环境风对火电厂直接空冷系统热回流影响的研究

王玲花，黄 鑫，乔文涛，张 杨



环境风对火电厂直接空冷系统热回流影响的研究

王玲花1，黄 鑫2，乔文涛3，张 杨1

（1. 华北水利水电大学电力学院，郑州 450000；2. 四川省紫坪铺开发有限责任公司，成都 610000；3. 黄河勘测规划设计有限公司，郑州 450003）

本文利用Fluent软件对某火电厂2×1000MW机组直接空冷系统流场进行数值计算，研究了热回流率随环境风向和风速的变化规律以及挡风墙高度对热回流率的影响。计算结果表明：直接空冷系统的散热性能对周围风环境很敏感，特别是从锅炉房和间接空冷塔方向来流时，大风对空冷岛的散热效果影响较大；其他风向下，随着来流风速增加，热回流率先增大后减小；适当增加挡风墙高度，可以有效降低热回流率。

火电厂；环境风；直接空冷系统；热回流率；数值模拟

0 前言

近年来，大容量、高参数的大型汽轮机组不断应用于新建的火电厂中，这类机组在燃用大量煤炭的同时，又耗用了大量的水资源。由于我国受到煤和水分布不均的制约，在一些“富煤缺水”地区往往无法兴建大型火电厂。为此，机组空气冷却系统（简称空冷系统）便应运而生，它包括直接空冷系统和间接空冷系统。直接空冷技术由于其基建投资省、占地面积少、防冻手段多、灵活可靠，明显优越于间接空冷技术。但直接空冷凝汽器暴露在空气中，其散热效果受环境因素影响较大。如果直接空冷凝汽器布置不当或在环境风影响下，空冷散热器排出的热空气会重新回到空冷岛底部，形成热回流。热回流对直接空冷凝汽器的散热效果影响很大，会导致汽轮机背压升高，严重时甚至造成机组停机，危及整个电厂的运行。对此，国内外学者进行了一系列研究[1-12]。

为解决工程实际问题，本文针对国内某火电厂2×1000MW直接空冷系统进行数值研究。该电厂既有直接空冷机组又有间接空冷机组，间接空冷塔的存在对直接空冷岛的散热效果有何影响不是十分清楚，流场情况比较复杂，因此需要深入探讨其流场流动规律，为工程实际提供合理建议。

1 热回流产生的机理

火电厂直接空冷系统对汽轮机乏汽的冷却，是一个在环境风作用下进行强迫对流换热的过程。在无风情况下，轴流风机从空冷岛底部抽吸冷空气进入直接空冷凝汽器进行换热，排出的热气流呈羽流状向上散发到大气中。当大风从不利风向吹过空冷岛时，气流在锅炉房、汽机房、挡风墙等建筑物边缘发生分离，产生包含有大小不一旋涡的涡流区，从空冷凝汽器排出的热空气受到上升热浮力、来流惯性力和旋涡紊动剪切的共同作用，另外，由于风机的抽吸作用，空冷岛底部会形成低压区，空冷平台上方和下方形成压差。在上述因素的共同影响下，本来呈羽流状上升的热气流会被压弯，一部分热气流会重新回到风机进口，形成热回流。

2 模型及计算方法

2.1 物理模型及网格

对于该电厂的直接空冷系统，由于空冷岛周围流场不仅与当地气象条件有关，还与电厂主要建筑物的大小、形状和位置有关，因此，本文主要对电厂较高建筑物（包括锅炉房、汽机房、空冷岛、两座间接空冷塔）进行建模，其实体模型如图1所示。本模型中空冷岛平台高50m，宽97.8m，长224m，平台四周设置2m宽的过道，空冷凝汽器散热面积2224833m2，凝汽管束长10m；每台机组配置轴流风机80台，单台风机直径9.754m，静压113Pa，额定流量552m3/s，由此可得风机进风速度为7.39m/s。

1-空冷岛；2、3-间接空冷塔；4、5-锅炉房；6-汽轮机房

计算域尺寸2480×2300×800m，从锅炉房指向空冷岛为X轴正方向，从空冷岛指向间接空冷塔2为Y轴正方向，竖直向上为Z轴正方向。利用Gambit软件进行网格划分，在风向为+X方向、风速7m/s、环境温度30℃的工况下通过初步试算，选择三套网格方案（290万、341万、449万个网格）分别进行流场计算。计算结果表明，三套网格所得风机入口处的平均温度相差不大。为了进一步节约计算机内存资源和提高计算速度，选用341万网格进行后续计算。

2.2 计算方程及边界条件

2.2.1 计算方程

由于空冷岛周围空气流速较小，计算选择不可压缩理想气体，雷诺时均控制方程。本文所用计算方程如下[13]：

连续方程为

动量方程为

+=－

+[+]=

[(+)]++－（4）

++=[(+)]+－（5）

2.2.2 边界条件

本计算是在环境温度为30℃的情况下，考虑不同风速、不同风向对空冷系统热回流的影响，如图2所示。计算域入口设为速度入口，与之相对的为压力出口，上顶面与侧面为对称边界。计算域入口风速大小采用迪肯的幂定律描述：=，式中，=10m；为处的风速；为任意高度；为处的风速；为地面粗糙系数，根据电厂实际地形，取=0.16，该条件用Fluent自带的UDF编程加载。

1-空冷岛； 2、3-间接空冷塔；4、5-锅炉房；6-汽轮机房；7-全年风频；8-夏季风频

本计算中风机和凝汽管束按无限薄面处理，均采用速度入口边界条件[8]，风机风向竖直向上。空冷凝汽器出口风速设为线性分布，靠近乏汽管道速度小，远离乏汽管道速度大，方向垂直于侧面，如图3所示，由流量守恒计算得空冷凝汽器出口的最大风速0max=4.71m/s，该条件用Fluent自带的UDF编程加载。凝汽器出口空气温度根据现场实测数据，设为61.8℃。其他建筑物表面设置为壁面边界条件。数值计算方法采用SIMPLE算法，迎风格式采用默认的二阶格式。

1-风机孔；2-凝气管束；3-乏汽管道；4-空冷平台；5-冷空气；6-热空气

2.3 热回流率的定义

为定量分析热回流，本文定义热回流率如下：

式中，T为风机入口处平均温度；T为环境温度；0为空冷凝汽器出口温度。

3 计算结果分析

3.1 风速大小及风向对热回流率的影响

每隔45°取一个风向，对风速为3m/s、5m/s、7m/s、9m/s、15m/s共40种工况分别计算，绘制得到不同风速、不同风向下的热回流率变化曲线，如图4所示，图中横坐标为风向角，纵坐标为热回流率。

从图4中可看出，在同一来流速度下，风向角为0°~90°与270°~360°时，热回流率明显高于其他风向，热回流现象较严重；为90°~270°时，热回流率较小。

从图4还可看出，在0°、270°风向角下，随着风速的增加，热回流率逐渐增加，这是由于在两种风向角下，气流分别流过上游侧的锅炉房和间接空冷塔时，在其顶部发生分离，产生大小不一的旋涡，导致下游侧空冷岛的热流场被干扰，风速越大，旋涡扰动能力越强，就有更多的热空气被卷吸到空冷岛底部，热回流率也就越大。在45°、315°风向角下，风速在3m/s~5m/s范围变化时，风速增加，热回流率增加；当风速大于5m/s时，随着风速的增加，热回流率反而减小，这是因为风速过大时，来流惯性力远大于空气的热浮力，冷空气直接倒灌至空冷岛底部，从而使热回流率略有下降。在90°风向角下，随着风速增加，热回流率逐渐减小，这是因为，在此风向角下，下游的间接空冷塔对空冷岛排出的热空气扩散有一定的阻碍作用，来流风速越大，这种阻碍作用越小，因此热回流率也越小。

从图4中对比90°和270°风向角下的热回流率可以发现，当风速增加时，后者明显要高于前者。

在0°风向角、风速3m/s工况下，锅炉房4中截面的温度及流线分布如图5所示。由图可看出，空冷岛靠近锅炉房的一侧，热回流较明显，远离锅炉房的一侧，热回流相对较弱；来流在锅炉房顶部发生分离，并在锅炉房和汽机房的下游分别形成了两个旋涡，在空冷岛远离锅炉房的一侧，气流流经挡风墙时发生分离，在空冷岛下游形成了巨大的旋涡结构。

图4 风速大小及风向与热回流率的关系

图5 锅炉房4中截面温度及流线分布温图

3.2 挡风墙高度对热回流率的影响

本电厂挡风墙设计高度为15m，计算时在此基础上适当增加挡风墙高度（如增加1m、2m、3m、4m、5m），以分析挡风墙高度对热回流率的影响程度。

在0°风向、风速7m/s的工况下进行计算，热回流率随挡风墙高度的变化规律如图6所示。由图可看出，随着挡风墙高度的增加，热回流率逐渐降低，但下降趋势渐缓，特别是增加到18m后，再增加挡风墙高度，热回流率的下降较小。由此得出，挡风墙高度在设计高度的基础上适当增加2~3m，热回流率下降较明显，随着挡风墙高度进一步增加，热回流率下降不明显。对比分析挡风墙高度为=15m、17m时的锅炉房5中截面的温度及流线分布图规律（如图7、8所示），发现挡风墙高度增加后，空冷岛底部的高温区减小，空冷岛两侧的旋涡结构上移，旋涡的剪切作用以及边缘风机的抽吸作用减弱，减少了回到空冷岛底部的热空气，热回流率降低。

图6 热回流率与挡风墙高度的变化关系

图7 挡风墙高度h=15m

图8 挡风墙高度h=17m

4 结论

通过对该火电厂2×1000MW直接空冷系统空冷岛周围热态流场进行数值计算研究，得出：

（1）找出了环境风速和风向对直接空冷岛热回流率的影响，发现来流速度相同，风向角为0°~90°与270°~360°时，热回流现象比其他风向严重；风向角为0°、270°时，随着风速的增加，热回流率增加，风向角为45°、315°时，随着风速的增加，热回流率先增大后减小，在90°风向角下，随着风速增加，热回流率逐渐减小。

（2）挡风墙高度增加2~3m可有效降低热回流率，提高直接空冷凝汽器的散热效率，随着挡风墙高度的进一步增加，其降低热回流率的效果不明显。

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Study on the Effect of Environmental Wind on Thermal Recirculation Under Tower of Direct Air Cooled System in Thermal Power Plant

WANG Linghua1, HUANG Xin2, QIAO Wentao3, ZHANG Yang1

(1. Institute of Electric Power, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450000, China; 2. Sichuan Zipingpu Development Limited Liability Company, Chengdu610000, China; 3. Yellow River Engineering Consulting Co., Ltd., Zhengzhou 450003, China)

This paper uses Fluent to calculate the Flow field of a 2×1000MW direct air-cooled system in a thermal power plant, and researches the variation of thermal recirculation ratio with environmental wind speed and direction, as well as the height of wind wall’s influence to thermal recirculation ratio. The results show that, the heat radiation of direct air-cooled system is very sensitive to wind environment, especially from the direction of indirect air-cooled tower and boiler room, the effect of wind on heat radiation of air-cooled island is large. In the other directions, with the increase of flow, thermal recirculation ratio first increases and then decreases. Through increasing height of wind wall, thermal recirculation ratio can be reduced obviously.

thermal power plant; environmental wind; direct air-cooled system; thermal recirculation ratio; numerical simulation

TM621

A

1000-3983(2017)04-0076-05

2016-10-10

王玲花（1965-），博士，1987年本科毕业于华北水利水电学院水电站动力设备专业，1993年硕士毕业于河海大学流体机械及流体动力工程专业，2007年博士毕业于河海大学水利水电工程专业，研究方向为能源与动力工程，教授。