直接空冷凝汽器换能效的数值模拟

直接空冷凝汽器换能效的数值模拟

0对空冷岛的数值模拟研究直接空冷设备的冷凝装置通过直接与周围空气交换并达到冷排气的目的。环境风场不可避免地会对冷缩气器的运行有很大的影响。运行经验表明：在夏季大风条件下热风回流和“倒灌”现象的综合作用会使机组的背压急剧升高，威胁机组的安全经济运行。因此，对环境流场进行数值模拟完善空冷岛的结构有重要的实际意义。近年来，国内外学者陆续开展了一些对空冷岛外部流场的数值研究。张遐龄等提出并模拟了增加空冷平台最外一圈风机的功率来提高空冷凝汽器平均换热效率的方法。顾志福等利用风洞实验研究了电厂空冷系统风效应应满足的相似准则和实验方法，提出了刻画风对空冷凝汽器影响程度的回流率的概念。K.Duvenhage等研究了空冷平台长度与回流率的关系。周兰欣等研究了空冷平台高度与空冷凝汽器平均换热效率的关系，以及最佳上挡风墙高度。本文以某600MW机组为例，研究在空冷平台的不同位置加装下挡风墙对空冷凝汽器平均换热效率的影响，为完善空冷岛的结果设计提供参考。1物理模型和计算方法1.1网格划分及计算结果分析空冷散热单元物理模型根据某600MW机组空冷岛的几何尺寸和物理特点，利用GANBIT软件生成相应的几何模型及计算网格。划分网格时考虑到模拟计算精度的要求和计算机硬件性能的限制以及空冷岛本身结构特点，对整个计算区域采用分块划分网格方法，对空冷岛和厂房采用六面体网格进行划分，余下计算区域利用SIZEFUNCTION方法采用四面体网格进行划分，四面体网格大小由原面(厂房及空冷平台)以1.09的增长比率增大，总的网格数量为260万。本文以风速7m/s不加下挡风墙为例，计算中采用170万、220万、260万网格节点3套网格，通过对3套计算网格的稳态计算结果比较，相邻网格方案计算结果的相对偏差很小，结果如表1所示。计算模型尺寸为700m×600m×600m，几何模型如图1所示。1.2计算值的方法1.2.1完整湍流模型标准k-ε湍流模型是从实验中总结出来的，其适用范围广、计算精度合理。最简单的完整湍流模型是两个方程的模型，要解速度和长度2个变量。在FLUENT中，标准k-ε模型自从被LaunderandSpalding提出后，就成为工程流场计算中的主要工具，在工业流场和热交换模拟中有广泛的应用。1.2.2空冷系统的计算方法对于空冷平台而言，因为环境风速远小于当地声速的1/3，故空冷平台周围的大气运动被认为是不可压缩定常流动。流体区域的流动应满足三维流动控制方程，数值模拟则采用雷诺应力平均N-S方程。连续性方程为动量守恒方程为本构方程为采用标准k-ε湍流模式，即此外，由于考虑空冷平台还有热量交换，须运用能量方程，即式中：ρ为空气密度；u为风速；i、j、k=1、2、3;p为压力；μ为流体动力粘性系数；τij为应力张量；εij为应变率张量。空冷散热器内部的换热情况，可利用FLUENT软件内嵌的热交换模块进行计算；计算中控制微分方程的离散化采用有限差分法中的控制容积公式法；针对对流项的离散，采用上风差分格式；动量方程的离散化采用交错网格的方法。流场的计算则采用典型的SIMPLE算法。计算域的进口采用大气边界层函数即迪肯(Deacon)的幂定律描述：ui=u0(zi/z0)a，式中：z0为气流达到均匀流时的高度；u0为z0处来流平均风速；zi为任意高度；ui为zi处平均风速；α为地面粗糙系数，粗糙度越大α越大。根据电厂的地形地貌，取a=0.2和z0=10，该条件利用FLUENT自带的UDF自定义边界条件编程加载，每个空冷散热单元采用风扇入口和热交换核心，挡风墙、柱子及地面均采用墙壁边界，计算域的其他边界均为速度进口条件以模拟自然环境。2结论分析2.1空冷却无法变换加热空冷凝汽器的换热效率是空气的吸热量与空冷凝汽器的排热量之比，即2.2热风回流的影响在无环境风场作用时，空冷散热器周围会形成蒸腾现象，在空冷平台上方呈现羽流状热气团。当环境风吹向空冷散热器上方时，由于环境风同散热器扩散出的热气有热量和动量的交换，这时原有的蒸腾现象将受到自然风扩散作用的影响，使得原有的热气质点和自然风质点不断相互掺杂，热气质点同自然风质点的速度和压力等物理量在空间和时间上都具有随机的向前脉动现象。当自然风速大于3m/s时，羽流状热气团被破坏而出现热风再循环，空冷凝汽器换热效率将随风速的增大而降低。变化趋势如图2所示。图3中，以全年的主导风向A方向为例，当环境风场的速率小于2m/s时，自然风的作用不会影响散热器的蒸腾，热源扩散的大致方向不变。当风速达到3m/s时，会产生较小的热风回流。随着风速的增大，热风的回流量也随之增大。当风速大于7m/s时，会出现强烈的热风回流，同时在迎风面(主导风向A)第1排甚至第2排换热单元会出现“倒灌”现象。下面将以风速u=7m/s为例进行分析。由图4看出，热风回流是迎风面两侧空冷单元排出的热空气由于环境风场的作用，绕过两侧的上挡风墙被风机重新吸入。而“倒灌”是迎风面的第1排甚至是第2排换热单元在大风的作用下使本应从散热器翅片扩散出的热气流，被直接压回到换热单元。如图5所示。2.3第1排冷单元当环境横向风速较大时，会使本应从散热器翅片上扩散出去的热空气，被突然压回，使散热器被包围在热空气中，造成换热恶化，导致空冷凝汽器的真空降低。特别是在夏季，环境温度高，再加上大风引起的热风回流和“倒灌”现象的共同作用，使汽机背压大幅升高，轻者使机组降负荷运行，严重时会造成因低真空保护动作而使汽机跳闸。图6、7中轴S1～S7为7排换热单元，X轴1～8为每排的8个换热单元。由图6看出，在风速为7m/s时第1排空冷单元出现了“倒灌”现象，造成第1排换热单元的换热效果恶化。这是由于环境横向风和风机吸力的共同作用，在风机入口附近会产生平行于地面和垂直与地面的2个负压区。由于环境风场在第1排风机的入口处形成了1个较大的负压区，将吸入口的气流卷吸了一部分，随着风速的增加，卷吸量也越大。同时，在换热单元出口处的风场的作用下，使本应从散热器翅片上扩散出去的热空气，被突然压回，从而产生“倒灌”现象。随着环境风场在多台风机群入口处因受到风机吸力作用所形成负压去的影响，环境风流动受阻，越往前移，在后面的风机入口处，环境风速逐渐减弱，其入口处将产生高密度的空气团，被吸入到风机入口，使后面风机的出口流量增大。换热效率也随之增大，各换热单元的换热效率如图7所示。2.4空冷凝汽器换效率随对比关系为了减小上述现象对空冷凝汽器换热效率的影响，在现有上挡风墙的基础上加装下挡风墙，以削弱热风回流对空冷凝器汽器换热效率的影响。由计算结果知，在空冷平台四周上加10m下挡风墙后，外围迎风面两侧空冷单元空冷凝汽器的换热效率明显提高。由模拟结果得不加下围墙空冷平台总的换热效率为38.1%加设10m下挡风墙后空冷凝汽器的平均换热效率为43.3%，平均换热效率提高了13.65%。在环境风场的作用下，在A方向两侧挡风墙上形成漩涡，同时，靠近挡风墙的风机出口附近有一定的负压区，在空冷散热器上部自然风场的作用下，部分热空气扩散过程中就折向加速向下，这样空冷平台上的热空气在这2种负压的作用下被卷入靠近挡风墙的空冷风机入口处，造成吸入温度高于环境温度，从而使空冷散热器的换热性能恶化。加装下挡风墙后，增加了回流热风的行程，从而降低了风机入口冷却介质的温度。同时又增加了外围风机入口处的压力，使流过空冷单元的空气流量增大，从而提高了空冷凝汽器的换热效率。由图4、5知，当自然风速较大时，空冷凝汽器换热效率的降低是热风回流和“倒灌”现象综合作用的结果。由模拟结果知，如果迎风面下挡风墙加装在第1排风机的前面即空冷平台迎风面的最前端(图8中的P处)，这时，在第1排换热单元由于环境风场引起的“倒灌”现象并没有得到改善，前2排换热单元的换热效率基本没有变化。如果将迎风面下挡风墙加装在第1排风机的后面，即将下挡风墙由P处移到Q处，环境风受到下挡风墙的滞止后在风机的吸力下降加速向上运动，从而增加了第1排风机的进气量，原来发生在第1排空冷单元的“倒灌”现象消失。同时提高了空冷凝汽器的换热效率。由图5、9可看出，将迎面风向下挡风墙由P处改到Q处后，原来在第1排换热单元产生的“倒灌”现象已消失，这时，第2排风机的空气流量有所降低，但前2排换热单元总的空气流量和换热量都有明显的提高。由图10可以看出，将迎风面下挡风墙向内移10m即加装Q处与加在P处相比空冷凝汽器的换热效率有明显的提高。3空冷凝汽器换效率的机理1）以某600MW直接空冷机组为例，模拟并分析了空冷凝汽器的换热效率随自然风速的变化，重点指出了在风速大于7m/s时，空冷凝汽器换