直接空冷凝汽器单元传热性能的数值研究.doc

直接空冷凝汽器单元传热性能的数值研究
刘海峰1，张薇2，周云山1
1. 中国华电工程（集团）有限公司 北京100044
2. 华北水利水电学院环境与市政工程学院 郑州450011
摘要：直接空冷凝汽器由一个个直接空冷单元组成。对直接空冷凝汽器单元的研究具有重要的意义。依托实际工程项目，建立了某135MW直接空冷凝汽器单元流动和传热的数学模型。利用计算传热学（NHT）软件FLUENT，对夏季汽轮机考核工况（TRL）下，不同环境风速和风向，进行了空冷单元的性能的数值模拟。对直接空冷凝汽器外部空气的速度场、温度场的模拟、分析和研究，为直接空冷系统的优化设计提供帮助。
关键词：空冷凝汽器 直接空冷单元 数值模拟 优化设计

Numerical Investigation on Heat Transfer Performance of Direct Air Cooled Condenser Unit
By LIU Haifeng, ZHANG Wei, ZHOU Yunshan
1. China Huadian Engineering Corporation Ltd. Beijing. 100044, China
2. School of Environmental and Municipal Engineering, North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power, Zhengzhou 450011,China
Abstract: Direct air cooled condenser is composed of individual direct air cooled units. It is very important to have a detailed research on direct air cooled condenser unit. Based on actual project, the mathematic model for flow and heat transfer of direct air cooled unit in a 135MW power plant is constructed. Using the numerical heat transfer（NHT）software called FLUENT, the thermal performance of air cooled unit under typical steam turbine, especially TRL mode in Summer, under different environmental velocity and wind direction, is simulated. The simulating results, including the flowing field and temperature field are analyzed and studied. It offers good help for the optimal design of direct air cooling system.
Keywords：air cooled condenser; direct air cooled unit; numeral simulation; optimal design

0. 引 言
空冷是“富煤缺水”地区火电厂的主要冷却方式，它改变了原来“以水定电”的被动局面，在水资源日益紧张的今天，具有重要的意义。山西格瑞特实业有限公司煤矸石综合利用发电项目规划容量为2×135MW，采用机械通风直接空冷系统冷却汽轮机排汽。上海电气集团提供NZK135-13.24/535/535直接空冷超高压中间再热凝汽式汽轮机。江苏双良空调股份有限公司提供双排管直接空冷凝汽器。
直接空冷系统关键技术和设计长期被国外公司所垄断，空冷国产化面临很多技术难题。火电厂直接空冷系统和空冷凝汽器（ACC）设计的优劣直接关系到投产后电厂的安全和经济效益。不同风向、风速和气温的组合下，气象环境会对空冷凝汽器的换热产生影响。本文利用数值传热学软件FLUENT，对直接凝汽器单个换热单元进行了全面的数值模拟、分析和研究。
1. 计算条件[1]
山西朔州位于北纬39º18′，东经112º26′，海拔1091.2m，多年平均大气压892.9 mbar，多年平均风速为2.2m/s，空气密度约1.024kg/m3。根据朔州的全年、夏季和冬季的风向玫瑰图1，该地区的全年主导风向为静风C，次主导风向为西南西WSW。表1为朔州全年、夏季及冬季各风向平均风速表。根据朔州全年、夏季及冬季各风向平均风速表，该地区夏季各朝向平均风速均低于2.5m/s。

图1 朔州全年、夏季及冬季风向玫瑰图
由于空冷机组背压波动范围较大（10~60kPa），不可能对所有工况逐一进行模拟和研究。根据直接空冷系统技术协议，在空冷汽轮机典型运行工况中，直接空冷系统的主要性能考核点为TRL工况。即在夏季空气干球温度为28℃，外界环境风速≤3.0m/s（测量位置按德国VGB-R131Me[2]），每台汽轮机的排汽量为335.97 t/h，排汽焓为2606.1kJ/kg，排热量为243.2MW（其中，空冷凝汽器散热量为214.82MW）的条件下，应保证汽轮机排汽口处背压不大于35kPa，满足汽轮机满发条件。汽轮机THA工况、T-MCR工况、VWO工况和阻塞背压工况作为一般考查点或保证点。因此，本文重点研究该工况下，受不同风速和风向的环境来风影响，直接空冷单元的性能。
2. 直接空冷凝汽器单元模型
直接空冷凝汽器换热元件的一般为多排、双排或单排椭圆翅片管。由多个换热元件组成的换热器管束，如图2阴影部分所示，与钢结构支撑构成“A”形架。“A”形架与设置在下部的大直径轴流风机和四周的挡风墙一起，组成一个直接空冷凝汽器单元。多个直接空冷凝汽器单元组成空冷凝汽器。因此，空冷凝汽器几何结构十分复杂。若按照实际情况建模，必将导致计算工作量巨大，计算机资源不足，难以进行精确计算。模拟中，我们对空冷换热单元进行了简化，用一个小长方体代表一个空冷换热单元，如图2所示。利用FLUNENT软件中专门计算复杂几何外形的热交换模块，对换热器进行了合理的简化。

图2空冷单元模型图
根据实际设计图纸，空冷凝汽器紧靠汽机房A列柱外侧布置，单台机组的空冷凝汽器由4行4列共16个空冷换热单元组成。每个空冷换热单元的尺寸为10.79×10.64×12.0m，如图2。钢筋混凝土支撑柱高28 m，空冷平台钢桁架高3.7m，桁架内风机挡风圈高度为1.7m，挡风墙高度为12 m。空冷平台底标高为31.7m，顶标高为43.7 m。
直接空冷凝汽器风机选用保定惠阳航空螺旋桨制造厂生产的直径为7.925 m电站空冷低噪声风机。该风机叶片安装角为18°，叶片数为6片。风机转速为98.8 rpm，风量为453.6m3/s时，风机静压为125Pa，叶尖速度为41m/s。根据风机试验数据拟合出风机性能曲线，如图3所示。风机静压P和风速之间具有如下关系：
（1）

图3 空冷风机性能曲线
为了满足计算精度和时间要求，空冷单元内部采用结构化网格，其余计算区域则用非结构化网格。整个计算区域为（-100,-100,0）到（100,100,100）米。上部和四周边界距离空冷单元较远，该处的流场已基本不受空冷岛的影响，取为环境参数。地面和空冷单元四周的挡风墙，采用固体壁面边界条件。
3. 数学模型[3]
直接空冷凝汽器的流动和传热满足以下控制方程：
质量守恒（连续性）方程：
（2）
动量守恒方程：对于牛顿流体，时均形式的纳维-斯托克斯（Navier-Stokes）方程，即雷诺（Reynolds）方程。
（3）
采用Boussinesq（1877）假设，联系流体应力与应变率的本构方程，湍流脉动所造成的应力可以表示为：
（4）
其中，为空气的密度，u为流速，i,j=1,2,3，P为压力，为空气的动力粘性系数，为应力张量，为湍流粘性系数，为单位质量流体湍流脉动能。
采用k-两方程模型：
（5）
（6）
（7）
其中，为耗散率，、、、、为系数。
能量守恒方程：以温度为变量的能量守恒方程，如下式
（8）
其中，是比热容，T为温度，为流体的传热系数，为粘性耗散项，流体内热源及由于粘性作用流体机械能转换为热能的部分。

4. 结果及分析
由于难以获得空冷凝汽器传热系数随迎面风速的变化曲线，模拟中，假定直接空冷凝汽器单元的传热系数为30W/(m2·℃)。数值模拟计算机为HP工作站xw8200，3.6GHz主频，4G内存。
4.1数值模型的实验验证
为了保证数值模拟结果的正确性，首先对数值模型进行了实验验证。根据江苏双良空调股份有限公司进行的单个空冷单元的现场实际测试，静风 下，当入口空气温度为33.68℃，风量为453.6m3/s时，出口空气温度约为63.98℃，实际散热量约为14.08MW。对此工况的数值模拟结果显示：风量为453.8m3/s，换热量为14.28MW。试验与数值解基本吻合，换热量偏差不超过1.5%，这表明数值模拟模型是正确、可信的。基于此模型，进行空冷单元换热性能的详细模拟。
4.2 空冷单元换热性能
根据空冷技术规范书，TRL工况下，空冷单元的设计平均散热量约为13.43MW。对该工况的模拟结果显示：静风状态下，直接空冷凝汽器单元的换热量为14.85MW，比平均额定散热量高10.6%。这是由于要满足TRL工况，单个空冷单元的设计换热能力肯定大于其平均额定散热量；而且设计中还考虑一定的换热裕量。另外，独立空冷单元为四面进风，且无遮挡，其进风和换热条件均优于实际运行的空冷单元。因此，其换热量较高。静风状态下，直接空冷凝汽器单元y=0处速度分布，参见图4。

图4 直接空冷凝汽器单元速度云图（m/s）
空冷凝汽器在不同环境风速下运行时，各空冷单元的进风量和换热量是不同的。夏季汽轮机TRL工况下，不同环境风速空冷单元的吸风量和换热量的模拟结果，参见表2。表中风速为10m高处气象台风速仪的记录风速。根据德国VGB-R131Me导则，ACC性能试验的风速是指空冷凝汽器上方大约1m高处，近似地无干扰的环境气流在整个时间内的平均速度。当气象站测量环境风速为2.2m/s时，根据大气边界层理论，折算到凝汽器上方1m同高度处的环境风速为3.0m/s。
表2 X方向不同环境风速的模拟结果
风速（m/s）
X方向
流量（m3/s）
换热量(MW)
0
402.00
14.85
1.0
393.53
14.51
2.0
387.00
14.32
2.2
385.02
14.30
3.0
375.84
14.02
6.0
362.40
13.65
由表2可见，风向不变时，随着环境风速的增加空冷单元的吸风量减少，换热量降低。当环境风速为6m/s时，空冷单元的换热量为静风状态下换热量的92.0%左右。也即当空冷单元的换热设计裕量为10%左右时，6m/s的环境来风，不会造成汽轮机背压升高。

图5 6m/s横向风时速度-温度矢量图
由于不存在周围建筑物对空冷单元的影响，各朝向大风均未造成独立空冷单元明显的热风再循环。影响空冷凝汽器换热量的主要因素，是由于横向（切）风造成单侧进风，风机吸风量减少。凝汽器顶部和下部形成局部换热“死区”，导致传热的恶化，参见图5。模拟结果还显示：相同环境风速，不同风向下，空冷单元的换热量几乎不变。
横向风所导致的风机吸入口处气流分离和变形是风机吸风量的减少主要原因。气流分离和变形将导致入口阻力损失的增加，吸风量的减少；风机入口气流分布不均，导致风机叶片停转或降低空气动力学效率；以及风机轴外侧入流静压升减少。
5. 结束语
根据实测数据，验证了单个空冷单元的流动和传热的数值模型的正确性。在汽轮机TRL工况下，不同环境风速和风向时，进行了直接空冷单元流动和传热的数值模拟、分析和研究。模拟结果表明：风向不变时，随着环境风速的增加空冷单元的吸风量减少，换热量降低。当环境风速为6m/s时，空冷单元的换热量为静风状态下换热量的92.0%左右。环境风速不变时，在不同风向下，空冷单元的换热量几乎不变。各朝向大风未造成空冷单元明显的热风再循环。横切风造成风机吸风量减少，空冷凝汽器局部流动“死区”是导致其传热“恶化”的主要原因。

参考文献：
[1] 江苏双良空调设备股份有限公司．朔州市格瑞特实业有限公司煤矸石综合利用发电项目2*135MW发电机组直接空冷系统技术协议[R]．2006，上海
[2] VGB technische vereinigung der grosskraftwerksbetreiber E.V.. VGB guideline acceptance test measurements and operation monitoring of air-cooled condenser under vacuum VGB-R131Me [M]. 1997
[3] 陶文铨.数值传热学（第2版）[M].西安：西安交通大学出版社,2001
[4] J.R. Bredell, D.G. Kröger, G.D. Thiart. Numerical investigation of fan performance in a forced draft air-cooled steam condenser[J]. applied thermal engineering. 26(2006): 846-852
[5] P. J. Hotchkiss, C. J. Meyer, T.W. von Backstrom. Numerical investigation into the effect of cross-flow on the performance of axial flow fans in forced draught air-cooled heat exchangers [J].Applied thermal engineering. 26(2006):200-208
[6] C.J. Meyer. Numerical investigation of the effect of inlet flow distortions on forced draught air-cooled heat exchanger performance[J]. applied thermal engineering. 25(2005): 1634-1649

投稿日期：2007-10-25
作者简介：刘海峰（1975－），男，汉，工程师，主要从事直接空冷凝汽器系统模拟和优化研究。
电话：[phone]