基于cfd的直接空冷機(jī)組外部流場(chǎng)數(shù)值模擬

基于cfd的直接空冷機(jī)組外部流場(chǎng)數(shù)值模擬

0外部環(huán)境的影響熱能發(fā)電研究所的空冷機(jī)械技術(shù)（以下簡(jiǎn)稱空冷技術(shù)）是近年來(lái)發(fā)展最快的工業(yè)節(jié)水技術(shù)之一。該技術(shù)使電廠的耗水量節(jié)省80%以上,以2×600MW機(jī)組為例,年節(jié)約水資源將達(dá)到1300萬(wàn)噸,可見其節(jié)水效果相當(dāng)顯著。而直接空冷機(jī)組的運(yùn)行特點(diǎn)決定了其運(yùn)行過(guò)程必然受到外界環(huán)境的影響,外界環(huán)境對(duì)直接空冷機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性及安全性有極大的影響,這直接制約了直接空冷機(jī)組在我國(guó)的發(fā)展。文中以內(nèi)蒙古達(dá)拉特旗電廠600MW直接空冷機(jī)組為例,對(duì)其進(jìn)行數(shù)值研究,分析不同環(huán)境風(fēng)對(duì)其換熱的影響。1數(shù)值建模1.1空冷島的設(shè)計(jì)整個(gè)空冷島由8×8個(gè)空冷凝汽器組成,空冷凝汽器的核心部件是與豎直方向各成30°的單排并列換熱器管束組成的A型換熱器。A型換熱器頂部是蒸汽分配管(直徑×厚度=3020mm×11mm,A型下方左右兩側(cè)是凝結(jié)水收集管,正下方是冷卻風(fēng)機(jī),風(fēng)機(jī)直徑為9.144m,并配有高為2.74m的風(fēng)筒(見圖1)?？绽淦脚_(tái)的高度為50m,平臺(tái)下方為43m高、直徑4.75m的16根支撐柱;擋風(fēng)墻高×寬(12.8m×0.2m),擋風(fēng)墻距凝汽器(即過(guò)道)1.2m;空冷島總高(Z方向)62.8m,總寬(X方向)91.7m,總長(zhǎng)(Y方向)92.24m;鍋爐房長(zhǎng)×寬×高(40m×60m×85m);汽機(jī)房長(zhǎng)×寬×高(40m×92m×35m)且距空冷島14m;模型總長(zhǎng)×寬×高為(550m×550m×260m)(見圖2)。1.2網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證利用FLUENT自帶的網(wǎng)格劃分軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分(見圖3)。為了減少網(wǎng)格數(shù)量,采用了分塊劃分方法,盡量采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,對(duì)無(wú)法用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的局部采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。局部關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行細(xì)化,通過(guò)采用不同網(wǎng)格劃分,驗(yàn)證了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性。最后得到網(wǎng)格數(shù)為170多萬(wàn)。1.3計(jì)算模型的建立由于計(jì)算區(qū)域的高度差較大,因此有必要考慮體積力的作用,本模型的豎直方向?yàn)閆軸,在Z方向設(shè)定重力加速度。模型下部為壁面,模型上方設(shè)為壓力出口,當(dāng)有橫向風(fēng)時(shí)設(shè)為速度進(jìn)口以模擬自然環(huán)境;模型四周設(shè)為速度入口,當(dāng)有橫向風(fēng)時(shí)進(jìn)風(fēng)側(cè)為速度入口,出風(fēng)側(cè)為壓力出口;鍋爐、汽機(jī)房均設(shè)為固體邊界;凝汽器間由墻體隔開;凝汽器換熱管束采用多孔介質(zhì)邊界條件,風(fēng)機(jī)用無(wú)限薄的圓面代替,采用風(fēng)扇入口。1.3.1大氣邊界層函數(shù)文章通過(guò)設(shè)置不同的風(fēng)向入口角,來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的環(huán)境風(fēng)向?？紤]到平均風(fēng)速與高度之間關(guān)系,利用大氣邊界層函數(shù)即迪肯(Deacon)的冪定律:ui=u0(zi/z0)a(1)式中,z0為氣流達(dá)到均勻流時(shí)的高度;u0為z0處來(lái)流平均風(fēng)速,文中u0取當(dāng)?shù)貧庀箫L(fēng)速;zi為任意高度;ui為zi處平均風(fēng)速;a為地面粗糙系數(shù),粗糙度越大a越大,文中取0.16。1.3.2結(jié)構(gòu)方程的修正本模型中的散熱器處理為多孔介質(zhì),換熱管束采用多孔介質(zhì)邊界條件,且屬于簡(jiǎn)單、均勻的多孔介質(zhì),需要確定每個(gè)方向上的1/α(黏性阻力系數(shù))和C2(慣性阻力系數(shù))。二者計(jì)算的關(guān)鍵是找出動(dòng)量方程中應(yīng)附加的源項(xiàng)與空氣自由流速度的關(guān)系,即根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的散熱器阻力性能數(shù)據(jù)求阻力系數(shù)。根據(jù)實(shí)際測(cè)試的翅片散熱器阻力特性數(shù)據(jù)擬合得到阻力與散熱器法向速度u之間的關(guān)系式(1)考慮多孔介質(zhì)即散熱器的厚度為0.2m,得到散熱器法向方向單位長(zhǎng)度阻力損失與自由流速度之間的關(guān)系為式(2),式(2)對(duì)比簡(jiǎn)化的多孔介質(zhì)的動(dòng)量方程(3)可以求出1/α和C2為3375757和24.3,但在數(shù)值模擬中發(fā)現(xiàn),空冷凝汽器的迎面風(fēng)速要比實(shí)際空冷凝汽器的迎面風(fēng)速2.16m/s大,本文為了滿足空冷凝汽器迎面風(fēng)速與實(shí)際迎面風(fēng)速相近,將1/α和C2最終修改為3290000和115。Δp=2.4543u2+13.368u(2)ΔpΔx=12.2715u2+66.84u(3)Si=-(μαui+C212ρ|ui|ui)(4)式中,Si是第i個(gè)(x、y或z方向)動(dòng)量方程中的源項(xiàng);ρ為流體的密度;μ為流體動(dòng)力黏性系數(shù);式中1/α為黏性阻力系數(shù);C2是慣性阻力因子;u為速度,i=1,2,3;Δp為壓力損失;Δx為散熱器厚度。1.4流體動(dòng)力本構(gòu)方程該模型是一個(gè)包含有風(fēng)機(jī),多孔換熱器和防風(fēng)網(wǎng)的復(fù)雜三維不可壓湍流流動(dòng)過(guò)程,文章選用標(biāo)準(zhǔn)k-e方程考慮模型區(qū)域的湍流運(yùn)動(dòng)。用到的控制方程主要有連續(xù)性方程、本構(gòu)方程、N-S方程、湍流動(dòng)能方程k、擴(kuò)散方程e:連續(xù)性方程:?ρ?t+??(ρ→v)=0(5)本構(gòu)方程:τij=2μεij-23μ??→vΙij(6)N-S方程:ρduidt=ρfi-?p?xi+μ?2ui?xj?xj(7)湍流動(dòng)能方程k:ˉuj?k?xj=Ck??xj(k2ε?k?xj)-ˉui′uj′?ˉui?xj+υ?2k?xj?xj-ε(8)擴(kuò)散方程e:ˉuj?ε?xj=??xj[Cεk2ε?ε?xj+υ?ε?xj]+Cε1εk(-ˉui′uj′)?ˉui?xj-Cε2ε2k(9)其中,ρ為流體密度,kg/m3;→v為速度矢量;τij為應(yīng)力張量;εij為應(yīng)變率張量;P為壓強(qiáng);μ為流體動(dòng)力黏性系數(shù);u為速度,i、j=1,2,3;u′、ˉu分別為瞬時(shí)速度、時(shí)均速度;Ck=0.225,Cε=0.13,Cε1=1.45,Cε2=1.92。1.5顯著風(fēng)速下5/s風(fēng)向的選取機(jī)組所在地多年平均風(fēng)速3m/s,大風(fēng)出現(xiàn)的頻率較大。在夏季空氣干球溫度為32℃,不利風(fēng)向風(fēng)速為5m/s。由干球溫度≥26℃,瞬時(shí)風(fēng)速≥4m/s各風(fēng)向出現(xiàn)次數(shù)和頻率選取出現(xiàn)次數(shù)和頻率較大的8個(gè)風(fēng)向:W、WNW、WN、NNW、N、E、ESE、SSE,分別對(duì)其進(jìn)行研究(如圖4所示)。為了表述方便,首先對(duì)64個(gè)空冷單元進(jìn)行編號(hào),用F(i、j)表示對(duì)應(yīng)的空冷單元,i、j分別代表該單元所在的行與列,如圖5所示。2計(jì)算結(jié)果和分析2.1不穩(wěn)定區(qū)域c文章研究的是機(jī)組在TRL(考核)工況下空冷島的換熱量,其設(shè)計(jì)參數(shù)為:環(huán)境溫度32℃、凝結(jié)水溫度67.7℃、過(guò)冷度1℃、排汽熱量812.7MW。空冷島換熱量的計(jì)算公式如下:Qd=n?Qn(10)Qn=D?(Τd-Τa)?η?Cp(11)式中,Qd為空冷島換熱量,MW;Qn為單個(gè)空冷凝汽器的換熱量,MW;n為空冷島所含凝汽器的個(gè)數(shù);D為單個(gè)空冷凝汽器的空氣流量,kg/s;Td為凝汽器內(nèi)蒸汽溫度,℃;Ta為環(huán)境溫度,℃;η為凝汽器換熱效率;Cp為空氣定壓比熱,J/(kg·℃)。由于文章主要研究環(huán)境風(fēng)對(duì)空冷島換熱量的影響程度,所以可假設(shè)空氣經(jīng)過(guò)散熱器后溫度與凝結(jié)水溫度相同,即假設(shè)η=1。其計(jì)算還需假設(shè)條件:(1)傳熱系數(shù)不變;(2)各流體的流量不變;(3)各流體比熱不變;(4)各流體不發(fā)生相變;(5)散熱損失不計(jì)。2.2空冷島的供熱環(huán)境文章研究了8個(gè)風(fēng)向下的典型風(fēng)速0、2m/s、3m/s、4m/s、5m/s、6m/s、9m/s、11m/s對(duì)空冷島換熱效率的影響,得出不同風(fēng)向、不同風(fēng)速對(duì)空冷島的換熱效率的影響。文中的換熱效率等于各個(gè)風(fēng)向下不同風(fēng)速時(shí)計(jì)算所得的空冷島換熱量與風(fēng)速為0時(shí)換熱量的比值,而不是與實(shí)際排汽熱量的比值(見圖6)。從圖中可以看出每種風(fēng)向?qū)绽鋶u換熱的影響程度是不同的,其中西風(fēng)(爐后來(lái)風(fēng))對(duì)本機(jī)組的影響最大,稱其為最不利風(fēng)向。從圖中可以看出越是偏向西的風(fēng)對(duì)空冷島的影響程度越大;在發(fā)生頻率較大的8種風(fēng)向中越是偏向東的風(fēng)對(duì)空冷島的換熱影響越小,這與雷和平等所寫文章中得到的“直接空冷平臺(tái)的布置,其平臺(tái)正面應(yīng)基本對(duì)準(zhǔn)主導(dǎo)風(fēng)向,或至少爐后來(lái)風(fēng)避開主導(dǎo)風(fēng)向”是一致的。其中北風(fēng)、西北偏西風(fēng)、西北偏北風(fēng)在風(fēng)速達(dá)到7m/s左右時(shí),空冷島的換熱效率下降程度較其它風(fēng)速明顯,這與張海新在第三屆全國(guó)火電廠空冷專題會(huì)上提出的“除了爐后來(lái)風(fēng)的影響較大外,從已運(yùn)行電廠的資料顯示,有較大風(fēng)時(shí),平行于汽機(jī)房A列的環(huán)境風(fēng)對(duì)空冷機(jī)組背壓影響也較大”相吻合。導(dǎo)致出現(xiàn)以上結(jié)果的主要原因是因?yàn)?在不同的環(huán)境風(fēng)向和環(huán)境風(fēng)速下形成的熱風(fēng)回流和倒灌的程度不同。2.2.1熱風(fēng)回流與汽器內(nèi)部熱空氣混合關(guān)系由于直接空冷凝汽器在換熱后,周圍的空氣溫度上升,這種已被加熱的空氣又被風(fēng)機(jī)再次吸入與散熱器換熱的現(xiàn)象;或者由于環(huán)境風(fēng)的作用,將上風(fēng)向熱源加熱的空氣被風(fēng)機(jī)再次吸入并重新參與換熱的現(xiàn)象稱之為熱風(fēng)回流,熱風(fēng)回流對(duì)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)和安全運(yùn)行極為不利。倒灌是指當(dāng)環(huán)境風(fēng)速較大時(shí)出現(xiàn)的空冷凝汽器內(nèi)的部分熱空氣逆向流動(dòng)與剛?cè)肟诘睦鋮s空氣混合的現(xiàn)象。下面以北風(fēng)為例,研究風(fēng)速與熱風(fēng)回流和倒灌的關(guān)系。圖7中凝汽器的入口溫度去風(fēng)扇平面的平均溫度,從圖中可以看出當(dāng)環(huán)境風(fēng)速小于等于3m/s時(shí),幾乎沒(méi)有倒灌現(xiàn)象發(fā)生,只有熱風(fēng)回流出現(xiàn),且當(dāng)橫向風(fēng)的速度不斷增加時(shí),熱風(fēng)再回流的影響越來(lái)越大,回流區(qū)域由尾部擴(kuò)大到整個(gè)平臺(tái),同時(shí)回流的溫度也越來(lái)越高。熱風(fēng)回流主要發(fā)生在空冷島的第1列和第8列,且沿著環(huán)境風(fēng)的方向空冷凝汽器的熱風(fēng)回流程度逐漸加重,此時(shí)影響空冷島換熱效率的主導(dǎo)因素是熱風(fēng)回流。隨著風(fēng)速的提高,發(fā)生倒灌的空冷凝汽器數(shù)量在增加,發(fā)生倒灌的空冷凝汽器多為迎風(fēng)側(cè)的凝汽器,當(dāng)風(fēng)速介于3m/s到6m/s之間時(shí),熱風(fēng)回流與倒灌共同影響空冷島的換熱效率。從圖中可以看出環(huán)境風(fēng)速大于等于6m/s時(shí)空冷島發(fā)生熱風(fēng)回流的空冷凝汽器的數(shù)量在隨著風(fēng)速的增大而減少,而發(fā)生倒灌的凝汽器數(shù)量在逐步增加,此時(shí)影響空冷島換熱效率的主導(dǎo)因素為倒灌。2.2.2風(fēng)機(jī)入口采用改造的方法由圖4可以看出8種發(fā)生頻率較高的風(fēng)向中,對(duì)空冷島換熱最不利的風(fēng)向是西風(fēng)(爐后風(fēng))。由空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí)可知,當(dāng)自然風(fēng)從鍋爐房和汽機(jī)房后方吹來(lái)時(shí),熱空氣在汽機(jī)房上部形成一個(gè)巨大的尾流區(qū)(見圖8)。在空冷島與汽機(jī)房相鄰的一側(cè),由于該區(qū)域的風(fēng)機(jī)抽吸和汽機(jī)房背部形成的渦流區(qū)的共同作用,在該區(qū)域形成一個(gè)局部負(fù)壓區(qū),使附近空冷散熱器排出的部分熱風(fēng)又被抽吸到風(fēng)機(jī)的入口,加之從鍋爐后方吹來(lái)的風(fēng)本身要比環(huán)境空氣的溫度高,所以導(dǎo)致該區(qū)域的風(fēng)機(jī)入口溫度升高較多。同時(shí),當(dāng)環(huán)境風(fēng)通過(guò)鍋爐汽機(jī)房后,在其后方形成較大的水平渦流區(qū),使得空冷島下方的流場(chǎng)非常混亂(見圖9),風(fēng)機(jī)入口抽風(fēng)困難。而在空冷島外側(cè),大風(fēng)在空冷島后部形成一個(gè)較強(qiáng)的尾跡回流區(qū)并發(fā)展成很強(qiáng)的渦流,在空冷島擋風(fēng)墻的下風(fēng)側(cè)也形成水平渦流,進(jìn)而將熱風(fēng)抽回這一區(qū)域的風(fēng)機(jī)入口,使得這一區(qū)域的進(jìn)風(fēng)口空氣溫度隨之升高。2.2.3空冷凝汽器風(fēng)機(jī)處理壓力加當(dāng)有平行于A列的橫向自然風(fēng)通過(guò)空冷平臺(tái)時(shí),由于遇到鍋爐和汽機(jī)房以及空冷島的阻擋,使得環(huán)境風(fēng)的通流面積減小。由流體力學(xué)知識(shí)可知,通流面積減小時(shí)環(huán)境風(fēng)速將增大,尤其在空冷島與主機(jī)房之間的狹小區(qū)域環(huán)境風(fēng)速將變得更大。由流體力學(xué)知識(shí)可知,當(dāng)風(fēng)速增加時(shí),周圍區(qū)域的壓力將減小,出現(xiàn)負(fù)壓區(qū),使得空冷凝汽器風(fēng)機(jī)入口處于負(fù)壓區(qū),風(fēng)機(jī)的抽風(fēng)量減小,而且鍋爐側(cè)的空冷凝汽器的熱風(fēng)回流將更加嚴(yán)重,空冷凝汽器的換熱效率降低。因此在較大的平行風(fēng)出現(xiàn)時(shí),臨近鍋爐和汽機(jī)房側(cè)的空冷凝汽器的換熱效率將大幅度減小,導(dǎo)致整個(gè)空冷島的換熱效率降低(見圖10)。3空冷島換效率研究文章較為全面地分析了空冷島外部流場(chǎng)特性,研究了環(huán)境風(fēng)作用時(shí)空冷島的外部流場(chǎng)的特性及換熱效率。分析了環(huán)境風(fēng)速、風(fēng)向?qū)绽鋶u外部流場(chǎng)及換熱效率的影響,并對(duì)熱風(fēng)回流、倒灌、爐后來(lái)風(fēng)和平行A列的環(huán)境風(fēng)進(jìn)行了重點(diǎn)研究。通過(guò)本文的研究可以得出以下結(jié)論:(1)環(huán)境橫向風(fēng)對(duì)空冷島外部流場(chǎng)和換熱效率的影響非常大,且不同