风速对600 MW地下进风空冷岛换热影响的数值模拟.pdf

收稿日期：2021-06-07作者简介：曹旖旎（1997-），女，辽宁锦州人，硕士研究生。通讯作者：盛伟（1964-），男，辽宁本溪人，教授，硕士生导师，硕士，主要从事发电厂性能分析与诊断方面的研究。风速对600 MW地下进风空冷岛换热影响的数值模拟曹旖旎a，盛伟b（沈阳工程学院 a.能源与动力学院；b.发展规划处，辽宁 沈阳 110136）摘要：针对环境风引起的热风回流和倒灌对地上进风空冷岛换热的影响问题，利用ANSYS模拟软件对45斜风道的地下进风空冷岛进行数值模拟，分析-X风向时不同风速下空冷单元流量、换热效率及出口温度的情况。结果表明：地下进风空冷岛没有出现热风的回流和倒灌；随着风速的增加，空冷单元出口温度未发生较大变化；与地上进风相比，总流量和换热效率都有很大提高，换热效率平均提高了29.19%，使电厂的经济性得到了提升。关键词：地下进风；空冷岛；模拟计算；换热效率中图分类号：TK264文献标识码：A文章编号：1673-1603（2023）04-0034-06DOI：10.13888/ki.jsie（ns）.2023.04.008第 19 卷第 4 期2 0 2 3 年 10 月Vol.19 No.4Oct.2023沈阳工程学院学报（自然科学版）Journal of Shenyang Institute of Engineering（Natural Science）在我国极度缺水的华北地区，火电厂的建设受制于水源，为了满足此类缺水地区的电力需求，采用节水效果明显的空冷技术对火电厂进行优化。因此，空冷机组得到了高速发展。放在45 m高的空冷平台上的空冷凝汽器利用环境风来冷凝汽轮机排放的蒸汽1。由于放置的地方过高，使其受环境风的影响非常大。在夏季，风速大或温度高的热风发生回流和倒灌，将导致机组的换热效率下降2。对此，有学者提出了一种采用地下风道进风的方式，即将空冷平台降低至近地面，挖空空冷平台的底部，形成巨大的地下风室，冷却空气从百米外的进口处通过地下风道进入地下风室，然后通过安置在空冷平台上的轴流风机送入凝汽器的翅片管束，冷却汽轮机排放的蒸汽，冷却产生的热空气向上排放到环境中，生成的凝结水进入凝结水箱3。地下风道进风空冷岛的结构如图1所示。图1地下风道进风空冷岛的结构1地下进风空冷岛的优点1.1避免了热风回流和倒灌将空冷平台降低后，可以利用挡风墙将空冷岛距离地面的部分围住，使空冷平台下方变成一个封闭的空间。当风从百米外的进风口经过地下风道进入地下风室时，空冷凝汽器出口的热风将不能返回到风机入口，这就避免了热风回流4。由于添加了下挡风墙，风机入口处几乎没有横向吹过的风，空气流动稳定，风机的迎风侧下方不会产生低压区，避免了热风倒灌。1.2地下风室冬暖夏凉地下的土壤不会受外界环境的影响，温度近似恒定，并且还有冬暖夏凉的功能。因此，在温度较高的夏季，空气经过地下通道后，温度会降低，有效地减少了翅片氧化，避免了温度过高而使换热量减少；在寒冷的冬季，土壤会使环境风的温度上升，有效地缓解了凝汽器管道的冻结5。1.3净化空气，回收除盐水通过地下风道进风，可以在进风的位置加设空气滤网，除掉空气中的一些杂质。在高温的夏季，利用除盐水进行喷雾增湿，在降低空气温度的同时净化了空气，使进入地下风室的空气清新、干净，减少了散热器表面的污秽，提升凝汽器的换热效果。在地下风道和风室内壁装不锈钢板，回收使用后剩余的除盐水，再将除盐水净化处理后可再次使用，节约了水资源6。2地下进风空冷岛的模型及计算方法2.1地下进风空冷岛的模型及网格划分以600 MW直接空冷机组为研究对象。空冷平台的横截面积是70 m80 m，由56个空冷单元构成，每个空冷单元都是10 m10 m10 m的小立方体，代表空冷凝汽器。空冷平台的下表面距离地面的高度为10 m，建造挡风墙。地下风室的水平截面积是70 m80 m，深度是40 m。3个风道的横截面积分别为70 m30 m、70 m30 m和80 m30 m，长度均是100 m，将其中2个风道设置成45的斜风道7。利用ANSYS软件中的Space claim画出几何模型，将风向设置为-X方向，如图2所示。在Mesh中生成网格，考虑到对计算准确性的要求及计算机性能的阻碍，对56个空冷单元、地下风道和地下风室采用了四面体网格划分8，网格质量扭曲度最大为 0.80且数量很少，较精确，网格数量约为 1.12105，然后导入到 Fluent中进行模拟计算。网格划分情况如图3所示。图2地下进风空冷岛的简化模型图3网格划分2.2空冷单元编码对空冷单元编号，距离汽轮机房和锅炉房较远的地方设为第1行，距离进风口1较近的位置设为第1列，具体的编号如图4所示。图4空冷单元的编号2.3控制方程为了研究地下进风空冷岛风道和风室内空气的流动过程及每个空冷机组的换热过程，采用连续性方程、本构方程、动量方程、能量守恒方程、标准k-e湍流模式9。连续性方程：第 4 期曹旖旎，等：风速对600 MW地下进风空冷岛换热影响的数值模拟35第 19 卷沈阳工程学院学报（自然科学版）t+(u)=0（1）本构方程：ij=2ij-23ukxkij（2）ij=12()uixj+ujxi（3）动量方程：t()ui+xj()uiuj=-pxi+xj()-uiuj+xj()uixj+ujxi-23ijuixj（4）能量守恒方程：t()E+xi()E+P=q+xj()kTxi+ijj（5）采用标准k-e湍流模式10：-uiuj=t()uixj+ujxi-23()k+tuixiij（6）式中，u和是流体的速度；是空气的密度；i=1，j=2，k=3；是流体的动力粘性系数；P是压力；ij是应力张量；ij是应变率张量。2.4边界条件的设置在 Y轴设置重力加速度，然后将 56个空冷单元的入口设置为空气进口边界（interior），下挡风墙、地下风道和地下风室的外表面设置为墙边界（wall），内部设置为 1 个流域（fluid-air）。每个空冷单元的入口设置源项代替 1个动力，56个空冷单元出口设置为压力出口边界条件（pressure-out），3个进风口设置为速度进口边界条件（velocity-in）11。3模拟计算结果及分析3.1空冷单元流量不同进口风速下，地下进风空冷岛的空冷单元流量如图5所示。av=3 m/sbv=5 m/scv=7 m/sdv=9 m/s图5地下进风空冷岛的空冷单元流量由图5可知：当风速较低时，由于地下的阻力作用，地下进风空冷岛的总流量比地上低；当进口风速为3 m/s时，距离2#进风口较近位置的空冷单空冷单元流量/(kgs-1)空冷单元流量/(kgs-1)空冷单元流量/(kgs-1)空冷单元流量/(kgs-1)36元流量较低，但也可以达到270 kg/s以上，四周受下挡风墙影响，空冷单元流量较中间低；当进口风速大于5 m/s时，空冷单元流量从距离2#进风口较近位置向较远位置逐渐增加，这是因为背风侧风机入口压力升高，空冷单元流量增加，而迎风侧压力降低，空冷单元流量减少，并且随着风速逐渐增加，迎风侧受影响的空冷单元越来越多，但56个空冷单元总流量随风速的增加而增加，增加幅度较稳定，最大增量约为150 kg/s。地上进风空冷岛的空冷单元流量如图6所示。av=5m/sbv=9m/s图6地上进风空冷岛的空冷单元流量由图6可知：当风速为5 m/s时，地上进风空冷岛的迎风侧前两行出现了热风回流，导致空冷单元流量较低，甚至出现负值；当风速到达9 m/s时，热风倒灌成为影响空冷单元流量的主要原因，前两行空冷单元流量仅为10 kg/s左右12。地下进风空冷岛与地上进风空冷岛相比，总流量平均提高了9 512.01 kg/s，如图7所示。3.2空冷单元出口温度图8为地上和地下进风空冷岛空冷单元出口温度的变化曲线。图7地上和地下进风空冷岛总流量的变化图8地上和地下进风空冷岛空冷单元出口温度的变化由图8可知：随着风速增大，地下进风空冷岛的空冷单元出口温度未发生较大变化，平均温度在329 K左右，换热效果稳定；由于热风回流和倒灌，地上进风空冷岛的空冷单元出口温度随风速增加而下降，换热效果逐渐变差13。3.3空冷单元的换热效率空冷凝汽器的换热效率是空冷岛的实际换热量Qr14与机组标况下的热负荷Q15的比值：=QrQ 100%=i=156DiticpQ 100%（7）式中，Qr是56个空冷单元的实际吸热量；Di是空冷单元空气流量；ti是空冷单元出入口风温；cp是空气的定压比热容；是凝汽器的换热效率。计算条件：额定工况下，外界温度是300 K，空冷机组的排汽总热量是770 MW，每个空冷单元的热量是13.75 MW，空冷单元的流量是428 kg/s。地下进风空冷岛空冷单元的换热效率如图9所示。空冷单元流量/(kgs-1)空冷单元流量/(kgs-1)第 4 期曹旖旎，等：风速对600 MW地下进风空冷岛换热影响的数值模拟37第 19 卷沈阳工程学院学报（自然科学版）v=3 m/sv=5 m/sv=7 m/sv=9 m/s图9地下进风空冷岛空冷单元的换热效率由图9可知：地下进风空冷岛的空冷单元换热效率的变化与流量的变化基本一致；随着风速增加，空冷单元的换热效率稳定，这是因为地下风室是密闭的，阻挡了热风回流和倒灌，风机的入口温度几乎不受影响，空冷单元的换热效率主要由流量决定；随着-X方向上风速的改变，地下进风空冷岛的换热效率逐渐增加，增加的幅度不大，换热效率平均达到75.09%；采用地上进风方式的直接空冷机组的空冷岛换热效率随风速增加而下降，且下降幅度很大16-17，地下进风和地上进风相比，空冷岛换热效率平均提高了29.19%，如图10所示。图10地上和地下进风空冷岛换热效率的变化4结论1）采用地下风道进风的空冷岛没有出现热风回流和倒灌的情况，空冷单元流量受风速影响较小，与地上进风相比，总流量平均提高了9 502.01 kg/s。2）采用地下风道进风的空冷岛空冷单元出口温度受风速影响较小，温度一直在329 K左右。3）空冷单元换热效率变化与空冷单元流量变化相似，地下进风的空冷岛换热效率比地上平均提高29.19%。4）地下风道进风的方法还没有进行实施，施工投资较大，需要进行经济性讨论。参考文献1 周兰欣，崔皓程，魏春枝.空冷平台间距对空冷凝汽器换热效率的影响 J.动力工程，2009，29（8）：765-768.2 段会申，刘沛清，赵万里.电厂直接空冷系统热风回流的数值模拟 J.动力工程，2008，28（3）：395-399.3 王宝良.直接空冷机组空冷岛地下进风技术分析 J.科技与企业，2015（14）：204-205.4 周兰欣，王喆，吴红杰.直接空冷机组空冷岛地下进风技术研究 J.华北电力大学学报（自然科学版），2014，41（2）：103-106.5 任亮.直接空冷机组冬季运行的防冻要点 J.华电空冷单元换热效率/%空冷单元换热效率/%空冷单元换热效率/%空冷单元换热效率/%38Numerical Simulation of Influence of Wind Speed on Heat Transferof 600 MW Underground Air-cooled IslandCAO Yinia,SHENG Weib（a.School of Energy and Power;b.Development planning office,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province）Abstract：In view of the influence of hot air reflux and backflow caused by ambient wind on the heat exchangeof air inlet air cooling island,the ANSYS simulation software is used to proceed numerical simulation ofunderground air inlet air cooling island of 45 angle air line,and analyze the flow rate of air cooling unit,heattransfer efficiency of air cooling unit and outlet temperature of air cooling unit under different wind speed and-X wind direction.The analysis results show that with the increase of wind speed,the outlet temperature of aircooling unit does not change greatly,and the total flow rate and heat transfer efficiency are greatly improve andthe average heat transfer efficiency was increased by 29.19%compared with the overground air intake,so theeconomy of the power plant has been improved.Keywords：Underground air intake;air cooling island;simulation calculation;heat transfer efficiency技术，2018，40（5）：53-56.6 王喆.直接空冷机组空冷岛地下进风技术研究 D.保定：华北电力大学，2013.7张建奇，王喆.空冷岛地下进风结构数值模拟 J.电力科学与工程，2013，29（11）：64-70.8GAO X F，ZHANG C W，WEI J J，et al.Performance prediction of an improved air-cooled steam condenser withdeflector under strong windJ.Applied Thermal Engineering：Design，Processes，Equipment，Economics，2010，30（17/18）：2 663-2 669.9周兰欣，齐阳阳，吴红杰，等.直接空冷机组地下进风方式数值模拟 J.汽轮机技术，2014，56（4）：285-288.10 胡汉波，李隆键，张义华，等.直接空冷凝汽器三维流场特性的数值分析 J.动力工程，2007，27（4）：592-595.11 YANG L J，DU X Z，YANG Y P.Influences of wind-break wall configurations upon flow and heat transfercharacteristics of air-cooled condensers in a power plantJ.International Journal of Thermal Sciences，2011，50（10）：2 050-2 061.12 高沛，张学镭.环境风对直接空冷凝汽器性能的影响及主导因素分析 J.中国电力，2013，46（11）：113-118.13RIFFAT S，OLIVEIRAA，FACO J，et al.Thermal performance of a closed wet cooling tower for chilled ceiling：measurement and CFD simulation J.InternationalJournal of Energy Research，2000，24（13）：1 171-1 179.14 KLOPPERS J C.A critical evaluation and refinementof the performance of wet-cooling towers D.Stellenbosch：University of Stellenbosch，2003.15 周兰欣，白中华，张淑侠，等.空冷平台外部流场的数值模拟 J.动力工程，2008，28（3）：386-389.16付万兵.直接空冷凝汽器单元内三维流场的数值模拟 J.电力科学与工程，2013，29（1）：63-68.17孔珑，杜广生，赵兰水.流体力学 M.北京：高等教育出版社，2004.第 4 期曹旖旎，等：风速对600 MW地下进风空冷岛换热影响的数值模拟39