（工程热物理专业论文）600mw直接空机冷风机群流体动力学特性研究.pdf

中文摘要 中文摘要 直接空冷风机运行情况对整个凝汽器的换热效果起着决定性作用。本文基于 充分利用轴流风机的调频功能，通过数值模拟方法研究风机群并联运行规律，研 究结果可以为电厂实现风机单机或局部调控提供一定参考，并为改善直接空冷凝 汽器的换热能力和减少风机耗电量提供基础数据。 首先分析了在有、无风环境下，空冷风机群并联运行时动力学特性。研究结 果表明：无风时中间风机进风量较多，而且各风机的容积效率差距较小，约为 0 9 6 8 o 。9 8 ；有风时各风机容积效率差距较大，约为o 5 5 0 9 3 ，有风时风机进风 温度比无风时高。 在有风群抽规律的基础上，进一步分析环境因素对风机群运行特性的影响。 主要研究环境风速、风向和风温等对风机群运行规律的影响。研究结果表明：随 着风速提高，各风机容积效率不断降低，靠近来流的风机下降幅度更大，最大可 达到风速每增加1 n 怕，容积效率约下降0 1 3 ；随风向角增大，风机总进风量先减 小后增多，在4 5 。时最少。分析了加装不同形状挡风墙、导流板和挡板时风机群 并联运行特性。研究结果表明：加装曲面挡风墙时，靠近来流的风机容积效率都 提高；挡风墙全凹时不仅可以增加风机进风量，而且减小风机进风温度；沿来流 方向后排单元间加装挡板，风机总的进风量比未加挡板时多增加1 1 0 s ；加装导 流装置后，各风机的容积效率均增大，最多增加7 ，随着导流装置与风机平面距 离的增加，各风机进风量会增加，但增加幅度越来越小。 通过正交试验法分析风速、挡风墙形状、导流板和挡板综合作用时，各因素 影响的主次关系，得出低风速下，加内凹挡风墙，沿来流方向后排单元间加挡板， 在风机平面4 m 处加导流装置，更有利于风机吸风。 本文研究结果对电厂空冷岛设计和风机运行调节具有一定的指导意义。 关键词：直接空冷机组，风机群，动力学特性，空冷岛结构，数值分析 a bs t r a c t t h eo p i ；僦o nc k 哦耐e r i s t i c so ff i 觚s ，w l l i c ha r ei nd i r c c ta i r - c o o l e dc o n d e n s e r ，p i a y ad e t e 咖i i l i n g l ei nt h eh c a tt 啪s 衙o f t h cw h o l ec o n d e i l s e cb 懿e do n 恤触lu s eo f t h ef m 鼬c t i o no f 觚i a ln o w 矗m s ，t 1 1 i ss 伽ys 啪撇r i z e s 廿1 ep a r a l l e l l yo p e r a t i n g c h a r a m e 五s t i c so f 触目r o u pb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h er e s u l t sp r o v i d es o m er e f 酾1 c e t 0p o w e rp l 锄ta c l l i 砌n gs t a n d - a l o n eo rl o c a lr e _ g u l a t i o no ff a n s ，a i l du n d e 订i eb 弱i cd a t a t 0i n l p l r o v et h eh e a t 胁f ho fc o n d e n s c r 孤l d 同u c ee n e 理黟c o n s u l l l p t i o no ff a n s t h ed ”a i i l i c sc h a r a c t e r i s t i c so f s 玳m e s t i g a t e dw i t h 觚dw i t h o u tw i n d r c s p e 嘶v e l yt h er e s u l t s 谳，e a lt h a tt h ev o l 啪en o w m t eo f 而d d l ef 觚i sm o r e ，a l l dt l l e d i f | f e p e l l c eo fv o l u m e t r i ce 伍c i e i l c yo ff a n si sl i t t l e ，t h a ti s0 9 6 8 0 9 8w i t h o u tw i n d 啊1 ed i 妇f e r e n c ei so b v i o u sw i t hw i n d ，t h a li so 5 5 0 9 3 b e s i d e s ，t h ea i rt e i 】叩e r 硼朋eo f 胁sw i t hw i i l di sh i 曲e rt l 啪t h a tw i t h o u tw i l l d b a s e d0 nt h er e g u l a t i o n so ff a l l sp a r a l l e l l yo p 删n 岛t h ei n j e l u c eo fe i l v i r o n m e n t 蠡i c t 0 i so nf h n si s 矗l r t b e rd i s c u s s e d t h em a 如吼v i i l o n n 】e n t a lf a c t o i si n c l l l d ew i n d v d o c i 饥w i n dd i r c c t i o na n da i rt 锄p e l 剐础r e t h er 器u l t ss h o wt h 鸸w i t ht l l ew i l l d 、，i l o c i t ) ，i n e a s e d ，1 ev o l u m e t r i c 绷f i c i 姐c yo f 蠡m sc o n t i n l l et 0 捌1 ，锄dt h a to f 胁s c l o s et 0i n c 0 i n i n gn o wf a l l se v 吼m o r es h a 叩1 y ，v o l u m e t r i ce 伍c i c n c ym 觚i l n 瑚1 d e c r e a s 髂a b o u to 1 3 嬲w i i l dv e l o c i t yf o r c ha d d i t i o n a lu pt o1 m s w i mt h ew i n d d i r e c t i o na n 酉ei n c r e a u s i n 岛t o t a lv o l u 】 i l en o wr a t eo ff 觚si s6 r s td e c r e a s e d 趾dt h e i l i l l c r e 嬲e d ，觚da t4 5o m el e a s t f u n h e 册o r 岛t h ep a r a l l e l l yo p 硎n gp 耐- o m a n c eo f 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o g e t h e rw o 比m ee x t 饥to fi n f l u e i l c ei s 锄a l y z e db yo r t h 0 9 0 n a le x p 嘶删斌d e s i 班ni s f o u n dt l l a tn l ev o l u m en o wm t eo ff a l l si sb i 岛i ft h ew i n dv e l o c i t yi ss n l a l la n d v 北京交通大学硕士学位论文 一 c o n c a v e dw i n db r e a kw a l l ，b a m eb e t w e e i lb a c kr o wa 谗c 0 0 1 e du n i t sa n d 鲥d i n gd e v i c e i n ，= 4 m 踟陀i n s t a l l e d t h er e s u l t so ft h i ss t l l d yh a v es o m es i 嘶f i c a n c ef o ra 小c 0 0 l i n gi s l a n dd 伪i 鲷a n d 伽o p e r a t i o nr e g u l a t i o ni np o w e rp l 锄t 1 ( e y w o r d s ：d i r e c ta * c 0 0 1 e du 1 1 i t s ；g r o u p ；d y n 锄i c sp e r f b m a n c e ；s t l l 】c t i l r eo f a i r - c 0 0 1 e dp l a t f o m l ；n u m e r i c a ls i m _ u l a 五o n 致谢 本论文是在导师陈梅倩教授悉心指导下独立完成的。从论文的选题、方案论 证、研究内容和方法的确立，直到论文结构编排的整个过程，都倾注了导师大量 的心血。陈梅倩教授严谨的科研态度和渊博学识对本论文的完成给予了极大的帮 助和影响。在此致以崇高的敬意和衷心的感谢! 在论文期间，得到了杨飞副教授细心指导和帮助，提出了许多宝贵的意见， 在此致以崇高的敬意和衷心的感谢! 华北电力大学的杨立军老师对作者的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意 见，在此表示衷心的感谢! 在实验室模拟研究、数据处理和撰写论文期间，师兄周敬博、许鑫星、罗华 俊及张浔、张扬和曾帅等同学对我论文提供了大量的意见及建议，并且在论文分 析方面提供了大量宝贵经验，在此向他们表达我的感激之情。 另外，更要感谢我的父母和一直关心我的亲人和朋友，感谢他们在我求学道 路上的支持与鼓励，他们的理解和全力支持使我能够在学校专心完成我的学业。 感谢那些曾给予我帮助但一时难以念及的老师、同学和朋友。 1 引言 1 引言 我国是一个水资源紧缺的国家，淡水资源尤其匮乏，而且水资源时空分布也 不平衡，水已经变成制约我国经济发展的重要因素之一。特别是我国的三北地区， 煤炭资源丰富，而水资源相对不足，年平均水量都不足全国的l 3 。 水资源的短缺严重影响着发电厂的建设，空冷技术作为一种既经济又环保的 冷却方式，逐渐被应用。根据理论计算和实测结果可知，与同容量湿冷机组相比， 直接空冷机组冷却系统本身可节水9 7 以上，全厂性节水约6 5 ，而且相同数量 的水可建设的空冷机组规模比湿冷的大三倍【，这充分说明了空冷技术节水能力。 因此直接空冷技术得到了迅速的发展，特别是在“富煤缺水”地区。 1 1 概述 直接空冷系统又称空气冷却系统，即直接用空气冷却汽轮机排汽。直接空冷 系统所需要的冷却空气，通常直接南机械通风方式供应。图1 1 为空冷岛实景。 图1 1 空冷岛实景 f i g 1 - la j “；o o l 堍i s l a n d 1 1 1 电站直接空冷技术的特点 1 ) 直接空冷系统组成 直接空冷系统重要组成部分包括：空冷凝汽器( a i rc o o l e dc o n d c i l s e r ，简称 a c c ) 、排空系统和翅片管清洗系统。空冷凝汽器分顺流凝汽器和逆流凝汽器，如 图1 2 【2 1 。顺流凝汽器为主凝结部分，冷凝7 5 8 0 的蒸汽。逆流凝汽器主要作 用是排出凝汽器内未凝结蒸汽和空气。 北京交通大学硕士学位论文 禽瓮高 1 顺流凝汽器；2 逆流凝汽器；3 凝结水收集装置 图1 - 2 凝汽器顺流、逆流示意图 f i g 1 - 2s k l t c hd i a g r a mo f f 0 刑a r da i l da d v e 璐en o w i nt i 蟛痂w 0 0 l e dc o n d e n s e 风机在空冷凝汽器强化传热中起着关键的作用，风机性能的优劣是衡量凝汽 器性能优劣的重要标志。为满足大风量的需求，风机几乎都采用立式轴流风机， 如图1 3 所示，每组空冷凝汽器都配置一台轴流风机。 图1 - 3 轴流风机 f i g 1 - 3a x i a l f l o w 2 ) 直接空冷电站特点【2 1 直接空冷电站优点：厂址选择自由度大，不受水资源限制；可以达到废水零 排放的要求，保护环境；与间接空冷系统相比，占地面积小，设备少，系统简单， 冷却效率高，防冻性能好，更能适应恶劣气候条件。 直接空冷电站缺点：直接空冷电站的空冷散热器体积庞大，投资较高；直接 空冷系统的冷却性能受环境条件影响很大，导致汽轮机背压变幅增大，发电煤耗 增多。 1 1 2 电站空冷技术的发展概况 2 北京交通大学硕士学位论文 在国际上，空冷系统已广泛应用各类电站，如大功率的空冷机组和小功率地 热发电机组。1 9 3 9 年德国首开在火电机组上应用空冷技术的先河，建造了世界上 第一台1 5 m w 直接空冷机组；1 9 6 2 年，第一台1 2 0 m w 混合式间接( 海勒) 空 冷机组在英国投运；1 9 8 5 年，第一台3 0 0 m w 表面式间接( 哈蒙) 空冷机组在德 国投运。目前，投运的容量最大的空冷机组为南非m a t i n l b a 电站的6 6 5 m w ( 直接 空冷) 机组和南非k e n d a l 电站的6 6 5 m w ( 表面式间接空冷) 机组【3 1 ，至今运行 良好。近5 年来，空冷技术在伊朗等国得到迅速发展，多数机组采用直接空冷系 统或海勒式空冷系统。总体来讲，直接空冷技术要比间接空冷技术发展空间大。 我国首次应用直接空冷技术是1 9 6 6 年，在哈尔滨工业大学5 0 k w 的电站机组 上【4 】。1 9 6 7 年在山西侯马电厂的1 5 m w 机组上实现了直接空冷技术在工业上应 用。进入8 0 年代以后，我国空冷技术得到发展，多采用间接空冷技术。目前，国 产2 0 0 m w 直接空冷机组已在大同云冈发电厂投入运行，大同二电厂二期2 台 6 0 0 m w 机组，漳山2 台3 0 0 m w 机组，古交2 台3 0 0 m w 机组，塔山4 台5 删 机组全都相继采用了直接空冷技术。宁夏灵武发电厂2 1 0 0 0m w 直接空冷机组的 可行性研究报告已经通过审查，计划于2 0 1 1 年全部建成投产【5 】。这些空冷电厂投 入运行，将大大推进我国直接空冷技术的发展。 随着水资源的日益匮乏，直接空冷汽轮机的应用范围不断扩大，不但用于干 燥地区，而且用于水源不是很短缺的地区；不仅用于燃煤火力发电厂，而且用于 燃气蒸汽循环电站、垃圾电站、工业企业自备电站等。因此，未来空冷电厂的发 展前景十分看好。 ： 1 2 研究背景及意义 直接空冷技术在降低耗水量、保护环境等方面发挥着重要的作用，它将是我 国实施经济可持续发展的必行之路。随着这项技术的日趋成熟与完善，空冷机组 已经成为我国三北地区火力发电站的主力军，空冷机组也向着大容量、高参数、 超临界、超超临界机组的方向发展。 1 2 1 直接空冷系统存在的问题 总结目前已投运机组的运行经验，直接空冷机组存在以下几方面的问题： 1 ) 空冷风机的运行问题。风机作为冷端主要设备，其进风量的大小直接影响到 空冷岛的冷却能力。但目前其调频功能应用较少，风机消耗的厂用电多，降低了 电厂发电效率。 北京交通大学硕士学位论文 2 ) 直接空冷凝汽器在室外露天布置，很容易受到环境条件的影响。环境风速、 风温以及风向都会不同程度的影响其换热效率。尤其是在寒冷的冬季，有发生冰 冻的危险。 3 ) 直接空冷凝汽器一定的传热面积对应特定的环境温度，当环境温度超过该温 度时，汽轮机背压将会升高。虽然汽轮机能适应较大范围背压变化，但一年中总 会有一段时间出现背压超出范围，机组被迫降负荷。 4 ) 空冷凝汽器排出的热风，其中一部分又被风机重新吸回到凝汽器内，称之为 热风回流。热风回流将会降低空冷凝汽器的换热效率，使汽轮机背压升高，影响 机组的正常运行，有时甚至会导致设备的停运。空冷凝汽器的热风回流受环境因 素和厂房布置的影响。 由于以上问题的存在，将会影响到机组安全运行，而且使整个空冷机组的综 合效率偏低。因而对不同环境条件下的风机运行特性的研究很有必要，而且需要 改造空冷岛自身结构来改善热风回流。 1 2 2 空冷风机作用和重要性 直接空冷机组是用空气直接冷却蒸汽，空气通常由轴流风机以机械通风方式 来提供。运行过程中，自控系统会根据汽轮机背压来调节风机的转速，得到合适 的空气量。变频装置可以控制风机在2 0 1 0 0 额定转速【6 】内调节，来适应工况变 化。若长时间在最低转速运行，自控系统会停转部分风机；若所有风机都在最高 转速下运行，则自控系统会启动备用风机；此外，在冬季空冷机组通过风机逆转 来达到防冻。可以说，风机的可靠性决定了机组的安全性和经济性。 但目前国内空冷机组发电效率普遍偏低，与常规湿冷机组相比煤耗高很多， 出现这种情况的一个重要原因是电厂对风机群的操纵存在一定问题。现在电厂对 风机群多是自动调节，而且风机速率共同升降。根据环境、负荷的变化，专门针 对单个风机或特定区域进行单独调控几乎是不存在。追溯其根本，主要是现在对 风机并联运行的特点及规律认识比较浅。因此有必要对风机群的运行规律做一个 全新的认识与理解。空冷凝汽器风机所处环境不同于管路内风机。在大气环境下， 不仅仅是环境温度对风机吸风量产生影响，环境风速、风向的影响同样不可忽略。 因此，空冷岛风机的运行特性有其独特之处。特别是在大容量直接空冷机组上， 风机群的“群抽效应 体现更为明显，其对机组安全、经济运行有重要影响。 因而尽可能全面了解空冷岛风机群的“群抽 规律，可以为优化风机性能提 供一定理论依据，为空冷电厂做到节能运行提供一定理论依据。 4 北京交通大学硕士学位论文 1 2 3 空冷岛的挡风墙及导流板作用 空冷凝汽器的换热效率对空冷机组安全、经济运行起着关键作用。直接空冷 凝汽器布置于自然环境中，因而其换热效率直接受风场的影响。环境风速、风向、 风温以及其流场分布特征都会影响空冷机组的稳定运行。实际运行经验表明，在 大风条件下热风回流使机组背压急剧升高，严重影响机组的安全、经济运行，而 通过在凝汽器四周加装挡风墙可有效削弱热风回流现象，从而减小对换热的不利 影响。在空冷岛四周风机下方加装导流板，可以降低环境风场对挡风墙四周风机 吸入口的影响；同时在各单元之间加装合适的挡板也可以消弱各单元自身热风回 流。 在直接空冷凝汽器平台四周加装挡风墙，可以抑制热风回流，提高凝汽器的 换热效果，这已是不争的事实，但是对于某一空冷机组，挡风墙的最佳形状，还 有待研究，这对空冷火电厂的新建和改造有一定的指导意义。加装导流装置可以 改善风机的吸风量，但需要加装在合适的位置，距风机的合适距离有待研究。 1 3 国内外研究现状 从1 9 3 9 年德国首次在鲁尔矿区的1 5 m w 机组应用直接空冷系统，到标志着 a c c 技术应用进入新阶段的1 9 8 7 年南非马廷巴电厂( 6 6 6 5 m w ) 的投运，再到 目前我国即将在宁夏灵武电厂准备建设的1 0 0 0 m w 超超临界直接空冷机组，直接 空冷技术已得到了快速的发展。但是空冷机组效率偏低的问题，一直困扰着人们， 使得无数科研工作者不断地寻求解决此问题的办法和途径。 1 3 1 国内研究现状 国内有关空冷岛主要分两个方向来研究，一方面是针对空冷单元，研究各种 环境因素对单元换热效率的影响，另一方面是对空冷岛结构进行优化分析。 g u f 7 9 】等应用相似准则原理对大型直接空冷系统进行风洞模拟实验，并提出用 回流率的概念作为衡量凝汽器效率的指标。实验结果表明，风速、空冷平台高度 和来流风向角是产生回流率的重要影响因素，降低凝汽器的换热效率。 赵文升、赵万里等【l 叭l j 在g u 的基础上，对直接空冷系统在不同风速下流场、 温度场分布情况进行了数值模拟，得出空冷凝汽器的布置不合理和大风都容易引 发热风回流，风速越大越容易引起热风回流，对机组的冷却性能影响越大。同时 还定性分析了热风回流产生的原因。 北京交通大学硕士学位论文 周文平【1 2 】采用将轴流风机与a 型框架耦合的方法对空冷单元进行分析，模拟了 风机的转速对空冷单元内空气流场分布的影响，并且通过与常规的风机处理成无 限薄平板的计算结果对比，得出采用耦合的方法可以反映出一些重要的流动现象， 如“倒灌”现象。 胡汉波【l3 】通过模拟手段，分析了不同环境风速、风温下，空冷单元内流场及 温度场的分布，并且通过对不同风机叶片安装角度、不同风机转速下空冷单元的 流场及温度场模拟，分析得出散热器出口质量平均速度随风机叶片安装角的增加 呈二次曲线规律增加，随风机转速增加呈对数曲线增加。 张遐龄等【1 4 】采用数值模拟法对直接空冷凝汽器的换热特性进行分析研究，并 提出增加平台最外圈风机的功率和挡风墙下延来提高凝汽器换热效率的建议。 周兰欣等【l 孓1 。7 】利用c f d 软件对某3 0 0m w 机组空冷岛的换热进行了数值模 拟，分析了不同风速对直接空冷凝汽器换热效率的影响，提出在空冷岛上加装下 挡风墙，以减小热风回流对空冷岛换热的影响。 冯玉朝【l8 】对某6 0 0 m w 直接空冷机组的冷端外部流场进行了模拟，分析了特定 风向下风速对空冷岛换热效率的影响，并模拟了空冷平台下部增设防风网时空冷 岛的流场分布。 贾宝荣、杜小泽和杨立军等【1 9 抛1 结合2 3 0 0 m w ，2 6 0 0 m w ，2 1 0 0 0 m w 机组都做过相应数值模拟，研究分析了环境横向风及其它各种风向对空冷岛冷却 空气流动传热特性的影响，并提出在空冷单元内部加装导流板来优化散热特性等 新技术。 杜小泽、杨立军和杨勇平等【2 3 】用数值分析法研究风机分区调节对凝汽器换热 的影响，得出增加空冷岛外围单元风机群安装角，可提高风机迎面风速，降低进 口空气温度。 席新铭和李海宏 2 4 彩1 分别对直接空冷机组变工况时的风机运行问题进行了研 究，分析了凝汽器压力与风机进风量之间的变化关系，给出了根据压力确定风量 的方法。 杨杰【2 6 j 针对目前风机流场研究以数学模拟为主，建立相应数学模型，对复杂 流场和边界进行数值计算，然后利用m a t i 。a b 来实现流场内数据的图形化显示， 可以定性、定量地分析数值计算中流场的各个物理量变化。 李建锋、吕俊复阴对9 2 6 型高压离心风机内部的三维气体流动进行了数值模 拟与分析。计算中采用了标准七一占湍流模型与非结构化网格。 1 3 2 国外研究现状 6 北京交通大学硕士学位论文 国外研究侧重点不同于国内，他们在空冷岛结构改进等方面做了大量的研究， 特别是在风机的问题上作出很大贡献。 m g e r 等【2 8 。1 】的研究工作最为突出：通过回流率来表征风速对回流影响的大 小，提出了通过改变叶片安装角度，选择合适的风机轮毂比等方法，来改善风机 吸风能力，从而提高凝汽器的换热效率。 b r e d e l l 等 3 2 】对轴流风机运行性能进行了数值研究，分析了平台高度，步道宽 及风机自身轮毂比对风机进风量的影响。 h o t c h k i s s 等 3 3 】利用数值模拟方法研究了横向风对风机运行特性的影响，并分 析了进风角度和叶片安装角度对风机进风量的影响，结果表明进风角度为4 5 。时 最有利于风机吸风。 m e y e r 【3 4 】采用数值模拟分析了进口流体变形对空冷凝汽器换热的影响，研究表 明：空冷风机外围进口流动损失主要是在风机进口部分的凸缘处周围出现流体分 离引起的，通过在安装风筒或者改善风机入口部分，可以减小流动损失。 m e y e r 和l ( r o g e r 【3 5 1 利用数值模拟法研究了风机对凝汽器充气室内空气流动传 热特性的影响。研究表明风机叶片安装角度及风机运行时进风体积流率都会影响 了充气室流场分布。 z h o u 等【3 q 利用c f d 软件模拟了多相流体和吸附颗粒之间的增湿颗粒在碱性喷 雾发生器的焚烧炉烟气中的净化过程，运用离散相追踪法，结合随即的概率模型， 判断粒子是否被抓住。 b h 鹤k e r 【3 7 】对横流中单股紊动射流流场的流动特性进行了数值模拟，提出了壁 面函数法处理近壁区流动的建议。 4 o w 饥【3 8 】通过研究加装风屏障的空冷岛的流场分布，说明加装风屏障有利于消 弱环境风对空冷岛换热效率的影响。 从国内前人研究来看，对加装挡风墙对空冷凝汽器凝结效率影响的研究并不 少，但是挡风墙形状对空冷凝汽器换热效率的影响研究较少。对风机群的研究更 少，国外的研究并没有结合环境影响等因素，与实际情况有较大差距，仅仅做到 了单台风机性能的提升。 1 4 本文研究内容 要合理解释风机群的“群抽”效应，不仅要讨论单台风机的特性，更应将实际情 况与风机群的运行特性紧密结合。为此本文对某6 0 0 m w 机组直接空冷凝汽器风机 群群抽性能进行数值模拟，主要研究内容包括以下几个方面： 1 ) 研究无风和有风情况下直接空冷凝汽器风机群并联运行规律，并与现场试验 7 北京交通大学硕士学位论文 结果进行对比分析，验证数值模型的正确性。 2 ) 研究环境风速、风温、风向角影响下空冷风机群群抽规律的变化。通过数 值模拟，分析风机群并联运行时各风机的进风量、进风温度变化情况，以及所有 风机总的进风量在不同环境条件下的差异。 3 ) 研究空冷岛自身结构改变对空冷风机群群抽规律的影响，通过对加装不同 形状的挡风墙、加装挡板、加装导流板的空冷岛进行数值模拟计算，分析得出不 同空冷岛结构下各风机的进风量、进风温度及流场分布的差异。 4 ) 对模拟数据的结果进行正交试验分析，选择主要因素及水平，综合考虑风 机的进风量和进风温度，分析各因素对直接空冷凝汽器风机群进风量和进风温度 影响的主次顺序，得出最优试验方案。 8 2 直接空冷凝汽器风机群群抽效应研究 2 直接空冷凝汽器风机群群抽效应研究 空冷风机作为空冷岛的主要设备，其电耗占厂用电比例很大，最大时达到1 7 左右，为了提高电厂的发电效率和节省能源，降低风机的耗电量势在必行。目前 电厂风机群多采用的是多风机同转速运行，并未考虑风机群并联运行时相互影响， 这就使部分风机消耗与付出不协调，因而很有必要了解风机并联运行规律，利用 风机的调频功能，实现单机调控，降低其耗电量，节省能源。 2 1 模型建立 2 1 1 物理模型 以某电厂6 0 0 m w 直接空冷机组为例开展研究，电厂原始尺寸参数如下所示。 图2 1 为空冷单元示意图，l = 1 3 3 2 m ，s = 1 1 4 m ，挡风墙高度h d = 1 2 m ，单元 间距b l = 0 2 l m ，最外侧空冷单元离挡风墙的距离w s l = 1 2 m 、w s 2 = 1 8 m ， h 寻1 1 2 2 m 。 图2 1 空冷单元示意图 f i g 2 - ls c h 锄a t i cd i a 莎珊o f a 小c o o l e dc o n d e 璐e r 吼i t 西 北京交通大学硕士学位论文 空冷平台其它结构参数见表2 1 。 表2 1 空冷平台结构参数 t a b l e2 - ld i m e n s i o 璐o f a i r - c o o l e dp l 利f i o m 为了研究方便，本文选取空冷岛中间位置3 3 的空冷平台作为研究对象，根 据以上所列空冷平台结构尺寸，利用g 锄b i t 软件建立几何模型，其结构示意图如 图2 2 所示。 lo oo 图2 2 空冷凝汽器结构示意图 f i g 2 2t h es 拍咖r ed i a g 阮mo f d i r e c ta i 卜c o o l e dc o n d e n s e r 考虑环境的影响，对无风和有风两种情况采用不同的计算域来研究，无风时 采用f 2 j 4 0 0 2 0 0 ( m ) 的圆柱体，有风时模型计算域为4 0 0 4 0 0 2 0 0 ( m ) 的长方体， 图2 3 为计算域示意图。 1 0 北京交通人学硕士学位论文 ( a ) 无风时计算域 有风时计算域 图2 - 3 计算域示意图 f i g 2 3c o m p u t a t i o n a ld o m a i l lo fd i i 喇a i r - c 0 0 l e dc o n d e n s e r 2 1 2 数学模型 本文研究基于以下简化条件： 1 ) 假定机组负荷保持不变，所有风机保持同一转速； 2 ) 简化风机成一个平面； 3 1 散热器处理成多孔介质； 4 1 假定冷却介质中没有掺杂任何固体颗粒等，为纯净的空气： 5 1 空冷岛周围的大气运动和凝汽器内热空气流动可看作是不可压缩定常流动 6 1 假定环境温度为3 0 0 k 流动区域控制方程是采用雷诺平均法离散化得到的纳维一斯托克斯( n s ) 方 程【3 9 】。 连续性方程 粤+ v ( p 西) ：o ( 2 1 ) 北京交通大学硕士学位论文 动量方程 昙( 刖小考( 删一考m 考+ 鲁一詈毛警 j + 考( 丽) + s ， 能量方程 p 警+ 考 p q ( 肚+ p ) = 朋+ 毒c 后詈+ 巧哆) ( 2 - 3 ) 模拟软件中提供了多种湍流模型：s p a l a r t 舢l n l 嬲模型，七一占模型，七一缈模 型，雷诺应力模型( r s m ) 和大涡模拟模型( l e s ) 。七一彩模型可以应用于墙壁束 缚流动和自由剪切流动。雷诺应力模型和大涡模拟模型一般是用于湍流的机理研 究中，计算量相当大，有复杂几何形状的工程问题很少应用此模型。标准七一占模 型是工程流场计算中主要的工具，适用范围广，经济、合理的精度，使得它在流 场和热交换模拟被广泛应用。它是个半经验的公式，是从实验现象中总结出来的。 根据s a 和七一s 模型计算对比及文献【4 0 - 4 3 】可知，标准后一s 湍流模型可以满足空 冷岛流场模拟。故本文湍流模型也选用标准七一s 模型。 湍流动能k 方程 昙( 础) + 毒( 砌扣毒+ 箦) 考卜q + g 6 一班一+ & q 4 ) 湍流动能耗散率s 方程 昙( 神毒( 觥) = 毒鸶) 针g 1 暑妻( q 也讣印和( 2 - 5 ) 鸬= 巴肚2 s 。1( 2 6 ) 模型常量c = 0 0 9 ，气= o 0 9 ，q = 1 4 4 ，c 2 = 1 9 2 ，吸= 1 o ，q = 1 3 。 式中，p 流体密度，k 蚵；p 流体压力，p a ；七一湍流脉动动能，m 2 s 2 ； s 一湍流耗散率，k g ( m s ) ；以一湍流粘度，龇s ) 。 2 2 网格划分 网格质量是指网格几何形状的合理性，网格质量的好坏直接影响计算精度。 本文利用g 锄b i t 软件完成网格划分，若网格质量太差，导入f l u e n t 内可能运行一 部分就出错，甚至根本无法计算。划分网格时一般要求网格质量能满足一定要求， 尽可能在重点研究的流场部位网格质量精度提高，其它部分网格质量精度可以稍 微低点，对计算结果影响不会太大。通常采用四边形( 二维) 和六面体( 三维) 进行网格划分更有利于提高计算精度和计算速度。 由于整个计算域比较大，结构也比较复杂，故采用分块网格划分的方法对计 1 2 北京交通大学硕士学位论文 算域进行离散化。除了各单元内部选用t e t h y b 矾中的t 西d 网格类型划分网格外， 其它块如翅片、风机、风筒、外围计算域均采用h e x 中的m 印类型或h e x 懈7 甜g c 中c o o p e r 类型进行网格划分，得到网格数为1 2 1 7 0 3 2 、1 5 3 4 8 6 3 、1 7 9 7 2 5 5 、1 8 7 4 3 1 6 的网格图，然后模拟计算y 风向下，风速为1 ，= 5 l i l s 时的空冷平台外部流场，得 到各种情况下的所有风机总的进风量如图2 - 4 所示。 图2 4 风机总进风量随网格数变化 f i g 2 _ 4 、，撕a t i 0 i lo f t o t a lv o l 啪ef l o wm t e 丽t 1 1 伽倒b 盯o f m e s h 由图2 4 可以看出，当网格数达1 7 9 7 2 5 5 ，继续增加网格数时，风机总的进风 量基本保持不变。表明上述网格数量已经达到网格无关性要求。 图2 5 为空冷平台的网格图，网格数为3 4 6 5 5 5 。图2 6 为无风时整个计算域的 网格图，网格总数为1 6 0 9 3 7 5 。图2 7 为有风时计算域的网格图。 图2 - 5 空冷平台网格图 f i g 2 - 5m e s ho f d i c ta i | k 0 0 l e dp l a t l - 0 咖 1 3 北京交通大学硕士学位论文 黧 图2 6 无风时计算域网格图 f i g 2 - 6m c s ho ft h ec o m p u t a t i o n a ld o m a i nw i t h o u t ，i i l d 图2 - 7 有风时计算域网格图 f i g 2 - 7m e s ho f t h ec o m l 咖t i o n a ld o m a i n 吼d c r r i n d yc o n d i t i o n s 2 3 边界条件 2 3 1 风机设置 空冷凝汽器的外部流场模拟时空冷风机通常有两种处理方法：一种处理法是 将空冷风机与a 型框架分开计算，采用这种方法，边界条件不易设定；另一种是 将风机视为无限薄平面，对其进行集中参数法分析。鉴于f 1 朐l t 自带f - 觚模型将风 机处理成一个平面，风机的不连续压升可表示为风机所在面的法向速度的函数， 故本文就将风机与a 型框架处理成一个整体，将风机看作一个平面，并且运用多 项式来表示压升和速度的关系，两者关系可表示为式( 2 7 ) 。 1 4 北京交通大学硕士学位论文 印= y ”1 ( 2 - 7 ) 玎= i 式中，卸压升，p a ；五- 压力跳跃多项式系数；v 一风机平面法向的当地流 体速度，i 眺。 式( 2 7 ) 中的系数可以通过风机的性能曲线得到。根据现场提供的风机的基本 参数( 表2 - 2 ) 和风机性能曲线( 图2 8 ) 通过最小二乘法拟合得到系数分别为： z = o 1 5 2 8 ，厶= - 2 7 8 9 2 ，五2 1 5 5 7 9 9 ，六2 3 6 7 0 2 2 ，工2 1 3 7 4 1 9 2 。 表2 2 风机基本参数 ta _ b l e2 - 2e s s e i l t i a lp 磁吼e t e ro ff a n 2 3 2 计算域设置 i & # 辨h 、 0 l 毒 a 刖i 】 、 ， 卜 、 l 、o 、k 坤 h 、 、 、 1k | 、 、 、) 吨 、毫、 j飞 、 ur 玉、o ) 、 r r 、 、 q 。】 气 、 、 、 弋一 爿 、 、 、 一l。i1 1i 1 j坼 】 i 。 【，_ ：喵 枷# 再粕h 恤 图2 8 风机性能曲线 f i g 2 8f 知p e r f o m 啪c ec u r v e 当环境风速1 ，= 0 1 1 体时，计算域的圆柱曲面设为进口边界，边界条件为压力 边界，相对压力为0 ，圆柱顶部设为出口边界，也为压力出口，相对压力为0 ，地 面设为无滑移等温壁面。 当环境风速v 0 劬时，计算域迎风面上为速度入口边界条件。在大气边界 层中，空气运动会受到地面摩擦力影响，随着高度的升高风速增大。在离地面几 米以上的大气层中，平均风速与高度之间关系一般可以利用大气边界层函数即迪 肯( d e a c o n ) 4 4 】的幂定律描述： 1 5 北京交通大学硕士学位论文 坼= ，( 乞气) 4 ( 2 8 ) 式中，z 。- 气流达到均匀流时的高度，m ； ，一处来流平均风速，耐s ；乃任 意高度，m ；m z ，处平均风速，n 以；口地面粗糙度系数。 根据我国荷载规范【4 5 1 和气象观测标准并结合电厂的地形地貌，取口：o 2 和 z 0 = 1 0 ，即： 斛2 陆9 ， 该条件利用f 1 嘲l t 自带的u d f 自定义边界条件编程加载。程序如下所示： 样i n c l u d e ”u d h d e f n 唧r o f i l e ( v e l i c i t ) 邺6 l e ，t ，i ) r e a lx d d j d 】； r e my ； 唧 b e 舀n ：fl o o p ( e t ) f d 盯r o i d ( x ，t ) ； y = x 【2 】； f p r o f i l e ( t ，i ) = v 宰p o w ( ( ( y + 4 4 0 ) 1o o ) ，0 16 ) ； ) e n d l o o p ( t ) ) 迎风面相对的位置设为自由流出口边界条件，计算域上另外两个垂直地面的 面取为对称边界条件，地面和整个计算域的顶部取为定温边界条件，温度为3 0 0 k 。 2 3 3 翅片管的设置 本文将空冷凝汽器翅片管束简化处理为多孔介质区域，对该区域采用由 p 比i i l k a r 和s p a l d i n g 提出的多孔介质模型进行计算。 多孔介质法【4 6 】是将流体、固体划入同一个控制体，通过对守恒方程及差分方 法的修改来表现固体的影响。它用流体体积与整个控制体体积的比值来表示固体 构件对控制体内流体体积的影响，用流体表面与控制体表面的比值来表示固体构 件对控制体表面作用力的影响，在标准流动方程上附加动量源项来处理该区域中 的流动阻力。此源项由黏性阻力项和惯性阻力项两部分组成，可表示为： 1 6 北京交通大学硕士学位论文 墨：一( 壹b o + 主g 竺每匕) ( 2 1 0 ) 式中，负号表示动量源项与流体流动方向相反；& 第f 个动量方程的源项；d 、 d 系数矩阵；动力粘度，k ( m 。s ) ；户- 流体密度，k 咖3 ；d 广方向的速度， n 洮；。一速度大小，m s 。 计算的关键是找出动量方程中应附加的源项与空气速度的关系，即必须求得 式( 2 9 ) 中阻力系数，其值通常要基于一定的实验数据，通过最小二乘法拟合得出。 对于各项同性的多孔介质，动量源项简化表达式为： 墨= _ ( b 口+ 寺c 2 p 孵咋) ( 2 _ 1 1 ) 式中，口渗透率；c 2 惯性阻力系数。 多孔介质的孔隙率可以根据冷却单元的外形尺寸及数量计算得出，其孔隙率 的计算公式为： 厂= 乎 厂= 二u 。l 句 式中，y 孔隙率；圪翅片管束外形体积，m 3 。 根据参考文献 1 3 】的实验数据，分析得凝汽器平面法向的粘性阻力系数为 3 2 8 1 7 7 9m ? ，而其他两个方向的阻力系数实际上为无穷大，但在计算中设置为前 者的5 0 0 倍；惯性阻力系数为2 3 6 1 6 2 ，其他两个方向的系数设置为前者的5 1 0 倍，本文计算中设置为1 0 倍。 能量方程中体热源& 的大小可根据直接空冷机组的热负荷进行计算，蛇形翅 片管散热器的热流密度为2 2 1 8 1 3 w m 3 。 2 3 4 其他边界条件的设置 挡风墙、风筒、管壁、步道等均设为无滑移耦合壁面条件，分配管壁面设为 等温壁