设计 的合理性进行评估和分析，所以具有很大的应用价值。 浙扛大学硕士学位论文 第一章绪论 第三节本文的工作 目前，我国的能源日趋短缺，建筑节能已成为研究的热点，建筑设计也必须 考虑能源的节约应用。火力发电厂具有热负荷大、需求风量大的特点，在汽轮机 房间运转层及其以下，有很多发热设备、加热器和热力管道，因此汽轮机房具有 设备散热量大、厂房高大、通风换气量大等特点，其通风的能力和通风方案的选 取是至关重要的。通风效果不好很可能造成局部温度过高，不利于操作人员工作， 还有可能造成电力设备的故障，危机电厂生产的安全性。现有的通风设计方案在 设计的过程中过于依赖经验，设计不能有效的考虑到能源的节约和合理通风方案 的理论依据，为此提出应用f l u e n t 软件研究火力发电厂的通风系统，利用f l u e n t 对汽轮机房内人工环境进行仿真，最终得出合理有效的通风系统，为电厂的汽轮 机房通风设计和通风控制策略提供理论依据。 本文研究的内容主要包括以下几个方面： a ) 建立汽轮机房的几何模型，对各层空间内的热力设备加以合理简化，利 用a u t o c a d 和g a m b i t 软件建立物理模型和划分网格； b ) 建立汽机房内温度场和流场仿真计算的数学模型，对不同边界条件进行 设定，对计算方法加以研究： c ) 利用f l u e n t 对汽机房大空间温度场和流场进行模拟计算并将计算结果 与现场测试结果进行验证分析和比较； d ) 研究不同季节汽轮机房内温度和速度分布规律、开窗对自然通风的影响、 对自然通风和机械通风的不同效果加以比较； e ) 研究风机开度及其运行模式对室内人工环境的影响；分析不同运行工况 下特征点温度、速度变化规律。 一塑兰奎兰堡主鲎垡篓茎兰三兰丛垄垄皇 塞垫生堕壅塑型竺堡皇 第二章火力发电厂汽机房仿真模型的建立 2 1 1 主厂房通风的特点 第一节概述 1 火力发电厂主厂房的汽轮机、锅炉及其辅助设备在运行过程中，散发出 大量的余热。如，一台6 0 0 m w 机组的汽轮机房内，设备散热量约为3 m w ；主厂房 平均热强度约为3 2 w m 3 。 2 主厂房通风换气量大。由于主厂房设备散热量大，因此通风换气量大。 如，一台6 0 0 m w 机组汽轮机房( 包括除氧间) 通风换气量约为1 5 0 1 0 4 k g h 。 2 1 2 传统设备散热量的确定 1 热平衡法( 通风法) 这种方法是通过测试进出风口的温度、风速来确定排风量，由此计算排风所 带走的热量，这个热量就是设备散热量。 汽轮机房设备散热量按如下方法确定： 9 ：= o 2 8 c k 。( f 二。一) + 上0 ：6 f 二：一 式中，线汽轮机房散热量，w ； c 空气比热容，材( k g 。c ) ； 圪。汽轮机房排风口排风量，k g h ； 匕，从汽轮机房排到锅炉房的排风量，k g h ； f 0 。汽轮机房排风口温度，。c ； f 二：从汽轮机房排到锅炉房空气的温度，。c5 r 。进风温度，即室外温度，。c 。 2 机组效率法 设备散热量是设备的热损失，是影响汽轮机、锅炉及其辅机效率的很重要的因素， 浙江大学硕士学位论文 第二章火力发电厂汽机房仿真模型的建立 所以设备散热量可用汽轮机、锅炉容量的百分比来表示。为了提高机组的效率， 应采取各种措施，把设各散热量控制在最低的范围内。换句话说，设备散热量是 可以在一定的范围内人为地决定，不一定非要依靠测定才能决定。近几年来，国 内外很多公司常采用这种方式来确定设备的散热量。如日本三菱公司在华能大连 发电厂设计中，对于3 5 0 m w 机组的汽轮机房设备散热量按汽轮机容量的o 6 计 算，即瓯= 3 5 0 o 0 0 6 = 2 1 ( m 1 v ) ；德国a b b 公司也用汽轮机容量的百分比来标 定汽轮机本体的散热量。 2 1 3 主厂房通风计算原则 电暖规中规定，主厂房通风量应按下列要求确定：( 1 ) 汽轮机房：考虑 同时排除余热和余湿：在汽轮机房不仅有设备散热量，而且从汽轮机本体、管道 阀j 、法兰等处散出蒸汽，产生大量余湿。 自然通风进排风温度确定： ( 1 ) 排风温度 汽轮机房排风温度： f 二= t 。+ ( 8 l o ) 。c ( 2 ) 进风温度 进风温度一般采用室外通风计算温度。当进风进行冷却处理时，可采用降温进风 机组的送风温度。 ( 3 ) 工作地带温度 t 。t 。+ ( 3 5 ) 。c ( 4 ) 厂房平均温度 f 。，= 妻0 。+ o ) 二 ( 5 ) 汽轮机房通风换气量计算 汽轮机房通风换气量按如下公式计算： ，3 6 1 0 6 娥 - h 2 一坛 一塑垩查兰堡兰兰堡堡苎 苎三兰丝生墨皇 墨垫宣堕壅堡型竺堡皇 或 ，f 1 0 5 l v 一d 2 - a , 式中， e 汽轮机房通风量，k g h ； 瓯汽轮机房设备散热量，m l v ： 睨，圮汽轮机房进排风口空气热焓，k j k g ； w 汽轮机房散湿量，妇； 以，以汽轮机房进排风空气绝对湿度，g k g 。 以上设计原则依据能量守恒进行通风计算，设计过于简单不便于优化设 计，不能反映室内流场的分布规律。文献f 2 j 应用了传统的设计方法，研究如何 设计开窗的面积大小和屋顶通风器的选取，文献 4 0 利用计算机辅助设计，只是 将手工计算程序化，起到了节约设计时阍的效果，并不是对整个系统的仿真。文 献 4 1 利用c f d 研究了空冷器对汽轮机自然通风的影响，研究所用的汽轮机内模 型过于简单，没有研究对机械通风的影响，文章没有涉及到汽轮机房内人工环境 的研究。所以，目前有关火力发电厂汽轮机房内人工环境的研究还很少，尚未见 到这方面的文章发表。 第二节仿真模型网格的生成 2 2 1 仿真物理模型 以某电厂汽轮机房为案例，建设规模为2 x 3 0 0 m w 机组，并留有扩建的可能 性，该电厂汽机房的大小为1 5 4 6 m x3 6 m x1 9 9 m ( 长x 宽x 高) ，在电网中主要 承担基本负荷，但亦需要考虑在电网中担任一定的调峰能力；冬季空气调节室外 温度为一4 ，夏季通风室外计算温度为3 2 。c ，冬季室外平均风速3 3 m s ，夏季室 外平均风速3 0 m s 。两台2 3 0 0 w m 汽轮发电机组总的散热量约6 9 7 8 k w ，包括八 台低压加热器和六台高压加热器以及管道散热量：汽轮发电机组为纵向顺列布 置：汽轮机房采用自然进风、机械排风方案；在汽轮机a 排柱0 0 0 m 层，6 3 0 m 层以及1 2 6 m 层设置双铝合金防水百叶进风窗( 如图2 2 进风口布置图) ，顽积分 别为1 3 8 m 2 、1 4 7m 2 、1 7 9m 2 ，总面积为4 6 4 m 2 ；汽轮机房屋顶有2 0 台屋顶风机， 兰鬯2 兰堑生鲎堡奎 塑三兰叁垄垄皇 垒垫星堕壅堡型竺堕塞 型号为d w t i # 2 2 ，每台风量1 5 5 0 0 0 m 3 h ( 如图2 3 屋顶风机布置图) ；夏季进风百 叶及屋顶风机全开，总通风量为3 1 0 万一h ；汽机房结构示意图如图3 ，它只代 表了整个汽机房的一半，因为整个汽机房在长度方向上具有对称性，所以取其对 称的一半来计算是合理的选择；汽轮机房内的发热设备有：汽轮机，小汽机，高 加热器，低加热器，冷凝器，管道，水泵，气罐，油箱等。 图2 - l 汽轮机房示意图 厂_ t 匾叵 _ 丁 亟口_ 二二 _ 二兀丁1 卜卅口婴口 四f侧门f 口口 图2 - 2 进风口布置图 浙江大学硕士学位论文 第二章火力发电厂汽机房仿真模型的建立 图2 - 3 屋顶风机布置图 2 2 2 模型网格的划分 f l u e n t 是非结构解法器，它使用内部数据结构来为单元和表面网格点分配 顺序，以保持临近网格的接触，因此它不需要i ，j ，k 指数来确定临近单元的位 置。解算器不会要求所有的网格结构和拓扑类型，这使我们能够灵活使用网格拓 扑结构来适应特定的问题。二维问题，可以使用四边形网格和三角形网格，三维 问题，可以使用六面体、四面体，金字塔形以及楔形单元。f l u e n t 可以接受单 块和多块网格，以及二维混合网格和三维混合网格。f l u e n t 中非结构化网格特 征的两个重要优点是：跟结构化网格相比减少创建时州，不会带来因插入新的网 格点而使其他单元品质变坏。用自适应法完善网格，在网格中如果需要可以增加 网格单元，这样能更精确地计算流场的特性。当正确地用了网格自适应方法，那 得到的网格对流体计算是最优的。 火力发电厂属于高大空间的建筑，边界条件复杂，有速度边界层、高热流密 度的壁面边界层、抽风机边界层等。房间内部结构复杂，所以划分网格时，采用 非结构网格( 四面体网格、六面体网格) 来划分网格，发热设备表面的节点距 3 0 0 m m ，流场空间的节点距1 0 0 0 m m ，尽量划出质量好、节约计算时间的网格， 网格过密或者网格过疏都是不利于计算的。表2 1 是网格划分的数据统计，图2 - 4 显示了网格划分的整体情况。从2 5 可以看出，汽轮机等设备表面的网格较密， 空间内的网格较疏。图2 - 6 显示了汽轮机表面的网格划分情况，从上面可以看出 非结构性网格的特征。 表2 1 网格划分结果统计 单元数 面数 节点数分区数体网格面网格 3 6 8 7 0 4 7 7 9 0 3 9 8 2 8 6 33 四面体六向体三角彤四边彤 塑望查堂堕主兰些笙兰 笙三兰坐垄茎皇 姿垫生堕塞堡型竺垄兰 图24 模型整体的网格图 图2 - 5 模型网格透视图 l3 塑坚盔兰堡主兰焦堡苎苎三童尘垄垄皇 墨塑生望塞堡型塑堡皇 2 3 1 数学模型的分析 图2 6 汽轮机网格图 第三节仿真模型的建立 c f d 技术在室内热环境中的应用是基于对室内不可压缩气体质量、动量、能 量守恒微分方程的离散化处理及其数值解析的。汽轮机房各层空i f i j 大，热力设备 多，边界条件复杂。本文采用三维、稳态紊流模型，不考虑内热源，考虑辐射因 素的影响，采用l o w - - r e - - k e 双方程紊流模型，并用控制容积离散法对控制方 程组进行离散，使用f l u e n t 的c f d 求解器计算。具体数学模型如下： 1 质量守衡方程： 亟趔+ 旦幽+ 旦幽：o 咖 砂 庞 2 动量方程 “动量方程： 倒+ 倒+ 倒：一塑+ 旦f 狲u + 2 叩塑 + 舐却瑟绌缸l 舐j 昌m 罢+ 刳卜鲁 叩罡+ 芸) + 织 j 坚盔堂堡主兰竺堡苎 蔓三塞盔查垄皇 壅垫生堕壅堡型塑堡皇 u 动量方程： 一oou)+判+判=一万opox o y o z + 珈叩讣 研却l 。加j 丢 刁( 鲁+ 雾 + ：e l 叩( 罢+ 考 + 峨 w 动量方程 掣+ 掣+ 掣= 一瓣陋砌割o z + 。x 。v o z 观0 z 昙 印( 老+ 芸 + 参 叩( 警+ 茅) + 班 3 能量守衡方程： 0 6 0 u h ) ；望鱼竺垒! + o o w h ) ： a x 8 y 8 z 4 低r e 数k 一占模型 高r e 数k s 模型要推广到粘性支层区域需要作以下三方面的修正f 4 2 】： 1 在控制方程中扩散系数项必须同时包括湍流扩散系数与分子扩散系数两 部分。 2 系数c 。，q ，c ：必须考虑r e ，的影响。 3 在k 方程中应考虑到壁面附近脉动动能的耗散不是各向同性的这一因素。 低r e 数k 一方程为： 掣+ 掣= 拈制诽+ 槲圮g 一胪愕 2 掣+ 可o ( p v e ) = 旦a xn 毒肘孙+ 爿外 触h 叮8 2 圳2 等科j 塑燮硕士学位论文 第二章火力发电厂汽帆房仿真模型的建立 ”c 咖等 以上三式中两直线所围的部分就是低r e 模型区别于高r e 数模型的部分，无， 的计算式为： 厶= e x p ( - 2 5 ( 1 + r e ，5 0 ) ) = 1 0 0 3 e x ：p ( - r e ，2 ) r e ，= p k2 0 叩) 5 r o s s e l a n d 辐射模型 r o s s e l a n d 模型有两个优点。由于r o s s e l a n d 不需要解额外的辐射输运方 程，模型收敛得快，而且需要较少的内存。当采用耦合求解器时，r o s s e l a n d 模型不能使用，它只适用于分离求解器。灰体的辐射换热可以用以下方程近似 表示： q ，= 一r v g ( 1 ) r o s s e a n d 辐射模型假设辐射强度是在气体温度下黑体的辐射强度g = 4 0 t 4 把此式代入方程( 1 ) 得辐射热流q ， q ，= - 1 6 0 f t 3 v 丁 ( 2 ) 由于辐射热流与傅立叶导热定理具有相同的形式，因此可以写成 q = q 。+ g ，= 一( 后+ 七，妒丁 ( 3 ) k ，= 1 6c r ft 3 式中，k 是热导率，k 是辐射热导率。 望登堡主兰垡笙苎 墨三皇j 大垄垄皇! 壹塑堕堕壅堡里塑堡垦 方程( 3 ) 在能量方程中用来计算温度场。r o s s e l a n d 模型的壁面边界条件处理 壁面边界的辐射热流q 定义为 。一盯一巧) 口2 一2 2 2 沙 式中，瓦是壁面温度，疋是壁面的气体温度，矿是滑移系数，仃是辐射常数 中学 n 。 1 0 式中”掣，x = l o g l o 虬 其中口是吸收系数( m - 1 ) ；艰扩散系数 ( m _ 1 ) ； r o s s e l a n d 模型不需要对流动进出口边界条件进行特殊处理。在边界上的辐射热 流可以用方程( 3 ) 确定。f l u e n t 允许在进出口处给辐射和对流确定不同的温度， 这适用于在外界温度和计算区域内的温度相差很大的情况。 2 3 2 模型的选取和边界条件的设定 2 3 2 1 模型及参数的选取 采用非耦合三维隐式方程，选用该模型可以使得所有通项和源项完全牛顿形 式线性化。从表2 - 2 可以看出模型计算所选取的参数。表2 3 显示了采用s i m p l e 算法对离散求解的方法和相关参数的设定。汽轮机房内是单相的工作介质一空 气，其中四周壁面有钢壁面和水泥壁面，设备表面有钢表面和铝表面。运行条件 包括压力运行条件、温度运行条件，压力参考点以及重力加速度，考虑到浮升力 对流动和换热的影响，本文考虑重力参数，如图2 7 所示。 塑坚盔兰堡主堂堡堡苎蔓三垦坐垄垄皇 壅! ! 生堕墨堡型竺蕉窑 表2 2 模型的设定 维数m j n 粘性模型壁面处理 传热与否辐射模型 三维 稳态 l o w - r e k 一 标准壁面函 是 模型数 表2 3 离散求解及相关参数的设定 湍流模型变量 压力温度动量k e l o w - k 8 离散标准一阶一阶一阶一阶 双方程模型 格式格式迎风格式迎风格式迎风格式迎风格式 收敛准则欠松驰系数0 。3 l0 30 , 80 8 流动0 0 0 l 求解格式压力a m g 温度a m g 动量a m gk a m g ea m g 能量1 + 1 盯6 循环类型v 类型 f l e x 类型f l e x 类型 f l e x 类型f l e x 类犁 2 3 2 2 边界条件的设定 图2 7 运行条件的设定 边界条件的设定是计算收敛的关键，不合理的边界条件设定会影响计算的收 敛性和计算的合理性。本文的边界条件包括速度