直接空冷機組空冷島結構優(yōu)化研究

第50卷第2期汽輪機技術(shù)2008年4月TURBINE TECHNOLOGYApr.2008直接空冷機組空冷島結構優(yōu)化研究周蘭欣,白中華,李衛華華北電力大學(xué)電站設備狀態(tài)檢測與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗宣,保定071003摘要:采用 SIMPLE算法和k-e模型,以我國某600MW直接空冷電廠(chǎng)為例對其空冷平臺外部流場(chǎng)進(jìn)行數值模擬分析不同風(fēng)速時(shí)擋風(fēng)圍墻高度和空冷平臺高度對空冷凝汽器換熱效率的影響得出最佳圍墻高度范圍對直接空冷電廠(chǎng)的設計和穩定經(jīng)濟運行具有一定的參考價(jià)值關(guān)鍵詞:直接空冷;數值模擬;擋風(fēng)墻;空冷平臺;換熱效率分類(lèi)號:TK2641文獻標識碼:A文章編號:10015884(2008)02009503Optimization Study on Structure of Air Cooling Platform of Direct Air Cooling UnitsZHOU Lan-xin, BAI Zhong-hua, LI Wei-huaKey Lof Ministry of Education of Condition Monitoring and Control for Power PlantEquipment, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)Abstract: With SIMPLE algorithm and k-e model, take one 600Mw direct air-cooled unit in our country as an example,proceeding numerical simulation of exterior flow field of its'air cooling platform. Analysing the effect of different wind velocity, height of windbreak and aircooling platform on heat exchange efficiency of direct air cooled condenser, obtaining optimizate height of wind break. The essay has direct significance for designing and the steady and economic running of direct airKey words: direct air cooling; numerical simulation; windbreak; aircooling platform; efficiency of heat exchange0前言1模型的建立直接空冷是指汽輪機排汽經(jīng)管道送到空冷凝汽器的翅1.1幾何模型及網(wǎng)格劃分片管束中凝結其冷卻介質(zhì)是在翅片管外流動(dòng)的空氣排汽空冷散熱單元物理模型如圖2所示,模型的計算域為的凝結水由凝結水泵送至回熱系統,并經(jīng)汽輪機抽汽加熱后600×800x600(m)的長(cháng)方體。其中,空冷平臺為70×80作為鍋爐給水循環(huán)使用如圖1所示?？绽淠鞯膿Q熱效(m),空冷平臺高度H取35m,40m,45m,擋風(fēng)墻高h分別取率是影響空冷機組效率的主要因素,該設備布置于自然風(fēng)場(chǎng)8m、10m、12m、14m、16m,鍋爐房高為90m,汽機房高為40m中因此直接受環(huán)境參數的影響。自然風(fēng)的風(fēng)速風(fēng)向以及網(wǎng)格采用 cooper結構化網(wǎng)格進(jìn)行劃分,由于計算域很大,采冷平臺的結構對于空冷機組的正常穩定運行起著(zhù)決定性用分塊劃分法在滿(mǎn)足網(wǎng)格質(zhì)量( Equisite Skew<0.4)的前作用①。提下減少了網(wǎng)格數量(259860),幾何模型如圖3所示。因為直接空冷機組空冷島所處的地理位置及自然環(huán)境是一定的所以對空冷島的擋風(fēng)墻和空冷島的高度進(jìn)行結構優(yōu)化,提高空冷單元的換熱效率和凝汽器真空度,對機組的流出口設計制造和安裝具有重要意義。甸流動(dòng)冷知管束圖2空冷散熱單元示意圖1.2數值模型及邊界設定圖1直接空冷機組原則性汽水系直接空冷平臺周?chē)拇髿膺\動(dòng)被認為是不可壓縮定常收稿日期:20070725作者簡(jiǎn)介:周蘭欣(1956-),男教授,主要從事空冷機組節能研究。汽輪機技術(shù)第50卷0.4703,邊緣效率低。換熱效率和冷卻介質(zhì)流量分布趨勢一致(如圖5所示),且在整個(gè)空冷平臺呈對稱(chēng)分布與工程實(shí)際運行數據一致冷卻介質(zhì)的總流量為4275873kg/s*-6。汽機房5,0F41400E-12/E-01圖3幾何模型OE-01流動(dòng)。流體區域的控制方程為雷諾平均的納維-斯托克斯0.00E+00(N-S)方程。連續性方程:中+V·(p)=0圖4空冷換熱效率圖(V=0)動(dòng)量守恒方程(pu)+(p,)=e[幽)800本構方程:,=2m,-3xm采用標準k-e湍流模式:圖5空冷單元空氣流量圖(V=0)2.2風(fēng)速和圍墻高度對換熱效率的影響y叫+幽)3(噸+u月風(fēng)速V分別取0、13、5、8、10(m/8),圍墻高h取8m、模型涉及到熱量交換問(wèn)題能量方程為:10m、12m、14m、16m,在此情況下,隨著(zhù)風(fēng)速的提高空冷單元aB)+…、m(pE+p)=+面(x+;)的整體換熱效率下降(如圖6所示),但下降趨勢受?chē)鷫Ω叨鹊挠绊?圍墻越高,下降越緩慢。由圖7知,隨圍墻高度增加其中p為空氣密度;為流體速度;過(guò)、k=1、2、3;P為壓力效率增加,當h=14m左右時(shí)達到最大后效率開(kāi)始降低說(shuō)為流體動(dòng)力黏性系數;r為應力張量;為應變率張量。明圍墻高度存在理論上最佳值。計算域的進(jìn)口采用大氣邊界層函數即迪肯( Deacon)的冪定律描述:=(x/)°式中:為氣流達到均勻流時(shí)的高廈;為動(dòng)處來(lái)流平均風(fēng)速;為任意高度;為處平均風(fēng)速;aα為地面粗糙系數,粗糙度越大a越大。根據我國氣象觀(guān)測標準并結合電廠(chǎng)的地形地貌取a=0.2和=10,該條件利用uen自帶的udf自定義邊界條件編程加載,每個(gè)空冷散熱單元采用風(fēng)扇入口和熱交換( heat exchanger)核心,擋風(fēng)墻、柱子及地面均采用墻壁邊界,計算域的其它邊界均為速度進(jìn)口條件以模擬自然環(huán)境2模擬結果及分析圖6平均換熱效率隨風(fēng)速變化曲線(xiàn)額定工況下汽輪機排汽溫度已知,可以算出空氣和汽輪2.3空冷平臺高度對換熱效率的影響機排汽之間所需的換熱量將其定義為標準換熱量。每個(gè)空取平臺高度H分別為35m、40m、45m進(jìn)行模擬計算。冷單元的實(shí)際換熱量除去標準工況下空冷單元的標準換熱風(fēng)速增大時(shí)換熱效率整體下降但隨平臺高度的增加,下降量所得到的無(wú)量綱數定義為換熱效率。利用換熱效率來(lái)表8所示)。趨勢減小。在風(fēng)速V=8m/s時(shí)換熱效率最多相差3%(如圖征空冷平臺外部流場(chǎng)對空冷凝汽器的影響13。從每個(gè)換熱單元的冷卻介質(zhì)流量和換熱量分析流場(chǎng)對整個(gè)空冷平臺的2.4模擬結果分析影響。環(huán)境風(fēng)速V=0時(shí)整個(gè)空冷平臺形成蒸騰現象(如圖92.1V=0,H=40m模擬結果所示)。當環(huán)境風(fēng)吹至空冷平臺時(shí),環(huán)境風(fēng)和空冷散熱器發(fā)風(fēng)速為0空冷平臺高度為40m空冷單元換熱效率分布出的熱氣進(jìn)行熱交換1。熱氣質(zhì)點(diǎn)和自然風(fēng)質(zhì)點(diǎn)不斷相互如圖4所示,空冷平臺整體效率較高,整體平均效率為混摻兩者的速度、壓力溫度等物理量在時(shí)間和空間上均具第2期周蘭欣等:直接空冷機組空冷島結構優(yōu)化研究9704s著(zhù)風(fēng)速的增加這種影響加劇,機組背壓升高威脅機組的安全運行隨著(zhù)擋風(fēng)墻和空冷平臺高度H的增加漩渦區高度向上80.4緊軟移動(dòng)(圖1),在一定程度上抑制了熱風(fēng)回流,使整個(gè)平臺的換熱效率有所提升。當V=8m/8時(shí),空冷平臺高度H=35m和H=45m效率相差29%,擋風(fēng)墻高度h=8m和h=16m效率相差27%。78910ll1213141516173結論圖7平均換熱效率隨擋風(fēng)墻高度變化曲線(xiàn)(1)通過(guò)構建模型分析了環(huán)境風(fēng)速對空冷機組換熱效率的影響隨著(zhù)風(fēng)速的增加,在大氣邊界層和熱風(fēng)回流的影響H=40mH=45m下空冷單元換熱惡化效率降低;(2)擋風(fēng)墻對直接空冷機組的換熱效率具有積極的作獲0.43用但這種影響隨著(zhù)擋風(fēng)墻高度的增加逐漸減小,當h>15m042后效率開(kāi)始下降,在本模型中擋風(fēng)墻的最佳高度在14m04115m之間(3)空冷平臺的高度是影響空冷換熱效率的一個(gè)重要因素,隨著(zhù)高度的增加效率升高故在空冷機組的設計中可結速/(m/3)合廠(chǎng)址所處環(huán)境及技術(shù)經(jīng)濟性選取一最佳值。圖8平均換熱效率隨風(fēng)速變化曲線(xiàn)參考文獻[1]丁爾謀發(fā)電廠(chǎng)空冷技術(shù)M].北京:水利電力出版社,1992[2]H. Goldschag, Winds of change at Eskoms Matiba-plant [J[3] ZhifuGu, XuereiChen etal. Wind tunnel simulation of exhaust rein an air-cooling system at a large power plant [J]Intermational Joumal of Thermal Sciences, 2007, 46: 308-31[4] N. Isyumov. Wind Tunnel Studies of Buildings and Structures[ J]ASCE Manuals and Reports on Engineering Practice, 1999,6圖9空冷平臺速度矢量圖(V=0,H=40)[5] B.R. White. Physical modeling of atmospheric flow and environ-ference of KSME 1996[C]. Pusan, Korea: Pusan National Uni-三三[6] H.S. William. Guideline for fluid modeling of atmospherie diffusion[J]. Environmental Sciences Research Laboratory, Office ofTResearch and Development, US Emvironmental Protection Agency.[J]. ASCE Manuals and Reports on Engineering Practice, 1999圖10空冷平臺速度矢量圖(V=3,H=35)[8]孔現工程流體力學(xué)[M].北京:中國電力出版社20079]張文元環(huán)境風(fēng)場(chǎng)對直接空冷發(fā)電機組的影響[A].全國火電空冷機組技術(shù)交流論文集[C].2005.247-253[10] F P. Ricou, D B. Spalding. Measurement of entrainment of axi-symmetrcal turbulent jets [J]. Fluid Mech, 1961, 11:21[]錢(qián)翼稷.空氣動(dòng)力學(xué)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社UIE[12]戚曉東等.橫向風(fēng)對空冷風(fēng)機影響的實(shí)驗與分析[A],全國火電空冷機組技術(shù)交流論文集[C].2005.265-270[13]楊世銘傳熱學(xué)[M],北京:高等教育出版社,1998圖l1空冷平臺速度矢量圖(V=3,H=45)[14] E.Bar, J.-Y. Noel, G. Comini, G. Cortella. Air-cooled con-有隨機性質(zhì)的向前踴動(dòng)現象,并在空冷平臺和廠(chǎng)房之間形成densing systems for home and industrial appliances[ J].Applied漩渦區1(如圖10所示)。Thermal Engineering, 2005, (25): 1446-14該圖中A漩渦區熱風(fēng)經(jīng)過(guò)空冷平臺和汽機房之間的間[15]A.E. Conradie and d. G. Kroger. Performance evaluation ofdry-隙被散熱器再次吸入,形成熱風(fēng)回流。同時(shí)在大氣壓的作用cooling systems for power plant applications [J]. Applied Thermal下散熱器擴散出來(lái)的熱氣突然被壓回,致使換熱惡化。隨Engineering,1996,(16):219-23