（热能工程专业论文）发电厂直接空冷系统迎峰度夏措施的数值分析.pdf

空冷凝 否安全经济 理数学模型 行优化改进 的改善。并 针对直接空 值模拟，结 入口空气的 冷机组安装喷水雾化系统后散热效率明显提高，有效地降低系统的背压，是解决机 组迎峰度夏安全经济运行的有效手段。 关键词：空冷凝汽器；多孔介质；数值模拟；喷水雾化 a b s t r a ( 了r a i r c o o l e dc o n d e n s e r ( a c c ) i st h ec o l de n do ft h em a j o re q u i p m e n ti np o w e rp l a n t ， i t sp e r f o r m a n c eh a v ead i r e c ti m p a c to ns e c u r i t yo fe c o n o m i co p e r a t i o n b a s e do nt h e 6 0 0m w u n i t ，t 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 l sw e r ee s t a b l i s h e d t h ea c cw e r e o b t a i n e db yf l u e n ts i m u l a t i o n a n dp r e s e n t e dt ot h ea c ct oo p t i m i z et h em o d e lt o i m p r o v e t h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c si na c cw h i c ha r ei n f l u e n c e db ya m b i e n tv e l o c i t y , a m b i e n td i r e c t i o na r ea n a l y z e dn u m e r i c a l l y t h ep a p e rb a s e do nad i r e c ta c cf o rt h e s u m m e rp e a km e e t i n go fa c ci nt h eb o t t o mo ft h ea e r o s o ls p r a yh u m i d i f i c a t i o ns y s t e m h a db e e n3 - dn u m e r i c a l l ys i m u l a t e d ，t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ea i rt e m p e r a t u r eo f a c c si n l e ta n do u t l e td e c l i n e sr e m a r k a b l yw h i c hc o n t a i n ss p r a yh u m i d i f i c a t i o nd e v i c e t h ee f f i c i e n c yo fh e a te x c h a n g ea n dt h ev a c u u mi nt h ea c ci n c r e a s e do b v i o u s l y t h e m e t h o dc a nk e e pt h eu n i to p e r a t i n gs a f e l ye v e nt h o u g hi nh o ts u m m e rp e a km e e t i n g m e a s u r e s x i a oj i n p i n g ( t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f g u om i n c h e n g k e yw o r d s ：a i r c o o l e dc o n d e n s e r ；p o r o u sm e d i a ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；s p r a y h u m i d i f i c a t i o n 华北电力大学硕士学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 摘要i a b s t r a c t i 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 空冷系统概述2 1 2 1 直接空冷系统的工作原理。2 1 2 2 直接空冷系统影响因素与分析4 1 3国内外空冷系统研究现状5 1 3 1 国外空冷技术研究现状5 1 3 2国内空冷技术研究现状6 1 4 论文的主要内容8 第二章c f d 数值模拟软件理论简介9 2 1f l u e n t 软件简介9 2 1 1f l u e n t 程序的结构9 2 1 2f l u e n t 程序的用途。1 0 2 1 3f l u e n t 基本网格形状。1 1 2 1 4 用f l u e n t 程序求解问题的步骤。1 2 2 1 5f l u e n t 求解方法的选择1 2 2 2f l u e n t 功能模块与分析过程1 3 2 2 1 多孔介质模块。1 3 2 2 2 离散相模块1 3 2 3f l u e n t 用户自定义函数( u d f ) 1 4 2 3 1 自定义函数概述1 4 2 3 2自定义函数的功能1 5 第三章空冷凝汽器单元流动传热特性的数值分析1 6 3 1 空冷凝汽器传热理论基础。1 6 3 2 直接空冷单元的物理模型1 8 3 3 空冷单元的数学模型2 0 3 3 1 控制微分方程2 0 3 3 2 计算方法的选择2 1 3 3 3收敛准则的定义2 1 3 4 空冷 3 5 边界 3 5 1 3 5 2 3 5 3 3 6 计算 3 6 1 3 6 2 3 6 3 3 6 4正x 方向来流对凝汽器单元流场的影响3 0 3 7 本章小结3 3 第四章空冷凝汽器单元喷水雾化系统的数值模拟3 4 4 1 夏季直接空冷系统存在问题与措施3 4 4 2 喷水雾化系统原理与结构3 5 4 2 1空气中喷水理论分析3 5 4 2 2 喷水雾化系统的结构。3 7 4 3 喷水雾化系统数值模拟。3 7 4 3 1 物理模型及网格划分。3 7 4 3 2 控制方程和边界条件3 8 4 4 计算结果分析与讨论4 0 4 4 1 空冷单元未加入喷水雾化装置的模拟4 0 4 4 2 空冷单元加入喷水雾化装置的模拟4 1 4 5 本章小结4 3 第五章结论与展望4 4 5 1 i 占论i l i 5 2 今后工作的展望4 5 参考文献4 6 j 改谢4 9 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 0 i l l 华北电力大学硕士学位论文 1 1研究背景及意义 第一章绪论 众所周知，随着现代电力工业的快速发展，大容量高参数汽轮发电机组的装机 容量在迅速增加，超临界以及超超临界发电机组也得到了进一步的应用，电力工业 的发展不仅需要消耗大量的一次能源，同时也需要消耗大量的水资源【1 1 。根据国土 资源部提供的相关信息，到2 0 0 8 年为止，我国探明可直接利用的煤炭储量1 8 8 6 亿 吨、石油4 0 亿吨、天然气地质总储量在3 8 万亿立方米。另外从煤炭资源的分布来 看，我国尚未开发的煤炭资源大多分布在自然环境恶劣、生态环境较差的地区，适 合露天开采的煤炭资源很少，而且资源分布与区域经济发展水平及消费需求不相适 应，这些客观因素在很大程度上制约了中国煤炭资源的开发利用。由此可见，变输 煤为输电将是我国今后走新型能源道路的一个大方向1 2 j 。 目前全世界都面临水资源紧缺这一严重问题，淡水资源的储量日益减少。而我 国的水资源也比较缺乏，南北分布很不均匀。据相关统计数据表明，我国人均水资 源仅为2 3 0 0 立方米，是世界平均水平的四分之一，位居世界第1 0 9 位，是世界上 1 3 个贫水国之一。并且我国水资源的时空分布极不平衡，尤其是“三北 ( 华北、 东北、西北) 地区，煤炭资源丰富，但水资源十分贫乏【3 1 ，这在一定程度上增加了 将丰富的煤炭资源就地转化为电力的难度，节约用水，促进水资源的合理开发利用 将是我国今后发展过程中必须要面对的一大难题。 随着世界各国经济的迅速发展和人类物质文化生活水平的不断提高，大型火力 发电厂大容量机组的投运面临着更为迫切严格的要求，即在要求电力工业高速发展 的同时，对发电厂的耗水量、烟尘排放量、冷却水废热造成的大气和自然水资源污 染、生态平衡破坏规定了严格的限制标准。因此，人类在大规模开发能源，发展电 力工业的同时，必须采取有效措施，缓解用水矛盾，控制消除污染后果，走可持续 发展的道路。 我国地域辽阔，水资源、煤炭资源、电力负荷中心分布极不平衡，环境地理条 件差异甚大。因此，湿冷机组，空冷机组在电力工业市场上并驾齐驱、并存发展将 会维持一段时期。随着国民经济的迅速持续发展，许多城市及地区相继出现生产与 生活用水日益紧张的局面，华北、西北地区富煤而缺水，水资源贫乏增加了煤炭资 源转化为电力的困难；其他水资源相对丰富的地区，大机组冷却水废热排放造成的 大气和自然水资源污染、生态平衡受到破坏的问题也逐渐引起人们的关注。显然， 水已经成为制约国民经济发展的主要因素之一。 华北电力大学硕士学位论文 发电厂汽轮机排汽空气冷却技术的应用和发展，为在严重缺水的煤矿和电力负 荷中心区域建设大型火力发电厂开辟了一条节水、经济、安全、可靠的途径，也为 水资源丰富区域保持生态平衡、避免江河水资源污染创造了有利条件。因此，发电 厂空冷技术在世界范围内都得到了广泛应用，特别是我国，走和谐、可持续发展道 理，节约用水，避免污染，提高水资源利用率，己成为新世纪电力行业发展的重大 课题【4 1 。华北西北富煤缺水地区，发电厂采用空冷技术已成为必然，其他水资源相 对充沛的地区，发电厂采用空冷技术的问题也将会受到高度的重视。 利用空气冷却的空冷方式代替利用水冷却的湿冷方式，可实现发电厂节水的目 的。1 台6 0 0 m w 火电机组当采用直接空冷系统时，可比采用湿冷塔循环冷却节约 2 5 2 0 m 3 h 的新鲜用水【5 】。空冷式电厂节水是以牺牲热经济性为代价的，对于直接空 冷式发电厂，空冷系统耗电与常规的湿冷发电厂冷却系统耗电差不多，而发电煤耗 率却增加8 左右，用水量相比减少6 5 以上。因此，实现空冷式电厂的节能是一 项很重要的任务，并且空冷系统良好的设计与优化运行是空冷电厂最具节能潜力的 局部系统，许多科研工作者在此做了大量的工作。 电站空冷系统是使用空气而不是水冷凝汽系统作为火力发电厂蒸汽轮机的冷 端，将汽轮机低压缸内做功后的乏汽冷凝成为凝结水，从而完成一个做功循环而进 入下一个做功循环。当今世界上最大的空冷机组单机容量：直接空冷机组为华电灵 武电厂二期工程( 2 x 1 0 0 0 m w ) ；当今采用表面式冷凝器间接空冷系统的最大单机容 量为南非肯达尔电站( 6 6 8 6 m w ) ；采用混合式凝汽器间接空冷系统的最大单机容 量为3 0 0 m w 级，目前在伊朗投运的3 2 5 m w 机组( 哈尔滨空调股份有限公司供货) 运行良好【6 1 ，直接空冷系统无论在单机容量还是在应用上都发展较快，全世界空冷 机组的装机容量中，直接空冷机组的装机容量占6 0 ，间接空冷机组约占4 0 【7 j 。 发电厂空冷技术作为一种最有效节水型火力发电技术，在水资源相对匮乏的地 区，大规模开发能源，发展电力工业中得到广泛应用是大势所趋。展望未来，电站 空冷技术前景继续看好，它不仅应用于缺水地区，就是在水源充沛的地区，从减少 水资源消耗，促进水资源可持续利用的角度，也是具有很高的实际应用价值的。 1 2 空冷系统概述 1 2 1直接空冷系统的工作原理 直接空冷系统，又称空气冷凝系统。汽轮机排汽经粗大排汽管道送至室外布置 的空冷凝汽器的翅片管束中，由轴流风机供应冷却空气在翅片管外流动将管内的排 汽凝结，再把得到的凝结水由凝结水泵送至回热系统。现代大中型直接空冷机组均 采用了a 型架组合的k d 型顺逆流凝汽器，其汽轮机排汽冷凝系统主要由空冷凝汽 2 华北电力大学硕士学位论文 器( a c c ) ，排一配汽管道系统，抽真空系统，散热器清洗系统及控制系统等组成。 图1 - 1 为直接空冷机组原则性汽水系统图【8 1 。 i 锅炉：2 过热器3 汽轮桃4 发电机：5 轴流冷 却风杌；6 空冷凝汽器7 凝结水藕8 凝结水燕9 凝 结水精处理装置1 0 凝结水升压泵“低压加热器 l2 除氧暑导= 1 3 给水泵；1 4 高压加热器 图1 1 直接空冷机组系统图 根据空冷凝汽器的结构型式，直接空冷机组凝汽器的结构有顺流式、逆流式、 顺逆流联合式三种【9 1 ，如图1 2 。其中顺流式是指蒸汽自上而下进入空冷凝汽器被冷 “ 却，冷凝后的凝结水也是自上而下流动，与蒸汽流动方向相同。顺流的空冷凝汽器 具有凝结水液膜较薄、传热效果好、汽阻小等优点，但在低负荷以及环境气温偏低 ， 的情况下，凝结水可能会出现过冷现象，严重时会导致翅片管束冰冻的危险。过冷 。 却会使得凝结水含氧量增多，引起翅片管腐蚀。在顺流单元内蒸汽不能完全冷凝时， 剩余蒸汽由下而上进入逆流单元被冷凝，冷凝后的凝结水的流动方向与蒸汽流动方二 向相反，即蒸汽由下而上，凝结水自上而下相反方向流动，剩余蒸汽在逆流单元被 冷凝。在机组运行时，蒸汽内总是有不凝性气体随蒸汽运动，设置逆流单元的作用 主要是排除不凝结性气体，在寒冷地区也可以防冻，防止出现凝结水过冷和冰冻现 象。在直接空冷系统中，既要提高传热性能，又要防止凝结水过冷冻结，空冷凝汽 器大多采用顺逆流联合工作的结构，即以顺流为主、逆流为辅，两者间散热面积维 持一定的比例。 顺流凝汽器：逆流凝汽器；o 凝结水连箱 图1 2 凝汽器顺流、逆流示意图 3 华北电力大学硕士学位论文 3 0 0 m w 级机组通常划分为5 - 6 个冷却单元组，每个单元组一般由4 5 个冷却 单元构成；6 0 0 m w 级机组通常划分为8 个冷却单元组，每个单元组一般由6 8 个 冷却单元构成【1 0 1 。顺、逆流冷却单元面积比例为3 ：1 - 6 ：1 ，逆流冷却单元通常靠 中间布置或顺、逆流冷却单元相间隔布置。一般情况下在6 0 0 m w 机组的散热器每 列是2 组逆流单元，3 0 0 m w 机组的散热器每列是1 组逆流单元。 1 2 2 直接空冷系统影响因素与分析 直接空冷机组以环境空气而不是以水做为汽轮机排汽的冷却介质，可有效解决 富煤贫水地区的发电问题，因而在世界上获得了较快发展。直接空冷机组与水冷机 组的主要区别在冷端系统，冷端系统设计、运行的好坏，直接关系到整个机组的经 济性，研究环境条件、汽轮机运行参数、凝汽器传热性能等对直接空冷凝汽器压力 的影响对于机组安全高效运行具有重要意义。综上所述，凝汽器压力的影响因素很 多。环境气温、凝结蒸汽量、冷却空气流量、空冷凝汽器传热系数、传热面积等因 素都会影响凝汽器压力。 ( 1 ) 环境风作用下的热回流问题【l l _ 1 3 1 。环境风对空冷系统的运行会产生不利 影响，一方面，环境风使空冷岛迎面风速降低，空冷岛传热性能恶化；另一方面， 环境风使空冷岛进口空气温度升高，产生热风再循环，导致空气冷却能力下降。上 述两方面影响，均导致凝汽器凝结温度升高，机组背压增加，运行经济性下降。在 夏季高温运行的空冷机组，当经历极端大风不利风向时，如果处理不够及时，甚至 出现非正常停机的严重事故。可见，环境大风对空冷系统的运行是极为不利的。 ( 2 ) 管束积灰问题【1 4 以5 1 。在一定的环境气温下，当维持汽轮机排汽量和冷却空 气流量不变时，凝汽器压力仅与空冷凝汽器传热系数有关。为了强化空气侧换热过 程，直接空冷凝汽器通常采用翅片管结构，翅片布置紧凑，翅片间距小。在我国富 煤贫水的西部地区，环境条件相对比较恶劣，风沙大，扬尘多，因此灰尘极易在翅 片管上聚集，严重时还会堵塞冷却空气通道，导致凝汽器传热系数降低，传热性能 恶化，机组运行经济性变差。 因此，我国直接空冷电站需要经常进行空冷凝汽器清洗，浪费了水资源，与火 电站采用直接空冷凝汽器实现节水的初衷矛盾。可见，研究直接空冷凝汽器积灰对 汽轮机背压的影响规律，并能根据机组运行过程中汽轮机背压的变化监测积灰的程 度，从而进行空冷凝汽器的合理清洗，对于机组安全经济运行具有重要意义。 ( 3 ) 空冷系统的防冻问题1 1 6 。1 引。停运空冷凝汽器时，如果系统有残留的凝结水 或蒸汽没有被及时排尽，滞留在系统中的蒸汽在环境温度冷却下，将发生空冷凝汽 器换热管束、抽真空管结冻现象。 在低负荷运行时，汽轮机的总体排汽量减少相应地进入各列的进汽量也就减 4 华北电力大学硕士学位论文 少，冬季环境温度较低，在蒸汽分配箱中的蒸汽一进入下部换热管中就会迅速凝结， 因为换热管束裸露在温度较低的环境中，当管束上部的凝结水在向下流淌时温度就 会越来越低直至结冻，管束内的冰会层层结冻最终导致整个管束冻死。 在运行方式上，国外已经积累了较为丰富的经验，国内由于引进直接空冷技术 时间较短，在运行理论及实践上尚处于摸索阶段，比如在冬季运行时应如何利用空 冷风机控制的灵活性，根据机组负荷、环境气温优化调节风机群的运行方式和选择 投入适当的空冷风机的数量，做好防冻工作；在机组启动、停机过程中，如何避免 因空冷凝汽器热负荷较低而致冻坏现象的发生。此种种问题，均须在运行实践中不 断摸索和总结。 ( 4 ) 真空泄漏问题【1 9 】。直接空冷系统采用大直径排汽管道，焊缝长，接口多， 密封困难，容易出现真空泄漏问题。空冷散热器为管束结构，管子数量多，翅片结 构复杂，而且翅片多通过纤焊或缠绕工艺连接到管子上，运输过程中如果受力易变 形，使翅片与管子连接处受到破坏而发生真空泄漏。此外，空冷岛体积庞大，密封 困难，而且维持真空也不容易实现。真空泄漏的原因很多，但大体上有三种形式， 分别为：随着汽轮机排汽和外界疏水带入；通过真空系统中的设备和管道阀门漏入。一 加热器热交换过程中把释出的非凝结气体导入。 在影响机组真空的各因素中，真空系统的严密性是主要因素之一，也是真空系o ，： 统普遍存在的问题，真空严密性差，就会有空气漏入真空系统，而这些不凝结气体t 对整个冷端系统的性能有非常不利的影响。 1 3国内外空冷系统研究现状 1 3 1 国外空冷技术研究现状 早在上个世纪3 0 年代末就已经出现了发电厂空冷技术；1 9 3 9 年，德国首先在 鲁尔煤矿的1 5 m w 汽轮机组应用了直接空冷系统，称之为“g e a 系统，从而成 为世界上第一个采用直接空冷的电厂【2 0 l 。2 0 世纪5 0 年代，卢森堡的杜德兰格钢厂 自备电站1 3 m w 机组和意大利的罗马电厂3 6 m w 机组分别投运了直接空冷系统【2 。 1 9 5 0 年，匈牙利的海勒( h e l l e r ) 教授在第四届世界动力会议上提出了间接空冷系 统，亦成为海勒式空冷系统，并于1 9 5 4 年在匈牙利第一次实现了间接空冷电站。 进入2 0 世纪6 0 年代后，英国格拉莱电厂于1 9 6 2 年在一台1 2 0 m w 机组上投运了间 接空冷系统。1 9 6 8 年，西班牙的乌特里拉斯坑口电厂一台1 5 0 m w 机组投运了尖屋 顶式布置的机械通风直接空冷系统。自此，形成了直接空冷系统与间接空冷系统两 种系统并存的局面。2 0 世纪7 0 年代初的1 9 7 1 年，在苏联拉兹丹电厂的2 0 0 m w 级 机组、匈牙利加加林电厂的2 0 0 m w 级机组、南非格鲁特夫莱电厂的5 号2 0 0 m w 5 华北电力大学硕士学位论文 级机组上，都应用了海勒式间接空冷系统。1 9 7 7 年，美国沃伊达克矿区电厂的 3 3 0 m w 机组应用了机械通风型直接空冷系统【2 引。同年，联邦德国施梅豪森核电站 的3 0 0 m w 机组应用了表面式凝汽器自然通风空冷塔的间接空冷系统。2 0 世纪8 0 年代以来，空冷技术得到了进一步的发展和应用，具有代表性的电厂有采用机械通 风型直接空冷系统的6 6 6 5 m w 级机组的南非马廷巴电厂、采用表面式凝汽器的自 然通风空冷塔的间接空冷系统的6 6 8 6 m w 级机组的南非肯达尔电厂。据报道，目 前世界上采用海勒式间接空冷系统的单机最大容量为3 2 5 m w ( 中国出口到伊朗) ， 采用哈蒙式间接空冷系统的单机最大容量为6 8 6 m w ( 南非) ，而目前在建的世界最 大单机容量的直接空冷机组为华电灵武电厂二期工程( 2 x 1 0 0 0 m w ) 。 由于电站空冷凝汽器暴露在大气环境中，因而其运行特性受环境因素的影响极 大。m e y e r 2 3 】采用数值模拟研究空冷岛入口气流流动对空冷凝汽器运行的影响，研 究发现，对于两组相同的凝汽器，入口处流动损失主要受风机入口部分凸起周边存 在的流体分离；在空冷平台上设置通道或者改善周边风机入口部分，可以有效减小 流动损失。研究环境条件对空冷系统影响的典型人物是m a r t i n p v a ns t a d e n ，他采用 数值方法模拟了环境条件对m a t i m b a 电站的直接空冷装置的影响，并给出了空冷系 统周围的速度场和温度场分布【2 4 1 。k r o g e r 利用数值模拟分析了风机运行性能对空冷 凝汽器增压室的空气动力学特性的影响1 2 引。分析表明随着风机叶片安装角以及风机 运行时体积流率的变化，会引起气流流动特性的相应变化。b r e d e l l l 2 6 j 等通过对轴流 风机运行性能进行数值研究，发现空冷平台结构对风机性能存在一定的影响，指出 增加平台附近走道可以明显增加轴流风机的送风量。v a ns t a d e n l 2 7 】等通过数学模型 的建立，模拟了周围环境对电站直接空冷系统运行的影响。 1 3 2国内空冷技术研究现状 我国发电厂空冷技术起步并不太晚，2 0 世纪5 0 年代就考虑过发展空冷电厂的 问题，1 9 5 8 年曾邀请海勒教授来华座谈间接空冷问题。1 9 6 6 年在哈尔滨工业大学 实验电站的5 0 k w 机组上首次进行了直接空冷系统的实验【2 引。进入2 0 世纪8 0 年代 后，庆阳石化总厂的自备电厂3 m w 机组投运了直接空冷系统。1 9 8 7 年和1 9 8 8 年， 山西大同第二发电厂的两台2 0 0 m w 机组首次引进了匈牙利的间接空冷系统，使我 国火电厂空冷技术发展进入了一个新的阶段。进入2 0 世纪9 0 年代，我国自行设计、 制造的四台2 0 0 m w 国产海勒式间接空冷机组于1 9 9 3 年1 9 9 5 年相继在内蒙古丰镇 电厂投产发电。以此同时，两台2 0 0 m w 国产表面式凝汽器空冷采暖供热机组分别 于1 9 9 3 、1 9 9 4 年在山西太原第二发电厂投产发电【z 引，这6 台2 0 0 m w 级空冷机组的 自行设计、制造及投运，拉开了我国大容量级空冷系统国产化的序幕。 进入2 1 世纪，我国迎来了一个采用直接空冷系统的新高潮。2 0 0 1 年山西交城 6 义旺铁合金自备 国发电厂采用直 限责任公司2 x 2 0 0 m w 直接空冷机组彤云；2 0 0 4 年秋，山西漳山发电有限责任公 司2 x 3 0 0 m w 直接空冷机组投运；2 0 0 5 年4 月，大同二电厂两台6 0 0 m w 直接空冷 机组投运。其后，山西古交电厂2 x 3 0 0 m w 机组、内蒙古上都电厂4 x 6 0 0 m w 机 组、山西榆社电厂2 x 3 0 0 m w 机组、内蒙古托克托4 x 6 0 0 m w 、山西霍州二电厂2 x 3 0 0 m w 机组、内蒙古达拉特电厂2x6 0 0 m w 机组等3 0 0 m w 级以上的大型直接 空冷机组投运【3 0 j 。另外目前还有一大批直接空冷电厂在调试或规划之中。 从2 0 0 2 年之后，大型电站空冷机组在国内大规模上马，据初步统计，单2 0 0 9 年空冷电站全年实际投产1 0 6 1 万千瓦，比2 0 0 8 年增加3 3 。而且从空冷岛供货商 来说，以前外资企业( g e a 、s p x ) 垄断国内市场的状况已经大为改观，哈空调、 龙源冷却、首航以及双良等国内空冷岛供货商已经在行业内占据了一定的市场份 额，为推动空冷设备国产化进程做出了重要的贡献。 在电站空冷凝汽器研究方面，杨立军【3 l 】等针对空冷凝汽器扁平管外蛇行翅片管 束夹角、不同空气温度以及不同空气入口流速，分别对空气侧流场和温度场进行了一“2 数值模拟，得到了空冷器外流场和温度场，以及对流换热肠和摩擦系数随雷诺数和 空冷器夹角的变化规律。研究发现对于对于单排蛇形翅片管，在迎面风速不变的情 ， 况下随夹角增加，空气换热增强，阻力减小，有效提高了换热性能。赵文升【3 2 j 等借_ 。 助c f d 软件对直接空冷系统在不同环境风影响的温度场分布情况进行了数值模拟， 结果表明空冷器的布置不合理和突然大风都容易引起热风回流现象的发生，而且环。 境风速越大，现象越明显，对机组的影响也越大。此外，还定性地分析了热风回流 发生的原因及其对空冷机组的影响，提出应根据实际情况增设不同形式的挡风墙并 合理优化空冷器及周围建筑物的布局。周兰欣【3 3 】等在考虑排汽管道压损的情况下建 立了6 0 0 m w 直接空冷机组冷端系统变工况数学模型，得出直接空冷机组冷端系统 特性曲线，分析了排汽热负荷、排汽管道压损、迎面风速以及环境温度对排汽压力 的影响。胡汉波【3 4 j 等对a 字型单个空冷单元内三维流动进行了数值研究，分析了不 同运行工况( 风机转速、风机叶片安装角) 以及环境因素( 横向风速度、环境温度) 对凝汽器单元流场特性的影响规律。结果表明迎面风速随叶片安装角的增大而增 大，随横向风速的增大以及环境温度的升高而减小，而且散热器平均迎面风速随风 机叶片安装角以及风机转速的增大而线性增加。周文平【”】等指出直接空冷凝汽器的 换热性能受a 型框架内空气侧的流场的影响，采用c f d 模拟空冷凝汽器空气侧流 场发现冷空气在凝汽器翅片间分配不均，并进一步指出优化空气侧的流场分布是提 高凝汽器换热效率的措施之一。张遐龄【3 6 l 等在环境温度、风速、风向等条件给定的 情况下利用计算流体力学软件分析了电站空冷平台周围环境空气的流动和热交换 情况。结果表面平台周围的冷却单元换热效率较低，提出了增加空冷平台最外一圈 7 华北电力大学硕士学位论文 风机功率及在空冷平台下方修建挡风建筑以改善空冷平台传热效果的建议。 北京大学的顾志福【3 7 】等人采用与周围空气密度不同的气体模拟冷凝器排出的 热气流，对国内某电厂直接空冷系统进行了风洞模拟实验，通过试验给出了不同风 速和不同风向对空冷系统总回流率的影响规律。结果表明，空冷系统的总回流率对 风速和风向颇为敏感，并且来流沿正对主厂房附近的方向吹过空冷平台时总回流率 较大。高玉忠等人【3 8 】对6 0 0 m w 机组空冷凝汽器变工况计算进行了深入分析，绘制 了空冷凝汽器特性曲线，分析了迎面风速、环境气温、凝汽器热负荷对空冷凝汽器 性能的影响。胡尊立等人【3 9 】通过对地处严寒缺水地区的美国w y o d a k 电厂使用直接 空冷系统经验的介绍，论述了在严寒缺水地区选择和建设空冷系统的相关指导思 想；段会申等人【4 0 j 对汽轮机空冷系统周围不同环境风场进行了数值模拟，给出了热 回流率随风速的变化规律，并提出了减少热风回流的措施。赵万里【4 1j 等人利用中国 航空工业空气动力研究院( 6 2 7 所) 的f l - 8 风洞进行试验，证明了在实验风速范围内， 空冷塔下平均回流率随着来流风速的增加而增加，不同来流风速下空冷塔下平均回 流率随风向角变化趋势基本相同；实验风向角b = 0 。时，空冷塔下平均回流率最大。 1 4 论文的主要内容 空冷凝汽器是发电厂冷端系统中的主要设备，其工作性能好坏直接影响机组能 否安全经济运行。尤其是在炎热的夏天，环境温度普遍较高，直接影响空冷凝汽器 的换热效率。基于此，本论文研究的具体内容如下： ( 1 ) 对直接空冷凝汽器的传热理论模型进行分析，及直接空冷系统影响因素与 分析，并对这些因素进行了综合分析，为空冷散热器的模拟计算做准备。； ( 2 ) 对c f d 数值模拟软件进行介绍，介绍了f l u e n t 软件的结构、用途、求解 问题的步骤等，并介绍多孔介质模块，离散相模块和自定义函数( u d f ) 功能为模拟 作准备； ( 3 ) 建立了空冷凝汽器单元的三维物理和数学模型，通过数值模拟的方法得到 了空冷单元的温度场，速度场等流场，对流场变化情况及相应的凝汽器散热情况进 行了分析； ( 4 ) 通过对空冷单元物理及数学模型的改进，模拟在对冷却三角分块划分进行 优化，分析其对温度场，速度场等流场的改善，使其更符合实际情况；并通过数值 模拟的方法来分析环境风向和环境风速对空冷单元运行特性的影响程度。 ( 5 ) 迎峰度夏措施是在夏季改善凝汽器传热效果的措施之一，本文提出了一种 在空冷单元内安装喷水雾化系统以改善冷却空气入口温度的方法，来提高空冷机组 迎峰度夏时的散热效率和真空度，对加装喷水雾化系统的空冷单元进行了三维数值 模拟计算，并通过数值模拟研究其对空气流动传热特性的改善效果。 华北电力大学硕士学位论文 第二章c f d 数值模拟软件理论简介 c f d 是计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 的简写。其基本的定 义是通过计算机进行数值计算和图像显示。分析包含流体流动和热传导等相关物理 现象的系统。c f d 进行流动和传热现象分析的基本思想是用一系列有限个离散点上 的变量值的集合来代替将空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场；然后， 按照一定的方式建立这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，通过求解代数方 程组获得场变量的近似值。c f d 可以看成在流动基本方程( 质量守恒方程、动量守 恒方程、能力守恒方程) 控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟，得到复杂 问题基本物理量( 如速度、压力、温度、浓度等) 在流场内各个位置的分布，以及 这些物理量随时间的变化情况，确定旋涡分布特性、空化特性及脱流区等【4 2 1 。 自1 9 8 3 年问世以来，f l u e n t 就一直是c f d 软件技术的领先者。f l u e n t 是 通用c f d 软件，具有适应性强、应用面广等优点。f l u e n t 是一个大型软件，本文 对其基本功能和多孔介质模块，离散相模块，自定义函数等模块进行简单介绍。 2 1 f l u e n t 软件简介 ，。“ - j j f j 。 f l u e n t 是用于模拟具有复杂外形的流体流动以及热传导的计算机程序， f l u e n t 软件采用c c + + 语言编写，从而大大提高了对计算机内存的利用率，因此， 动态内存分配，高效数据结构，灵活的求解控制都是可能的。除此之外，为了高效 执行，交互控制，以及灵活地适应各种机器及操作系统，f l u e n t 是用c l i e n t s e r v e r 结构，因此它允许同时在用户桌面工作站和强有力的服务器上分离地运行程序。 f l u e n t 的软件设计基于c f d 软件群的思想，从用户需求角度出发，针对各种复杂 流动的物理现象，采用不同的离散格式和数值方法，以期在特定的领域内使计算速 度、稳定性和精度方面达到最佳组合，从而高效的解决各个领域的复杂流动计算问 题。 2 1 1f l u e n t 程序的结构 f l u e n t 软件包中包括以下几个软件： 1 f l u e n t 求解器一一f l u e n t 软件的核心，所有计算在此完成； 2 p r e p d 卜一f l u e n t 用p d f 模型计算燃烧过程的预处理软件： 3 g a m b i t 一一f l u e n t 提供的网格生成软件； 4 t g r i d 一一f l u e n t 用于从表面网格生成空间网格的软件： 5 t r a n s l a t o r s m 一可以将其他c a d c a e 软件生成的网格文件变成能被 9 华北电力大学硕士学位论文 f l u e n t 识别的网格文件。可以接口的程序包括：a n s y s ，i - d e a s ，n a s t r a n ， p a t r a n 等。 上述几种软件之间的关系如图( 2 1 ) 所示。 图2 - 1f l u e n t 软件各组件之间的关系图 2 1 2f l u e n t 程序的用途 f l u e n t 功能十分强大，所有涉及流体流动、热交换、分子运输等现象的问题， 几乎都可以通过计算流体力学的方法进行分析和模拟。其应用涵盖了水利工程、土 木工程、环境工程、食品工程、海洋结构工程、工业制造等诸多领域。其适用范围 相当广，可以计算的流动类型包括： 1 任意复杂外形的二维三维流动问题； 2 可压、不可压流流动； 3 定常、非定常流动； 4 无粘流、层流和湍流； 5 牛顿、非牛顿流体流动； 6 对流传热，包括自然对流和强迫对流； 7 热传导和对流传热相耦合的传热计算； 1 0 华北电力大 8 辐射传热计算；， 9 惯性( 静止) 坐标、非惯性( 旋 1 0 多层次移动参考系问题，包括动网格界面和计算动子静子相互干扰问题的 混合面等问题； 1 1 化学组元混合与反应计算，包括燃烧模型和表面凝结反应模型l 1 2 源项体积任意变化的计算，源项类型包括热源、质量源、动量源、湍流源 和化学组分源项等形式； 1 3 颗粒、水滴和气泡等弥散相的轨迹计算，包括弥散相与连续项相耦合的计 算； 1 4 多孔介质流动计算； 1 5 用一维模型计算风扇和换热器的性能； 1 6 两相流，包括带空穴流动计算。 1 7 复杂表面问题中带自由面流动的计算。 2 1 3f l u e n t 基本网格形状 f l u e n t 的网格形状按2 d 和3 d 分为如下基本形状，如图2 2 所示： 二槲。口 恤9 1 e q u a l 酗址刚 瑚格。 钐 矽同 j 1 4 “。p r i s m o rw e d g e 图2 - 2f l u e n t 的基本网格形状 华北电力大学硕士学位论文 2 1 4用f l u e n t 程序求解问题的步骤 1 定义流场的几何参数并进行网格划分； 2 启动相关的求解器； 3 输入网格； 4 检查网格； 5 选择求解器格式； 6 选择求解所用的基本方程：层流还是湍流? 有没有化学反应? 是否考虑传 热? 是否需要其它的物理模型，比如是否使用多孔介质模型? 是否使用风扇模型? 是否使用换热器模型? ； 7 定义物质属性； 8 定义边界条件； 9 调整解的控制参数； 1 0 初始化流场； n 开始求解； 1 2 计算结束后检查计算结果； 1 3 保存结果； 1 4 如果结果不理想，可以考虑细化网格、改变数值或者调整物理模型重新进 行计算。 2 1 5f l u e n t 求解方法的选择 f l u e n t 提供三种计算方式，即分离方式、耦合隐式和耦合显式。这三种计算 方式都可以给出精确的计算结果，只是针对某些特殊问题时，某种计算方式可能比 其它两种方式更快一些。 分离计算和耦合计算的区别在于求解连续、动量、能量和组元方程的方法有所 不同。分离方式是分别求解上面的几个方程，最后得到全部方程的解，耦合方式则 是用求解方程组的方式，同时进行计算并最后获得方程的解。两种计算方式的共同 点是，在求解附带的标量方程时，比如计算湍流模型或辐射换热时，都是采用单独 求解的方式，就是先求解控制方程，再求解湍流模型方程或辐射方程。显式和隐式 的区别在于对方程的线化方式有所不同。 f l u e n t 求解器的缺省计算方法是分离算法，但是对于高速可压流、彻体力强 耦合型问题( 比如浮力问题或旋转流动问题) 、超细网格计算问题等类型的问题， 最好还是使用耦合隐式计算方式。这个求解器收敛速度更快，只是需要占用更大的 内存。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 2 2 f l u e n t 功能模块与分析过程 2 2 1多孔介质模块 多孔介质模型可以应用于很多问题，如通过充满介质的流动、通过过滤纸、穿 孔圆盘、流量分配器以及管道堆的流动。当你使用这一模型时，你就定义了一个具 有多孔介质的单元区域，而且流动的压力损失由多孔介质的动量方程中所输入的内 容来决定。通过介质的热传导问题也可以得到描述，它服从介质和流体流动之间的 热平衡假设。 多孔介质模型结合模型区域所具有的阻力的经验公式被定义为“多孔 。事实 上多孔介质不过是在动量方程中具有了附加的动量损失而已。因此，下面模型的限 制就可以很容易的理解了。 流体通过介质时不会加速，因为事实上出现的体积的阻塞并没有在模型中出 现。这对于过渡流是有很大的影响的，因为它意味着f l u e n t 不会正确的描述通过 介质的过渡时间。 多孔介质对于湍流的影响只是近似的。要使用多孔介质模型，必须定义描述多 孔区域的流体区域。定义完模型之后，f l u e n t 会自动将流体区域设为多孔区域。 ! ，二。 二 = ：艺! i ， 2 2 2 离散相模块 f l u e n t 在求解连续相的输运方程的同时，在拉格朗日坐标下模拟流场中离散 相的第二相；离散相模型解决的问题：煤粉燃烧、颗粒分离、喷雾干燥、液体燃料 的燃烧等：应用范围：f l u e n t 中的离散相模型假定第二相体积分数一般说来要小 于1 0 1 2 ( 但颗粒质量承载率可以大于1 0 1 2 ，即可模拟离散相质量流率等大于 连续相的流动) ；不适用于模拟在连续相中无限期悬浮的颗粒流问题，包括：搅拌 釜、流化床等；颗粒颗粒之间的相互作用、颗粒体积分数对连续相的影响未考虑； 湍流中颗粒处理的两种模型：s t o c h a s t i ct r a c k i n g ，应用随机方法来考虑瞬时湍流速 度对颗粒轨道的影响；c l o u dt r a c k i n g ，运用统计方法来跟踪颗粒围绕某一平均轨道 的湍流扩散。通过计算颗粒的系统平均运动方程得到颗粒的某个“平均轨道 。 除了简单喷射模型，对于喷雾过程，f l u e n t 提供更为复杂的喷雾模型。对多 数喷射入口，用户需要设定颗粒的初始直径、位置以及速度。但是，对喷雾来说， 可以使用模型来模拟液滴的迸裂、合并以及不同颗粒形状引起的颗粒曳力系数的变 化。 f l u e n t 提供五种雾化模型： 1 平口喷嘴雾化( p l a i n o r i f i c ea t o m i z e r ) ； 2 压力一旋流雾化( p r e s s u r e s w i r la t o m i z e r ) ； 1 3 华北电力大学硕+ 学位论文 3 靶式雾化( f l a t f a na t o m i z e r ) ； 4 气体辅助雾化( a i r b l a s t a i r a s s i s t e da t o m i z e r ) ； 5 气泡雾化( e f f e r v e s c e n t f l a s h i n ga t o m i z e r ) ； f l u e n t 程序除了模拟连续相以外，也可以在l a g r a n g i