风环境对直接空冷凝汽器运行不良影响的数值模拟分析.doc

风环境对直接空冷凝汽器运行不良影响的数值模拟分析赵永辉1 周北文1 杜景灿1 王岩2（1 中国国际工程咨询公司 北京 1000482 合肥工业大学 合肥 230009 ）摘要本文用数值模拟的方法对直接空冷凝汽器空气侧换热性能进行分析，模拟了不同风速、风向下的空冷凝汽器运行状况，分析了空冷凝汽器各个单元冷却风流量受风速、风向影响的主要机制，提出了改善环境风的措施，数值模拟的结果验证了措施的有效性。关键字：空冷凝汽器 数值模拟 AbstractThis paper analyzes the heat-exchange performance of air cooling condenser by numerical simulation. Also operation of air cooling condenser is simulated in different wind velocity and direction. Air volume in each unit of air cooling condenser is also analyzed in main mechanism with varied wind velocity and direction. Then provide the solutions to improve the environment. The solution is proved to be effective through numerical simulationKey words: Air cooling condenser；Numerical simulation1、引言随着现代工业对节能、节水、环保要求的提高，出现了很多先进的技术和工艺，电力行业内的空冷凝汽器就是典型的节约水资源的产品，如今，它广泛应用于富煤缺水的地区。空冷凝汽器的设计是一项包括材料、换热、保温、优化控制、结构、容量、噪声、投资等在内的很复杂的系统工程，其中，优化控制是空冷凝汽器设计的重中之重，对于优化控制的设计，电厂所在地的多年气象资料和空冷凝汽器在不同气象条件下的工作性能是必不可少的。各地气象条件的差异和空冷凝汽器对天气条件的敏感性，使得对于不同的空冷电厂，空冷凝器对环境的依赖关系有不同的特点。原始尺寸风洞试验的方法获得空冷凝汽器和大气环境的关系对于如此庞大的空冷岛是绝不可能实现的。计算机技术的进步和数值模拟方法在航空航天等工业领域的广泛应用给人们提供了借鉴，如今，数值模拟已经成为现代空冷凝汽器设计中不可或缺的重要步骤1、2、3。 2、数值方法采用FLUENT自带的前处理软件GAMBIT生成网格。计算区域为600m300m500m（长宽高）,如图1所示，模拟对象为一260W千瓦空冷机组，原始模型包含了空冷岛、汽机房、除氧煤仓间、锅炉房和排烟及其净化装置等在内的电站绝大多数建筑物，改善后的计算模型在原始模型的基础上，增加改善环境风的装置。空冷岛区域包括716个空冷单元和相应的风墙、风筒、风扇、平台，气流变化复杂，是模拟的重点，因此网格较密，使用四面体网格。为力求模拟结果接近真实，空冷岛换热单元、风墙、风筒等都严格按照实际尺寸建立计算网格。空冷岛平台支柱区域结构不易生成结构化网格，故使用四面体网格。其他区域生成分块结构化网格。图1 直接空冷凝汽器数值模拟网格区域使用软件Fluent进行计算，选用非耦合隐式算法求解三维雷诺平均N-S方程，湍流模型选择标准 模型，空冷岛单元内翅片管束的换热在本文的计算中没予考虑，虽然它对计算结果有一定的影响，但本文的计算结果对于反映环境风速、风向对空冷岛风机吸入冷却风量的影响这一目的是有一定的说服力的。整个计算区域的边界采用速度进口边界条件，地面采用固壁边界条件。换热单元的风扇在模型中处理为无限薄的面，采用集总参数的思想。风扇模型取恒定的压力升。翅片管散热器简化成多孔跳跃边界条件。关于翅片管散热器的模拟，如果对通过每个翅片空间的流场进行计算，网格单元数量是非常惊人的，至少目前的计算机还无法承受，所以工程上通常采用由Patankar 和Spal.ing提出的多孔介质模型，即把翅片扁管换热器当作多孔介质处理，分析对流体流过时所产生的阻力。多孔跳跃条件用于模拟已知速度/压降特征的薄膜。它本质上是单元区域的多孔介质模型的一维简化。对于不考虑热传导影响的散热器模拟，它具有很好的鲁棒性（robust）和收敛性。 3、环境风对空冷凝汽器运行性能影响分析本文模拟了三个风向（迎厂房来风、侧面来风、炉后来风）、三个风速（3m/s、6 m/s、 9 m/s）下空冷凝汽器的运行情况，主要考核空冷单元的风机进风量和不同工况下流场的分布情况，依据流场分布设计改进环境风的措施。从整个空冷岛所有风机的总进风量来看，对于不同的风向、风速，空冷岛总进风量有较大不同，如图3所示（数据经过处理成无量纲化），从风向来看，炉后来风时总进风量相对侧面风和迎厂房方向风较低，这是因为炉后来风受厂房的阻挡，以及空冷平台和汽机房之间通道的限制，致使冷却风量有所不足。从风速来看，无论是哪边来风，风速的增大都导致空冷岛总体进风量降低，其中侧面来风受风速影响最大，从图中可以看到，当风速增大至9 m/s时，侧面来风的总进风量最低。这是因为对于每台风机，风筒入口的横风会影响风扇做功能力，横向流动的空气具有一定的动能，风扇要克服这些动能，将横向流动的空气转而向上吸入空冷单元，流量必将受到影响。横风风速越大，这种影响必将越大。由于侧面来风时侧面没有其他建筑物的阻挡，风速的增大会影响更大范围的空冷单元，因此，受横风风速影响尤为严重。图4是6m/s风速下不同风向各个空冷单元进风量（无量纲化后的结果）的分布。从图中可以明显看到迎风面第一排风机受横风影响进风量明显低于其他风机，下风向风机进风量依次增高，这说明虽然迎风第一排风机吸风量很低，但是它起到了使气流转向的作用，使得下游风机入口空气流线向风筒入口转弯，有利于冷却风进入风机，这种效果越往下游越明显。图中还可以看到，迎厂房方向来风时，迎风面第一排有的风机出现流量为负值的现象，这在实际的电厂运行中是曾经有出现的记录的1，这时，风扇的吸力不足以克服空气的动能，而且由于空气的流动带动作用，类似射流抽气器一样把空冷单元内的空气倒抽出来，空冷单元内由于风机的鼓风作用而形成的高气压也为空气倒流现象的出现起到了推波助澜的作用。观察出现倒流部分区域内某平面的流场（图5）可以发现，在风墙的作用下，大量的空气沿着风墙向下流动，在风墙的下沿转向空冷岛方向，与横向风汇合形成高速流动的斜向下的气流，严重影响着迎风面第一排风机的工作环境，使得吸风更加困难。图3 不同风向、风速下空冷凝汽器冷却风吸入量比较炉后来风汽机房侧迎厂房方向来风汽机房侧侧面来风汽机房侧图4 不同风向空冷凝汽器个单元冷却风吸入量分布（风速6m/s）空冷岛汽机房图5 迎厂房方向来风时空冷岛附近流场分布（风速6m/s）4、改善环境风的方法和装置4.1 改善环境风的思想、方法通过对以上空冷凝汽器受环境风影响机制的分析，提出以下改善环境风的思想方法：1) 优化新建结构物结构风，营造各种风向和风速下空冷凝汽器风机所需的冷风来源通道2) 营造各种风向和风速下空冷凝汽器排出热风的通道和冷却它们的冷风来源通道3) 为消除或减小各种风向和风速通过空冷凝汽器入口空气热回流的阻挡和出口热风直接离去的引导4) 对付横风风机的压头裕量选择5) 有横风时各风机单元冷风进风量的保证与均衡4.2 改善环境风的装置基于以上思想，我们设计开发了以下具有自主产权的改善环境风的装置（仅列举一部分）：1) 机翼形上升型结构风引下导流板阵列该阵列涉及一系列的断面为机翼形的导风板，其第一个的放置位置为锅炉房上方靠近汽机房侧，高度和向锅炉房顶深入尺寸由模拟计算得出。其布置如图6中2和3。上述机翼形导风板也应用于锅炉房中间的炉后来风时由于集中控制室、煤仓间形成上升气流的向下引导。其结构和设计原则与用在锅炉房上的相似，只是布置位置不同。图6机翼形上升型结构风引下导流板阵列示意图2) 空冷凝汽器平台挡风板下翼形导风板空冷凝汽器平台风墙的下部导风板下翼形导风板也是机翼形导风板的结构，但其反向布置，使用它的目的在于将横风被风墙的引下气流及横风直接形成的与迎风的最边缘的一排风机入口风筒垂直的气流引向这排风机的入口，这一目的是与平台风墙的下部结构共同作用实现的。见图7在风墙下方布置的机翼形导流板图7 在风墙下方布置的机翼形导流板3) 改变锅炉房、煤仓间、除氧间和汽机房成斜屋顶，使炉后来风有附着斜屋顶流向空冷风机入口的趋势，减小流体流经钝体后的旋涡效应，增大冷空气进入空冷岛的通道。见图8。受斜屋顶的启发，也可以对整个锅炉汽机房进行全新的设计，使整个方形呈圆滑的曲面，也取得了较好的效果。图8 改变锅炉房、煤仓间、除氧间和汽机房成斜屋顶5、改善环境风的效果本文分别对增加了上述改进装置的整个空冷岛的运行情况进行了模拟，最后把以上三种装置结合使用，发现对改进空冷岛吸入冷却风的情况更加明显，同时，为了抑制热回流，又在上述改造的基础上增加Y型风墙4，现对这种情况和原型进行对比。表1是改造后整个空冷岛吸入的冷却风流量相对于相同风速风向下原始形状的增加的百分比。表中的数据表明，改善后的迎厂房方向来风和炉后来风流量增加的效果明显。侧面来风流量也有所增加，冷却风量的增加，提高了空冷岛的冷却能力，带来的最终效果将是净供电量的增加或者煤耗的降低。表1 增加改进措施后冷却风流量的增加效果炉后来风侧面来风迎厂房方向来风3m/s6 m/s9 m/s3 m/s6 m/s9 m/s3 m/s6 m/s9 m/s增量/原始流量2.37%7.00%7.38%0.09%0.15%2.98%3.06%10.31%12.11%经过改善后，空冷岛的进风环境得到了一定程度的优化，迎风面边缘风机入口的横风受到导叶的导流作用，向风机入口转向，利于风机吸入（图9）。原型改后 图9 迎风面边缘风机进风环境的改善图10是炉后来风时，改造前后冷却空气爬过两锅炉房之间通道的流场对比，从图中可以看到，原始结构炉后来风受建筑物的阻挡，在汽机房上方形成涡流，加装了翼型导板后气流被较好的导向空冷岛平台下面。6、结论用数值模拟的方法对空冷凝汽器的性能受环境风的影响机理进行了分析，提出了改进环境风的措施，得到如下结果：空冷凝汽器的运行受环境风影响严重，不同风向、风速会导致空冷凝汽器不同的运行效力，炉后来风时，空冷凝汽器风机吸入的冷却风量最低，运行效果最差。风速增加，空冷凝汽器吸入冷却风流量降低，侧面来风时受风速的影响最敏感。迎风面第一排风机是整个空冷岛风机单元中运行环境最恶劣的，吸入的冷却风量最低，甚至会出现倒灌风。通过一定的设备和装置可以改变空冷凝汽器周边的结构风，使其有利于空冷凝汽器风机吸入更多的冷却风。参考文献1 张遐龄等，火电厂空冷平台换热的数值模拟，水动力学研究与进展A辑