高风速下直接空冷系统流场优化分析

高风速下直接空冷系统流场优化分析

张超

（神华国能哈密电厂新疆哈密市839000）

摘要：随着现代社会对电力的需求量越来越大，加上小型机组存在效率低、污染高、综合效益低等缺点，在我国大型火力发电汽轮机组不断上马,这些机组在耗用大量煤炭的同时,也耗用大量水资源。发展空冷技术是倡导可持续发展的科学发展，是解决我国北方富煤缺水地区电力发展问题的关键，势在必行。由于空冷凝汽器布置在自然风场中,因此直接受环境风场的影响。根据目前直接空冷系统的情况来看,环境横向风的不利影响是需要解决的突出问题之一，本文将就高风速下直接空冷系统内部流场的运动情况做出分析研究，以促进进一步优化直接空冷系统的效率做出科学依据。

关键词：高风速空冷系统优化

1引言

目前，大型空冷电厂的直接空气凝汽器冷却系统的优点是系统简单，设备少，基建投资小，空气量调节灵活，该系统一般与高背压汽轮机配套。直接空冷机组受到环境气象条件，尤其是环境风速、风向、风频等的影响显著。国内对于环境风作用下，直接空冷机组变工况运行时，空冷单元内部的空气动力流场特性以及翅片管束流场优化的研究成果还相对缺乏。因此，揭示高速环境风作用下空冷系统的流场变化特性对于空冷岛安全优化运行具有十分重要的意义。

2空冷凝汽器控制方程

RNGk-ε湍流模型是用于研究空冷单元内部流场较为复杂的空冷凝汽器的控制方程。在理论的计算中去取理想模型，即认为翅片管内的热流体为饱和状态，热力变化当作为等温凝结过程。翅片管束部分忽略管壁的导热热阻，使用散热器模型，把管束空间看作是多孔介质平面。不考虑计算过程中的辐射换热，以及忽略蒸汽在管道内部的凝结对流换热过程。对于翅片管束结构，当速度比较高时，动量方程中的源项仅考虑惯性损失项，本实验采用的数据r1=71.69，r2=-31.71，r3=4.80。能量方程中的源项Sh只考虑空气流过翅片管束的换热量q，本实验采用的数据为h1=536.99，h2=2016.09，h3=-97.77。

3数学模型及计算方法

无导流空冷单元基本模型与实际尺寸一致，即在单元内无任何空气导向装置。带导流空冷单元是在A型框架内部进口-x侧安装8块矩形导流板，出口+x侧也安装8块相同的导流板。翅片管束内侧为空气流动进口面，翅片管束外侧为换热之后空气流动出口面。

边界条件的设置与风速的有无有直接关系。迎风面为进口，即可设置为速度入口；与之相对的面为出口，设为压力出口边界条件；顶面设置为对称面；两个侧面为周期性边界条件。

采用SIMPLE算法，单精度计算，计算域进口风速变化应用Fluent自带的UDF自定义边界条件编程进行加载。为了达到计算精度的要求，监测各个质量、流量、换热量等数值变化稳定，流量残差、速度和能量残差必须控制在一定范围内。

4结果及分析

4.1环境风影响下翅片管束速度场特性

无导流装置时，前5个单元翅片管束进口速度呈现缓慢增长趋势，在第6、7单元末端出现速度激增，最高点在第7单元中下部，速度可达14m/s.装设导流装置后，翅片管束进口速度明显较无导流时小，第5单元出现了进口速度最大值，较无导时提前，且在后三个单元进口速度的波动范围较小。通过上述比较可以得出小结：18m/s风速下导流装置在后四个单元发挥了很好的空气导向作用，加强了A型框架内部的空气流动。此外，翅片管束底部流场受导流装置的影响较其它位置要大。

受到环境风和周围气流的影响较大的部位是第一单元，但是相对于无导来说，第一单元部分的出口速度较高，这表示导流板在大风情况下也能起到一定的导向作用。从整体来讲，在外界大风的作用下，翅片管束空气出口速度大于进口速度，上部进出口速度差值小于中部和下部。导流装置对翅片管束底部流场的影响较其它位置要大的问题仍然存在。

4.2环境风影响下翅片管束温度场特性

当外界风速为18m/s时，出口平均温度大于进口平均温度。第1单元无导流进出口速度差值大于带导流进出口速度差，且进出口温度差值很小，无导流翅片管束的换热能力好于带导流时。从第2单元开始空气进出口温度差值逐渐增大，管束内外的空气流动条件得到加强，带导流进出口速度差值大于无导流进出口速度差值，带导流翅片管束的换热能力呈现明显趋势好于无导流时。

当在21m/s时，进出口温度呈缓慢下降趋势。外界大风使得管束外的空气流动条件得到明显改善，虽然进出口温差较小，但带导流进出口速度差值远远大于无导流时，加装导流板后进出口速度、温度曲线比无导流时要光滑连续，没有出现巨大的波动范围。虽然第8单元的无导流进出口温差比带导流进出口大，但外界大风加快了翅片管束外部的空气流动，反而使进入A型框架的空气温度降低，促进了翅片管换热，该单元带导流换热能力明显好于无导流。随着翅片管束位置的降低，进出口温度有所上升，翅片管束的平均温差也有所增大。加装导流板后内外部速度、温度场趋向于更加均匀，使得进出口速度、温度曲线比无导流时要光滑连续，无太大的波动。

5结论

从整体的结果来看，高风速下，进出口温度呈下降趋势，进出口温度差值逐渐增大。此外，加装导流板后内外部速度、温度场趋向于更加均匀，进出口速度、温度曲线比无导流时光滑连续、波动减小，有利于设备使用寿命。如果风速继续增大的情况下，会出现“倒吸”现象，即出口温度大于进口温度。风速控制在一定范围内，“倒吸”现象可以被弥补，如果风速继续增加，将导致得不偿失，带导流装置就毫无意义了。总之，适当控制风速，对直接空冷系统还是能够起到很好的效果的。

参考文献：

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