不同单元型式的直接空冷岛数值试验对比研究.pdf

收稿日期:基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金()作者简介:石 磊()男河南信阳人博士全国注册公用设备工程师 研究方向为复杂流动和传热不同单元型式的直接空冷岛数值试验对比研究石 磊余 喆薛海君汪建平(北京交通大学土建学院北京 江苏双良冷却技术有限公司江阴)摘要:利用 软件研究某 直接空冷岛以期提高其整体换热性能 对不同单元型式、散热器管束和风机布置方式下的空冷岛方案进行流动和传热特性的数值模拟、分析和研究 在环境风速风向的影响下不同布置型式的空冷岛出现一定的性能差异 静风状态下不同布置方案的空冷岛通风量及换热量之间的差别很小均在 以内 考核风速各风向下与常规空冷布置方案相比双小“”风机低位布置方案的机组背压较低 炉后风向下双小“”风机低位布置方案的机组平均背压低于常规布置方案约.关键词:直接空冷岛直接空冷凝汽器直接空冷单元数值模拟优化设计分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):().().:前 言经过近 年的发展直接空冷系统的散热器和空冷单元型式出现了一些新变化 各种不同类型的空冷散热器和单元型式逐渐涌现 直接空冷单元不同于空冷岛周边没有建筑物或构筑物的影响 空冷单元四面进风进风条件优于空冷岛没有风机间的相互影响 作为直接空冷凝汽器()的基本单元空冷单元的优化对空冷岛的优化有一定的指导作用 对直接空冷单元的优化研究包括空冷单元型式、空冷单元的尺寸、散热器和风机布置形式、整流或导流装置等 导流装置分为空冷单元内部导流和外部导流两种形式 某些空冷单元导流方案已付诸于国内工程实践中与常规直接空冷布置方案相比双小“”型管束风机低位布置的直接空冷方案具有如下优势:()新型小单排管的阻力较小、传热系数较高()在相同迎面风速下可减少 的总换热面积()管束短蒸汽在顺逆流管束内流动时压降较小()蒸汽分配管高度低排汽管道短蒸汽侧阻力低()管束短减少了管束下部过冷区长度有利于散热器冬季防冻()管束短散热器的热媒平均温度和换热效率较高()考核点高度低在相同环境风速下换热条件较好()管束短施工吊装比较方便目前双小“”型管束风机低位布置的 在国内已经有一些工程实践例如 年投运的晋能保德 超超临界低热值煤发电工程等第 卷 第 期汽 轮 机 技 术.年 月.本文以晋能保德 直接空冷项目为依托对不同单元型式、不同散热器管束和风机布置方式下的空冷岛方案进行数值模拟、分析和研究 确定在相同的汽轮机运行工况、不同环境条件(包括气温、风速和风向)下大“”型管束常规风机布置、大“”型管束风机低位布置和双小“”型管束风机低位布置的 性能和机组背压以选择最佳的空冷岛方案 直接空冷系统参数.直接空冷系统性能保证在大气压力 环境气温 环境自然风风速(最大直径的蒸汽分配管顶上方 处)/排汽量为(.)/(主汽轮机 小汽轮机)、排汽焓为(./.)/(主汽轮机/小汽轮机)时风机按转速且不采取任何其它辅助措施的条件下满足汽轮发电机组 工况的运行要求即主机汽轮机排汽装置两根分支管出口处压力应同时满足不大于 工况下单台机组设计排热量为.设计空冷风机总风量为/.散热器和风机基本参数 有多排管、双排管和单排管等多种管型 常见的两种单排管为常规大单排管和新型小单排管二者参数对比详见表 不同运行工况下散热器阻力特性和传热系数参见文献 目前绝大多数 采用常规大单排管新型小单排管主要用于双小“”空冷凝汽器中 表 两种单排管管型比较项 目翅片管排数排基管横截面尺寸 基管壁厚翅片尺寸 翅片厚度翅片扰流槽深度翅片间距常规大单排管.新型小单排管.工况下 设计迎风风速为./不同空冷方案采用相同的空冷风机 空冷风机设计点风量为/、风压为 风机选用直径为.电站空冷低噪声玻璃钢()轴流风机 当风机的风量减小到约/时风机将停止运行.空冷单元及空冷岛方案 种空冷岛的单元方案如图 所示 种空冷单元方案组成 种的空冷岛方案 种空冷单元的平面尺寸完全相同为.方案 为常规直接空冷布置方式 采用大单排管大“”形散热器布置方式空冷轴流风机布置在空冷平台下方、下部钢桁架的顶部称为风机高位布置方案 风机风筒出口位于空冷平台平面上 目前直接空冷系统中绝多数采用这种型式方案 为方案 采用风机低位布置的型式风机位于平台下方 处 风筒的上边缘固定在钢桁架平台的下底面轴流风机布置在风筒中 风机组的电机、齿轮箱、风机桥架等均位于钢桁架平台上顶面以下方案 采用双小“”管束、风机低位布置方式 与方案/不同方案 采用新型小单排管、双小“”形管束及风机低位布置方式 方案 与方案 的平台高度相同风机位于空冷平台下方 处图 不同空冷岛方案的空冷单元模型.空冷岛布置及风向角定义空冷岛包括汽机房、煤仓间、锅炉房、主控室和直接空冷凝汽器()等 除了空冷单元和风机布置型式外 个方案的其它条件完全相同 布置在主厂房 列外每台机组设 个冷却单元为 布置方案 沿汽机房 列方向布置 列空冷器每列为 个冷却单元 顺、逆流单元分别设置顺、逆流风机两台机组 平台总面积为.两台机组空冷平台之间步道宽度为.空冷平台高度为 挡风墙高度为、或.混凝土支撑柱直径为.高度约为 走廊宽度分别为.和.方案 的空冷岛模型如图 所示 定义主进风侧来风为 风向炉后来风为 风向 以 轴为轴心在 平面顺/逆时图 方案 的空冷岛模型针方向旋转间隔 共定义 个风向角.空冷岛方案之间的异同根据设计资料建立 种空冷单元型式的直接空冷岛 种空冷岛方案之间的异同见表 汽 轮 机 技 术 第 卷 表 种空冷岛方案之间的异同空冷岛方 案蒸汽分配管直径/排汽装置出口至蒸汽分配管入口总压降/方案间 入口蒸汽压差/入口蒸汽压力/蒸汽分配管入口至逆流管束抽空气出口处压降/排汽装置出口至逆流管束抽空气出口处压降/.空冷岛方 案方案间蒸汽侧总压差/管束长度(模型)/管束间夹角()迎风面积 总换热面积 考核点高度.相同 .相同 .相同 .空冷岛方 案风机标高风筒底标高挡风墙高度平台高度/考核风速下 高处环境风速/(/)风筒出口相对于平台的高差/.假定 入口蒸汽背压为.由于方案 蒸汽侧总阻力低于方案 和方案 约.因此该方案具有.的背压裕量 数值模型及边界条件描述直接空冷岛空气流动和换热的连续性方程、动量方程、能量方程以及描述壁面的导热微分方程可以统一写成式()的通用形式 动量方程采用 双方程湍流模型并考虑由于温度变化而导致的空气密度的变化和浮升力的影响()()()式中 为密度/为通用变量可以代表、等求解变量 为广义扩散系数 为广义源项 为速度矢量/根据文献计算区域的范围为()()控制微分方程的离散化采用有限容积法 大气边界层内沿高度方向环境风速分布为梯度风采用速度入口边界条件编写用户自定义函数()程序 采用 散热器模型 结果及分析对静风状态和不同环境风速风向下 种空冷岛的 性能进行数值模拟 得到每台机组各风机的风量和机组总风量、各散热器的散热量、总散热量和平台换热效率各风机和散热器入口和出口温度、温度变化值及热风回流率每台机组的背压等.静风工况表 为 工况静风状态下各方案的两台机组的总风量、总散热量、热风回流率、百分比和相对差值的模拟结果由表 可见静风状态下不同布置方案的空冷岛通风量及换热量之间的差别很小均在 以内热风回流率很低表 为 种空冷布置方案下两台机组在风筒入口和风筒出口处的全压 风筒出口全压与风筒入口全压的差值可近似认为是风机的全压或系统总阻力 由表 可见、个方案之间的风机平均全压差很小最大约为.以方案 为基准最大相对差值在.左右、个方案之间的最大风机平均静压差约为.根据风机性能曲线可知各空冷方案的风机总风量差别较小与表 得到的结论基本一致.考核风速(/环境风速)不同空冷方案在考核风速、不同风向角下的机组背压如图 所示图 中左侧为 号机组背压右侧为 号机组背压 两台机组的背压曲线大致对称 不利风向为炉后和侧炉后来风 由于侧炉后来风造成的 号和 号机组的高背压并不同时出现因此炉后来风为最不利风向 为掌握两台机组的整体性能同时消除模拟中机组间存 表 种空冷岛方案的通风量和换热量比较方 案两台机组总风量/相对于设计值的百分比两台机组总散热量相对于设计值的百分比两台机组平均热风回流率.第 期石 磊等:不同单元型式的直接空冷岛数值试验对比研究 表 种方案不同位置处的全压和静压方 案 号机组风筒入口全压/号机组风筒入口全压/风筒入口全压平均值/号机组风筒出口全压/号机组风筒出口全压/风筒出口全压平均值/风筒出口全压 风筒入口全压/风筒出口静压 风筒入口静压/.图 考核风速、不同风向角下各方案的机组背压()在的计算误差采用两台机组的平均背压进行方案间的比较 不同空冷方案在考核风速、不同风向角下的机组背压如图 所示由图 可见考核风速各风向下与方案 相比方案 机组背压较高 主进风侧风向下方案 机组平均背压高于方案 约.炉后风向下方案 机组平均背压高于方案 约.考核风速各风向下与方案 相比方案 的机组背压较低 主进风侧风向下方案 机组平均背压高于方案 约.炉后风向下方案 机组平均背压低于方案 约.由于 考核工况下方案 蒸汽侧总阻力裕量为.因此主进风风向下方案 的机组背压可比常规布置方案 低约.炉后风向下方案 的机组背压可比常规布置方案 低约.图 考核风速、不同风向角下各方案的机组平均背压()数值计算中各方案采用相同的 冷凝温度 由于未考虑方案间的汽侧阻力差实际上降低了方案 的计算 值使得其计算结果偏于保守 另外模拟中各方案 考核点风速相同 而实际运行中在相同的环境风速下由于方案 的考核点位置较低对应的风速也较低有利于空冷岛的换热 综上所述考核工况最不利风向下方案 为最优方案./和/环境风速在/和/环境风速、不同风向角下各方案的机组平均背压对比如图 所示 总体而言高风速下方案 的背压较低图 /和/环境风速、不同风向角下各方案的机组平均背压()综上所述环境风出现时由于不同空冷岛方案的空冷单元布置型式不同导致空冷岛的通风量、换热量和机组背压出现一些差异 不同环境风速下规律有所不同 结 论本文依托晋能保德 直接空冷项目仅在空冷单元型式、散热器和风机位置不同其它条件完全相同的情况下对 工况 种空冷岛的流动和换热性能进行了数值模拟、分析和研究确定了最佳的空冷岛方案 小结如下:()静风状态下不同布置方案的空冷岛通风量及换热量之间的差别很小均在 以内 个方案之间的风机平均全压差很小最大约为.()当环境风出现时由于空冷单元布置型式不同导致空冷单元和空冷岛的通风量、换热量和机组背压出现一些差异 不同环境风速下规律有所不同()考核风速各风向下与方案 相比方案 机组背压较高 主进风侧风向下方案 机组平均背压高于方案 约.炉后风向下方案 机组平均背压高于方案 约.()考核风速各风向下与方案 相比方案 机组背压较低 主进风侧风向下方案 机组平均背压高于方案 约.炉后风向下方案 机组平均背压低于方案 约.()考核工况下方案 蒸汽侧总阻力低于方案 约.当考虑此背压裕量时主进风风向下方案 的机组背压可比常规布置方案 低约.炉后风向下方案 的机组背压可比常规布置方案 低约.()考核风速下 种直接空冷岛方案中方案 为最优方案参 考 文 献 程友良张 宁.圆台形空冷单元供风方式优化数值模拟研究.华北电力大学学报():.(下转第 页)汽 轮 机 技 术 第 卷图 壳程 接管中轴线各跨速度曲线图 壳程 接管壳程速度分布云图图 壳程 接管中轴线各跨速度曲线 表 不同流量下出口混合温度表壳程空气入口流量/(/)壳程单接管空气出口混合温度/壳程多接管空气出口混合温度/.由表 和图 可以看出随着壳程空气流量的不断增加壳程空气均匀分布(多接管)的换热器相比于壳程不均匀分布(单接管)有更好的换热性能 如果换热器壳程的空气流量达到/(约/)且错流式换热器壳内空气分布不均会造成 左右的热量损失图 壳程空气流量 空气出口混合温度曲线 结 论由于错流式结构壳程阻力极小适合对空气侧阻力有严格要求的换热器 本文在错流式换热器壳体内部空气分布情况对空气出口温度的影响方面进行研究得出结论如下:()错流换热器壳体内的空气在各跨之间的质量流量分布均匀程度影响壳程空气出口混合温度分布越均匀壳程出口混合温度越高换热器的性能越好()错流换热器壳程空气流量会放大壳程分布均匀与非均匀两种情况下的壳程空气的换热效率既随着空气流量的不断增大壳程空气均匀分布的错流式换热器与分布不均的错流式换热器壳程出口混合温度差越大参 考 文 献 严 政王俭曾颖群.全错流 型换热器的设计与运用.化工与医药工程():.(上接第 页)杨立军.单元长宽比对直接空冷系统运行特性的影响.工程热物理学报():.杨立军蒲 罡杜小泽杨勇平.一种空冷单元空气导流装置流动传热特性.工程热物理学报():.易文杰阴继翔郭 政李东青.“”型直接空冷凝汽器单元内部导流的数值研究.汽轮机技术():.周兰欣李海宏张淑侠.直接空冷凝汽器单元内加装消旋导流板的数值模拟.电机工程学报():.贾宝荣杨立军杜小泽杨勇平.导流装置对直接空冷单元流动传热性能的影响.电机工程学报():.阴继翔王 涛易文杰.导流板倾角对“”型直接空冷单元空气流动与换热特性的影响.热科学与技术():.水海波王晓龙张 涛等.直接空冷单元空气流场优化.热力发电():.中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司.晋能保德 超超临界低热值煤发电工程空冷数模试验研究报告.北京:北京交通大学.西安热工研究院有限公司./直接空冷系统性能试验规程.陈胜利.钢制椭圆管矩形翅片空冷元件传热及阻力性能试验研究报告.西安:西安热工研究院有限公司.西安热工研究院有限公司.江苏双良冷却系统有限公司单排管直接空冷换热器传热及阻力性能试验报告.西安:西安热工研究院有限公司.王汉青.暖通空调流体流动数值计算方法与应用.北京:科学出版社:./建筑工程风洞试验方法标准.北京:中国建筑工业出版社.汽 轮 机 技 术 第 卷